用于评估手术辅助快速腭扩张模式的有限元分析模型

摘要

创建了一套新的手术辅助快速腭扩张 （SARPE） 有限元模型，该模型可以在不同角度的颊骨截骨术中执行临床所需的扩张器激活量，以进一步分析所有三个维度的半上颌骨扩张模式。

摘要

引入手术辅助快速腭扩张 （SARPE） 以释放骨阻力，以促进骨骼成熟患者的骨骼扩张。然而，据报道，在所有 SARPE 患者中，有 7.52% 的患者出现左右两侧不对称扩张，其中 12.90% 的患者必须接受第二次手术进行矫正。导致不对称扩张的病因尚不清楚。有限元分析已被用于评估颌面结构中与SARPE相关的应力。然而，由于LeFort I截骨部位的骨骼碰撞仅在一定程度的扩张后发生，因此大多数现有模型并不能真正代表力分布，因为这些现有模型的扩张量很少超过1 mm。因此，有必要创建一个新的SARPE有限元模型，该模型可以执行临床所需的扩张激活量，以进一步分析所有三个维度的半上颌骨扩张模式。将锥形束计算机断层扫描 （CBCT） 的三维 （3D） 颅骨模型导入 Mimics 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。这些结构被转移到Geomagic中，用于表面平滑和松质骨和牙周韧带的创建。然后保留上颌骨的右半部分并镜像，以在 SolidWorks 中创建完美对称的模型。构建了 Haas 扩张器并将其绑扎到上颌第一前磨牙和第一磨牙上。在Ansys中对不同角度、间隙为1 mm的各种颊切骨术组合进行了有限元分析。进行收敛测试，直到达到所需的两侧膨胀量（总共至少 6 毫米）。本研究为评估颊骨切开成角如何影响SARPE的扩张模式奠定了基础。

引言

手术辅助快速腭扩张 （SARPE） 是一种常用的技术，用于骨骼成熟患者的上颌骨结构和牙弓横向扩张¹.该手术包括 LeFort I 截骨术、腭中皮质切开术，以及翼上颌裂² 的松解术。然而，已有报道称，SARPE 不希望的扩张模式，例如左半上颌骨和右半上颌骨³ 之间的不均匀扩张和牙槽突颊侧倾/旋转⁴，这可能导致 SARPE 失败，有时甚至需要额外的手术进行矫正⁵。先前的研究表明，上颌周截骨术的变化可能在 SARPE 扩张后模式中起重要作用^2,3，因为 Le Fort I 截骨部位的骨块之间的碰撞会导致半上颌骨横向扩张的不均匀阻力和半上颌骨的旋转，切口下方的牙槽边缘向内移动，而牙槽突扩张 ^3，4.因此，有必要研究不同截骨方向，尤其是颊骨截骨术对 SARPE 后扩张模式的影响。

已经建立了几个有限元分析（FEA）模型来评估SARPE过程中的力分布。然而，这些模型中的膨胀量限制在最多 1 mm，远低于所需的临床量

研究方案

本研究利用了一名患有 SARPE 的患者的预先存在的、去识别化的治疗前 CBCT 图像作为治疗计划的一部分。该研究是根据《赫尔辛基宣言》进行的，并得到了机构审查委员会（协议#853608）的批准。

1. 样本采集和牙齿分割

1. 在自然头部位置获取头部的人类 CBCT 图像，包括患者的上颌骨复合体，包括上颌基底骨、上颌牙槽骨和上颌牙列。
2. 将 CBCT Digital Imaging and Communications in Medicine （DICOM） 文件导入 Mimics 软件。
   1. 创建 新项目 （Ctrl + N），选择所有 DICOM 图像，然后单击 “下一步 ”和 “转换”。
   2. 定义模型的方向（A：前方，P：后方，T：顶部，B：下部，L：左，R：右），然后单击 确定。
3. 将锉刀分割为上颌复合体、上颌第一前磨牙和上颌第一磨牙。
   1. 单击阈值，选择适当的 阈值来分割骨骼，然后单击 应用。
   2. 创建新面罩并单击“ 编辑面罩”，使用 “绘制

讨论

SARPE 中颊骨切开术的方向可以是上颌骨支撑区域向下踩踏之前从鼻孔水平切开，也可以是从梨状边缘向上颌第一磨牙相对应的支撑的斜坡切口，如 Betts² 所述。无论哪种方式，截骨术都延伸到上颌骨的颧突下方。然而，目前大多数关于SARPE的有限元分析研究都使用水平切口，向后延伸，与梨状边缘6,7,12,14相同。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ansys	Ansys	Version 2019	Ansys is a software for finite element analysis that can solve complicated models based on differential equations. The expansion results of different buccal osteotomy angles were analyzed through this software.
Geomagic Studio	3D Systems	Version 10	Geomagic Studio is a software for reverse engineering that can generate digital models based on physical scanning points. This study built cancellous bone and periodontal ligaments through this software.
Mimics	Materialise	Version 16	Mimics is a medical 3D image-based engineering software that efficiently converts CT images to a 3D model. This study reconstructed a maxilla complex through the patient's DICOM images.
SolidWorks	Dassault Systèmes	Version 2018	SolidWorks is a computer-aided design software for designers and engineers to create 3D models. A Haas expander was designed and drawn through this software in this study.