有限元分析法在唇腭裂序列治疗中的研究进展

    有限元分析法借助离散化理论使连续介质分成有限个子集，又将连续介质相互连接组成等效的集合体，由此构建出一个网络，同时利用虚功原理及基本力学方程构建线性方程组，求解连续介质的几何位移和变形，从而对复杂的物体形状、结构和材料的力学性能等进行应力分析[1,2,3,4,5,6,7,8]。Thresher和Saito[3]率先使用有限元法研究了均匀和非均匀人类牙齿的应力状态。Miyasaka等[9]和Miyasaka-Hiraga等[10]率先将其应用于颌面外科，采用机械切割的方法成功建立比较可靠的颅面复合体三维有限元模型。Holberg等[11]利用三维扫描仪对成人颅面骨进行扫描，并模拟临床实际情况删减相应区域单元，建立起单侧及双侧腭裂的三维有限元模型。随着计算机技术及生物医学的快速发展，有限元分析法逐渐在唇腭裂序列治疗中展现其优势。本文对唇腭裂颅面复合体的有限元模型的建立及其分析法在唇腭裂研究中的应用进行综述。

     一、唇腭裂颅面复合体有限元模型的建立

    颅面复合体有限元模型的建立从最初的磨片、切片法，到现在的三维测量法，目前大多数研究是利用CT或磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)断层影像获得的轮廓数据进行三维重建。而唇腭裂畸形有限元模型则是在颅面复合体有限元模型的基础上通过删减相应单元格建立起来的，或者通过对唇腭裂患者的头颅进行连续CT扫描，经图像处理软件、三维重建软件与ANSYS软件相结合，建立起唇腭裂颅面复合体有限元模型。

    日本学者Miyasaka等[9]和Miyasaka-Hiraga等[10]采用机械切割的方法，率先成功建立了比较可靠的颅面复合体三维有限元模型，为后续的生物力学研究开创了新的道路。

    Holberg等[11]利用三维扫描仪对成人颅面骨进行扫描，经过图像数字化处理及计算机辅助设计，建立了正常人颅面复合体三维有限元模型，然后模拟临床实际情况删减相应区域单元，建立起单侧及双侧腭裂的三维有限元模型。Nagasao等[12]通过获取颅面骨CT断层扫描数据资料，经有限元建模软件建立标准颅面复合体有限元模型，再通过单元删减生成不同类型腭裂有限元模型。上述这2种唇腭裂有限元模型的建立都是在标准模型上对相应临床区域单元进行删减获得的，并不能准确表达唇腭裂畸形解剖特异性及细微的结构。

    雷勇华等[13]对1例10岁单侧唇腭裂(unilateral cleft lip and palate, UCLP)患者的颅面部进行CT扫描，联合应用Mimics等工具软件，利用扫描数据构建UCLP上颌骨三维有限元模型，通过该模型研究唇腭裂患者上颌骨牵引的生物力学效应。余嘉等[14]则以1例14岁UCLP患者为素材建立唇腭裂颅面三维有限元模型，模型中包含了上颌骨周围的骨缝结构，可以真实反映患者发育期唇腭裂上颌复合体的解剖结构。吴志芳等[15]对1例换牙期UCLP患者进行颅面部螺旋CT扫描，利用Mimics、Geomagic Studio、Solidworks和ANSYS等软件，建立颅上颌复合体有限元模型。该模型包含12条颅面骨缝结构并同时具有良好的生物力学特征；模拟的颅面骨及骨缝几何形态相似性好，可选择任意角度观察或提取其中任意组件进行局部研究。

    韩菡等[16]使用锥形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)扫描1例恒牙早期UCLP患者的上颌，借助Mimics、Geomagic studio、Solidworks、自编软件Biomedical Modeler等，建立了单侧完全性唇腭裂上颌三维有限元模型，再利用镜像原理模拟出对侧裂隙，成功构建出生物力学特征较好的双侧完全性唇腭裂三维有限元模型，可为后续唇腭裂生物力学研究提供模型基础。而文抑西等[17]前期先建立含腭板软组织的腭裂上颌骨三维有限元模型，后在此基础上赋予上唇软组织材料属性，建立了含上唇软组织的三维有限元模型[18]，不仅可反映真实上唇软组织生物力学性能，用于力学研究，还可以为后续研究唇裂术后上唇压力及术后瘢痕对上颌骨的影响提供模型基础。

    二、唇腭裂颅面复合体有限元分析法的应用现状

    (一)有限元分析法在上颌前牵引生物力学研究中的应用进展

    唇腭裂患者由于自身内源性颌骨发育不足，以及唇、腭裂修复术后瘢痕挛缩和局部骨膜损伤等因素，常导致面中部骨骼发育不足。目前临床上治疗方法主要有4种：正畸治疗[19]，传统正颌外科技术[20]，截骨牵引成骨技术[21]，经缝牵引成骨技术[22]。

    传统的Le Fort截骨术因创伤大、风险高、术后复发等问题，常需等患儿面部骨骼发育成熟后才能实施。牵引成骨技术在1997年首次被报道用于治疗上颌骨发育不全，经过几十年的发展，已得到广泛应用。临床上一般将牵引器分为外置式牵引器、内置式牵引器及牙支持式牵引器。牵引装置种类、安放位置、牵引力大小、力轴方向等都会对最终牵引效果产生影响。利用有限元分析方法不仅可以模拟承力点位置及牵引力的大小、方向、持续时间等，还可以模拟上颌骨裂隙修复、唇腭裂修复术后瘢痕收缩力等，通过观察颌骨应力、位移变化等来指导临床实践。

    Gautam等[23]在上颌骨有限元模型的第1前磨牙处模拟高位、水平、低位牵引，发现此3种方向的牵引都会使上颌骨生长受到抑制；使腭平面顺时针旋转；使腭中缝扩大、鼻底增宽等。Chen等[24]为研究不对称上颌牵引在UCLP患者中的生物力学效应，建立了UCLP三维有限元模型，在双侧上颌尖牙牙槽区模拟咬合平面向下30°方向的不对称牵引，发现上颌前牵引在腭裂侧负重6 N和非腭裂侧负重5 N时效果最好。可见，对UCLP患者实施不对称上颌前伸术可能是有利的。

    雷勇华等[25,26]使用ANSYS软件模拟上颌骨裂隙修复前后状况，对比上颌骨前牵引的治疗效果，发现裂隙修复后再行前牵引治疗会使应力分布更加均匀，有利于上颌骨发育。使用ANSYS软件，以额、颏为支点，在双侧上颌尖牙近中牙槽骨上模拟每侧500 g、向前下20°~45°方向的前牵引时，发现前牵引方向与功能牙（牙合）平面夹角越大，牙弓内缩程度越轻，由此提出临床上对唇腭裂患儿行前牵引矫治时，牵引方向与功能牙（牙合）平面角度应适当增大，以避免牙弓内缩。

    我国学者建立了Ⅲ类错（牙合）的颅上颌复合体三维有限元模型，在上尖牙近中牙槽骨处加载与水平面呈－20°~50°(水平面向下为正)、大小为3~8 N的前方牵引力，分析颅上颌复合体的位移、应力变化[27,28]。发现在5 N/侧的上颌前牵引力作用下，牵引角度与水平面呈30°~40°时，颅上颌复合体平动；牵引角度大于40°时，颅上颌复合体呈顺时针旋转；牵引角度小于30°时，颅上颌复合体呈逆时针旋转。在30°牵引角下，牵引力>5 N/侧时会导致上颌骨逆时针旋转而造成开（牙合）趋势。

    Lee和Baek[29]建立了非唇腭裂患者颅骨和曲线微型板的三维有限元模型，模拟在颧牙槽嵴和梨状孔侧缘牵引点处施加大小5 N/侧、方向向前下30°的牵引，发现颧牙槽嵴处牵引更适合弥补颧上颌复合体中间部分发育不足，而在梨状孔侧缘牵引则更适合治疗鼻旁及颧上颌复合体下部的发育不足。

    韩菡等[16]使用有限元法分析比较牙支持式和微钛板支抗上颌骨前牵引的效果，发现前者以牙性作用为主，后者以骨性作用为主；后者更容易保持稳定的牵引效果，有利于改善侧貌。Parveen等[30]使用有限元方法分析并比较新型牵引器械Maxgym与传统牵引器械Facemask的效果，发现Maxgym可以产生更大的横向位移，同样可治疗UCLP患者面中部发育不足，但是其长期效果仍需临床评估。

    经缝牵引成骨技术创伤小、出血少，无需行截骨手术，而是直接将牵引力作用于生长期的骨缝，诱导缝区新骨形成及促进骨骼生长，尤其适用于治疗青少年唇腭裂患儿面中部骨骼发育不全[22]。Tong等[31]回顾分析了73例患者经缝牵引成骨技术治疗的效果，发现上颌骨前移效果满意，且术后复发率较低。孟小辉等[32]选取1例单侧完全性唇裂患者，术前行CT扫描建立头颅三维模型，经缝牵引成骨术治疗并维持牵引1个月后再次行CT扫描建立术后头颅三维模型，并借助Mimics、Geomagic、HyperMesh、ANSYS等软件研究分析，发现经缝牵引成骨术可有效改善唇腭裂患者面中部凹陷畸形。经缝牵引成骨术虽然己经在临床成功应用，但临床应用时间尚短、病例数少，仍面临诸多问题，如适应证的确定、时机选择、最佳的牵引力大小及方向等，均需进一步研究以优化临床应用。

    (二)有限元分析法在上颌扩弓生物力学研究中的应用进展

    Pan等[33]应用三维有限元应力分析法研究扩弓对上颌骨生物力学的影响，结果表明括弓的应力呈梯度递减并向上、向后传导，蝶骨是其阻抗中心，牙槽是扩弓量最大区。Holberg等[11]通过有限元分析比较了扩弓对腭裂患者与无裂患者生物力学的影响，发现双侧腭裂扩弓的位移最大，其次为单侧腭裂，均远远大于无裂患者。

    Lee等[34]为了评估快速腭扩张对UCLP患者颅面骨骼的影响，并预测扩张的最佳施力点，建立了UCLP的颅面复合体三维有限元模型进行分析，结果发现：(1)在蝶骨体、眶内侧和上颌骨颧突下区均观察到高应力集中；(2)在UCLP患者中，横向扩张力导致的应力分布是不对称的，裂隙侧应力水平较高；(3)当力更靠前或更靠后地施加于塌陷的小节段和大节段时，小节段前部的扩张更大，而大节段的扩张更小。

    Mathew等[35]以UCLP患者为研究对象，用三维有限元分析方法研究发现：与传统型快速腭扩张器(hygienic rapid expander，HYRAX)相比，使用骨载腭扩张器(bone-borne palatal expander，BBPE)可以在腭中裂区获得最大的总位移，其在牙槽水平产生真正的骨骼扩张而没有任何牙倾斜发生。

   Singh等[36]为了评估上颌交替快速扩张和收缩(alternate rapid maxillary expansion and constriction，Alt-RAMEC)方案联合上颌前牵引对UCLP患者的影响，在获得必要的知情同意后，选择25例GOSLON评分为3分的UCLP患者(年龄9~13岁)进行前瞻性单组队列研究。开始时使用定制的扇形膨胀螺钉进行为期9周的Alt-RAMEC方案治疗，随后前牵引6个月。采集治疗前(T1)和治疗后(T2)的CBCT记录，采用ANSYS 15.0软件建立有限元模型对不同颅面结构的位移和应力进行分析。CBCT结果显示：治疗后患者口腔牙槽骨厚度下降，磨牙倾斜增加，差异有统计学意义(P<0.05)。有限元分析显示：最大位移发生在前区，应力辐射至前鼻棘、颧弓、蝶骨。由此得出Alt-RAMEC方案结合上颌前牵引可使上颌明显前移，颊骨厚度有短暂的下降。

    (三)有限元分析法在上颌前牵引联合扩弓生物力学研究中的应用进展

    雷勇华等[37]利用ANSYS软件模拟上颌前牵引和上颌扩弓发现：上颌前牵引联合扩弓治疗可有效改善唇腭裂患者上颌骨发育不足。而陈铮晰等[38,39]利用ANSYS软件模拟研究发现：上颌前牵引联合扩弓治疗比单纯前牵引效果更好；牙槽植骨术后行上颌前牵引可使前牵引矫治力分布趋于均匀，效果更好。

黄威等[40]在唇腭裂上颌骨有限元模型上同时添加唇腭裂术后瘢痕收缩力及上颌扩弓联合前牵引力进行力学分析。结果发现，在唇腭裂术后瘢痕及上颌扩弓联合前牵引治疗综合影响下，上颌骨在三维方向上均出现明显生长抑制现象，其中以横向及矢状向生长抑制最明显。由此可推论单侧完全性唇腭裂患者正畸治疗后，仍存在上颌发育不足的现象，可能需要正颌手术等进一步治疗。

    Parveen等[41]利用建立的UCLP有限元模型，在+20°、0°和－20°时用传统Facemask牵引器和新型Maxgym牵引器评估有和没有上颌快速扩张时的初始位移及应力。结果发现与单纯牵引相比，牵引加扩弓的初始位移和初始应力更大；观察到不对称位移在唇腭裂侧大于非裂侧，牙齿侧大于骨骼侧；腭平面向上旋转减少，牙弓宽度增加、长度减小。

    (四)有限元分析法在肌肉软组织相关的生物力学研究中的应用进展

    尹宁北等[42]为了研究唇鼻部肌肉解剖、生物力学特征及其相互间的关系，对8例自然流产胎儿的鼻唇标本进行微型CT扫描，成功建立了唇鼻肌肉复合体三维模型，然后对该模型进行三维有限元分析，初步明确了各组唇鼻肌肉张力带与唇鼻体表形态的关系，并在263例隐性唇裂手术中应用验证。同时，据此设计了新的唇裂修复术式——唇鼻肌肉三维定向重建术，并在隐性唇裂的临床治疗中取得了满意效果。因此发现行唇裂修复时可通过肌肉张力带的调整达到恢复正常唇鼻形态的目的。陈国成[43]为了分析鼻唇沟外形与面部表情肌之间的关系，探索如何建立更加真实的鼻唇沟皮肤-肌肉-骨骼三维有限元模型，把有限元分析方法运用到鼻唇沟肌肉系统的调整上，选择更加符合真实情况的力加载方式；再通过计算机模拟鼻唇沟区域各组肌纤维间的连接方向和力的加载，以明确鼻唇沟外形与面部表情肌之间的关系。这种将先进的生物力学仿真分析手段与临床鼻唇沟年轻化新术式相结合的探索，具有很强的先进性和创新性。

    顾美珍等[44]选取1名正常儿童和1例不完全腭裂患儿，进行头颅多层螺旋CT扫描，建立正常及唇腭裂咽腔三维有限元模型，采用有限元方法分析比较正常咽腔与唇腭裂患儿咽腔在正常生理载荷下力学性质的差异。该技术可用于腭裂术前分析，为后续腭裂修复手术方式的选择提供理论支持。

Perry等[45]利用3D MRI数据和Amira 5.5可视化建模软件评估76名志愿者(70名正常者，6例腭裂修复者)的悬雍垂肌，比较肌肉长度、厚度、宽度和体积。对比结果发现：腭裂修复者的悬雍垂肌长度明显较短(13.6 mm vs. 16.1 mm，P＝0.008)且体积较小(51 mm3 vs. 98 mm3，P＝0.002)。

    黄威等[46]利用有限元分析软件ANSYS，在腭裂上颌骨有限元模型的基础上添加上唇软组织，赋予材料属性，成功构建了含上唇的唇腭裂上颌骨三维有限元模型，并对模型分组，分别进行应力分析，结果发现：唇裂术后上颌骨在三维方向上均有生长抑制，其中以矢状向生长抑制为主，由前向后抑制程度逐渐降低。

    三、有限元分析法在唇腭裂畸形治疗中应用的展望

    近几十年来，有限元分析法在口腔及颌面外科等领域中得到了快速发展和广泛应用。唇腭裂颅面复合体有限元模型的建立经历了由最初对正常模型进行区域单元格删减，到现在利用CT直接扫描唇腭裂患者建模，所建立的模型精度不断提高，从单纯的线性、静态分析发展到复杂的非线性、动态分析，从单一的骨骼模型发展到包含肌肉、韧带等软组织的完整模型分析，获得的结果更加接近真实人体。

    但是，目前唇腭裂有限元模型的建立仍基于材料线性、同性的假设，与实际人体组织非线性、异性的物理属性有很大差别；骨、骨缝及肌肉等材料属性参数的确定、边界条件的设定、单元数目划分等均没有定论，使得建立的唇腭裂三维有限元模型和真实人体仍有一定差距。另外，从数据的采集传输、模型的建立到最后的有限元分析等过程，不仅需要专业软件如ANSYS、Mimics、Solid等支持，也需要生物力学、医学影像学、计算机等专业人才与临床医生相互配合协作，科学技术的发展以及多学科融合协作才是有限元分析法发展的未来。

    利益冲突 本文作者与论文刊登的内容无利益关系

参考文献

......

第十三期内容

自体肋软骨移植在女性初次鼻综合整形术中的应用

先天性上唇正中裂、腭裂1例

西藏高原地区唇腭裂畸形修复经验总结

三维打印个性化托盘在唇腭裂新生儿术前鼻牙槽塑形治疗取模中的应用研究