上唇軟組織三維有限元模型的建立

黃 威 曹 丁 郭凱利 高璽鑫 郝福良

唇腭裂是顏面部較常見的一種先天發(fā)育性疾病，發(fā)病率約為2.1/1000[1]，手術(shù)治療為主要治療手段。然而唇裂術(shù)后，上頜骨會(huì)出現(xiàn)不同程度的發(fā)育受限，對此人們作了大量研究，部分學(xué)者認(rèn)為先天性內(nèi)在固有因素繼發(fā)了上頜骨的發(fā)育缺陷，與手術(shù)關(guān)系不大[2，3]。大部分學(xué)者認(rèn)為唇裂的手術(shù)創(chuàng)傷及術(shù)后瘢痕的形成導(dǎo)致了上頜骨的發(fā)育不足[4～7]。先前的研究主要集中于臨床觀察及動(dòng)物模型[4～8]，但是由于受觀察周期及種族等因素的影響限制，其發(fā)生機(jī)制一直無法具體闡述。

唇裂術(shù)后瘢痕組織會(huì)產(chǎn)生一種持續(xù)性的壓力作用于上頜骨，該壓力是導(dǎo)致上頜骨發(fā)育受限的主要因素[9]。筆者采用三維有限元建模技術(shù)，建立上唇軟組織的有限元模型，借此探究唇裂術(shù)后上唇壓力對上頜骨的作用機(jī)制。

資料和方法

1.實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ):本實(shí)驗(yàn)以文抑西與筆者所建立的含腭板軟組織腭裂上頜骨三維有限元模型為基礎(chǔ)[10]，見圖1。

2.上唇軟組織的臨床描述：雙側(cè)上頜尖牙牙槽突間所對應(yīng)的唇側(cè)軟組織，厚度8mm[11]。

3.建立含上唇軟組織的腭裂上頜骨幾何結(jié)構(gòu)模型：在原模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用ansys 軟件中布爾操作技術(shù)（Ansys17.0），在雙側(cè)上頜尖牙牙槽突之間的區(qū)域外側(cè)疊加形成一層8mm 厚[11]組織，用以模擬上唇軟組織，見圖2。

4.上唇軟組織有限元模型的材料屬性定義及網(wǎng)格化：設(shè)定上唇軟組織厚度一致，材質(zhì)均等，為線彈性材料。單元類型為solid45，彈性模量1.5MPa，泊松比 0.49[12]；實(shí)常數(shù)：8mm[11]；采用 Smart Size 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。即建立了含上唇軟組織的腭裂上頜骨三維有限元模型，見圖3。

圖1 含腭板軟組織的腭裂上頜骨模型

圖2 添加上唇軟組織的幾何模型

圖3 添加上唇軟組織的有限元模型

結(jié) 果

1.三維幾何結(jié)構(gòu)模型：建立了上唇軟組織三維幾何結(jié)構(gòu)模型，該模型形態(tài)逼真，與臨床解剖形態(tài)相似，顯示直觀。

表1 含上唇軟組織的腭裂上頜骨有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù)

2.三維有限元模型：所建立的上唇軟組織有限元模型，可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分及工況的加載與分析。模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元數(shù)，見表1。

討 論

軟組織有限元建模：由于軟組織本身的復(fù)雜性，故其材料屬性的定義以及建模更加復(fù)雜[13]，且較骨組織而言，研究較少。Erbulut[14]對椎間盤及周圍韌帶等軟組織進(jìn)行了模型參數(shù)的定義，并建立了一個(gè)不對稱頸椎三維有限元模型，進(jìn)而分析了軟組織在頸椎穩(wěn)定性中所起到的作用。Isvilanonda[15]將腳部軟組織定義為超彈性物質(zhì)，并通過動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)對其模型參數(shù)進(jìn)行研究分析。Knoops[16]通過三種不同方法對正頜術(shù)后三維軟組織的預(yù)測進(jìn)行了對比研究，并將面部軟組織進(jìn)行了材料屬性的定義。Nakamura[17]完成了牙槽嵴黏膜及牙周韌帶的軟組織建模，并通過該模型對三種不同的可摘局部義齒對組織的受壓情況進(jìn)行了對比分析。

上唇軟組織建模參數(shù)的獲得：上唇軟組織建模國內(nèi)外尚未見報(bào)道，Awarun[18]通過對多個(gè)數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)進(jìn)行回顧性研究發(fā)現(xiàn)，立體攝影測量術(shù)與激光掃描儀作為最先進(jìn)的技術(shù)手段之一，對唇裂術(shù)后軟組織表面的形態(tài)測定有很大幫助，但是對于上唇軟組織整體的形態(tài)測量仍欠缺許多，故其材料屬性參數(shù)尚無法準(zhǔn)確獲得。Westermark[12]曾對顱頜面進(jìn)行三維有限元建模，定義面部軟組織為一均質(zhì)線彈性材料物質(zhì)，得出彈性模量為1.5MPa，泊松比為0.49，并用該模型進(jìn)行了力學(xué)分析，結(jié)果與臨床觀察一致。筆者借用該思想，將上唇軟組織定義為均質(zhì)線彈性材料物質(zhì)，由于該面部軟組織中以頰部軟組織為主，且頰與唇的組織構(gòu)成相似，均由皮膚、淺筋膜、肌層、黏膜下層及黏膜層組成[19]，故可應(yīng)用該面部軟組織建模數(shù)據(jù)進(jìn)行上唇軟組織的材料屬性定義，從而完成上唇軟組織這一模型的構(gòu)建，為其研究提供了一條新思路。

上唇壓力的添加：唇裂術(shù)后瘢痕組織攣縮會(huì)導(dǎo)致一種持續(xù)性壓力的產(chǎn)生，該壓力長期作用于上頜骨，是導(dǎo)致上頜骨發(fā)育受限的主要因素之一[9]。在完成的上唇軟組織有限元模型的基礎(chǔ)上，遵循唇裂術(shù)后上唇壓力的作用特點(diǎn)，在上唇軟組織與所對應(yīng)牙槽突界面上添加工況，模擬上唇壓力，同時(shí)約束邊界條件，即可進(jìn)行生物力學(xué)的探究。

本研究在含腭板軟組織腭裂上頜骨有限元模型基礎(chǔ)上，建立了上唇軟組織模型，方法簡便、易行，模型形態(tài)逼真，可重復(fù)性好。該試驗(yàn)為上唇軟組織生物力學(xué)的研究提供了一種新思路，同時(shí)為進(jìn)一步研究唇裂術(shù)后上唇壓力對上頜骨的影響，乃至唇、腭裂術(shù)后瘢痕對上頜骨的影響均奠定了基礎(chǔ)。