三维有限元分析法在颅面矫治中的应用

刘 健，雷伟宪 综述，杨四维 审校

（泸州医学院附属口腔医院正畸科，四川 泸州 646000）

有限元法（Finite Element Method，FEM）概念于20世纪60年代由Clough［1］提出。该法是将连续的弹性体分割成有限个单元，以其结合体来代替原弹性体并逐个研究每个单元的性质，最终获得整个弹性体性质［2］。1973年Thresher［3］首次将其应用于口腔领域，使用有限元法分析牙受力后牙体及牙周组织应力分布，经过30多年的发展，已成功应用于口腔各个领域。近年来国内外学者使用三维有限元法对颅面复合体矫治进行了较多研究。本文就目前三维有限元法在颅面矫治中的应用进展作一综述。

1 颅面复合体三维有限元法模型建立研究进展

三维有限元法的建模是应用研究的基础，好的建模才可能有好的研究结果。学者们在建模上进行不断的探索、改进和创新，使得建模逐渐完善，为研究颅面矫治提供了有效的方法和手段。以下将建模发展过程作简要综述。

1986年日本学者Mivasaka等［4］为研究矫形力对颅面骨组织的生物力学效应，使用磨片法建立了颅面复合体模型。此方法误差较大，但首次建立了颅面复合体三维有限元模型。1994年赵志河等［5］为计算上颌复合体抗力中心的三维坐标位置，用CT扫描数据建立了有限元模型，本法较磨片法精确度大大提高，但其将颅面复合体作为一个整体进行研究，未进行骨缝划分，和临床矫治有一定差距。1998年Iseri等［6］为研究上颌骨快速扩弓矫治中腭中缝，鼻底等结构生物力学变化，建立了包含腭中缝结构的有限元模型。本法首次建立了骨缝结构，但并未确定骨缝属性。2001年Verru等［7］为研究上颌骨前牵引矫治时上颌骨位移，建立了包含颅骨骨缝的三维有限元模型，并与体外实验相对比探讨了骨缝在有限元分析中的材料特性，又将颅颌面矫治三维有限元的研究向前推进了一步。2003年Chabanas等［8］为研究正颌手术后软组织的变化建立了包括面部软硬组织的三维有限元模型，详细构建了口唇周围的肌肉，并探讨了不同状态下肌肉材料参数。该法首次将矫治过程中对颅面软组织的分析加入到颅面矫治有限元分析中，虽然仍处于探索阶段，但仍是有限元分析法中的一次突破。

此外按所研究矫治方法的不同，建立相对应的几何模型，将其导入有限元软件（ANSYS、MSC等）进行参数设定和网格划分模拟其力学性质后生成有限元模型，即可利用有限元分析软件在其上设定加力方式、大小、部位和方向，模拟各种载荷，选择计算程序计算，提取模型各截面的应力值，得到应力分布结果，从而进行力学效应的分析。

2 三维有限元分析法在颅面矫治中的研究进展

2.1 三维有限元法在扩弓矫治方面应用 Christ of Holberg［9］等使用螺旋CT扫描25岁女性头骨，获取原始数据，分别建立未进行手术、颧牙槽嵴截骨术、从梨状孔至翼腭窝截骨术以及增加上颌窦内侧壁截骨术四种仿真模型，于前磨牙及磨牙区加力模拟快速扩弓后认为成人上颌快速扩弓可能造成面中部和颅底应力过大，导致微骨折。扩弓之前的骨截断术能减小颅底和面中部的压力；从梨状孔至翼腭窝的手术方式优于只截断颧牙槽嵴。Hyung S.Yu［10］等使用干燥颅骨CT扫描图像后按照有无进行快速扩弓生成两种有限元模型，两种模型均包括所有颅面骨缝，于双尖牙区加载500g与平面向下呈20°牵引力进行分析后认为：在腭中缝扩开后进行上颌骨前牵引，颧上颌缝处应力更加集中，上颌骨与颧骨前上方向旋转将减少，而前方移动将明显增加。Pawan Gautam［11-12］等对7岁儿童干骨使用硫酸钡进行骨缝标记后进行微螺旋CT扫描，所得数据用AUTOACAD软件建模，按所标记骨缝进行骨缝设定。研究上颌前牵引是否配合上颌扩弓后得出结论：快速扩弓时上颌骨产生前下移动并向后旋转；鼻底增宽；最大应力分布在额上颌、鼻上颌、额鼻缝处；配合扩弓进行前牵引上颌骨水平垂直和侧方位移均较不配合扩弓者大，扩弓者上颌骨和颧弓前上方向旋转变小。该研究也印证了Hyung S.Yu的研究成果。

2.2 三维有限元法在颌骨牵引方面应用 Faruk Ayhan Basciftci［13］通过采集下颌骨表面三维坐标建立了下颌骨及髁状突有限元模型，并分别模拟500g力通过髁突、通过喙突、通过喙突前方三种情况后得出结论：对下颌骨使用颏兜时，通过髁状突的牵引力适合Ⅲ类患者，而对于开牙合患者，通过喙突及其前方的牵引力则更加有利。Pawan Gautam［14］在上颌骨有限元模型第一前磨牙区处模拟高位、水平、低位头帽牵引，进行分析后得出结论：三种牵引方式都能很好抑制上颌骨发育，同时使腭平面顺时针旋转；三种牵引方式都会产生腭中缝扩开（特别是前部）以及鼻底增宽等类似快速扩弓效应。高位牵引会使上颌骨阻抗中心前移而低位牵引则使其后移。

2.3 三维有限元法在功能矫治方面应用 Agr Ulusoya［15］建立了下颌、髁状突与下颌牙紧密结合的肌激动器模型，并加载穿过髁状突顶与肌激动器模型中点350g力，分别对肌激动器及肌激动器配合高位头帽牵引对下颌骨的影响进行研究后认为：两者都能有效促进下颌骨向前生长，治疗中下颌体所受应力远大于髁状突部分，肌肉附着处应力较大，而喙突部分所受应力最大。Anurag Gupta［16］等对下颌发育不足患者进行MRI扫描，扫描时使下颌处于正中关系位，在此基础上建立包含关节盘、部分关节韧带及关节周软组织有限元模型。对功能矫治器导下颌向前进行三维有限元分析后得出结论：导下颌向前治疗过程中髁状突后上部及关节窝后部受到张应力，并认为这是治疗中髁状突后上生长以及关节窝后部细胞活性增加的重要原因。Christ of Holberg［17］等分析头帽矫形治疗时骨缝处应力后发现：治疗中骨缝处应力低于阈值，骨缝抑制作用并不明显，良好的治疗效果主要是牙槽骨及牙的代偿。

2.4 三维有限元法在正颌外科方面应用 Antonio Boccaccio［18］等建立下颌骨包含髁状突及周围肌群三维有限元模型，并模拟口腔功能环境下对各种下颌骨牵张成骨方法进行分析后认为：牙承载式和混合承载式牵张成骨较骨承载式效果更好。混合承载式在口腔功能情况下效果最为稳定，然而牵张成骨的效果可能会因为下颌支的旋转而被削弱。

3 发展趋势

三维有限元分析法已在颅面矫治生物力学研究中广泛应用。虽然随着锥状束CT的应用、计算机运算能力的提高，已从简单矫治分析走向复杂矫治分析，其分析精确度也大大提高，但因为颅面矫治的复杂性，仍存在一些不足之处。在临床矫治过程中随矫治进行，组织会发生相应改建，而目前分析多为静态分析，无法模拟随矫治进行所发生的组织改建，使分析精确度大大降低。目前研究多集中在对骨组织的研究上，软组织在矫治中的生物力学变化较少涉及，更谈不上精确分析。现阶段分析多为宏观定性分析，如矫治中应力分布、移动趋势等，而对于组织的精细变化研究较少。因此三维有限元法仍需在以下方面改进：第一，利用Micro-CT、锥状束CT等先进影像技术建立更精确的的矫治模型；第二：由简单的静态分析向整个矫治过程的动态分析发展；第三：除对骨组织进行分析以外，更多的对软组织进行分析，如矫治过程中颞下颌关节的改建，口周韧带肌肉的受力变化；第四：由宏观定性分析到微观定量分析，如分析骨组织受应力加载后吸收改建的动态过程。最后如何更好的服务临床，研究一种能快速的对临床个体建模，获得相近分析的结果，并能预测治疗效果也是一个重要的研究方向。

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