用于评估外科辅助快速腭扩张扩张模式的有限元分析模型

SARPE 常用于骨骼发育成熟患者的上颌扩弓。然而，已有报道指出其可能出现原因未明的非对称性扩弓。本研究旨在建立一种能够真实模拟临床条件的新型 SARPE 有限元分析模型，并全面探讨半侧上颌骨在三个维度上的扩弓模式。

有限元分析已应用于牙科和生物工程领域，以实现诸如上颌骨扩张术（SARPE）等手术的体外模拟。在本研究中，使用了四种软件来建立有限元分析模型并预测扩张模式。最具挑战性的部分——也是大多数先前研究中难以解决的问题——是在截骨面的伤口愈合区域模拟受力情况。

为此，我们在初步研究中设置了弹簧，这被认为是用于SARPE有限元分析（FEA）的一种新颖设计。该统一单元模型聚焦于扩弓模式，通过截骨间隙的创建和经验的纳入，实现了更为真实的SARPE模拟。该模型作为临床工具具有重要意义，可用于指导SARPE手术流程。

我们的跨学科团队将致力于开发先进的三维模型，通过工程辅助方法为分析和改进正颌外科技术提供有价值的个性化治疗策略，并通过工程辅助的三维成像系统增强正畸医师与口腔颌面外科医师之间的沟通与协作。首先，启动 SolidWorks 软件，从梨状孔向眶下颧突嵴创建一个厚度为一毫米的平面。接着，打开“插入”菜单，然后依次点击“参考几何体”和“基准面”选项。

从截骨平面选择三个特征点，单击“确定”以创建 O1 平面。再次通过单击“插入”和“参考几何体”导航到该平面。此次选择截骨平面，并设置一毫米的偏移距离。

单击“确定”以创建标记为 O2 的较低切割平面。接下来，依次选择“插入”、“特征”，然后选择“分割”，在“修剪工具”中选择 O1 和 O2 平面。选择目标实体，然后按“切割实体”以生成切割预览。接着，在“生成实体”部分勾选相应的复选框，然后按“确定”以分离上颌复合体。

然后在 O1 和 O2 平面之间的部位上单击。在 Body 部分右键单击并按 Delete 键。要导出具有不同颊侧截骨角度的模型，首先单击 File，然后选择 Save As，并从文件类型列表中选择 Parasolid XT。

最后，单击“保存”以导出适用于有限元分析软件的模型。本示例分析采用了一名47岁女性患者的锥形束计算机断层扫描图像来生成模型。为了实现精确的手术模拟，分离了鼻中隔、鼻腔外侧壁以及翼上颌裂。

首先，启动 Ansys 软件，将上颌复合体模型的材料参数导入软件中。接着，单击并拖动工具箱中的“Static Structural”以创建一个分析工作空间。双击“Engineering Data”，然后在工具箱中选择“Linear Elastic”，并在“Properties”中设置所有材料的杨氏模量和泊松比。

现在，双击几何体（Geometry），然后选择文件（File）。接着选择导入外部几何文件（Import External Geometry File），并点击生成（Generate）以导入上颌复合体模型。然后点击创建（Create），接着选择布尔运算（Boolean），并对松质骨和牙齿生成皮质骨及牙周膜的布尔运算结果。

为建立有限元分析模型，双击模型，然后选择几何体以确定各部分的材料属性。接下来，右键单击网格，点击生成网格以构建模型单元。然后，单击连接，在接触体中指定柔软或较小的部分，在目标体中指定刚性或较大的部分。

然后在“定义”中指定接触类型和摩擦系数。接着，右键单击“连接”，选择“插入”，然后按“弹簧”以连接截骨面的上部和下部。

将弹簧长度设为1毫米，弹簧常数k设为60牛顿/毫米。在每个网格节点放置一个弹簧。沿x轴设置临床可接受的力后，右键单击“Static Structural”选项。

按“插入”，然后选择“固定支撑”，以使结构在腭平面上保持不可移动。若要在远离中线的丙烯酸板上施加力，请单击“静态结构”，然后选择“插入”，并将力设置为150牛顿。接着右键单击“求解”，依次选择“插入”、“变形”和“总变形”，以监测扩张变形情况。

最后，为了进行收敛性测试，在工具栏中选择“求解”，并等待力收敛水平达到力收敛准则。然后单击“求解信息”，接着选择“总变形”以显示扩张结果。所演示的模型采用了1名47岁女性患者的锥形束计算机断层扫描图像，该患者存在上颌骨发育不足，据此构建了模型。

为了实现精确的手术模拟，分离了鼻中隔、鼻腔外侧壁以及翼上颌裂。在模型左右两侧进行的初步测试中，采用对称的0度切口，结果显示施加150牛顿的力可产生超过8毫米的扩张。此外，还设计了多种角度以模拟不同的临床情况。

右侧和左侧的扩展情况以颌骨模型的最大值颜色图的前后对比形式显示。