王晓宇， 王昊， 厉松

首都医科大学附属北京天坛医院口腔科，北京（100070）； 2. 首都医科大学附属北京口腔医院正畸科，北京（100050）

牙槽嵴裂是最常见的伴发于唇腭裂的先天性颌面部发育畸形，该疾病以上颌牙槽嵴缺损、缺损区域牙齿缺失或阻生、口鼻瘘、上颌骨生长发育不良等为特征，导致进食、吞咽、发音及心理等一系列问题［1-3］。单侧牙槽嵴裂患者上颌骨出现生长发育不良的病因，除了内在的因素直接导致缺损以外，外界的环境因素，如周围肌肉的力量、手术的时机和术式、瘢痕的形成等因素均有可能对上颌骨的形态结构造成影响［4-7］。其中，来源于唇裂术后瘢痕组织对上颌骨的持续压力在外界环境因素中扮演了极为重要的角色，而且该手术通常在早期就已实施，过大的上唇压力贯穿生长发育的始终，逐渐引发了上颌骨形态结构的变化［8-10］。然而，既往研究大多集中于通过头颅正侧位片、锥形束CT（cone beam CT，CBCT）等影像手段或石膏模型、口腔扫描模型等对上颌骨及牙槽嵴进行形态学观察，虽然已证实唇裂术后的上唇压力是导致上颌骨形态结构变异的重要因素，但是仅凭观察到的实验现象，尚无法揭示其详细的作用机制及变化规律。本研究通过三维有限元方法模拟两种不同的上唇压力，从生物力学的角度出发探索其对单侧牙槽嵴裂上颌骨的作用机制，以期加深对上述解剖部位形态结构特征的理解，并为临床诊疗提供依据和指导。

1 资料和方法

1.1 单侧牙槽嵴裂上颌骨三维有限元模型的建立

选取就诊于首都医科大学附属北京口腔医院正畸科的1 名左侧完全性牙槽嵴裂的11 岁女性患者。利用New Tom 锥体束成像系统（New Tom 5G，QR，Verona，Italy）获取其全头颅CBCT 图像，扫描参数如下：110 kV、6.35 mA、视野15 cm×15 cm、体素大小0.25 mm。患者站立，眶耳平面与地平面平行，下颌处于牙尖交错位，平缓呼吸、禁止吞咽及发声。本研究已通过首都医科大学附属北京天坛医院医学伦理委员会审查（审批号：KY2017-072-01）。通过前期研究获取了其独立的上颌骨三维数字化模型［11］，该模型通过基于深度学习的CBCT 图像自动化分割技术，以各个骨缝为界，将上颌骨从周围颌面部其他骨性结构中独立分割出来，并在平牙槽嵴水平去除了牙冠部分（图1a）。

联合应用ITK-SNAP 三维医学图像分割软件（Version 3.6.0，Kitware，USA）、Mimics 医学图像处理软件（Version 15.0，Materialise，Belgium）、Geomagic Design X 逆向工程软件（Version 2016.0.1，3D Systems，USA）及Ansys Mechanical APDL 有限元建模与分析软件（Version 19.0，Ansys，USA）等工具，采用Tet 10 node 187 四面体单元类型，对实体几何模型进行网格划分，最终生成单侧牙槽嵴裂上颌骨的三维有限元模型，该模型共划分755 968 个实体单元、1 118 187 个节点（图1b）。

1.2 材料属性

受限于前期研究的图像分割方式，单侧牙槽嵴裂上颌骨被视为一个整体从周围骨性结构中分割出来，未区分皮质骨、松质骨及牙根部分，故在本研究中仍将其设定为连续、均质和各向同性的线弹性体，参考既往文献对上颌骨整体赋予相应的弹性模量和泊松比，分别为8 235 MPa和0.30［12］。

1.3 边界条件及施加载荷

在鼻额缝、颧颌缝区域及上颌骨后表面建立约束，将上述区域在三维方向上设定为0 位移、0旋转的边界条件。既往文献中分别对替牙期单侧唇腭裂术后患者与同龄正常人群进行指定位点的上唇压力测量，获取了相应的力学参数［13］。由于上颌骨形态不规则、不同位点间受力差异大，单纯的位点测量值无法全面充分反映其整体受力情况；同时为统一实验标准、减少干扰因素，着重对比分析两种不同上唇压力对上颌骨形态结构的影响，故本研究分别选取上述文献中唇腭裂组和对照组各位点力学参数的平均值作为上唇压力进行模拟加载，即试验组加载替牙期单侧唇腭裂患者术后的上唇压力，为9.65 g/cm2；对照组加载同龄正常人群的上唇压力，为3.55 g/cm2。受力区设定在双侧上颌中切牙、侧切牙、尖牙的牙槽嵴唇侧表面，方向为垂直于牙槽嵴唇侧表面向后下，受力方式为均匀分布的面受力（图1b）。

1.4 观察指标

建立三维有限元分析坐标系，X 轴方向为水平方向，向右为正值；Y 轴方向为矢状方向，向前为正值；Z 轴方向为垂直方向，向上为正值。

缺损的存在导致上颌骨尤其是牙槽嵴区域出现了明显的形态结构变异，而且由于其缺乏明确的解剖标志点，因此极大地阻碍了对它进行量化分析。故本研究在牙槽嵴上选取11 个牙位观察节点，分别为16、15、14、13、12、11、21、23、24、25、26对应唇颊侧牙槽嵴边缘中点（图1a）。观察在两种不同的上唇压力作用下，各节点在水平方向、矢状方向、垂直方向上的位移和三维方向上的综合位移，以及von Mises 等效应力分布情况。对试验组和对照组的各方向位移和应力取绝对值。

Figure 1 3D digital model and finite element model of the maxilla with unilateral alveolar cleft and the reference nodes, load and restraint图1 单侧牙槽嵴裂上颌骨数字化模型、三维有限元模型及观察节点、施加载荷、约束条件示意图

1.5 统计学分析

所有数据采用SPSS 19.0 进行统计分析，使用均数±标准差表示，采用配对t 检验进行组间比较，P＜0.05 为差异具有统计学意义。

2 结 果

2.1 上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨的三维位移特征

在两种不同的上唇压力作用下，水平方向（X轴）上，缺损两侧前牙及第一前磨牙节点均向缺损方向位移、第二前磨牙及第一磨牙节点向缺损相反方向位移。矢状方向（Y 轴）和垂直方向（Z 轴）上，缺损两侧各牙位节点均向后、向下位移。另外，在各单方向位移和三维方向的综合位移上，各牙位节点位移值均显示健侧大于患侧，且由前向后逐渐减小（图2）。试验组和对照组的三维位移特征具有上述相同的趋势，而且试验组在各方向的位移值均大于对照组，牙槽嵴前段更为显著（图3）。

2.2 上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨的von Mises等效应力特征

在两种不同的上唇压力作用下，健侧梨状孔与鼻底交界区域和牙槽嵴前段腭侧区域出现应力集中区，最大应力集中区位于缺损后方硬腭转折区域。双侧上颌中切牙及尖牙节点处均出现应力值高峰，应力值总趋势为健侧大于患侧，且由前向后逐渐减小（图4）。试验组和对照组的应力分布特征具有上述相同的趋势，而且试验组的应力值均大于对照组，牙槽嵴前段更为显著（图5）。

2.3 两种不同上唇压力下上颌骨三维位移和von Mises 等效应力的统计分析

试验组在各单方向位移和三维方向的综合位移上均显著大于对照组；同时，试验组在von Mises等效应力上也大于对照组，差异具有统计学意义P＜0.05（表1）。

表1 不同上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨三维位移和von Mises 等效应力的统计分析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 讨 论

唇裂修复术是唇腭裂序列治疗中必不可少的组成部分，可改善面部美观和重建唇部功能，患者于较小月龄时可接受该手术，但是唇裂术后常常出现上颌骨的生长发育不良。内在的基因缺陷以及外界的环境因素均可能对上颌骨的生长发育造成影响，而唇裂术后上唇压力被认为是上颌骨形态结构变异的主要因素，其作用机制一直是研究热点。上颌骨是人体骨骼系统中解剖结构最为复杂、几何形态最不规则的骨骼之一，加之牙槽嵴裂的存在又进一步加重了其解剖形态的变异。得益于三维有限元分析法，能够实现在复杂的颌面部解剖结构中模拟多种不同的生物力学条件，可以对模型进行精确的应力、应变的定量分析，同时保持可重复性好、条件可控、节省时间和效费比高的特点［14-15］。本研究利用三维有限元方法排除各混杂因素的影响，探索上唇压力这一独立因素对上颌骨产生的生物力学作用。

3.1 上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨的三维位移特征

Figure 2 Frontal view and occlusal view displacement diagram of the maxilla with unilateral alveolar cleft under different upper lip pressures图2 不同上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨的正面观及 面观位移云图

本研究结果显示，在水平方向上缺损两侧牙槽嵴均向缺损区域旋转，牙槽嵴前段相互靠近、宽度缩窄，缺损区域呈现鼻底部分宽大而牙槽嵴顶部分略窄小的倒梯形，而牙槽嵴后段出现微量增宽。在矢状方向和垂直方向上缺损两侧牙槽嵴出现了一致的变化，均向后、向下位移，牙槽嵴长度减小、高度下降。在三维方向的综合位移上，其特征为位移程度健侧牙槽嵴大于患侧牙槽嵴，而且由前向后逐渐减小，双侧形态结构不对称、出现偏斜。上述现象与临床观察和既往形态学研究结果相符合。Generali 等［16-17］发现单侧唇腭裂患者上颌牙槽嵴狭窄，牙槽嵴前段狭窄更为明显，牙槽嵴后段宽度受影响较小。与本研究结果类似，黄威等［18］通过三维有限元方法分析唇腭裂患者上唇压力对上颌骨发育的影响中也发现上颌骨在三维方向上均有生长抑制，由前向后抑制程度逐渐降低。然而，与本研究不同的是，上述两项研究中的样本为单侧完全性唇腭裂，因此其牙槽嵴后段在上唇压力的作用下也出现了向缺损区域的位移。而本研究中牙槽嵴裂止于双侧第一前磨牙连线水平附近区域，并在此位置形成旋转中心，在上唇压力的作用下牙槽嵴前段向内侧位移、牙槽嵴后段向外侧位移。此现象提示硬腭后部完整性对于维持牙槽嵴后段宽度的重要意义，即能够对两侧牙槽嵴形成有效支撑，避免其向内侧位移。但是否应对完全性唇腭裂患者进行牙槽嵴加硬腭全裂隙植骨，目前尚有存疑。文抑西等［19］对比分析了牙槽嵴植骨和牙槽嵴加硬腭全裂隙植骨对腭裂上颌骨模型的生物力学影响，指出后者可使应力分布更加均匀，但与前者相比并无显著性差异。另一方面，进行硬腭植骨将会加大手术难度、增加腭部瘢痕、加重术后反应，可能会对上颌骨的形态结构产生潜在的负面影响，故在临床实践中应充分权衡利弊，谨慎实施。

Figure 3 Displacement line diagram of reference nodes at the dental position under the maxilla with a unilateral alveolar cleftunder different upper lip pressures图3 不同上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨牙位观察节点的位移折线图

Figure 4 The stress of the maxilla with a unilateral alveolar cleft under different upper lip pressures in the frontal view and occlusal view图4 不同上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨的正面观、面观应力分布云图

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图5 不同上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨各牙位观察节点的应力折线图

3.2 上唇压力下单侧牙槽嵴裂上颌骨的von Mises应力特征

von Mises 应力是一种等效应力，它通过应力等值线来客观反映整个模型的应力分布情况，从而快速准确地确定模型中的应力集中区域。本研究结果显示，缺损两侧的牙槽嵴形成一种类似于悬臂梁的结构，缺损后方硬腭转折区域即固定端，两侧牙槽嵴前段即自由端。由于缺损区域无骨性结构的支撑，两侧牙槽嵴前段在上唇压力的作用下受到向内、向后、向下的应力，进而在健侧梨状孔与鼻底交界区域和牙槽嵴前段腭侧区域出现应力集中的薄弱区域。同时，此应力分布特征与前述三维方向上位移特征相吻合，应力值健侧牙槽嵴大于患侧牙槽嵴，而且由前向后逐渐减小，双侧牙槽嵴所受应力不对称。根据Enlow［20］的理论，颌面部骨骼的生长发育受到作用于其上的机械应力的影响。已有报道指出，颌骨在生长发育过程中由于受到某些外力的作用而出现的形态结构变异，可以通过参考颌骨在这些外力作用下所呈现出的瞬时形变模式来预测［21］。因此，为减轻由于异常生物力学效应引起的继发形态结构变异，应通过植骨等方法恢复牙槽嵴的完整性和连续性，以消除异常的应力集中区，使应力均匀分布于牙槽嵴，进而传导分散于上颌骨的骨性支柱结构中。

3.3 两种不同上唇压力对上颌骨形态结构的影响

本研究中单侧牙槽嵴裂上颌骨在两种不同上唇压力的作用下，具有类似的三维位移和应力分布特征，但在程度上，唇裂术后组的各观察节点比对照组更为显著，其差值反映了唇裂术后过大的上唇压力对上颌骨形态结构所产生的额外抑制效应。Kongprasert 等［22］对16 例单侧唇腭裂样本分别在术前和唇裂术后3 个月进行模型测量，发现唇裂术后缺损区域宽度减小，并且双侧牙槽嵴前段向腭侧弯曲。Sakoda 等［23］在对25 例唇腭裂样本术前和术后9 个月的模型测量研究中发现，其尖牙间宽度和牙槽嵴前段长度在术后明显减小。上述研究结果表明，唇裂术后的上颌骨在水平向和矢状向上均出现了抑制效应，与本研究结果相符。由此可以推测，对此类患者一方面可通过改良术式、减少创伤的方法在唇裂修复术中尽可能保留上唇组织、减小手术瘢痕；另一方面对上唇组织量较少、上唇过紧的患者可进行二期整复术，如Z 成形术、V-Y 推进术、组织瓣移植术等方法减小上唇压力，减轻对上颌骨尤其是牙槽嵴在形态结构对称性方面继发的不利影响。

本研究受前期图像分割方式的限制，上颌骨并未区分皮质骨、松质骨及牙根部分，在建立三维有限元模型的过程中将上颌骨定义为均匀、连续、各向同性的线弹性体，故分析结果存在一定的局限性。另外，本研究为针对上唇压力这一因素对上颌骨形态结构影响进行的有限元初步探索，未来将引入腭部瘢痕张力、舌肌压力和咬合力量等因素进行更加全面的考量及分析。

综上所述，本研究通过三维有限元分析显示，单侧牙槽嵴裂上颌骨在上唇压力的作用下，在三维方向上出现形态结构的不对称，减小上唇压力可减轻其对上颌骨的不利影响。

【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.