上唇壓力對單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)影響的三維有限元分析

王曉宇， 王昊， 厲松

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院口腔科，北京（100070）； 2. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京口腔醫(yī)院正畸科，北京（100050）

牙槽嵴裂是最常見的伴發(fā)于唇腭裂的先天性頜面部發(fā)育畸形，該疾病以上頜牙槽嵴缺損、缺損區(qū)域牙齒缺失或阻生、口鼻瘺、上頜骨生長發(fā)育不良等為特征，導(dǎo)致進食、吞咽、發(fā)音及心理等一系列問題［1-3］。單側(cè)牙槽嵴裂患者上頜骨出現(xiàn)生長發(fā)育不良的病因，除了內(nèi)在的因素直接導(dǎo)致缺損以外，外界的環(huán)境因素，如周圍肌肉的力量、手術(shù)的時機和術(shù)式、瘢痕的形成等因素均有可能對上頜骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)造成影響［4-7］。其中，來源于唇裂術(shù)后瘢痕組織對上頜骨的持續(xù)壓力在外界環(huán)境因素中扮演了極為重要的角色，而且該手術(shù)通常在早期就已實施，過大的上唇壓力貫穿生長發(fā)育的始終，逐漸引發(fā)了上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化［8-10］。然而，既往研究大多集中于通過頭顱正側(cè)位片、錐形束CT（cone beam CT，CBCT）等影像手段或石膏模型、口腔掃描模型等對上頜骨及牙槽嵴進行形態(tài)學(xué)觀察，雖然已證實唇裂術(shù)后的上唇壓力是導(dǎo)致上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)變異的重要因素，但是僅憑觀察到的實驗現(xiàn)象，尚無法揭示其詳細(xì)的作用機制及變化規(guī)律。本研究通過三維有限元方法模擬兩種不同的上唇壓力，從生物力學(xué)的角度出發(fā)探索其對單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的作用機制，以期加深對上述解剖部位形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的理解，并為臨床診療提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 資料和方法

1.1 單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨三維有限元模型的建立

選取就診于首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京口腔醫(yī)院正畸科的1 名左側(cè)完全性牙槽嵴裂的11 歲女性患者。利用New Tom 錐體束成像系統(tǒng)（New Tom 5G，QR，Verona，Italy）獲取其全頭顱CBCT 圖像，掃描參數(shù)如下：110 kV、6.35 mA、視野15 cm×15 cm、體素大小0.25 mm。患者站立，眶耳平面與地平面平行，下頜處于牙尖交錯位，平緩呼吸、禁止吞咽及發(fā)聲。本研究已通過首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審查（審批號：KY2017-072-01）。通過前期研究獲取了其獨立的上頜骨三維數(shù)字化模型［11］，該模型通過基于深度學(xué)習(xí)的CBCT 圖像自動化分割技術(shù)，以各個骨縫為界，將上頜骨從周圍頜面部其他骨性結(jié)構(gòu)中獨立分割出來，并在平牙槽嵴水平去除了牙冠部分（圖1a）。

聯(lián)合應(yīng)用ITK-SNAP 三維醫(yī)學(xué)圖像分割軟件（Version 3.6.0，Kitware，USA）、Mimics 醫(yī)學(xué)圖像處理軟件（Version 15.0，Materialise，Belgium）、Geomagic Design X 逆向工程軟件（Version 2016.0.1，3D Systems，USA）及Ansys Mechanical APDL 有限元建模與分析軟件（Version 19.0，Ansys，USA）等工具，采用Tet 10 node 187 四面體單元類型，對實體幾何模型進行網(wǎng)格劃分，最終生成單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的三維有限元模型，該模型共劃分755 968 個實體單元、1 118 187 個節(jié)點（圖1b）。

1.2 材料屬性

受限于前期研究的圖像分割方式，單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨被視為一個整體從周圍骨性結(jié)構(gòu)中分割出來，未區(qū)分皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及牙根部分，故在本研究中仍將其設(shè)定為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的線彈性體，參考既往文獻(xiàn)對上頜骨整體賦予相應(yīng)的彈性模量和泊松比，分別為8 235 MPa和0.30［12］。

1.3 邊界條件及施加載荷

在鼻額縫、顴頜縫區(qū)域及上頜骨后表面建立約束，將上述區(qū)域在三維方向上設(shè)定為0 位移、0旋轉(zhuǎn)的邊界條件。既往文獻(xiàn)中分別對替牙期單側(cè)唇腭裂術(shù)后患者與同齡正常人群進行指定位點的上唇壓力測量，獲取了相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)［13］。由于上頜骨形態(tài)不規(guī)則、不同位點間受力差異大，單純的位點測量值無法全面充分反映其整體受力情況；同時為統(tǒng)一實驗標(biāo)準(zhǔn)、減少干擾因素，著重對比分析兩種不同上唇壓力對上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，故本研究分別選取上述文獻(xiàn)中唇腭裂組和對照組各位點力學(xué)參數(shù)的平均值作為上唇壓力進行模擬加載，即試驗組加載替牙期單側(cè)唇腭裂患者術(shù)后的上唇壓力，為9.65 g/cm2；對照組加載同齡正常人群的上唇壓力，為3.55 g/cm2。受力區(qū)設(shè)定在雙側(cè)上頜中切牙、側(cè)切牙、尖牙的牙槽嵴唇側(cè)表面，方向為垂直于牙槽嵴唇側(cè)表面向后下，受力方式為均勻分布的面受力（圖1b）。

1.4 觀察指標(biāo)

建立三維有限元分析坐標(biāo)系，X 軸方向為水平方向，向右為正值；Y 軸方向為矢狀方向，向前為正值；Z 軸方向為垂直方向，向上為正值。

缺損的存在導(dǎo)致上頜骨尤其是牙槽嵴區(qū)域出現(xiàn)了明顯的形態(tài)結(jié)構(gòu)變異，而且由于其缺乏明確的解剖標(biāo)志點，因此極大地阻礙了對它進行量化分析。故本研究在牙槽嵴上選取11 個牙位觀察節(jié)點，分別為16、15、14、13、12、11、21、23、24、25、26對應(yīng)唇頰側(cè)牙槽嵴邊緣中點（圖1a）。觀察在兩種不同的上唇壓力作用下，各節(jié)點在水平方向、矢狀方向、垂直方向上的位移和三維方向上的綜合位移，以及von Mises 等效應(yīng)力分布情況。對試驗組和對照組的各方向位移和應(yīng)力取絕對值。

Figure 1 3D digital model and finite element model of the maxilla with unilateral alveolar cleft and the reference nodes, load and restraint圖1 單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨數(shù)字化模型、三維有限元模型及觀察節(jié)點、施加載荷、約束條件示意圖

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 進行統(tǒng)計分析，使用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用配對t 檢驗進行組間比較，P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的三維位移特征

在兩種不同的上唇壓力作用下，水平方向（X軸）上，缺損兩側(cè)前牙及第一前磨牙節(jié)點均向缺損方向位移、第二前磨牙及第一磨牙節(jié)點向缺損相反方向位移。矢狀方向（Y 軸）和垂直方向（Z 軸）上，缺損兩側(cè)各牙位節(jié)點均向后、向下位移。另外，在各單方向位移和三維方向的綜合位移上，各牙位節(jié)點位移值均顯示健側(cè)大于患側(cè)，且由前向后逐漸減?。▓D2）。試驗組和對照組的三維位移特征具有上述相同的趨勢，而且試驗組在各方向的位移值均大于對照組，牙槽嵴前段更為顯著（圖3）。

2.2 上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的von Mises等效應(yīng)力特征

在兩種不同的上唇壓力作用下，健側(cè)梨狀孔與鼻底交界區(qū)域和牙槽嵴前段腭側(cè)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力集中區(qū)位于缺損后方硬腭轉(zhuǎn)折區(qū)域。雙側(cè)上頜中切牙及尖牙節(jié)點處均出現(xiàn)應(yīng)力值高峰，應(yīng)力值總趨勢為健側(cè)大于患側(cè)，且由前向后逐漸減?。▓D4）。試驗組和對照組的應(yīng)力分布特征具有上述相同的趨勢，而且試驗組的應(yīng)力值均大于對照組，牙槽嵴前段更為顯著（圖5）。

2.3 兩種不同上唇壓力下上頜骨三維位移和von Mises 等效應(yīng)力的統(tǒng)計分析

試驗組在各單方向位移和三維方向的綜合位移上均顯著大于對照組；同時，試驗組在von Mises等效應(yīng)力上也大于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義P＜0.05（表1）。

表1 不同上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨三維位移和von Mises 等效應(yīng)力的統(tǒng)計分析Table 1 Statistical analysis of the displacement and von Mises stress under the maxilla with a unilateral alveolar cleft under different upper lip pressures

3 討 論

唇裂修復(fù)術(shù)是唇腭裂序列治療中必不可少的組成部分，可改善面部美觀和重建唇部功能，患者于較小月齡時可接受該手術(shù)，但是唇裂術(shù)后常常出現(xiàn)上頜骨的生長發(fā)育不良。內(nèi)在的基因缺陷以及外界的環(huán)境因素均可能對上頜骨的生長發(fā)育造成影響，而唇裂術(shù)后上唇壓力被認(rèn)為是上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)變異的主要因素，其作用機制一直是研究熱點。上頜骨是人體骨骼系統(tǒng)中解剖結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、幾何形態(tài)最不規(guī)則的骨骼之一，加之牙槽嵴裂的存在又進一步加重了其解剖形態(tài)的變異。得益于三維有限元分析法，能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜的頜面部解剖結(jié)構(gòu)中模擬多種不同的生物力學(xué)條件，可以對模型進行精確的應(yīng)力、應(yīng)變的定量分析，同時保持可重復(fù)性好、條件可控、節(jié)省時間和效費比高的特點［14-15］。本研究利用三維有限元方法排除各混雜因素的影響，探索上唇壓力這一獨立因素對上頜骨產(chǎn)生的生物力學(xué)作用。

3.1 上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的三維位移特征

Figure 2 Frontal view and occlusal view displacement diagram of the maxilla with unilateral alveolar cleft under different upper lip pressures圖2 不同上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的正面觀及 面觀位移云圖

本研究結(jié)果顯示，在水平方向上缺損兩側(cè)牙槽嵴均向缺損區(qū)域旋轉(zhuǎn)，牙槽嵴前段相互靠近、寬度縮窄，缺損區(qū)域呈現(xiàn)鼻底部分寬大而牙槽嵴頂部分略窄小的倒梯形，而牙槽嵴后段出現(xiàn)微量增寬。在矢狀方向和垂直方向上缺損兩側(cè)牙槽嵴出現(xiàn)了一致的變化，均向后、向下位移，牙槽嵴長度減小、高度下降。在三維方向的綜合位移上，其特征為位移程度健側(cè)牙槽嵴大于患側(cè)牙槽嵴，而且由前向后逐漸減小，雙側(cè)形態(tài)結(jié)構(gòu)不對稱、出現(xiàn)偏斜。上述現(xiàn)象與臨床觀察和既往形態(tài)學(xué)研究結(jié)果相符合。Generali 等［16-17］發(fā)現(xiàn)單側(cè)唇腭裂患者上頜牙槽嵴狹窄，牙槽嵴前段狹窄更為明顯，牙槽嵴后段寬度受影響較小。與本研究結(jié)果類似，黃威等［18］通過三維有限元方法分析唇腭裂患者上唇壓力對上頜骨發(fā)育的影響中也發(fā)現(xiàn)上頜骨在三維方向上均有生長抑制，由前向后抑制程度逐漸降低。然而，與本研究不同的是，上述兩項研究中的樣本為單側(cè)完全性唇腭裂，因此其牙槽嵴后段在上唇壓力的作用下也出現(xiàn)了向缺損區(qū)域的位移。而本研究中牙槽嵴裂止于雙側(cè)第一前磨牙連線水平附近區(qū)域，并在此位置形成旋轉(zhuǎn)中心，在上唇壓力的作用下牙槽嵴前段向內(nèi)側(cè)位移、牙槽嵴后段向外側(cè)位移。此現(xiàn)象提示硬腭后部完整性對于維持牙槽嵴后段寬度的重要意義，即能夠?qū)蓚?cè)牙槽嵴形成有效支撐，避免其向內(nèi)側(cè)位移。但是否應(yīng)對完全性唇腭裂患者進行牙槽嵴加硬腭全裂隙植骨，目前尚有存疑。文抑西等［19］對比分析了牙槽嵴植骨和牙槽嵴加硬腭全裂隙植骨對腭裂上頜骨模型的生物力學(xué)影響，指出后者可使應(yīng)力分布更加均勻，但與前者相比并無顯著性差異。另一方面，進行硬腭植骨將會加大手術(shù)難度、增加腭部瘢痕、加重術(shù)后反應(yīng)，可能會對上頜骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響，故在臨床實踐中應(yīng)充分權(quán)衡利弊，謹(jǐn)慎實施。

Figure 3 Displacement line diagram of reference nodes at the dental position under the maxilla with a unilateral alveolar cleftunder different upper lip pressures圖3 不同上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨牙位觀察節(jié)點的位移折線圖

Figure 4 The stress of the maxilla with a unilateral alveolar cleft under different upper lip pressures in the frontal view and occlusal view圖4 不同上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的正面觀、面觀應(yīng)力分布云圖

Figure 5 Stress line diagram of reference nodes at the dental position under the maxilla with a unilateral alveolar cleft under different upper lip pressures圖5 不同上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨各牙位觀察節(jié)點的應(yīng)力折線圖

3.2 上唇壓力下單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨的von Mises應(yīng)力特征

von Mises 應(yīng)力是一種等效應(yīng)力，它通過應(yīng)力等值線來客觀反映整個模型的應(yīng)力分布情況，從而快速準(zhǔn)確地確定模型中的應(yīng)力集中區(qū)域。本研究結(jié)果顯示，缺損兩側(cè)的牙槽嵴形成一種類似于懸臂梁的結(jié)構(gòu)，缺損后方硬腭轉(zhuǎn)折區(qū)域即固定端，兩側(cè)牙槽嵴前段即自由端。由于缺損區(qū)域無骨性結(jié)構(gòu)的支撐，兩側(cè)牙槽嵴前段在上唇壓力的作用下受到向內(nèi)、向后、向下的應(yīng)力，進而在健側(cè)梨狀孔與鼻底交界區(qū)域和牙槽嵴前段腭側(cè)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中的薄弱區(qū)域。同時，此應(yīng)力分布特征與前述三維方向上位移特征相吻合，應(yīng)力值健側(cè)牙槽嵴大于患側(cè)牙槽嵴，而且由前向后逐漸減小，雙側(cè)牙槽嵴所受應(yīng)力不對稱。根據(jù)Enlow［20］的理論，頜面部骨骼的生長發(fā)育受到作用于其上的機械應(yīng)力的影響。已有報道指出，頜骨在生長發(fā)育過程中由于受到某些外力的作用而出現(xiàn)的形態(tài)結(jié)構(gòu)變異，可以通過參考頜骨在這些外力作用下所呈現(xiàn)出的瞬時形變模式來預(yù)測［21］。因此，為減輕由于異常生物力學(xué)效應(yīng)引起的繼發(fā)形態(tài)結(jié)構(gòu)變異，應(yīng)通過植骨等方法恢復(fù)牙槽嵴的完整性和連續(xù)性，以消除異常的應(yīng)力集中區(qū)，使應(yīng)力均勻分布于牙槽嵴，進而傳導(dǎo)分散于上頜骨的骨性支柱結(jié)構(gòu)中。

3.3 兩種不同上唇壓力對上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

本研究中單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨在兩種不同上唇壓力的作用下，具有類似的三維位移和應(yīng)力分布特征，但在程度上，唇裂術(shù)后組的各觀察節(jié)點比對照組更為顯著，其差值反映了唇裂術(shù)后過大的上唇壓力對上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的額外抑制效應(yīng)。Kongprasert 等［22］對16 例單側(cè)唇腭裂樣本分別在術(shù)前和唇裂術(shù)后3 個月進行模型測量，發(fā)現(xiàn)唇裂術(shù)后缺損區(qū)域?qū)挾葴p小，并且雙側(cè)牙槽嵴前段向腭側(cè)彎曲。Sakoda 等［23］在對25 例唇腭裂樣本術(shù)前和術(shù)后9 個月的模型測量研究中發(fā)現(xiàn)，其尖牙間寬度和牙槽嵴前段長度在術(shù)后明顯減小。上述研究結(jié)果表明，唇裂術(shù)后的上頜骨在水平向和矢狀向上均出現(xiàn)了抑制效應(yīng)，與本研究結(jié)果相符。由此可以推測，對此類患者一方面可通過改良術(shù)式、減少創(chuàng)傷的方法在唇裂修復(fù)術(shù)中盡可能保留上唇組織、減小手術(shù)瘢痕；另一方面對上唇組織量較少、上唇過緊的患者可進行二期整復(fù)術(shù)，如Z 成形術(shù)、V-Y 推進術(shù)、組織瓣移植術(shù)等方法減小上唇壓力，減輕對上頜骨尤其是牙槽嵴在形態(tài)結(jié)構(gòu)對稱性方面繼發(fā)的不利影響。

本研究受前期圖像分割方式的限制，上頜骨并未區(qū)分皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及牙根部分，在建立三維有限元模型的過程中將上頜骨定義為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性體，故分析結(jié)果存在一定的局限性。另外，本研究為針對上唇壓力這一因素對上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)影響進行的有限元初步探索，未來將引入腭部瘢痕張力、舌肌壓力和咬合力量等因素進行更加全面的考量及分析。

綜上所述，本研究通過三維有限元分析顯示，單側(cè)牙槽嵴裂上頜骨在上唇壓力的作用下，在三維方向上出現(xiàn)形態(tài)結(jié)構(gòu)的不對稱，減小上唇壓力可減輕其對上頜骨的不利影響。

【Author contributions】 Wang XY processed the data and wrote the article. Wang H directed the data analysis. Li S designed the study. All authors read and approved the final manuscript as submitted.