第一章 前言
1.1 研究背景
唇腭裂患者的颅颌面表现为三维方向上的畸形，且其皮肤、肌肉、黏膜以及其深面的骨和软骨均有异常表现，其中上颌骨形态结构复杂，与周围鼻骨、泪骨、颧骨、上颌牙列等解剖关系紧密的部分组成上颌骨复合体。先天性腭裂不仅在上颌骨的硬腭部分遗留缺损，还会引起整个上颌骨复合体结构和形态的改变。研究表明，腭裂术后上颌骨的生长异常是一个渐进性的过程，其原因可能与骨组织结构的生物力学平衡失调及瘢痕组织牵制有关[3]。牙槽突裂是唇腭裂常见的伴发畸形，表现为：牙槽突骨的缺损、牙弓完整性的丧失、缺损处牙齿的异位萌出、裂隙处牙齿的阻萌。进行牙槽突裂植骨手术可恢复患者牙槽突骨的连续性和关闭软组织裂隙，从而为正畸治疗和鼻唇畸形提供良好的骨性支持[4]。因此，修复牙槽突裂成为唇腭裂序列治疗中重要的一步。但是，植骨后存在植骨区移植骨吸收的问题。一些学者对进行牙槽突裂植骨手术后的患者拍摄CT追踪其疗效，发现术后一年的骨剩余量仅剩50%，甚至只剩5%[5-9]。为此国内外的学者在进行大量的研究后认为[4]：造成移植骨吸收的一个重要原因是植骨区缺乏有效的应力刺激，包括尖牙或侧切牙的萌出、邻牙的移入、上颌扩弓治疗等。牙槽突裂植骨术中植骨材料的选择仍然存在争议，目前 Boyne 等于 1972 年提出的自体骨移植术仍是修复牙槽突裂的主要手段[10]。但是，自体骨移植术受供骨区位置及形状、取骨量有限、取骨区新的创伤等影响，在临床上仍存在许多不足。近年来，组织工程骨代替自体骨移植牙槽突裂的技术逐渐兴起[11]，有越来越多相关的实验因此开展起来[12]。但有关组织工程骨与自体骨修复牙槽突裂后的新骨组织之间是否存在差异、是否利于后续正畸治疗的进行等，目前尚缺乏相关的研究。因此，有越来越多国内外的学者选择对犬进行外科手术形成牙槽突裂动物模型以进行一系列相关研究[13-15]。
……….
1.2 动物实验
常用的实验动物有鼠、兔、犬、猴、猪及羊等。鼠、兔等小型动物的口裂小，口腔矫治器的设计存在困难；且其骨壁较薄，不适合在口内进行较复杂的外科手术。猴虽然在解剖结构上最接近人类，是最理想的实验动物[16]，但费用不菲。而猪羊等大型动物的口腔容积虽然够大，但其在进食时，下颌骨侧方运动的幅度极大，不利于口腔矫治器的稳固。犬的费用相对便宜，且颅面结构类似于人类，易于进行外科手术并观察远期效果。犬的鼻腭孔为椭圆形，其外侧壁向外至前颌骨外侧骨壁的距离较短，易于整段切除，缺损部位类似于人类牙槽突裂，适合用于建立牙槽突裂动物模型[17]。Beagle犬因性情温顺、性成熟早、遗传性状稳定、对环境的适应力及抵抗力较强、实验结果重复性好等优点，被公认为最标准实验用犬，并常用于进行长期的慢性实验。在实验用犬犬龄的选择中，由于骨缝的存在是正畸矫形力的基础，而扩弓治疗扩弓力加载的牙齿又必须足够稳固，故需选择骨缝尚未闭合且已进入恒牙列期的犬进行实验。犬六个月相当于人类 3.5 岁，此时骨缝尚未闭合。此外，由于犬具有双牙列，其乳牙列共 28 颗牙，恒牙列共 42 颗牙，犬一般在 6-8 个月时进入恒牙列期。本文选用六月龄并已进入恒牙列期的 Beagle 犬建立牙槽突裂动物模型，符合实验目的与要求。
………
第二章 犬牙槽突裂有限元模型的建立
2.1 材料与方法
2.1.1 建模材料
建模标本：选择 1 例六月龄健康雄性 Beagle 犬作为测试对象，由上海交通大学医学院附属第九人民医院动物中心提供。如图 12。建模设备：○1 64 排螺旋 CT 扫描机（PHILIPS BRILLIANCE）；○2 建模用计算机系统配置：Intel(R) Core(TM) i7-3630QM 处理器、CPU 速度 2.4GHz、8GB 内存、NVIDIAGeForce GTX 660M 显卡、750GB 硬盘、64 位 Windows 7 操作系统；○3 建模用软件：MIMICS 10.01(Materialises Interactive Medical Image Control System, Belgium)、Geomagic Studio 2012(USA)、Femap 11.1.1(Finite Element Modeling AndPostprocessing, Germany)。将 DICOM 标准格式 CT 断层图像导入 MIMICS 10.01 软件，软件会从水平面、冠状面及矢状面三个视角来显示 CT 断面图。如图 13 所示，在图像分割模块（Segmentation）中，利用软件预设的 CT 灰度阈值（Thresholds）范围在 226～2976Hu生成犬头颅的蒙罩（Mask）。根据对犬上颌骨的解剖知识，通过使用多层分割编辑工具（Multiple slice edit）在蒙罩的每一层断面图上对骨头、牙齿以及牙周膜进行边缘提取及处理，删除不需要的区域。对于已经确定层面的骨块区域，可通过区域增长（Region growing）工具快速地扩展到其他剩余层面。如此类推，获得骨头、牙齿以及牙周膜结构模型。另外，通过区域增长获得的模型由于影像分辨率和分割误差等原因，有时会包含一些小碎片，此时可以通过编辑工具反复修整来达到完善模型的效果。为了减小计算工作量，对模型进行适当的修剪和简化，最终分离出单侧的前颌骨（Premaxilla）、上颌骨(Maxilla)、鼻骨(Nasal)、颧骨(Jugal)、泪骨(Lacrimal)、腭骨(Palate)以及五颗犬齿和五个牙周膜。
………
2.2 结果
在 MIMICS 软件中通过各种工具的使用，如图 18 所示，分离出骨头、牙齿以及牙周膜的结构模型。如图 19 所示，根据国内外牙槽突裂动物模型的建立方法，对前颌骨的蒙罩使用多层分割编辑工具形成一个矩形牙槽突缺损，前颌骨则因此而分为两块，将切除的骨块作为模拟植骨的材料，即为牙槽突裂初始模型。最后，通过Calculate 3D 工具获得犬上颌骨各个骨块、牙齿以及牙周膜的三维重建的初始几何模型，如图 20 所示。由于人为分割的精度相对较低，三维重建后的模型曲面比较粗糙、边缘不齐，有较多噪点。故需对其进行光顺处理并生成实体模型。可见优化后的模型与优化前的外形相似，优化后的模型表面较光滑平整，如图 21。对所有的 STL 格式的文件包括骨块、牙齿和牙周膜进行处理，生成 NURBS 曲面优化的三维实体模型，如图 22。
……..
第三章 犬牙槽突裂有限元模型的生物力学分析...........38
3.1 材料与方法..........38
3.1.1 研究模型.......38
3.1.2 加力大小的选择...........38
3.1.3 加力牙齿的选择...........41
3.2 结果......43
3.2.1 加力大小的选择...........43
3.2.2 加力牙齿的选择...........47
3.3 讨论......50
3.3.1 关于加力大小的选择...........50
3.3.2 关于加力牙齿的选择...........52
3.4 结论......53
3.3 讨论
3.3.1 关于加力大小的选择
根据应力分布情况以及骨缝宽度的变化量来看，G1、G2、G3、G4 四组的腭中缝及植骨区均受到拉应力；腭中缝前段宽度在受力后均有明显增加，拉应力及骨缝宽度都随加载力值的增大而增大；裂隙侧犬齿牙尖水平向的位移量均大于健侧水平向的位移量，说明加载的扩弓力值越大效果越好。其中，四组裂隙侧犬齿牙尖 X 轴上的位移量均大于健侧的位移量，与余嘉[39]的研究结果一致，说明颌骨在扩弓力的作用下呈水平扇形打开；四组颌骨前段向上的位移量均大于中段及后段位移量，说明颌骨在扩弓力的作用下发生逆时针旋转，推测为加载的扩弓力矢状方向上的分力方向低于颌骨的阻抗中心，或约束部位在模型后下方所致；四组的颌骨前段及中段均显示上颌骨向后移动少量，推测为上颌骨逆旋造成所选节点相对后移。在正畸治疗中，正畸力与矫形力的区别为：正畸力的力值较小，牙齿在生理范围内移动，主要表现为牙和牙弓的改变；矫形力的力值较大，作用在颅骨、颌骨上，能打开骨缝，使骨骼形态发生改变。本文采用的扩弓治疗即属于一种矫形力，通过将扩弓力加载在上颌牙齿，将矫形力传递至腭中缝，引起颅骨、颌骨形态的变化，其矫形力大，超出了牙周膜所承受的生理范围，使得牙齿移动减缓[56]。单纯以正畸力扩大牙弓，仅得到牙轴的变化，颅骨、颌骨形态的改变则不明显。腭中缝的扩大与扩弓力的大小、作用时间、患者年龄、应力分布和缝组织本身结构对应力的反应以及机体对机械力的反应等有关。快速扩弓的力值最大可累积到 2000～3000g。而Storey[57]等认为要增加上颌骨横向宽度，扩弓力必须足以克服腭中缝组织的约束力，并控制在能够引起缝组织改建的范围内。但过大的矫形力不可避免地将对牙齿产生一定的影响，研究发现，快速扩弓后可造成牙根吸收，中切牙尤其明显[58]。Knoll[59]等的研究结果显示机械拉应力过大或过小都不能使细胞增殖达到最佳效应。故选择大小合适的扩弓力值是扩弓治疗成功的关键。
…….
总结
（1）利用螺旋 CT 和 MIMICS、Geomagic Studio、FEMAP 软件相结合的方法生成的有限元模型结构准确，具有良好的几何相似性以及力学相似性，可用于分析计算。模型的建立为指导动物实验设计和相关研究以及临床牙槽突裂植骨后的治疗提供可靠的理论依据和临床指导。
（2）通过有限元分析得出，将 10MPa 作为扩弓治疗的加载力值，双侧加力的犬齿位移量相对较接近，且植骨区和腭中缝全段均受到拉应力刺激，故建议在动物实验时选择 10MPa 作为扩弓力加载的力值。
（3）通过有限元分析得出，仅对犬齿加载扩弓力，其植骨区和腭中缝全段均受到拉应力刺激，且裂隙侧犬齿位移量略大于健侧。此外，由于犬齿的形态及解剖位置较易于临床操作和放置扩弓器，故建议在动物实验时选择犬齿作为扩弓力加载的牙齿。
…………
参考文献（略）