上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术是一种常用的正颌外科手术，用于矫正各种类型的上颌骨畸形，如上颌骨后缩、前突、垂直性发育不良或过长等^[1-2]。该手术的基本原理是在上颌骨的黏骨膜下进行水平方向的截骨，使上颌骨与中面部骨分离，然后根据术前设计调整上颌骨的位置和角度，并用钛板和螺钉固定。改良Le Fort Ⅰ型截骨术在传统Le Fort Ⅰ型截骨术的基础上改进了截骨方案，增加了一段矩形截骨线，其上缘不超过眶下孔水平，左右位于上颌骨前壁，使截骨线整体呈几字形。手术时应沿截骨线先后截开上颌窦前外侧壁、部分后壁和内侧壁，并离断翼上颌连接，游离松解上颌骨段，术中注意保护颌内动脉的翼腭段、腭降动脉及眶下神经血管束。相比于传统Le Fort Ⅰ型截骨术，该术式增大了上颌骨前移的范围，增加了面中部的丰满程度，可以更好地改善患者面部容貌^[3]。

有限元分析是一种计算机模拟方法，可以预测结构和生物组织在机械负载下的应力分布和变形情况^[4]。该方法已经广泛用于生物医学工程领域，对于研究人体组织和器官的力学特性和功能有重要意义。近年来，有限元分析也被引入到正颌外科中，用于模拟上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术后患者咬合时钛板和骨骼的应力变化，提高了手术的成功率^[5]。

本研究使用Mimics、Inspire Studio、SpaceClaim和ANSYS Workbench 4种软件，根据CT扫描数据，建立上颌骨三维模型。模拟改良Le Fort Ⅰ型截骨术手术方案，对截骨术后患者的咬合情况进行有限元分析。与传统的基于CT扫描数据进行的三维建模方案相比，本研究使用的建模方法得到的模型表面更光顺，更易于修改，并且有限元分析结果能够准确反映截骨后咬合时骨骼的位移情况，从而为制定术后固定方案提供了参考依据。

1 材料与方法 1.1 数据获取

选取就诊于大连市口腔医院的一名19岁女性患者，该患者因龋病就诊，除第三磨牙外牙列完整，颌面部形态正常，无软硬组织疾病，无既往颌面部外伤史和手术史，无系统性疾病。本研究获得大连市口腔医院伦理委员会批准。取得患者本人知情同意后，使用KaVo 3D eXam CBCT（美国Envista公司）进行扫描，采集其颌面部骨骼和牙齿的CT断层影像，用于建模。

1.2 设备与软件

CT数据处理软件：Mimics 21.0软件（比利时Materialise公司），Inspire Studio 2020软件（美国Altair公司）。模型处理软件：SpaceClaim 2020 R1软件（美国ANSYS公司）。有限元分析软件：Workbench 15.0软件（美国ANSYS公司）。

1.3 方法

首先使用Mimics软件，根据CT扫描数据生成颌面部骨骼、牙齿的三维模型。然后使用Inspire Studio软件处理该模型，将其转变为适用于有限元分析的光顺几何模型。之后使用SpaceClaim在模型上模拟改良Le Fort Ⅰ型截骨术的截骨方案，并在适当的位置建立固定所需的钛板和钛钉模型。最后使用有限元分析软件ANSYS Workbench为模型添加物理参数，模拟施加咬合力，对骨骼及钛板、钛钉模型的位移和应力分布进行有限元分析。

1.3.1 Mimics软件处理CT扫描数据

为了对牙齿和骨骼的形貌进行准确仿真，需要根据真实患者的牙齿和骨骼形貌建立有限元模型。首先收集受试者上颌骨和牙齿的CBCT断层影像，导入Mimics软件，生成三维点阵图。通过调整HU阈值，将密度较小的软组织隐藏，初步获得面部牙齿和骨骼的三维模型，见图 1。

为了分析咬合中的受力情况，需在模型整体中分离上颌骨与上牙列。应用Mimics软件中Segment菜单下的功能，手动建立遮罩，根据CT图像中上颌骨与上牙列的位置，独立出各牙体与上颌骨的粗略模型。再经Smooth和Wrap命令处理，使模型光滑，获得基本符合原本生理形态的3D模型。将模型导出为STL格式，供下一步使用^[6]。

1.3.2 应用Inspire Studio软件建立基础三维模型

由Mimics软件获得的STL模型外表由三角面片构成，尚不够光滑，需使用Inspire Studio软件将其重构为具有光滑曲面的几何模型。在Inspire Studio软件中导入STL格式文件，利用fit命令，根据现有的三角形面网格形状创建PolyNURBS曲面（图 2）。该功能最初用于将复杂结构的拓扑优化结果快速转换为PolyNURBS几何体，也同样适用于不规则的有机生物体建模的过程^[7]。

由于CT数据的精度限制以及建模过程中存在的人为误差，模型可能存在与实际不符的细节。Inspire Studio软件支持在光顺化后通过拖动PolyNURBS控制点的方式微调几何形状，在保持曲面连续性的基础上，使模型更贴合牙齿和骨骼的真实形态。最后进行几何渲染，获得可供仿真分析的颌面部硬组织三维模型（图 3）。

1.3.3 应用SpaceClaim软件模拟手术切割方案和建立连接钛板

将模型导入几何建模软件SpaceClaim，模拟改良Le Fort Ⅰ型截骨术进行截骨。首先，在矢状面垂直截骨方向建立一个平面，以正对平面视角设计几字形截骨线，向下距牙根5 mm，向上不超过眶下孔水平，近中至梨状孔边缘，远中至上颌结节。将截骨线沿垂直平面方向拉动，形成穿越上颌骨模型的几字形曲面，在翼颌连接、鼻中隔等需要单独断离处各自建立曲面。使用上述建立的参考曲面将上颌骨几何体切开，经适当组合，将上颌骨截为沿改良Le Fort Ⅰ型截骨线分割的上下两部分。

改良Le Fort Ⅰ型截骨术的固定使用左右对称的4枚L型钛板，沿颌面部尖牙支柱和颧突支柱打入。在SpaceClaim中，依照实际型号为钛板和钛钉建模，摆放在模型对应位置，使二者与上颌骨具备正确的位置关系。至此，完成改良Le Fort Ⅰ型截骨术切割和固定的模拟（图 4）。

1.3.4 应用ANSYS Workbench软件进行三维有限元分析

使用ANSYS Workbench软件对截骨后的咬合过程进行初步仿真分析。分析中使用的材料包括牙齿、牙槽骨、钛合金。其中，牙齿的弹性模量为19 600，泊松比为0.3；牙槽骨的弹性模量为1 730，泊松比为0.3；钛合金的弹性模量为110 000，泊松比为0.36^[8-9]。

在模型连接上，需要确保截开的两段上颌骨不直接发生连接，仅通过钛钉和钛板传递力和位移。在所有骨骼与钛钉相连处、钛钉与钛板相连处设置多点约束类型的绑定约束。牙齿与上颌骨牙槽突之间同样设置为绑定约束。牙齿间不进行连接。为减小计算量，创建钛钉与骨骼的连接时，Pinball region仅计入接触区域周围2 mm。由于钛板和钛钉是后续分析的重点对象，使用Sizing命令细化钛板和钛钉的网格尺寸，使分析结果更为精确^[10]。

在模型上端设置固定约束。按照咬合关系，在主要承担咬合功能的2颗第一磨牙各施加3 N指向牙槽骨方向的咬合力（图 5），对钛板的应力和应变进行求解。

2 结果 2.1 位移结果与连接关系的验证

求解后，调出全模型位移云图验证连接关系（图 6）。截下的骨块以钛板连接处为支点受力发生旋转，位移分布均匀，牙齿与骨骼、钛钉与骨骼间无相对滑动，截骨位置未发生接触，验证模型连接建立无误。此时，上颌骨最大位移处位于第二磨牙远中尖，向后上方移动约109 μm，处在安全范围内。

2.2 钛板应力结果

仅选取钛钉和钛板，调出应力云图（图 7）。应力主要集中位置位于钛板中部临近截骨线处，应力的最大位置位于圆角边缘，约为73 MPa。

不同标号钛合金的弹性模量差异不大，约为110 GPa；但不同钛合金的屈服极限差异较大，范围为270~400 MPa。一般认为，材料的工作应力不超过屈服极限的1/2时，疲劳寿命较高，在正常咬合次数下不会发生疲劳破坏。在本研究施加的6 N咬合负荷下，钛板仍有相当大的强度富余。

3 讨论

本研究基于CT图像，应用Mimics、Inspire Studio、SpaceClaim和ANSYS Workbench 4种软件，对改良的Le Fort Ⅰ型截骨术术后咬合情况进行了建模分析，得到了咬合过程中骨块位移和固定钛板、钛钉应力分布情况。相比于其他上颌骨截骨方式，改良Le Fort Ⅰ型截骨术为增加面中部突度采用了向上突出的几字形截骨线，使骨骼和固定钛板的受力更为复杂。本研究结果有望为改善患者的术后咬合提供一些参考。

与其他建模软件相比，Inspire Studio软件的建模方式具有易控制、易修改的优点。过去生物组织建模中常用的Geomagic等软件，虽然能拟合出光滑的由NURBS曲面构成的几何体，但不便于修改^[11]。而Inspire Studio创建的PolyNURBS几何体的最大特点之一就是在拟合生成光滑的曲面几何体后，还可以通过对控制点、控制线等特征的修改来调整几何形貌，便于针对不够理想的形态进行修改，也可以保证关键几何结构在模型上能够真实表达。调整便捷的特性也为后续研究节约了成本，后续需要模拟一些形貌特征变化不大的生物组织时，只需在现有模型的基础上适当修改，不必重新建模。

在许多同类的仿真研究中，施加的咬合力最高达到100 N^[12]。考虑到Le Fort Ⅰ型截骨术术后几周内患者以进食半流食为主，不会长时间使用较大的咬合力，本研究只使用了共6 N的咬合力，远小于咬合力的上限数值，以体现位移和应力的分布趋势为主。由于骨位移的旋转轴位于面前部截骨线位置，如果患者多用前后牙均匀咬合或优先用前牙咬合，骨块位移可进一步减小，应力分布也会更趋向均匀。在临床工作中，本研究结果有助于更加定量、直观地理解患者术后恢复期的咬合要求，引导患者遵医嘱进食，为骨骼愈合提供良好的环境。

综上所述，本研究为初步研究，重点在于建立光滑的上颌骨模型，并验证基于该模型模拟改良Le Fort Ⅰ型截骨术手术方案的可行性。本研究仅模拟了截骨方案和截开后骨骼的连接关系，未考虑手术中骨骼移动后的真实位置，对钛板的弯折情况也未进行建模。本研究模拟的6 N咬合力为进软食所用的大概数值，后续研究将进一步探究不同种类食物所需的具体咬合力，以将仿真模型得到的定量结论更好地用于患者的日常生活中。此外，对于本研究建立的上颌骨模型，后续研究还将其用于对比不同的截骨方案，并对更多咬合情况下钛板的应力分布状态进行更深入的研究。