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目的:应用有限元方法获得唇腭裂患者牙槽突裂植骨区不同骨吸收情况下颅上颌复合体对上颌前段牵张成骨的生物力学特性.为临床应用上颌前段牵张成骨纠正唇腭裂继发上颌发育不足提供理论依据｡
方法:采用三维有限元法.建立单侧完全性唇腭裂患者颅上颌复合体模型,模拟上颌骨前段截骨､牙槽突裂植骨及骨吸收,选取双侧第一前磨牙牙颈部节点加载位移6mm､0.5mm,分别用于位移规律和应力分布分析｡
结果:植骨不吸收时,健､患侧矢状前移和上颌骨前段逆时针旋转运动对称性､牙弓形态横向稳定性､植骨区两端高度一致性､骨缝应力分布均匀性最佳;植骨吸收部位越接近下方､吸收量越多时,健､患侧不对称前移､牙弓变形､植骨区台阶越明显｡
结论:植骨吸收部位越接近下方､吸收量越多时,上颌前段牵张成骨效果越差｡
[关键词]唇腭裂;上颌发育不足;上颌前段牵张成骨;牙槽突裂植骨;有限元法
唇腭裂是口腔颌面部最常见的先天性发育畸形之一，常表现为不同程度的上颌骨矢状向、垂直向和横向发育不足。临床研究证实，上颌前段牵张成骨(anterior maxillary segmental distraction osteogenesis，AMSD)能有效纠正唇腭裂继发上颌骨发育不足【1--2]。AMSD术前通常应先行牙槽突裂植骨，但植骨区骨吸收是否会对AMSD的结果造成不利影响，无论临床研究或生物力学研究均未给出明确结论。有限元法作为一种结构变形和应力分析方法，自20世纪70年代初被引人口腔医学研究领域以来，已逐渐成为一种重要的口腔生物力学分析手段。国内外已有学者开展了唇腭裂患者上颌快速扩弓、前牵引矫治的生物力学分析，并探讨了后者与牙槽突裂植骨及植骨区骨吸收的关系。而针对唇腭裂患者上颌牵张成骨治疗的三维有限元研究不仅较少，且未曾涉及发生植骨区骨吸收时唇腭裂颅上颌复合体对牵张成骨的生物力学反应(5-6)。
本研究旨在建立人单侧完全性唇腭裂颅上颌复合体三维有限元模型，模拟上颌前段截骨及牙槽突裂植骨，应用有限元法探讨植骨区不同骨吸收情况下，以牙-骨混合支持式牵引器牵引时上颌复合体标志点位移规律及应力分布，为临床应用AMSD纠正唇腭裂继发上颌骨发育不足提供理论依据。
1材料与方法
1.1建模标本
研究对象为1例14岁左侧完全性唇腭裂患者，女性，已行唇腭裂修复术，未行牙槽突裂植骨术，头影测量显示上颌骨发育不足。
1.2单侧完全性唇腭裂颅上颌复合体三维几何模型的建立
对研究对象进行颅顶至下颌骨下缘薄层螺旋CT扫描，提取扫描数据中65层关键层面的轮廓线的关键点，拟合成NURBS曲线；将每条曲线的控制点列和节点矢量同时写人输出文件中，得到几何模型，导入Ansys12.0软件(AnsysInc.,Canonsburg，Philadelphia,美国）。组合包括顶骨、枕骨、颞骨、蝶骨、额骨、颧骨、鼻骨、上颌骨及上颌牙列在内的不同解剖结构，建成相应的实体模型。
1.3单侧完全性唇腭裂颅上颌复合体三维有限元模型的建立
1.3.1上颌前段截骨部分的建模将上述实体模型导入HyperMesh12.0软件（Altair,美国）。参照临床上颌前段截骨线的部位和宽度，由Analysis模块中的“Vector”功能生成截骨面法向量，通过Geometry模块中的“Solid edit”功能对实体进行分割，形成的截骨线宽2mm，水平截骨线起于梨状孔侧缘，在上颌牙根尖上方5mm处向后延伸，与双侧第二前磨牙与第一磨牙之间的垂直截骨线相连。1.3.2牙槽突裂植骨及骨吸收部分的建模将裂隙区内下起牙槽崎顶上至鼻底共30个面导入SolidEdge ST7软件（Siemens，德国）。根据临床上牙槽突裂植骨部位和范围，参照陈铮晰等的研究，共模拟6种植骨情况：未植骨、植骨不吸收、植骨上2/3吸收、上1/3吸收、下2/3吸收、下1/3吸收，以口腔侧为下，鼻底侧为上。利用曲面处理模块创建点、线，通过有界功能生成曲面，将所有面缝合为体并附加到原模型中，导出骨块实体(图1）。
1.3.3单侧完全性唇腭裂颅上颌复合体的有限元建模
在HyperMesh12.0中，将骨块实体导入已模拟截骨的实体模型。利用Geometry模块中的“Surface edit”功能删除多余的点、线、面。对上述实体模型进行网格划分，选定单元类型为四面体四节点单元（solid72)，设置颅骨网格大小为3mm，面骨和牙网格大小为2mm，骨缝和截骨线网格大小为0.8mm。最后在Ansys环境下导出有限元模型，规定前后向为X方向，枕部为后，向后为正；横向为Y方向，健侧为右，向右为正；垂直向为Z向，颅顶为上，向上为正（图2、3）。
1.4有限元模型的材料设置
假设所有材料均为各向同性、均匀连续的线弹性材料，定义各结构相应参数(表1）。
其中，截骨线和植骨块的材料参数分别设置为骨痴和骨松质{3-5}(图4）。
1.5有限元模型的约束与载荷设置
在Ansys12.0中导入有限元模型，约束枕骨大孔周围所有节点的平移自由度。模拟临床上使用牙-骨混合支持式牵引器进行AMSD的情况(图5），
参照O1mez等的研究，在第一前磨牙牙颈部节点各施加6mm、0.5mm的位移载荷，方向向前与颌平面平行(图6）。
1.6观察指标
1.6.1牙、牙槽骨和面部的位移标志点
在施加6mm位移载荷的模型中，分别对牙及牙槽骨区域、面部区域选取具有代表性的标志点。目的是在计算结果中提取其对应的位移值，同时比较健侧与患侧相应位置的位移差，用以评价变形效果。牙及牙槽骨标志点共16个，包括健、患侧1切端、3牙尖、4颊尖、5颊尖及上述各牙位根尖基骨处点；面部标志点共16个，包括眶上缘、眶下缘、颧骨体、颧骨额突、颧骨上颌突、颧骨颞突、梨状孔侧缘处。
1.6.2骨缝和植骨块的应力标志点
在施加0.5mm位移载荷的模型中，采用von Mises应力衡量受力状况。分别对健、患侧的额颌缝、鼻颌缝、颧颌缝、颧额缝、颧蝶缝、颧颞缝、翼颌缝及鼻中缝在内的骨缝和植骨块等部位进行标记。
2结果
为探讨植骨区不同骨吸收情况下上颌复合体各标志点位移及应力分布情况，分别对6种模型实施有限元计算，获取位移及应力分布的计算结果。关于位移分布情况，以6mm位移加载下矢状方向的结果为例，如图7所示；
关于应力分布情况，以0.5mm位移加载为例，如图8所示。
最为对称，其次为植骨吸收上1/3、上2/3、下1/3，以植骨吸收下2/3时对称性最差（表2）。
横向情况：各模型均产生上颌前段牙弓的水平向扩展，植骨后标志点位移及健、患侧位移差均较植骨前减少，说明植骨可维持牙弓形态稳定，其中以植骨不吸收时牙弓形态变化最小，其次为植骨吸收上1/3、上2/3、下1/3，植骨吸收下2/3时弓形稳定性最差(表3）。
垂直向情况：所有标志点均出现向上位移（表4)，
植骨后裂隙区两端高度差较植骨前减小，说明植骨可减小裂隙区两端的台阶，其中以植骨不吸收时台阶最小，其次为植骨吸收上1/3、上2/3、下1/3，植骨吸收下2/3时台阶最大(表5）。
各模型中均观察到上颌前段逆时针旋转(表6)，
以切端或牙尖标志点与根尖标志点矢状向、垂直向位移差表示各部位发生逆时针旋转的程度，其中矢状向位移差越大，垂直向位移差越小，逆时针旋转越明显。植骨后健、患侧旋转量之差较植骨前减小，说明植骨后健、患侧逆时针旋转运动趋于对称，其中以植骨不吸收时最为对称，其次为植骨吸收上1/3、上2/3、下1/3，植骨吸收下2/3时对称性最差。
2.2面部标志点位移结果
面部各标志点在矢状方向上的位移值及健、患侧位移差的计算结果见表7。
各标志点在矢状向上均发生前移，植骨后健、患侧标志点位移差较植骨前减小，说明植骨后健、患侧矢状前移趋于对称，其中以植骨不吸收时最为对称，其次为植骨吸收上1／3、上2／3、下1／3，植骨吸收下2／3时对称性最差。
2 ．3 骨缝应力结果
表8列出了各模型的骨缝Mises应力分布及健、患侧的差值。未植骨模型中，Mises应力最大值出现在翼颌缝，其次为鼻中缝、颧额缝；植骨模型中，Mises应力最大值位于翼颌缝．其次为额颌缝、鼻中缝。植骨后，除颧颌缝外，其余骨缝健、患侧vonMises应力差较植骨前减小，说明植骨后健、患侧骨缝应力分布趋于对称．其中以植骨不吸收最为对称．其次为植骨吸收上1／3、上2／3、下1，3，植骨吸收下2／3时对称性最差。
2．4 骨块应力结果
图8显示不同植骨情况下的应力分布．可见应力主要集中于梨状孔侧缘、上颌骨额突、蝶骨翼板及植骨块表9列出了各植骨模型中植骨块Mises应力的具体数值。
以植骨吸收下2／3时产生的Mises应力最大．其次为植骨吸收上2／3、下1／3、上1／3，植骨不吸收时产生的Mises应力最小。
3 讨 论
约40％的唇腭裂患者需成年后行传统正颌手术(conventional orthognathic surgery，CO)，以纠正上颌骨发育不足由于因先天性上颌骨发育潜能的缺陷和手术瘢痕的存在．唇腭裂患者上颌骨前徙极限量仅5mm甚至更少．且正颌术后复发率高达25％～50％t~Cohen等[8-9]于1995年首次通过LeFortI型截骨牵张成骨(conventional maxillary distraction osteogenesis，CMDO)，成功治疗了单侧唇腭裂患者的上颌骨发育不足牵张成骨技术除了允许更大的上颌骨前移量、取得更稳定的长期疗效外，还能获得更为协调的软组织侧貌但是，唇腭裂患者常见上牙列重度拥挤．无论CO或CMDO．均不能创造排齐牙列所需的间隙．而AMSD在上颌前段水平截骨，上颌第一磨牙与第二前磨牙间或上颌前磨牙间垂直截骨，因而可提供解决牙列拥挤所需的空间，并克服了CO和CMDO可能导致腭咽闭合不全和语言功能恶化的弊端(10)，牙槽突裂是唇腭裂常见的伴发畸形之一．牙槽突裂植骨是唇腭裂序列治疗不可或缺的一部分．其目的是稳定上颌骨段．恢复上颌骨的连续性，重建上牙弓的理想形态．修复患侧鼻底塌陷，消除口鼻瘘，为尖牙萌出、正畸牙移动、种植修复提供骨支持⋯1然而，植骨术后植骨区骨吸收的发生不可避免．Kim等『12J发现植骨术后骨吸收主要见于术后3～12个月，且植骨区下部的骨吸收量显著大于上部。AMSD术前行牙槽突裂植骨已成为共识．即使植骨区发生一定骨吸收时．AMSD仍可进行．但植骨区骨吸收是否会对AMSD的结果造成不利影响则未见报道。
为明确植骨区骨吸收对AMSD结果带来的影响,本研究在单侧完全性唇腭裂颅上颌复合体模型上模拟上颌前段截骨及6种植骨情况所模拟的牙一骨混合支持式牵引器的设计特点在于通过上颌前段腭侧种植支抗与牙支持式牵引器的机械嵌合.实现加力水平上移.接近阻抗中心因唇腭裂患者腭穹隆低平.腭侧种植支抗施力水平接近牙槽嵴顶.为简化计算.本研究选择双侧第一前磨牙牙颈部节点加载位移位移值的选取参照Olmez等[习的研究结果.在双侧第一前磨牙牙颈部节点加载6mm位移的模型中评价上颌前段的三维运动因颅上颌复合体所承受的应力是在每次加力后产生.牵引后即刻达最大值,尔后逐渐降低达最小值,呈现峰谷形态:且随牵引次数增加.每次加力所产生的最小值逐渐增大,因此,为防止计算得出的应力结果过度夸大.本研究选择在加载0.5mm位移的模型中进行应力评估｡
当植骨不吸收时，健、患侧矢状前移、上颌前段逆时针旋转运动、骨缝应力分布对称性．牙弓形态横向稳定性、植骨区两端高度一致性最好。植骨吸收部位越接近下方、吸收量越多，AMSD效果越差，引起健、患侧不对称前移、牙弓变形、植骨区出现台阶．术后正畸医师需花费更多精力，协调上、下牙列弓形，整平植骨区台阶．增加了术后正畸治疗的难度对于唇腭裂颅上颌复合体而言．植骨区是薄弱部位。植骨吸收部位越接近下方、吸收量越多，植骨区应力集中越明显．进而增加上颌骨连续性破坏的可能性。提示临床上植骨吸收部位越接近下方、吸收量越多，越有必要采取措施．防止上述问题的发生临床上已证实．钛板固定裂隙区两侧骨段是获得跨裂隙区稳定性的有效措施。范海东等（14）、Wang等[15]分别对6例唇腭裂患者行LeFortI型截骨同期牙槽突裂植骨．并在植骨区上方以钛板固定牙槽突裂两侧骨段．术后结果显示．上颌骨发育不足均得到有效纠正．且植骨存活良好。通过三维有限元法，李孝英等（16）证明，在唇腭裂上颌复合体模型中．裂隙间行钛板固定后以内置式牵引器行CMDO．可以避免腭部出现压缩现象。但植骨区发生骨吸收时．通过植骨区上方的钛板固定能在多大程度上减轻植骨区的应力集中现象并获得预期的上颌运动结果．仍无一致意见。
陈铮晰等(4)在已建立的单侧完全性唇腭裂颅上颌复合体有限元模型上模拟7种植骨情况:未植骨,植骨不吸收｡植骨上1/3吸收.上2/3吸收,下1/3吸收.下2/3吸收,上下各吸收l/3｡在每侧尖牙远中施加大小500g､方向向前下与袷平面呈3O｡的牵引力.得出“植骨区上方发生吸收时的上颌前牵引比植骨区下方发生吸收时的上颌前牵引应力分布更为均匀.健､患侧位移变化更为接近”的结论,并推测是因前牵引力加载的位置位于植骨区上方的缘故｡相反,本实验中加力位点位于植骨区下方.使得植骨区下部承受的应力大于上部.决定了植骨区下部完整性在保证应力均匀对称传递,健､患侧标志点位移和骨缝应力分布不出现过大差异｡可见,不同植骨吸收情况对AMSD结果的影响与牵引力施加位点与植骨区的相对位置有关.而后者随牵引器种类不同而有所差异牙支持式及牙一骨混合支持式牵引器加力部位通常更靠近植骨区下方.而骨支持式牵引器更多在植骨区上方施加牵引力相对于本实验所模拟的牙一骨混合支持式牵引器.使用诸如内置式牵引器､颅外支架式牵引器等骨支持式牵引器时,植骨区上部骨吸收是否不利于应力均匀对称的传递,有待于进一步实验证实。
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155-2731-8020
