口周力对单侧完全性唇腭裂术后患者上颌骨生长发育影响的三维有限元研究

摘    要：

目的：用三维有限元分析方法研究替牙期单侧完全性唇腭裂（UCLP）患者上颌骨在静息状态口周力作用下的生物力学特点。方法：提取1名替牙期UCLP患者的CBCT图像，建立上颌骨复合体三维有限元模型，选择双侧切牙区、尖牙区、第一和第二前磨牙/乳磨牙区、第一恒磨牙区的唇（颊）舌侧的牙槽突区作为施力部位，垂直于牙槽突表面施加前期研究所获得的口周力值，分析模拟口周力作用后上颌骨的应力及位移变化。结果：在口周力的作用下，上颌骨的健、裂侧在三维方向上均发生应力及位移的改变。VonMises应力分布比较均匀。位移的方向主要是向后向内，前段向后移位最明显，健侧中后段大于裂侧。健、裂侧和前后部的抑制作用分别呈现出不对称性及不均衡性，唇颊侧压力较大或（和）舌侧压力较小。结论：口周力对UCLP患者上颌骨的生长发育在三维方向上有不同程度地抑制，矢状向抑制程度最大，前段受抑制最明显。

关键词：唇腭裂;上颌骨;口周力;三维有限元研究;

唇腭裂(cleft lip and palate, CLP)患者由于先天发育畸形、早期修复手术的创伤、术后瘢痕的限制以及肌功能异常等原因导致上颌骨发育受到影响[1,2]。单侧完全性唇腭裂(unilateral cleft lip and palate, UCLP)是唇腭裂患者中最常见的一种，常表现为上颌骨发育不足、反、牙列拥挤及面部不对称等牙、颌、面畸形，严重影响患者的容貌、咀嚼功能及心理健康[3,4,5],若不及时治疗，症状会随生长发育不断加重。正畸治疗过程中，虽然先天因素无法改变，但唇裂术后瘢痕形成及口周肌结构改变所造成的过高唇压和过低的舌压是可能控制和改善的[6,7],唇舌部口周力可以通过压力传感器直接测量[8,9],本课题组[10]在前期研究中通过压力传感器检测了UCLP患者的口周力，发现UCLP患者口周力分布不均衡，认为上颌唇颊侧较高的口周力可能是造成牙弓发育受限的原因之一。有学者认为[11,12,13]异常口周力对上颌骨的作用直接影响患者正畸治疗的方案制定及矫治结果，但关于UCLP患者异常口周力作用机制的相关研究较少。为了进一步探讨口周力对上颌骨生长发育影响的作用机制，本研究基于前期研究的结果，通过三维有限元分析方法对UCLP患者上颌骨复合体模型模拟施加唇舌部的口周力，从生物力学角度探讨口周力对上颌骨的作用机制，为临床上UCLP患者的正畸治疗提供参考。

1 资料与方法

1.1 UCLP患者上颌骨复合体三维有限元模型的建立

选择具有代表性的非综合征性替牙期UCLP患者(男， 8 岁)作为研究对象，患者及家长均知情同意。此患者已于出生后3 个月行唇裂修复术， 6 个月行腭裂修复术，未行牙槽突裂植骨术；为骨性III类畸形(SNA=72°, SNB=75°, ANB=-3°),获得其清晰完整的CBCT图像。

将CBCT数据以医学数字成像和通信(DICOM)格式导入医学建模软件Mimics 15.0中进行三维重建，提取上颌骨复合体(范围包含上颌骨、上牙列、颧骨、部分眼眶、蝶骨及部分颅骨等),生成的3D模型以 STL(Stereolithography, 立体光刻)格式输出；再导入Geomagic Studio 10 中，对3D模型进行优化平滑处理，得到更为精确的几何模型；获得的几何模型导入Hypermesh中，经格式转化和网格划分后，再导入Abaqus 6.14有限元建模与分析软件中，最后将几何模型转变为具有网格划分的有限元模型[14](图 1)。

1.2 设置属性、边界条件及添加工况

将模型的属性设置为均质、连续、各向同性的线弹性体[15,16,17,18](表 1);眶耳平面定为水平面，并基于水平面设置垂直面和矢状面，其中， X方向为水平向，向右为正； Y方向为矢状向，向后为正； Z方向为垂直向，向上为正。设定上截面和后截面为限制面，其边界条件设定为零位移、零旋转[16,19]。在已建立的UCLP上颌骨复合体三维有限元模型上，选择双侧切牙区、尖牙区、第一和第二前磨牙/乳磨牙区、第一恒磨牙区的唇(颊)舌侧的牙槽突区作为施力部位[14,20,21](图 2),按照本课题组前期研究所获得的口周力数据[10](表 2)施加相应的口周力，方向垂直于牙槽突表面。

1.3 力学分析

加载静息状态的口周力后，得到模型的应力云图和位移云图。从正面观和下面观来观察上颌骨应力变化；分析上颌骨在水平向、矢状向、垂直向3 个不同方向上的位移变化，并将模型的健、裂侧及前后段在各个方向上的位移变化分别进行比较分析。其中应力和位移都表示在云图中左侧的竖立色带，越红应力越大代表应力越集中，数值绝对值越大代表位移越大。

2 结 果

2.1 加载工况后上颌骨的应力变化结果

由图 3中可见，Von Mises 应力没有出现红色 色带，多为蓝色 色带，说明Von Mises应力分布比较均匀，没有应力集中区。

2.2 加载工况后上颌骨的位移结果

加载工况后上颌骨的位移变化见位移云图(图 4～6),上颌骨健、裂侧在三维方向上均发生位移：矢状向变化最明显，最大位移量为0.008 107 mm, 前段大于中后段；健侧位移大于裂侧，前段向后移动多。其次是水平向，最大位移量为0.004 533 mm, 前段位移最明显，健侧中后段大于裂侧；上颌骨两侧均由外向内移动，导致牙弓宽度缩窄。垂直向，后段发生向上移动大于前段发生向下移动，后段位移大于前段，健侧垂直向位移大于裂侧。

2.3 施力前后上颌骨位移放大500 倍和1 000 倍的轮廓重叠结果

上颌骨位移变化量放大500 倍和1 000 倍见图 7～8,轮廓重叠后可以很明显看到：上颌两侧由外向中线、由前向后移动，裂隙区域变窄，牙弓塌陷。

3 讨 论

替牙期是生长发育高峰期，该时期异常的环境因素容易导致牙、颌、面发育异常，是错畸形形成和矫治的关键时期，对UCLP患者也是如此。近年来，国内外学者对UCLP患者的发育特点进行了大量研究，发现可能由于唇腭裂术后异常的口周力，使上颌骨在三维方向上受到的压力不平衡，导致上颌骨在三维方向的生长发育受影响[22,23,24,25]。为进一步研究口周力对唇腭裂患者上颌骨生长发育的影响，探讨唇腭裂患者错畸形的形成机制，以期对该患者错畸形的临床诊治和预防有所帮助，本研究选取了替牙期UCLP患者建立上颌骨复合体三维有限元模型，并对模型模拟施加前期测量所得的该期UCLP患者的口周力值[10],该值同文抑西等[26]所施加的肌力值不同，创新性地应用前期研究实测所得的UCLP患者不同位置的口周力，以求更符合临床实际受力情况。通过三维有限元分析发现，在口周力的作用下，UCLP患者上颌骨复合体模型健、裂侧均产生了应力改变，并在三维方向上出现了不同程度的位移变化。

3.1 口周力作用下上颌骨复合体的应力变化

应力是指物体由于外因而变形时，在物体内部各分子之间相互作用的内力，应力均匀，说明更有利于整体 位移，位移结果有意义[27,28,29]。Von Mises 应力可以看到整体的应力分布和应力集中的区域，是强度评估的主要参考指标，越均匀代表计算结果越精确，施加的力值越准确。虽然本文16 个位点的口周力值不同，但施加唇舌侧口周力之后，应力云图显示都是蓝色 色带，说明上颌骨受力均匀。

3.2 口周力作用下上颌骨复合体的位移变化

从位移云图可见，位移总的趋势是向后向内移位。矢状向位移最大，其次为水平向。从位移放大后的重叠图上也可以看出：上颌两侧由外向内，由前向后移位。

3.2.1 矢状向位移变化

对UCLP模型加载口周力后，矢状向主要表现为健、裂侧均向后移位。由口周力加载数据(表 2)可见，各牙位唇(颊)侧口周力明显大于舌侧，说明修复术后过高的唇压导致唇舌侧口周力不平衡，这种不平衡的口周力导致了上颌骨矢状向发育受到抑制。Shi等[30]研究也认为早期唇裂修复术后过高的唇压主要影响上颌骨矢状向生长。进一步分析健、裂侧矢状向的位移可以发现，健侧前段向后的位移量明显大于裂侧，这是因为UCLP患者的裂隙位于牙槽突一侧，前段位于健侧，并且裂隙两侧有明显的台阶，裂侧的断端常位于健侧断端的舌方，健侧更靠近上唇，健侧的受力面积更大，因此受到的矢状向压力也更大。临床中发现，UCLP患者大多存在吐舌吞咽习惯和牙弓狭窄都会导致舌的位置较低，使舌侧压力减小。当施加唇舌侧压力时，唇侧较舌侧压力大，打破了患者口腔内外正常的肌动力平衡，造成了CLP术后患者上颌发育受限。由位移的表现可以看出，上颌骨的矢状向生长是受抑制的，抑制程度是健侧大于裂侧，受力后牙弓前段向舌侧移位，裂隙缩小。这与Ye等[31] 和Kongprasert 等[32]通过模型测量分析得出的结论是一致的。

3.2.2 水平向位移变化

由位移云图可见，对UCLP模型加载口周力后，双侧在水平向均由外向内移位。主要因为唇颊部口周力比正常大，舌部口周力比正常小，导致唇舌侧口周力平衡被打破，使上颌骨横向发育不足，牙弓宽度缩窄，表明口周力的作用对上颌骨产生了水平向的抑制。另外健、裂侧的前段较后段移位更明显，可能是因为上颌骨的前后段在水平向上受到的颊肌作用力不同，上颌骨前段的颊肌受术后唇肌牵拉力较后段大，再加上舌肌力量小，最终导致上颌前段受抑制更明显，使上颌骨呈现出前窄后宽的形状。因此颌骨水平向生长受抑制在前段最主要的原因是上颌骨前后段在水平向的肌张力不平衡，与国内外很多学者[16,23,33,34,35]通过有限元方法及临床实验分析得出的结论相似。进一步比较健、裂侧水平向的位移发现，健侧前段向内的位移略大于裂侧，虽然唇颊侧与舌侧口周力的差值裂侧比健侧大，但是静息状态下的唇颊、舌侧的力值本身就小，所得的差值更小。由于健侧更靠近上唇，健侧颊部受到唇肌的牵拉较裂侧大，可能该牵拉力要比颊舌侧口周力的差值的作用稍大，使健侧比裂侧水平向向内位移稍多。出现这种结果与在临床上遇到唇腭裂患者出现裂侧要比健侧牙弓窄的情况不一致，说明唇舌肌的作用力对水平向影响并不大，表明裂侧牙弓发育更加不足的主要原因是腭部瘢痕力，与黄威等[23,24,25,36]学者通过有限元方法得出的结论一致。

3.2.3 垂直向位移变化

在口周力作用下，垂直向位移变化最小，上颌均发生了后段向上前段稍向下的顺时针旋转，健侧后段向上的位移最为明显，说明上颌骨及合平面在口周力的作用下产生顺时针旋转。

由于口腔内外压力的平衡是上颌骨、牙弓和牙齿正常生长发育的前提[36,37,38],综合以上三维方向口周力的共同作用，认为UCLP患者上颌骨发育不足、不对称的原因之一，可能是上颌骨受到了不平衡的口周力作用。这种口周力的不平衡除手术瘢痕导致的唇颊侧压力过大外还有舌侧压力过小的因素，比如吐舌吞咽时，舌头会反射性给牙齿向前的推力，使上颌骨舌侧受到舌肌张力减少；口呼吸时舌位降低，牙弓外侧受到异常颊肌力量的压迫，内侧缺乏舌肌力量的支持。因此口周力的不平衡是口腔内外肌力综合作用的结果，舌肌与唇、颊肌力量不平衡影响着牙弓的发育过程。这提示在唇腭裂的序列治疗中应充分考虑肌力的因素，从外科手术到后期的正畸治疗，多方位的采取临床措施来减少唇肌张力增加舌肌张力，改善唇舌肌功能，以减小异常口周力对上颌骨及上牙弓发育的抑制作用，如可以通过改良外科手术的方式和提高手术质量，松解挛缩的瘢痕，减小唇肌张力；正畸科可以在患者生长发育期进行唇部肌功能训练、个性化的唇肌屏挡等阻断上唇与上齿槽及牙齿的直接接触，减小唇肌对上颌骨的抑制因素；也可以进行舌的肌功能训练增加舌肌的力量或改正吐舌吞咽及口呼吸等不良习惯，最终改善这种不平衡的口周力。特别地，对于高角患者在上颌骨前牵过程中注意前牵力的方向和角度，避免上颌骨及合平面进一步顺时针旋转，有助于减轻唇腭裂患者错畸形的严重程度。

3.3 本研究展望

因为三维有限元研究有诸多的条件限制，本研究只对限定的因素进行模拟，对于影响上颌骨发育的其他因素如唇腭裂修复手术、先天畸形[39]、术后瘢痕[39]、手术时机[40]以及是否已行正畸治疗[41]等因素并不能同时模拟。软组织建模一直是有限元分析中未克服的重大难题，本研究主要模拟了口周力对UCLP上颌骨复合体模型的生物力学影响。由于口周力是由肌肉软组织运动产生的，因此在后期的研究中，如能克服软组织建模的困难，建立包含口周肌肉的三维动态UCLP上颌复合体模型[19],将对颌骨受力情况的研究更真实，更全面。

4 结 论

通过以上实验研究分析得出结论如下：(1)施加唇舌部口周力后，UCLP患者上颌骨复合体模型在三维方向上均发生了位移，矢状向位移最大，其次是水平向，位移的方向主要为向后向内。双侧牙槽骨弓发生塌陷，牙槽裂隙变窄；(2)在口周力的作用下，UCLP上颌骨复合体模型裂隙两侧均在三维方向上位移，其中健侧大于裂侧，前段位移大于中后段。说明上颌骨的健侧较裂侧、前段较中后段受抑制程度更明显。口周力的不平衡对UCLP患者上颌骨生长是抑制的；(3)UCLP患者上颌骨发育不足、不对称的原因之一可能是上颌骨受到了唇颊侧压力过大或(和)舌侧压力过小造成的不平衡口周力作用。因此临床上应适当地减少唇肌张力增加舌肌力量，改善不平衡的口周力，促进上颌骨的发育。

参考文献：[1]杨彩秀,范存晖,许涛等.口周力对单侧完全性唇腭裂术后患者上颌骨生长发育影响的三维有限元研究[J].实用口腔医学杂志,2023,39(03):348-354.

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