有限元分析法用于下頜骨缺損修復(fù)術(shù)的研究近況

劉 峰，王瑞春綜述，黃迪炎審校

下頜骨位于面下部，呈弓形，是面部唯一能活動的骨骼，它具有呼吸、咀嚼、吞咽、語言、表情等重要功能，一旦因腫瘤或外傷造成缺損，則直接影響到頜面部形態(tài)和功能，因此對下頜骨缺損整復(fù)治療一直備受關(guān)注，其生物力學(xué)研究日益受到重視。對下頜骨缺損修復(fù)后力學(xué)實驗研究主要通過動物模型模擬，在人體直接進行力學(xué)實驗是不可能的，而有限元分析法是計算機力學(xué)分析的重要方法之一，可在一定程度上替代生物力學(xué)實驗，模擬下頜骨缺損修復(fù)后生物力學(xué)情況，為下頜骨生物力學(xué)研究開辟新的途徑。本文就有限元分析法在下頜骨缺損修復(fù)術(shù)后研究的近況介紹如下。

1 自體骨移植修復(fù)下頜骨缺損的有限元應(yīng)力分析

下頜骨節(jié)段缺損修復(fù)，目前常用自體髂骨肌瓣和腓骨瓣[1，2]。過去，對其重建效果多偏重于臨床分析[3-6]，現(xiàn)在也逐漸重視對其生物力學(xué)的研究，為下頜骨缺損提供理論依據(jù)。首先，對髂骨移植重建下頜骨移植固定方式進行應(yīng)力分析，例如，對髂骨移植修復(fù)下頜骨連接方式，現(xiàn)在常用有3種，即外嵌式、端端式和內(nèi)嵌式。究竟哪一種方式最佳，邱蔚六[7]認為下頜骨體部缺損修復(fù)時髂骨塊最好作外嵌式連接固定。另外汪良能等[8]則認為內(nèi)嵌式連接比外嵌式連接穩(wěn)定。王冬等[9]通過應(yīng)用生物力學(xué)角度對髂骨塊移植整復(fù)的最佳連接方式進行分析，采用三維有限元的方法，建立血管化游離髂骨塊移植端端式、外嵌式、內(nèi)嵌式連接方式的三維有限元模型，定量對比、分析上述研究部位不同的應(yīng)力和位移分布情況，結(jié)果是髂骨塊釘孔周圍最大Von-Mises應(yīng)力值最大的是端端式，最小的是外嵌式。Von-Mises應(yīng)力值小，提示承載能力強。髂骨塊鈦板鈦釘相應(yīng)部位位移云圖，內(nèi)嵌式最大，外嵌式最小。從骨生物力學(xué)角度來看，當傳導(dǎo)應(yīng)力的正常骨橫截面積發(fā)生變化時，必然導(dǎo)致骨內(nèi)外應(yīng)力的重新分布[9]。在相同的載荷作用下，位移值小提示穩(wěn)定性能好。因此，認為外嵌式和端端式下頜骨殘端孔周圍應(yīng)力環(huán)境穩(wěn)定性均比內(nèi)嵌式高。從生物力學(xué)上證明，外嵌式鏈接是研究部位應(yīng)力最小，且接近正常愈合狀態(tài)的連接方式。其次，對自體腓骨移植修復(fù)下頜骨后移植骨應(yīng)力分布特征進行應(yīng)力分析。自從1989年Hidalgo等[10]采用游離腓骨肌瓣重建下頜骨獲得成功后，國內(nèi)外學(xué)者相繼報道應(yīng)用游離腓骨肌瓣重建下頜骨[11,12]。但對重建后的下頜骨應(yīng)力分布特點研究尚不充分，季彤等[13]為了研究下頜骨缺損腓骨重建的應(yīng)力分布特點，建立下頜骨缺損腓骨重建有限元模型，模擬下頜骨髁狀突、下頜支、下頜骨體部、半側(cè)頦部缺損模型對模型進行定量的三維有限元應(yīng)力分析，結(jié)論證明，各腓骨重建模型的應(yīng)力分布與正常模型有明顯差別，最大應(yīng)力出現(xiàn)在腓骨和下頜骨交界處，腓骨重建模型各興趣區(qū)Von-Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)力與正常下頜骨模型相比，除健側(cè)髁突區(qū)外多數(shù)興趣區(qū)均有顯著差異。下頜骨缺損重建后，下頜骨的應(yīng)力出現(xiàn)顯著改變，而這一改變在手術(shù)側(cè)的髁突和髁頸表現(xiàn)最為明顯。再次，采用髂骨移植和腓骨修復(fù)下頜骨缺損2種生物力學(xué)分析情況，鐵瑛等[14]分別模擬臨床下頜骨缺損修復(fù)，分別建立了腓骨、髂骨重建下頜骨的幾何和三維有限元模型，計算分析各種重建情況下，下頜骨的應(yīng)力分布，研究力在骨中的傳遞，從生物力學(xué)角度，對不同缺損狀態(tài)2種移植重建方案重建進行了比較，認為髂骨重建下頜骨的生物力學(xué)性能較腓骨重建更接近完整下頜骨，更有利于術(shù)后愈合和進一步的功能重建。

2 鈦下頜骨假體修復(fù)下頜骨缺損的生物力學(xué)研究

下頜骨缺損修復(fù)方法，除采用自體骨移植外，還包括異體骨材料、異質(zhì)骨材料。20世紀90年代后期，隨著快速成型技術(shù)，數(shù)控操作技術(shù)在醫(yī)學(xué)界的引入，同時也給下頜骨缺損修復(fù)確定了新的研究方向。Morris利用此技術(shù)在離體的下頜骨上進行試驗，證明了引用鈦完全復(fù)制出缺損區(qū)頜骨正常形態(tài)，做到個性化修復(fù)，從而達到理想的外觀形態(tài)修復(fù)[15]。韓正學(xué)等[15]利用鈦下頜骨重建假體修復(fù)下頜骨缺損的試驗研究，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，形成與缺損部位完全吻合的易用純鈦假體，通過手術(shù)重建下頜骨，在齦骨膜下的部分容易暴露于口腔易引起假體周圍炎，破壞假體與骨間內(nèi)固定的穩(wěn)定性，導(dǎo)致假體松動而失敗，在假體與骨結(jié)合較牢固的部位，生物力學(xué)測試顯示，假體與骨之間的結(jié)合強度仍較差。按照缺損區(qū)下頜骨形態(tài)復(fù)制出同樣大小的假體僅僅是形態(tài)上的仿真，達不到真正的下頜骨修復(fù)。為了克服下頜骨替代物的不足，為植骨改建提供的應(yīng)力刺激，劉葳等[16]通過有限元優(yōu)化分析法對定制化鈦下頜骨替代物進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了柔性結(jié)構(gòu)的概念，旨在促進骨替代物內(nèi)部植骨的改建。根據(jù)骨應(yīng)力重建理論，該柔性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一定意義的仿真性修復(fù)效果。葉志佳等[17]通過回顧38例下頜骨缺損成型鈦板修復(fù)重建的病例，對下頜骨修復(fù)重建后的面部形態(tài)和咬合關(guān)系進行比較，證明成型鈦板是修復(fù)下頜缺失的良好材料。隨著這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并發(fā)癥隨之出現(xiàn)，其中最主要的是鈦板斷裂和鈦釘松動。張益等[18]應(yīng)用光彈性模型模擬下頜骨缺損和鈦板固定，分析導(dǎo)致內(nèi)固定失敗的可能原因，發(fā)現(xiàn)力矩和剪力能夠使螺釘周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而發(fā)生骨吸收，致使螺釘松脫。根據(jù)AO內(nèi)固定原則，鈦板承受力方式分為完全承載和分擔式承載2種。下頜骨缺損處植骨而單純應(yīng)用鈦板支撐缺損的受力方式為完全承載，植骨后由鈦板和移植骨共同受力的方式為分擔承載，鈦板在完全承載的情況下，其斷裂和松動的概率遠遠大于分擔承載。曲行舟[21]認為，即使行骨移植手術(shù)，如果移植骨與受區(qū)下頜骨斷端沒有骨性愈合，應(yīng)力就會集中在骨不連處，此處鈦板受力情況仍然是完全承載，也有可能較大的斷裂可能性，此外，重建分為自鎖型鈦板和非自鎖型2種。Haug等[22]認為自鎖型鈦板較非自鎖型具有良好的穩(wěn)定性。Chiodo等[23]證明自鎖型鈦板較非自鎖型鈦板在抗屈服性試驗中無顯著性差異，固位地成敗主要與骨的質(zhì)量的外科技術(shù)有關(guān)。

3 展 望

綜上所述，下頜骨缺損，造成其連續(xù)性中斷或變形，導(dǎo)致形態(tài)和功能障礙，使患者生活質(zhì)量下降。目前，主要采用血管化骨移植和非血管化骨移植，以及鈦下頜骨重建下頜骨缺損，由單一術(shù)式向多種方式發(fā)展，但是下頜骨缺損的修復(fù)，仍然是臨床一項富有挑戰(zhàn)性的工作。

[1]Taylor GI.Reconstruction of the mandible with free composite iliac bone grafts[J].Ann Plast Surg,1982,9(5):361-376.

[2]Hidalgo DA,Pusic AL.Free-flap mandibular reconstruction:a 10-year follow-up study[J].Plast Reconstr Surg,2002,110(2):438-449.

[3]季 彤.541例下頜骨節(jié)段性缺損的臨床回顧性研究[J].中華口腔醫(yī)學(xué)雜志，2006，41(12）:705-708.

[4]盧保全，張 凱.游離髂骨移植修復(fù)下頜骨缺損59例臨床觀察[J].口腔醫(yī)學(xué)，2005，25(2):124-125.

[5]趙 軍，朱慧勇.游離髂骨移植結(jié)合重建鈦板固定同期修復(fù)下頜骨缺損[J].浙江實用醫(yī)學(xué)，2006,11(6):391-392.

[6]毛尊榮，何長江.血管化髂骨移植在下頜骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用[J].濱州醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2003，26(2):129.

[7]邱蔚六.口腔頜面外科理論與實踐[M].北京:人民衛(wèi)生出版社，1998.552-561.

[8]汪良能，高學(xué)書.整形外科學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，1989.51.

[9]王 冬，楊壯群.下頜體部缺損游離髂骨快移植不同連接方式的應(yīng)力分析[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，2007，25（4）:345-348.

[10]徐達傳.使用臨床缺損修復(fù)應(yīng)用解剖學(xué)[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2000.50.

[11]Hidalgo DA.Fibula free flap：A new method of mandible rconstruction[J].Plast Reconstr Surg，1989，84(1)：71-79.

[12]張志愿，竺涵光.腓骨游離髂骨移植骨塊的準確就位與堅固固定[J].現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志，2001，15（3）：182.

[13]季 彤，鐵 瑛.下頜骨缺損腓骨重建的三維有限元應(yīng)力分析[J].華西口腔醫(yī)學(xué)雜志，2009，27(2):143-146.

[14]鐵 英，王冬梅，季 彤.下頜骨缺損自體骨移植重建的生物力學(xué)研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程雜志，2006，23（4）：743-747.

[15]韓正學(xué)，季 彤.鈦下頜骨重建假體修復(fù)下頜骨的初步實驗[J].上?？谇会t(yī)學(xué)研究，2004，13(4):282-285.

[16]劉 葳，李滌塵.基于有限元方法的柔性鈦下頜骨體態(tài)物的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)，2008，23(9):836-838.

[17]葉志佳，張芳喜，陸 笑.38例下頜骨缺損的成型鈦板修復(fù)重建的回顧性分析[J/CD].中華口腔醫(yī)學(xué)雜志（電子版），2009，33(1):78-82.

[18]Yi Z，Jian-Guo Z，Guang-Yan Y，et a1.Reconstruction plates to bridge mandibular defects：a clinical and experimental investigation in biomechanical aspects[J].Int J Oral Maxillofac Surg，1999，28(6)：445-450.

[19]Ardon RL，Rachel JD，Marks SC.Volume-length impact of lateral jaw resections on complication rates[J].Arch Otolaryngol Head Neck Surg，1999，125(1)：68-72.

[20]Soderholm AL，Rahn BA，Skutnabb K，et a1.Fixation with reconstruction plates under critical conditions：the role of screw characteristics[J].Int J Oral Maxillofae Surg，1996，25(6)：469-473.

[21]曲行舟.下頜骨重建術(shù)后內(nèi)固定失敗原因的回顧性分析[J].2007,5(2):155-158.

[22]Haug RH，Street CC，Goltz M.Does plate adaptation affect stability?A biomechanical comparison of locking and nonlocking plates[J].J Oral Maxillofae Surg，2002，6o(1 1)：1319-1326.

[23]Chiodo TA，Zieeardi VB，Janal M，et a1.Failure strength of 2.0 locking versus 2.0 conventional synthes man dibular plates：A laboratory model[J].J Oral Maxillofae Surg，2006，64(10)：1475-1479.