综述：评估有限元模型在MARPE诱导颅面结构行为中的临床相关性：一项生物力学综述

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【字体：大中小】 时间：2025年10月11日 来源：Journal of Biomechanics 2.4

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　　这篇综述系统评价了有限元法（FEM）在微种植钉辅助上颌快速扩弓（MARPE）生物力学研究中的应用与挑战。文章指出，尽管FEM能模拟临床难以观察的应力分布和位移模式，但当前模型普遍存在解剖简化、材料属性理想化（如各向同性、线弹性）及验证不足等局限，导致其临床预测可靠性受限。未来研究需聚焦于高保真解剖重建、生理性边界条件及基于纵向锥形束CT（CBCT）的验证，以推动基于证据的个体化MARPE方案发展。

引言

上颌横向发育不足（MTD）是一种影响颅面功能和美观的正畸病症，可导致牙列拥挤、后牙反^及鼻气道受损。对于青少年和成人患者，由于骨骼抵抗增强，传统正畸方法效果有限。微种植钉辅助上颌快速扩弓（MARPE）作为一种非手术方法，通过将扩弓力直接锚定于上颌基底骨，有效减少了牙槽骨效应，成为矫正MTD的临床可行选择。与传统的牙支抗快速扩弓（RPE）不同，MARPE改变了上颌的旋转中心，从而影响骨骼扩张的模式和幅度。然而，MARPE的临床效果存在个体差异，并发症如不对称扩张、种植钉松动和中面部骨折等，受患者特异性解剖和力学因素影响。在此背景下，有限元法（FEM）作为一种有价值的^{in silico}（计算机模拟）方法，被越来越多地用于模拟MARPE诱导的颅面响应，为理解其生物力学机制提供了独特视角。

方法

本综述采用叙述性评价方法，系统检索了2014年至2025年间五个数据库的相关文献，并辅以人工智能工具进行辅助搜索。最终筛选出79项相关研究，其中13项描述了FEM参数，仅6项包含了临床验证数据。这种方法的选取源于MARPE-FEM文献在建模和验证方面存在显著的异质性，需要进行解释性批判。分析框架涵盖了从解剖重建到模拟输出解释的各个阶段，并通过表格形式对比了不同研究的模型参数、加载方案和验证策略，以揭示方法学上的差异、不一致性和研究空白。

MARPE生物力学

MARPE的生物力学特性与传统RPE有显著区别，其核心在于通过微种植钉将力主要传导至腭中缝。这种配置通过上颌骨而非牙列传递机械负荷，从而降低了整体颅面应力，并产生更有利的扩张模式。MARPE改变了上颌的旋转中心，将其从前上颌缝或眶上裂区域转移至颧额缝区域，这种旋转行为的差异与MARPE治疗患者鼻腔扩张更大相关。

MARPE采用两阶段扩张：快速激活后接低力循环加载，产生的交替应变逐渐削弱周上颌缝，促进颅面骨改建。然而，MARPE的成功与患者的骨骼成熟度密切相关。随着年龄增长，尤其是超过30岁后，腭中缝变得交错复杂，对抗矫形力，限制了骨骼扩张的程度。此时，可能需要辅助手术如皮质切开术来克服缝阻力并降低并发症风险。双皮质锚定（同时接触腭板和鼻底皮质）理论上能增强应力分布，但当前证据并未显示其相较于单皮质配置有显著优势。为提高稳定性和力传导，建议使用长度至少为8 mm的种植体，对于缝高度交错化的成年患者，建议使用四颗微种植钉。

基于FEM的MARPE生物力学评估

FEM工作流程主要包括解剖学预处理、基于求解器的处理以及后处理获取生物力学输出，随后与临床证据进行验证以确保生理相关性和解释准确性。

预处理阶段

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几何定义与网格划分策略：三维FEM模型通常通过成人头颅的详细X射线扫描（如CT或CBCT）构建。扫描参数通常包括层厚0.18-0.3 mm，体素尺寸0.3–0.463 mm，以提供适合精确几何重建的体积数据。关键颅面结构（如皮质骨、松质骨、骨缝、牙周膜PDL）通过半自动和手动技术进行分割。骨缝通常被手动勾勒，宽度在1.5-2 mm之间。最终的解剖精确模型被导出为STL文件，并转换为与FEM求解器兼容的体积网格，主要使用四面体单元进行离散。网格分辨率在不同研究中差异很大，节点数从不足16万到超过550万，单元数从约4.1万到超过1200万不等。尽管网格质量指标（如纵横比、偏斜度）对数值可靠性至关重要，但很少被报告。大多数研究依赖于平滑、去除伪影和消除扭曲单元等通用细化方法来促进收敛和数值稳定性。
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材料属性与本构定律：根据常见的MARPE-FEM惯例，解剖结构和矫治器通常被建模为均匀、各向同性的线弹性材料。
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  骨属性：皮质骨和松质骨被分开建模。皮质骨的杨氏模量通常在13,000至14,700 MPa之间，泊松比约为0.3。松质骨的刚度较低，报告的模量范围在1,370–7,900 MPa之间，泊松比相似。
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  骨缝界面建模：颅面骨缝被建模为刚度远低于骨的线性弹性、各向同性材料，报告的杨氏模量范围在10-68 MPa，泊松比接近不可压缩（~0.49）以反映其高变形性。腭中缝、颧上颌缝、翼上颌缝等是常见建模对象。在所有情况下，骨缝界面都被指定为“绑定”接触条件，这意味着界面处不允许分离或滑动，简化了计算但未考虑骨缝在体内的有限活动度和粘弹性行为。
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  正畸装置和种植体属性：MARPE矫治器和微种植钉通常被赋予生物医学级金属的属性。不锈钢部件的弹性模量为190,000–200,000 MPa，ν = 0.29–0.30；钛微种植钉（Ti-6Al-4V）的E值在110,000–114,000 MPa之间，ν = 0.30–0.34。
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加载参数化：MARPE-FEM模型通常采用力控制或位移控制的加载方式来模拟临床激活方案。扩张力范围从每侧7.85-9.81 N到模拟通过扩弓器施加的横向力。另一种方法是定义固定的横向力大小，例如100 N横向施加于牙支抗或腭骨。也有研究采用增量横向位移，模拟扩弓螺丝每次转动0.10–0.25 mm的激活步长。施加到微种植钉、锚定牙或基底骨的力，通常每侧约为1000 gf，角度在^平面以上-45°至30°之间，这会显著影响上颌位移和旋转。
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约束：在FEM模型中，约束的施加对于模拟颅面复合体的解剖和力学边界条件至关重要。文献中显示出一个一致的趋势，即在枕骨大孔处施加所有平移和旋转方向的固定边界条件。一些研究将这些约束扩展到包括前额或后颅穹窿，以模拟更广泛的稳定框架。少数模型使用局部约束（固定种植体或后颅稳定）来聚焦于腭中缝或微种植钉界面周围的应力分布。

处理阶段

处理阶段涉及系统方程的组装和求解，但在MARPE-FEM研究中记录不足。这主要是由于商业软件环境（如ANSYS, Altair OptiStruct）的固有局限性，其中求解器操作作为专有过程进行管理，用户对其控制和可见性有限。尽管方法学标准鼓励清晰报告求解器选择、边界条件和收敛策略以增强可重复性，但各种研究主要关注前处理和后处理阶段，对处理阶段关注较少。这也反映了正畸生物力学计算研究相对较新，早期研究更侧重于临床结果而非建模细节。

后处理阶段

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骨缝位移与应力-应变预测：数值求解收敛后，可以提取应力应变场图进行分析。皮质骨在MARPE激活期间承受最高应力，尤其是在微种植钉周围区域，值可达70.27 MPa，主要集中在微种植钉孔洞周围。相比之下，松质骨表现出较低的应力幅度，报告的峰值约为5.51 MPa。MARPE设计和锚定策略的选择显著影响应力分布。例如，结合牙支抗和骨支抗的混合式矫治器显示应力在腭中缝更广泛地分散，导致更高的应变水平（~4000 με）。而纯骨支抗扩弓器将应力集中主要限制在腭穹窿，减轻了牙槽骨效应。骨缝位移显示腭中缝近似平行分离，这与MARPE的矫形目标一致。研究发现，每次螺丝激活（0.25 mm）平均腭中缝位移约为0.247 mm。位移幅度在锚定牙处明显低于腭中缝区域，强化了MARPE诱导运动的骨性本质。在颅面异常（如双侧唇腭裂）中观察到位移变化，表现为不对称变形和局部更高应变集中。超越应力-位移，FEM有助于理解应变在颅面骨骼中的传播。研究表明，手术干预（如翼上颌分离）显著改变机械响应，降低颧上颌缝等处的应力，改善扩张并降低机械过载风险。不对称微种植钉放置会产生局部高应力，强调对称锚定对于平衡力分布的必要性。

临床与计算数据的关联

验证对于确保MARPE中的FEM模型反映体内生物力学至关重要。

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实验验证：目前未发现通过FEM评估MARPE诱导骨骼变化的实验验证研究，这凸显了在计算模型临床应用前整合实验方法的必要性。在其他正畸领域，验证通常通过比较FEM预测的应变与体外应变测量来实现，或在微种植钉研究中与microCT实验测量结果进行比较，显示出良好的一致性。
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临床验证：临床验证对于评估计算模型在真实世界正畸应用中的转化准确性至关重要。在其他生物力学FEM中，通过与同一标本构建的模型的体外实验数据直接比较模型预测来实现严格验证。然而，在MARPE中，对患者水平结果与FEM预测的相关性研究仍然缺乏。当前MARPE-FEM主要依赖于定性的临床观察或主观专家判断，这削弱了科学严谨性和临床转化。利用先进成像技术进行定量验证方法（如体素位移分析、标志点误差度量）仍未得到充分利用。此外，骨改建、保持和复发等时间现象很少被精确建模，尽管它们 critically 影响治疗结果。

讨论

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解剖保真度：分割挑战与结构简化：当前的MARPE-FEM研究往往强调网格密度而未报告质量指标（如偏斜度、纵横比），这直接决定了高应力区域的收敛可靠性。不完整的描述降低了可重复性。关键结果（如微种植钉应力）的变异系数超过80%，表明不同研究的结果可能无法进行临床比较。解剖简化（如统一分配PDL厚度、忽略骨缝成熟度）也引入了系统性偏差。经验数据证实了PDL和骨缝的个体间变异性会显著改变应力传递。骨骼通常被建模为各向同性和均匀的，但CT证据显示其存在显著的异质性和各向异性。为了进步，模型必须超越描述性报告，采用透明标准、系统敏感性分析和生理真实的骨组织表征。验证应是情境特定和输出驱动的。此外，开源共享输入和输出数据对可重复性至关重要。
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本构准确性：材料属性与加载条件：颅面有限元模型的本构准确性关键取决于材料属性和加载条件的定义。方法学进展体现在从位移控制的简化向力控制和临床对齐的激活转变。位移方案可能产生不切实际的输出（如微种植钉应力超过10,000 MPa），而力控制模拟报告的量级更符合生理（约265 MPa）。临床验证支持这一趋势。边界条件是另一个关键轴。固定装置定义、摩擦假设和锚定部位的差异可使皮质骨应力产生六倍变化，改变预测的扩张效果。动态效应（如循环咬合负载）会诱发瞬态峰值，而肌肉力的忽略则 disregard 了负荷传递的一个主要生态决定因素。在材料尺度上，骨的表示说明了真实性与可行性之间的张力。尽管各向同性均匀性仍占主导，但研究表明此类假设的不足。各向异性和密度依赖性模型能更好地捕捉沿种植体-骨界面的应力重分布。然而，由于计算成本、缺乏个体化校准数据以及颅面部位实验数据集的缺失，其在正畸临床应用仍罕见。骨缝提出了更大的建模障碍。其各向异性、富含胶原的微观结构和粘弹性行为挑战了线弹性假设。骨缝随年龄的硬化降低了扩张潜力，但跨发育阶段的可靠机械数据集仍然缺乏。
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临床验证：方法学差距与转化挑战：当前MARPE-FEM的一个持续局限是依赖于定性临床观察或主观专家判断，这削弱了科学严谨性和临床转化。尽管有先进的成像技术，定量验证方法仍未得到充分利用。解决这些差距需要整合纵向CBCT数据集、时间依赖性本构建模以及连接细胞适应与组织水平变化的多尺度方法。同样重要的是标准化的验证框架：具有明确矫治器规格的前瞻性队列、预注册的分析流程和开源数据共享。
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数值建模的未来展望：预测性MARPE-FEM的发展路径在于借鉴相邻FEM领域已证明的方法学进展。机器学习框架可用于自动识别模型参数和边界条件。功能边界条件（如咀嚼负荷）的纳入至关重要。提高模型可信度需要透明报告网格质量、收敛行为、接触定律、约束理由和敏感性分析。明确的骨缝粘弹性建模能从根本上改变模拟的扩张行为。尽管有这些方法学进步，但由于重复CBCT成像的伦理限制、矫治器设计的异质性以及单中心数据集为主，临床验证仍然滞后。解决这一差距需要可行的策略：多中心联盟汇集匿名CBCT数据、开源FEM存储库确保可重复性、以及仿效ASME可信度框架的标准化报告指南。结合尸体或体外机械测试与FEM校准的混合流程提供了额外的模型锚定于实验证据的途径。

结论

MARPE为青少年和成人上颌横向矫正提供了非手术解决方案。本综述综合了关于MARPE诱导适应的临床和计算证据，重点阐述了FEM在提供生物力学见解方面的作用。虽然FEM阐明了扩张过程中的应力分布、位移模式和骨缝响应，但当前模型受限于解剖简化、骨各向同性/线弹性假设、不充分的骨缝力学以及不足的临床验证。为提高预测准确性，未来模型应整合详细解剖结构、各向异性骨属性、年龄特异性骨缝行为以及经过验证的加载方案。利用纵向CBCT数据的稳健验证框架对于使模拟与临床结果保持一致至关重要。随着MARPE技术的发展，精细化的计算建模将优化矫治器设计、减少并发症并提高治疗精度。跨学科合作和方法学透明度对于推动FEM从理论探索转变为临床可操作工具至关重要。优先考虑这些改进将支持正畸领域中基于证据、个体化的MARPE应用。

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