上唇软组织三维有限元模型的建立

黄 威 曹 丁 郭凯利 高玺鑫 郝福良

唇腭裂是颜面部较常见的一种先天发育性疾病，发病率约为2.1/1000[1]，手术治疗为主要治疗手段。然而唇裂术后，上颌骨会出现不同程度的发育受限，对此人们作了大量研究，部分学者认为先天性内在固有因素继发了上颌骨的发育缺陷，与手术关系不大[2，3]。大部分学者认为唇裂的手术创伤及术后瘢痕的形成导致了上颌骨的发育不足[4～7]。先前的研究主要集中于临床观察及动物模型[4～8]，但是由于受观察周期及种族等因素的影响限制，其发生机制一直无法具体阐述。

唇裂术后瘢痕组织会产生一种持续性的压力作用于上颌骨，该压力是导致上颌骨发育受限的主要因素[9]。笔者采用三维有限元建模技术，建立上唇软组织的有限元模型，借此探究唇裂术后上唇压力对上颌骨的作用机制。

资料和方法

1.实验基础:本实验以文抑西与笔者所建立的含腭板软组织腭裂上颌骨三维有限元模型为基础[10]，见图1。

2.上唇软组织的临床描述：双侧上颌尖牙牙槽突间所对应的唇侧软组织，厚度8mm[11]。

3.建立含上唇软组织的腭裂上颌骨几何结构模型：在原模型基础上，应用ansys 软件中布尔操作技术（Ansys17.0），在双侧上颌尖牙牙槽突之间的区域外侧叠加形成一层8mm 厚[11]组织，用以模拟上唇软组织，见图2。

4.上唇软组织有限元模型的材料属性定义及网格化：设定上唇软组织厚度一致，材质均等，为线弹性材料。单元类型为solid45，弹性模量1.5MPa，泊松比 0.49[12]；实常数：8mm[11]；采用 Smart Size 进行网格划分。即建立了含上唇软组织的腭裂上颌骨三维有限元模型，见图3。

图1 含腭板软组织的腭裂上颌骨模型

图2 添加上唇软组织的几何模型

图3 添加上唇软组织的有限元模型

结 果

1.三维几何结构模型：建立了上唇软组织三维几何结构模型，该模型形态逼真，与临床解剖形态相似，显示直观。

表1 含上唇软组织的腭裂上颌骨有限元模型的节点数与单元数

2.三维有限元模型：所建立的上唇软组织有限元模型，可以进行网格划分及工况的加载与分析。模型的节点数与单元数，见表1。

讨 论

软组织有限元建模：由于软组织本身的复杂性，故其材料属性的定义以及建模更加复杂[13]，且较骨组织而言，研究较少。Erbulut[14]对椎间盘及周围韧带等软组织进行了模型参数的定义，并建立了一个不对称颈椎三维有限元模型，进而分析了软组织在颈椎稳定性中所起到的作用。Isvilanonda[15]将脚部软组织定义为超弹性物质，并通过动态压缩试验对其模型参数进行研究分析。Knoops[16]通过三种不同方法对正颌术后三维软组织的预测进行了对比研究，并将面部软组织进行了材料属性的定义。Nakamura[17]完成了牙槽嵴黏膜及牙周韧带的软组织建模，并通过该模型对三种不同的可摘局部义齿对组织的受压情况进行了对比分析。

上唇软组织建模参数的获得：上唇软组织建模国内外尚未见报道，Awarun[18]通过对多个数据库的文献进行回顾性研究发现，立体摄影测量术与激光扫描仪作为最先进的技术手段之一，对唇裂术后软组织表面的形态测定有很大帮助，但是对于上唇软组织整体的形态测量仍欠缺许多，故其材料属性参数尚无法准确获得。Westermark[12]曾对颅颌面进行三维有限元建模，定义面部软组织为一均质线弹性材料物质，得出弹性模量为1.5MPa，泊松比为0.49，并用该模型进行了力学分析，结果与临床观察一致。笔者借用该思想，将上唇软组织定义为均质线弹性材料物质，由于该面部软组织中以颊部软组织为主，且颊与唇的组织构成相似，均由皮肤、浅筋膜、肌层、黏膜下层及黏膜层组成[19]，故可应用该面部软组织建模数据进行上唇软组织的材料属性定义，从而完成上唇软组织这一模型的构建，为其研究提供了一条新思路。

上唇压力的添加：唇裂术后瘢痕组织挛缩会导致一种持续性压力的产生，该压力长期作用于上颌骨，是导致上颌骨发育受限的主要因素之一[9]。在完成的上唇软组织有限元模型的基础上，遵循唇裂术后上唇压力的作用特点，在上唇软组织与所对应牙槽突界面上添加工况，模拟上唇压力，同时约束边界条件，即可进行生物力学的探究。

本研究在含腭板软组织腭裂上颌骨有限元模型基础上，建立了上唇软组织模型，方法简便、易行，模型形态逼真，可重复性好。该试验为上唇软组织生物力学的研究提供了一种新思路，同时为进一步研究唇裂术后上唇压力对上颌骨的影响，乃至唇、腭裂术后瘢痕对上颌骨的影响均奠定了基础。