先天性腭裂是在胚胎发育过程中形成的颌面部畸形，是一种常见的出生缺陷性疾病，其发生率约为0.33‰。腭裂会导致吮吸、进食及语言等方面的功能障碍，给患者的日常生活、学习、工作带来严重影响。腭裂主要依靠手术修复治疗，即利用口鼻腔两侧的组织瓣，通过松解、转移组织瓣来封闭裂隙，同时延长软腭，重建腭咽肌肉环，最大限度地改善腭咽闭合功能。
在不同地区及医院，术式选择不尽相同，我们应针对不同患者的个体情况来选择最合适的治疗方案。但在临床上，腭裂术后仍有腭瘘、上颌骨发育不足及腭咽闭合不全等并发症的发生。
随着计算机、医学影像及三维建模技术的发展，有限元方法开始应用于医学研究。有限元方法可以快速地建立颌面部软硬组织的三维模型，再现各组织的空间结构，解决部分力学相关的临床问题，在正畸、正颌、创伤修复等方面都有广泛应用。
在腭裂的临床治疗中，有限元法可以通过应力分析的方式来预测临床预后，并为临床手术术式的改进提供思路。本文拟对有限元方法在腭裂治疗中的应用进展做一综述，以期为有限元方法在临床术式改进和预后预测方面有进一步的应用。
1.腭裂的临床治疗现状
腭裂是在胚胎第7~12周时，前腭突与两侧的侧腭突未融合或融合不全导致的。临床上主要通过外科手术修复裂隙、恢复语音及吞咽功能。目前临床常见的腭裂修复术式主要包括：两瓣法、Furlow反向双Z法，Sommerland腭帆提肌重建法、华西法等。
两瓣法是临床常见的术式之一，一定程度上可以修复裂隙、恢复肌肉的位置，但不能有效重建腭帆提肌环，腭咽闭合效果较差；且两瓣法常需做松弛切口，而创面瘢痕化及骨面裸露对患者上颌骨发育有明显的抑制作用。
1986年，1986年，Furlow提出反向双Z法修复腭裂。临床研究表明，在腭咽闭合功能、语音清晰度及腭瘘发生率上，Furlow法均优于两瓣法；但是Furlow腭成形术有着较为严格的适应症，裂隙较宽者术后难以获得较好的腭咽闭合。2003年，Sommerlad提出腭帆提肌重建术。该方法较好地恢复腭部肌肉环，且减少了瘢痕形成。此方法对于腭咽闭合有更好地改善，但同样不适用于裂隙宽大者。
鉴于Furlow法能够更好地延长软腭，而Sommerlad可以更好地恢复腭部肌肉环，因此石冰等提出SF腭裂修复法，该方法将Furlow 法和Sommerlad法优点相结合。在临床应用中也证明，SF法较Sommerlad法及Furlow法能有效降低腭咽闭合不全及腭瘘的发生率。
尽管腭裂修复术式不断改进，大部分腭裂患者术后能获得良好疗效，但仍有少数患者出现腭瘘、腭咽闭合不全及上颌骨发育不足等术后并发症。这些并发症的发生可能与临床医生经验及熟练程度有关，随着计算机技术的发展，有限元方法可以通过应力分析的方式来预测临床预后，一定程度上可以帮助临床医生更好地选择手术术式及调整术中操作。
2.有限元分析的原理及应用
2.1 有限元分析的原理及准确性验证
有限元分析(finite element analysis，FEA)是一种分析结构应力和变形的数值方法，其基本思想是将复杂几何体划分为更小、更简单的有限元素，有限元素经过分析后再整合起来得到整个复杂几何体的解。有限元方法通常采用CT、MRI等影像数据，经图像处理与造型处理后，快速地建立颌面部软硬组织的三维几何模型，能更形象地再现各组织的空间结构，并通过数值方法求解部分力学相关的临床问题。
基于有限元方法能够快速、形象地构建三维模型并进行力学分析，其在力学相关的研究中显示出巨大优势。在口腔硬组织研究中，有限元方法在种植体、正畸和颅颌系统的应力分析等方面均有应用。在口腔颌面软组织研究中，由于软组织材料研究的逐渐细化，其在软组织创伤修复与整形中也显示出应用潜力。
有限元模型可以逼真地模拟组织的几何形态，并进行生物应力分析。但是有限元作为一种近似科学，其准确性直接影响到结果能否应用于临床实践。对于有限元模型有效性的验证，主流的验证方法主要包括以下3种：(1)查阅文献：即参考既往相关研究的临床数据或者相似的模拟结果来进行验证；(2)生物力学实验：即在建模前对实验对象进行力学特性的测试，与有限元模拟结果进行比对来验证；(3)实验模型验证：即模拟时做一个实际比例模型，约束和加载与数值仿真的完全一致，然后通过比较试验结果和数值结果来得出结论；(4)临床随访验证：即治疗前根据临床治疗方案建立有限元模型，治疗后根据临床长期随访结果及模拟结果的比对进行验证。
以上4种方法一定程度上都可以验证模型的准确性：查阅文献的方法工作量小、简单易行，因此应用广泛，但是由于现有的技术水平及分析手段仍在发展中，有参考价值的研究仍较少；后三者较前者更加严谨，但需要相关的实验研究来探索和证明，研究周期长、要求高。
2.2 有限元方法在腭裂治疗研究中的应用
2.2.1 腭裂的手术模拟
有限元方法作为虚拟手术常用的一种建模方式，临床上常应用于面部正颌外科手术和软组织整形手术。上世纪末，有限元的方法开始广泛应用在颅颌面手术仿真的研究中。
在腭裂的治疗研究中，吴宏志通过Mimics软件对腭咽部进行三维重建，并将腭咽部三维重建数据输入Imageware软件，模拟了“两瓣法”腭裂修复术。但该研究仅将软组织向中线处平移，评估了缺失组织量的多少，而未将软组织的弹性拉伸考虑在内。Inouye等基于三维有限元模型，模拟了不同腭帆提肌重叠量下的腭咽结构。Yang等用两个圆柱体来重现了咽后壁瓣修复术后的腭咽结构。以上研究虽未能完整模拟手术操作，但对于手术重要步骤在手术过程中的作用进行了分析，对未来手术的选择及优化至关重要。
有限元模型作为虚拟手术常用的一种建模方式，对于颌面部软、硬组织物理性质的模拟逐步精确，该技术于临床研究中的应用也越来越广泛。有限元方法也为唇腭裂的序列治疗方案的制定及治疗过程中医患沟通提供了新的思路。
2.2.2 腭裂手术的预后分析
(1)上颌骨发育不足：腭裂术后的患儿常出现继发上颌骨发育不足、面中部凹陷、牙牙合畸形等并发症。研究表明，上腭组织缺失、手术瘢痕、唇裂术后异常肌张力、腭裂手术术式及时机等是影响术后上颌骨发育的主要因素。以往研究通过临床随访观察及动物实验得出结论，而随着计算机技术的发展，有限元分析开始应用于腭裂研究，使腭裂术后上颌骨发育障碍机制研究更加完善。
文抑西等通过CT建立腭裂患者上颌骨的有限元模型。随后他们在原有的模型上加入腭板软组织及瘢痕组织，认为腭裂术后瘢痕对上颌骨的生长发育有明显负面作用。该研究从生物力学角度揭示了腭裂术后上颌骨发育不足的发生机制。黄威等通过模拟不同部位的瘢痕力，提出瘢痕组织越靠近牙槽突及硬腭前部对上颌骨的抑制能力越强。
2020年，黄威等同时施加上唇压力及瘢痕力，指出腭部软组织的瘢痕力对上颌骨发育的影响大于上唇压力。Li等通过建立新生小鼠尾部皮肤瘢痕的有限元模型，证明瘢痕产生的局部收缩力抑制了骨的生长。此研究将有限元分析与上颌骨发育障碍的分子机制相结合。此外，有限元方法在腭裂术后正畸中也广泛应用，并指导腭裂患者术后正畸的治疗设计，以此来弥补腭裂患者术后上颌骨发育不足。
以上研究结果提示，临床手术中松弛切口及裸露骨面产生的瘢痕和上唇压力对于上颌骨发育的负面影响，与许多临床研究结果基本一致，证明有限元方法应用于术后颌骨发育预测具有一定的科学性，但是同时因为材料性质精确性及样本单一的限制，实验结果存在一定的局限性，有限元分析方法真正运用到临床还存在一定困难。但是随着研究的不断深入，大样本及材料性质的精确性一定会逐步提高。
(2)腭咽闭合不全：部分患者腭裂术后存在腭咽闭合不全，导致语音清晰度降低。大部分学者认为手术时机、手术术式及患者自身软硬组织缺损情况等是影响术后腭咽闭合功能的主要因素。以往对腭咽闭合的研究大多着重于软硬组织的后退延长，证明了上腭组织量对腭咽闭合的重要性，而三维有限元的研究则将关注点拓展到了腭部肌肉的收缩能力及腭部各肌肉的协调运动上。
Berry等通过解剖进行了人腭板软组织的定量研究，确定了腭部软组织各组分的弹性模量及泊松比，这一研究为软腭三维有限元模型的建立奠定了基础。Birch及Birch等则将腭板分为10个区域，基于各区域肌肉及腺组织的比例，进行了腭板各区域弹性模量及泊松比的测量，大大提高了有限元模型中软组织模拟的精确性。此后的研究多以以上研究为基础构建上腭模型。
Srodon等利用非线性分析算法模拟肌肉的运动，进行了腭咽闭合的动画模拟，证明了腭帆提肌角度对腭咽闭合的影响。Inouye等基于MRI数据构建的软腭三维有限元模型，研究了两侧腭帆提肌重叠量对腭咽闭合力的影响，为临床手术中腭帆提肌的解剖及缝合提供指导。随后，他们在另一项研究中指出增加腭帆提肌的横截面积(或强度)对腭咽闭合有很大的影响，而持续气道正压治疗可增加腭帆提肌横截面积(或强度)，从而改善腭咽闭合。此研究证明了术后语音训练的重要性。
以往对于软腭肌肉的研究多局限于腭帆提肌，其他腭部肌肉往往被忽视。Inouye等通过有限元方法研究了悬雍垂肌协助腭咽闭合及其占位功能，证明了术中重建悬雍垂的重要性。但该研究中Anderson等提出腭帆提肌及腭舌肌的软腭内部分对于腭咽闭合功能的重要作用。在以上研究中，有限元方法很好地评价了软腭各肌肉的肌力及其在腭咽闭合中的作用。
以上研究均通过有效模拟各研究因素对腭咽闭合功能的影响，能够为腭裂临床术式改进及序列治疗的方案设计提供指导，但是因为有限元模拟对于材料特性依赖性强、计算冗繁及口腔颌面部解剖结构精细、影像识别困难等原因，均未能完整重现腭部的5束肌肉及咽侧、后壁收缩对腭咽闭合的影响。但是未来随着计算机、影像技术及材料性质研究的进步，有限元模拟的完整性及精确性一定会逐步提高。
腭咽闭合功能除与软腭长度及软腭肌肉的功能有关，还与咽腔软组织的收缩和气道的流体动力学有关。Yang等重建咽后壁瓣成形术后的腭咽结构，研究了不同腭咽形态下的气流动力学，认为单通道的腭咽结构是二次腭咽成形的首选。咽后壁瓣成形术是临床常用的咽成形术之一，该方法是否会导致睡眠呼吸障碍及语音障碍一直以来也充满争议。Fukushiro等通过对159例患者的观察指出咽瓣手术在很大一部分个体中引起低鼻音，并且认为这种言语症状的出现可能是咽瓣引起的上气道阻塞的指标。
有限元方法从生物力学角度，分析了腭咽闭合过程中的软腭各肌肉的协调运动及气道的气流动力学，这二者对于患者术后语音功能的恢复至关重要，但该指标在临床中却很难客观评估。而有限元法为腭裂患者语音功能恢复及临床术式的改进提供了新的角度。
(3)腭瘘：腭瘘是腭裂术后最常见的并发症之一，近年来国内外研究报道的腭瘘发生率为3.0%~8.6%。造成术后腭瘘的常见因素包括局部缝合张力较大、感染、创伤、血肿及术中离断血管蒂造成的组织缺血及坏死等。大部分学者认为手术时机、手术术式、唇腭裂的类型与程度是腭瘘的主要影响因素。国内外学者对其发生的原因、修复时机及修复方法上进行了大量的研究，仍不能有效避免腭瘘的发生。预防腭瘘发生有多种方式，无论是术式的选择还是松弛切口的应用，重点都在于减少组织张力。
Lee等通过有限元模拟可以预测头皮皮瓣旋转后的张力分布，以此来改进皮瓣的设计。因口腔黏膜的组织结构与皮肤基本相似且上腭软组织较薄，故部分研究中将模型的上腭软组织简化为皮肤的真皮组织。目前尚未见到将有限元方法直接应用于腭瘘的研究，因上腭软组织与真皮组织结构特性相似，如能将有限元方法应用于上腭软组织张力的预测，术前预测应力集中的主要区域，通过术式选择及松弛切口的应用，规避风险，将有效减少腭瘘的发生。
3.总结与展望
综上所述，有限元方法在上颌骨力学分析、咽腔收缩、气道流体动力学及腭部肌肉协调作用等方面的研究，弥补了临床研究中的局限性，对预测临床预后、改良手术术式及减少并发症的发生有重要的意义。然而，因腭咽结构复杂、影像技术分辨软组织能力差、软腭组织材料性质研究较少等原因，有限元模型的精确性仍有待提升。在未来的研究中，随着软组织影像分辨技术的提高、口腔软组织材料性质研究更加深入，有限元法在腭裂中的应用将更加广泛。
