腭裂治疗中有限元方法的应用进展.pdf
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1、腭裂治疗中有限元方法的应用进展张萌1,3 马坚1,2,3*1.宁夏医科大学口腔医学院 宁夏 银川 7 5 0 0 0 4;2.宁夏医科大学总医院口腔医院 宁夏 银川 7 5 0 0 0 4;3.宁夏颅颌面畸形研究重点实验室 宁夏 银川 7 5 0 0 0 4 摘要 腭裂是人类常见的口腔颌面部先天性畸形。腭裂的治疗主要以外科手术修复为主,现行腭裂手术术式虽多,但是术后仍有部分患者出现腭瘘、上颌骨发育不足及腭咽闭合不全等并发症。有限元方法应用于腭裂,通过模拟手术和力学分析的方式来预测临床预后、改良手术术式。本文就有限元方法在腭裂治疗中的应用进展,从腭裂治疗的现状、有限元的应用原理及其在腭裂手术模拟
2、和手术预后评价中的应用进行综述,以期为有限元方法在腭裂治疗中的进一步应用提供帮助。关键词 腭裂;有限元分析;手术模拟;上颌骨;腭咽闭合不全;腭瘘 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 17 6 5 1(2 0 2 3)0 80 6 7 90 5d o i 1 0.1 3 7 0 1/j.c n k i.k q y x y j.2 0 2 3.0 8.0 0 4A p p l i c a t i o n P r o g r e s s o f F i n i t e E l e m e n t M e t h o d i n C l e f t P a l a t e T r e a t m e
3、 n t.ZHANG M e n g1,3,MA J i a n1,2,3*.1.S t o-m a t o l o g y C o l l e g e o f N i n g x i a M e d i c a l U n i v e r s i t y,Y i n c h u a n 7 5 0 0 0 4,C h i n a;2.H o s p i t a l o f S t o m a t o l o g y,t h e G e n e r a l H o s p i t a l o f N i n g x i a M e d i c a l U n i v e r s i t y,Y
4、 i n c h u a n 7 5 0 0 0 4,C h i n a;3.N i n g x i a K e y L a b o r a t o r y o f C r a n i o m a x i l l o f a c i a l M a l f o r m a t i o n R e s e a r c h,Y i n c h u a n 7 5 0 0 0 4,C h i n a.A b s t r a c t C l e f t p a l a t e i s a c o mm o n c o n g e n i t a l m a l f o r m a t i o n o
5、f o r a l a n d m a x i l l o f a c i a l r e g i o n.T h e t r e a t m e n t o f c l e f t p a l a t e i s m a i n l y s u r g i c a l r e p a i r.A l t h o u g h t h e r e a r e m a n y t y p e s o f c l e f t p a l a t e s u r g e r y,s o m e p a t i e n t s s t i l l h a v e c o m p l i c a t i
6、o n s s u c h a s p a l a t e f i s t u l a,m a x i l l a r y h y p o p l a s i a,a n d v e l o p h a r y n g e a l i n s u f f i c i e n c y a f t e r s u r g e r y.T h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d h a s b e e n a p p l i e d t o c l e f t p a l a t e,w h i c h c a n p r e d i c t t h e
7、c l i n i c a l p r o g n o s i s a n d i m p r o v e t h e o p e r a t i o n m e t h o d t h r o u g h s i m u l a t i o n o p e r a t i o n a n d m e c h a n i c a l a n a l y s i s.I n t h i s p a p e r,t h e a p p l i c a t i o n p r o g r e s s o f f i n i t e e l e-m e n t m e t h o d i n c l
8、e f t p a l a t e t r e a t m e n t i s r e v i e w e d f r o m t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f c l e f t p a l a t e t r e a t m e n t,t h e a p p l i c a t i o n p r i n c i p l e o f f i n i t e e l e m e n t,a n d i t s a p p l i c a t i o n i n s i m u l a t i o n o f c l e f t p a l
9、a t e s u r g e r y a n d e v a l u a t i o n o f s u r g i c a l p r o g n o-s i s,i n o r d e r t o p r o v i d e h e l p f o r t h e f u r t h e r a p p l i c a t i o n o f f i n i t e e l e m e n t m e t h o d i n c l e f t p a l a t e t r e a t m e n t.K e y w o r d s c l e f t p a l a t e;f i
10、n i t e e l e m e n t m e t h o d;s u r g i c a l s i m u l a t i o n;m a x i l l a;v e l o p h a r y n g e a l i n s u f f i c i e n-c y;p a l a t a l f i s t u l a 先天性腭裂是在胚胎发育过程中形成的颌面部畸形,是一种常见的出生缺陷性疾病,其发生率约为0.3 31。腭裂会导致吮吸、进食及语言等方面的功能障碍,给患者的日常生活、学习、工作带来严重影响。腭裂主要依靠手术修复治疗,即利用口鼻腔两侧的组织瓣,通过松解、转移组织瓣来封闭裂隙
11、,同时延长软腭,重建腭咽肌肉环,最大限度地改善腭咽闭合功能。在不同地区及医院,术式选择不尽相同,我们应针对不同患者的个体情况来选择最合适的治疗方案。但在临床上,腭裂术后仍有腭瘘、上颌骨发育不足及腭咽闭基金项目 宁夏重点研发项目(编号:2 0 2 2 B E G 0 3 1 5 9)作者简介 张萌(1 9 9 7),女,江苏宿迁人,硕士,研究方向:口腔颌面外科学。*通信作者 马坚,E-m a i l:m a j i a n h s 3 1 01 6 3.c o m合不全等并发症的发生2。随着计算机、医学影像及三维建模技术的发展,有限元方法开始应用于医学研究。有限元方法可以快速地建立颌面部软硬组织
12、的三维模型,再现各组织的空间结构,解决部分力学相关的临床问题,在正畸、正颌、创伤修复等方面都有广泛应用。在腭裂的临床治疗中,有限元法可以通过应力分析的方式来预测临床预后,并为临床手术术式的改进提供思路。本文拟对有限元方法在腭裂治疗中的应用进展做一综述,以期为有限元方法在临床术式改进和预后预测方面有进一步的应用。1 腭裂的临床治疗现状 腭裂是在胚胎第71 2周时,前腭突与两侧的侧腭突未融合或融合不全导致的3。临床上主要通过外科手术修复裂隙、恢复语音及吞咽功能。目前临床常见的腭裂修复术式976 口腔医学研究2 0 2 3年8月第3 9卷第8期主要包括:两瓣法、F u r l o w反向双Z法,S
13、o mm e r l a n d腭帆提肌重建法、华西法等4。两瓣法是临床常见的术式之一,一定程度上可以修复裂隙、恢复肌肉的位置,但不能有效重建腭帆提肌环,腭咽闭合效果较差4;且两瓣法常需做松弛切口,而创面瘢痕化及骨面裸露对患者上颌骨发育有明显的抑制作用5-8。1 9 8 6年,1 9 8 6年,F u r l o w提出反向双Z法修复腭裂。临床研究表明,在腭咽闭合功能、语音清晰度及腭瘘发生率上,F u r l o w法均优于两瓣法9,1 0;但是F u r l o w腭成形术有着较为严格的适应症,裂隙较宽者术后难以获得较好的腭咽闭合。2 0 0 3年,S o mm e r l a d提出腭帆提
14、肌重建术。该方法较好地恢复腭部肌肉环,且减少了瘢痕形成。此方法对于腭咽闭合有更好地改善,但同样不适用于裂隙宽大者。鉴于F u r l o w法能够更好地延长软腭,而S o mm e r l a d可以更好地恢复腭部肌肉环,因此石 冰等 提出S F腭裂 修复 法,该 方 法 将F u r l o w法 和S o mm e r l a d法优点相结合1 1。在临床应用中也证明,S F法较S o mm e r l a d法及F u r l o w法能有效降低腭咽闭合不全及腭瘘的发生率1 2。尽管腭裂修复术式不断改进,大部分腭裂患者术后能获得良好疗效,但仍有少数患者出现腭瘘、腭咽闭合不全及上颌骨发育不
15、足等术后并发症。这些并发症的发生可能与临床医生经验及熟练程度有关,随着计算机技术的发展,有限元方法可以通过应力分析的方式来预测临床预后,一定程度上可以帮助临床医生更好地选择手术术式及调整术中操作。2 有限元分析的原理及应用2.1 有限元分析的原理及准确性验证 有限元分析(f i-n i t e e l e m e n t a n a l y s i s,F E A)是一种分析结构应力和变形的数值方法,其基本思想是将复杂几何体划分为更小、更简单的有限元素,有限元素经过分析后再整合起来得到整个复杂几何体的解。有限元方法通常采用C T、MR I等影像数据,经图像处理与造型处理后,快速地建立颌面部软硬
16、组织的三维几何模型,能更形象地再现各组织的空间结构,并通过数值方法求解部分力学相关的临床问题。基于有限元方法能够快速、形象地构建三维模型并进行力学分析,其在力学相关的研究中显示出巨大优势。在口腔硬组织研究中,有限元方法在种植体、正畸和颅颌系统的应力分析等方面均有应用1 3,1 4。在口腔颌面软组织研究中,由于软组织材料研究的逐渐细化,其在软组织创伤修复与整形中也显示出应用潜力1 5。有限元模型可以逼真地模拟组织的几何形态,并进行生物应力分析。但是有限元作为一种近似科学,其准确性直接影响到结果能否应用于临床实践。对于有限元模型有效性的验证,主流 的验 证 方法 主要 包括 以 下3种:(1)查
17、阅 文献1 6-1 8:即参考既往相关研究的临床数据或者相似的模拟结果来进行验证;(2)生物力学实验1 9,2 0:即在建模前对实验对象进行力学特性的测试,与有限元模拟结果进行比对来验证;(3)实验模型验证2 1-2 3:即模拟时做一个实际比例模型,约束和加载与数值仿真的完全一致,然后通过比较试验结果和数值结果来得出结论;(4)临床随访验证2 4:即治疗前根据临床治疗方案建立有限元模型,治疗后根据临床长期随访结果及模拟结果的比对进行验证。以上4种方法一定程度上都可以验证模型的准确性:查阅文献的方法工作量小、简单易行,因此应用广泛,但是由于现有的技术水平及分析手段仍在发展中,有参考价值的研究仍较
18、少;后三者较前者更加严谨,但需要相关的实验研究来探索和证明,研究周期长、要求高。2.2 有限元方法在腭裂治疗研究中的应用2.2.1 腭裂的手术模拟 有限元方法作为虚拟手术常用的一种建模方式,临床上常应用于面部正颌外科手术和软组织整形手术。上世纪末,有限元的方法开始广泛应用在颅颌面手术仿真的研究中。在腭裂的治疗研究中,吴宏志2 5通过M i m i c s软件对腭咽部进行 三 维 重 建,并 将 腭 咽 部 三 维 重 建 数 据 输 入I m-a g e w a r e软件,模拟了“两瓣法”腭裂修复术。但该研究仅将软组织向中线处平移,评估了缺失组织量的多少,而未将软组织的弹性拉伸考虑在内。I
19、n o u y e等2 6基于三维有限元模型,模拟了不同腭帆提肌重叠量下的腭咽结构。Y a n g等2 7用两个圆柱体来重现了咽后壁瓣修复术后的腭咽结构。以上研究虽未能完整模拟手术操作,但对于手术重要步骤在手术过程中的作用进行了分析,对未来手术的选择及优化至关重要。有限元模型作为虚拟手术常用的一种建模方式,对于颌面部软、硬组织物理性质的模拟逐步精确,该技术于临床研究中的应用也越来越广泛。有限元方法也为唇腭裂的序列治疗方案的制定及治疗过程中医患沟通提供了新的思路。2.2.2 腭裂手术的预后分析 (1)上颌骨发育不足:腭裂术后的患儿常出现继发上颌骨发育不足、面中部凹陷、牙牙合畸形等并发症。研究表明
20、,上腭组织缺失、手术瘢痕、唇裂术后异常肌张力、腭裂手术术式及时机等是影响术后上颌骨发育的主要因素2 8-3 2。以往研究通过临床随访观察及动物实验得出结论,而随着计算机技术的发展,有限元分析开始应用于腭裂研究,使腭裂术后上颌骨发育障碍机制研究更加完善。文抑西等3 3通过C T建立腭裂患者上颌骨的有限元模型。随后他们在原有的模型上加入腭板软组织及瘢痕组织,认为腭 裂 术 后 瘢 痕 对 上 颌 骨 的 生 长 发 育 有 明 显 负 面 作用3 4,3 5。该研究从生物力学角度揭示了腭裂术后上颌骨发育不足的发生机制。黄威等7,3 6通过模拟不同部位的瘢痕力,提出瘢痕组织越靠近牙槽突及硬腭前部对上
21、颌骨的抑制能力越强。2 0 2 0年,黄威等3 7,3 8同时施加上唇压力及瘢痕力,指出腭部软组织的瘢痕力对上颌骨发育的影响大于上唇压力。L i等5通过建立新生小鼠尾部皮肤瘢痕的有限元模型,证明瘢痕产生的局部收缩力抑制了骨的生长。此研究将有限元分析与上颌骨发育障碍的分子机制相结合。此外,有限元方法在腭裂术后正畸中也广泛应用3 9,并指导腭裂患者术后正畸的治疗设计,以此来弥补腭裂患者术后上颌骨发086J o u r n a l o f O r a l S c i e n c e R e s e a r c h,A u g.2 0 2 3,V o l.3 9,N o.8 育不足。以上研究结果提示,
22、临床手术中松弛切口及裸露骨面产生的瘢痕和上唇压力对于上颌骨发育的负面影响,与许多临床研究结果基本一致,证明有限元方法应用于术后颌骨发育预测具有一定的科学性,但是同时因为材料性质精确性及样本单一的限制,实验结果存在一定的局限性,有限元分析方法真正运用到临床还存在一定困难。但是随着研究的不断深入,大样本及材料性质的精确性一定会逐步提高。(2)腭咽闭合不全:部分患者腭裂术后存在腭咽闭合不全,导致语音清晰度降低。大部分学者认为手术时机、手术术式及患者自身软硬组织缺损情况等是影响术后腭咽闭合功能的主要因素1 0,2 9,4 0。以往对腭咽闭合的研究大多着重于软硬组织的后退延长,证明了上腭组织量对腭咽闭合
23、的重要性,而三维有限元的研究则将关注点拓展到了腭部肌肉的收缩能力及腭部各肌肉的协调运动上。B e r r y等4 1通过解剖进行了人腭板软组织的定量研究,确定了腭部软组织各组分的弹性模量及泊松比,这一研究为软腭三维 有限 元模 型 的建 立奠 定 了基 础。B i r c h及B i r c h等1 9则将腭板分为1 0个区域,基于各区域肌肉及腺组织的比例,进行了腭板各区域弹性模量及泊松比的测量,大大提高了有限元模型中软组织模拟的精确性。此后的研究多以以上研究为基础构建上腭模型。S r o d o n等2 0利用非线性分析算法模拟肌肉的运动,进行了腭咽闭合的动画模拟,证明了腭帆提肌角度对腭咽闭
24、合的影响。I n o u y e等2 6基于MR I数据构建的软腭三维有限元模型,研究了两侧腭帆提肌重叠量对腭咽闭合力的影响,为临床手术中腭帆提肌的解剖及缝合提供指导。随后,他们在另一项研究中指出增加腭帆提肌的横截面积(或强度)对腭咽闭合有很大的影响,而持续气道正压治疗可增加腭帆提肌横截面积(或强度),从而改善腭咽闭合1 7。此研究证明了术后语音训练的重要性。以往对于软腭肌肉的研究多局限于腭帆提肌,其他腭部肌肉往往被忽视。I n o u y e等4 2通过有限元方法研究了悬雍垂肌协助腭咽闭合及其占位功能,证明了术中重建悬雍垂的重要性。但该研究中A n d e r s o n等1 8提出腭帆提肌
25、及腭舌肌的软腭内部分对于腭咽闭合功能的重要作用。在以上研究中,有限元方法很好地评价了软腭各肌肉的肌力及其在腭咽闭合中的作用。以上研究均通过有效模拟各研究因素对腭咽闭合功能的影响,能够为腭裂临床术式改进及序列治疗的方案设计提供指导,但是因为有限元模拟对于材料特性依赖性强、计算冗繁及口腔颌面部解剖结构精细、影像识别困难等原因,均未能完整重现腭部的5束肌肉及咽侧、后壁收缩对腭咽闭合的影响。但是未来随着计算机、影像技术及材料性质研究的进步,有限元模拟的完整性及精确性一定会逐步提高。腭咽闭合功能除与软腭长度及软腭肌肉的功能有关,还与咽 腔 软 组 织 的 收 缩 和 气 道 的 流 体 动 力 学 有
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