用于评估外科辅助快速腭扩张扩张模式的有限元分析模型

摘要

建立了一组新型的外科辅助快速腭扩张（SARPE）有限元模型，这些模型可通过不同角度的颊侧截骨实现临床所需的扩弓器激活量，以进一步分析上颌半骨块在三维方向上的扩张模式。

摘要

外科辅助快速腭扩张术（SARPE）被提出用于解除骨性阻力，以促进骨骼成熟患者中的骨性扩张。然而，已有报道显示，在所有接受SARPE治疗的患者中，有7.52%出现左右两侧扩张不对称的情况，其中12.90%的患者需接受二次手术进行矫正。导致扩张不对称的病因尚不明确。有限元分析已被用于评估SARPE在颅面结构中产生的应力。然而，由于上颌LeFort I型截骨部位的骨性碰撞仅在达到一定扩张量后才会发生，而现有大多数模型的扩张量极少超过1 mm，因此这些模型无法真实反映实际的力分布情况。因此，亟需建立一种新型的SARPE有限元模型，能够实现临床所需的扩弓器激活量，从而进一步分析双侧上颌骨在三维空间中的扩张模式。本研究从锥形束计算机断层扫描（CBCT）获取三维（3D）颅骨模型，导入Mimics软件并转换为数学实体，以分割上颌复合体、上颌第一前磨牙和上颌第一磨牙。这些结构随后被导入Geomagic软件进行表面平滑处理，并构建松质骨和牙周膜。将上颌复合体的右侧部分保留并镜像复制，在SolidWorks中建立完全对称的模型。构建Hass扩弓器，并将其带环固定于上颌第一前磨牙和第一磨牙上。在Ansys软件中对不同角度的颊侧截骨组合进行有限元分析，截骨间隙设定为1 mm。通过收敛性测试，直至两侧达到目标扩张量（总扩张量至少6 mm）。本研究为评估颊侧截骨角度如何影响SARPE扩张模式奠定了基础。

引言

外科辅助快速腭扩张术（SARPE）是一种常用于骨骼发育成熟患者上颌骨结构和牙弓横向扩展的技术¹。该手术包括LeFort I型截骨、中线腭部骨皮质切开，以及可选的翼上颌裂松解术²。然而，已有报道指出SARPE可能出现不良扩张模式，例如左右上颌半侧之间扩张不均³以及牙槽突的颊侧倾斜/旋转⁴，这些可能导致SARPE失败，有时甚至需要额外手术进行矫正⁵。先前研究表明，围绕上颌骨的截骨方式差异可能对SARPE术后扩张模式产生重要影响^2,3，因为在LeFort I截骨部位骨块之间的碰撞可能导致两侧上颌半侧向外扩张时受到不均匀的阻力，并引起上颌半侧旋转，表现为截骨线下方的牙槽缘向内移动，而牙槽突向外扩张^3,4。因此，有必要进一步研究不同截骨方向，尤其是颊侧截骨，对SARPE术后扩张模式的影响。

已建立多个有限元分析（FEA）模型用于评估 SARPE 过程中的力分布情况。然而，这些模型中设定的扩弓量仅限于最多 1 mm，远低....

方案

本研究使用了一名接受上颌骨侧向扩弓术（SARPE）作为治疗方案一部分的患者现有的、去标识化的治疗前锥形束CT（CBCT）图像。本研究遵循赫尔辛基宣言进行，并已获得机构审查委员会批准（方案编号 #853608）。

1. 样本获取与牙齿分割

1. 获取患者头部的锥形束CT（CBCT）图像，体位为自然头位，图像需包含上颌复合体，包括上颌基骨、上颌牙槽骨和上颌牙列。
2. 将CBCT的医学数字成像和通信（DICOM）文件导入Mimics软件。
   1. 点击新建项目（Ctrl + N），选择所有DICOM图像，然后点击下一步和转换。
   2. 定义模型的方向（A：前，P：后，T：上，B：下，L：左，R：右），然后点击确定。
3. 将文件分割为上颌复合体、上颌第一前磨牙和上颌第一磨牙。
   1. 点击阈值分割，选择合适的阈值以分割骨骼，然后点击应用。
   2. 创建新的掩膜，点击编辑掩膜，使用绘制和擦除工具对患者的上颌复合体、上....

结果

该演示模型采用了1名47岁女性患者的锥形束CT（CBCT）图像，该患者存在上颌骨发育不足。在生成的模型中，保留了鼻腔、上颌窦以及扩弓器固位牙（第一前磨牙和第一磨牙）的牙周膜间隙等解剖结构（图1）。

为了准确模拟手术过程，在所有模拟中均将鼻中隔、鼻腔外侧壁和翼上颌裂从上颌骨体分离。此外，创建了一个代表手术中颊侧截骨的平面，其厚度为1 mm。该平面起自梨状孔角（Alar），向后延伸至翼上颌裂（PMF）（图2A-D）。

对模型进行了初步测试，该模型在左右两侧均进行了对称的零度截骨（图2E），结果显示，在扩张器处施加150 N的力可产生超过8 mm的扩张（图2F），超过了大多数文献中报道的扩张量。该结果被认为合适，因其处于SARPE.......

讨论

在SARPE中，颊侧骨切开的方向可以是从鼻孔开口处开始的水平切口，然后在上颌支柱区域逐步向下；也可以是从梨状孔边缘斜向延伸至上颌第一磨牙对应支柱区域的斜面切口，如Betts²所述。无论采用哪种方式，骨切开均需延伸至远低于上颌骨颧突的位置。然而，目前大多数关于SARPE的有限元分析（FEA）研究均采用与梨状孔边缘同水平并向后延伸的水平切口^6,7,12,14。这种设定偏离了临床常规操作，改变了FEA中的力学条件，例如半上颌骨的质量中心、骨切开的方向及其接触面积。由于扩弓力并不总是通过质量中心传递，因此在FEA过程中半上颌骨必然会发生旋转。但在临床实际中，骨切开线处可能发生碰撞，从而导致旋转中心随之改变。因此，为了获得具有临床应用价值的结果，FEA中的骨切开必须真实模拟实际手术中的操作模式。本研究中引入的模型允许研究人员在不同角度下构建骨切开.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Ansys	Ansys	Version 2019	Ansys 是一款用于有限元分析的软件，能够基于微分方程求解复杂的模型。本研究通过该软件分析了不同颊侧骨切开角度的扩弓效果。
Geomagic Studio	3D Systems	Version 10	Geomagic Studio 是一款逆向工程软件，能够基于实物扫描点生成数字模型。本研究通过该软件构建了松质骨和牙周膜。
Mimics	Materialise	Version 16	Mimics 是一款基于医学三维图像的工程软件，可高效地将 CT 图像转化为三维模型。本研究通过患者的 DICOM 图像重建了上颌复合体。
SolidWorks	Dassault Systèmes	Version 2018	SolidWorks 是一款面向设计人员和工程师的计算机辅助设计软件，用于创建三维模型。本研究通过该软件设计并绘制了 Haas 扩弓器。