下頜骨骨折有限元模型的建立及相關(guān)研究

徐 巖，朱國雄，黃迪炎

下頜骨是頜面部體積最大，位置最突出的骨骼，容易受損傷，在平時或戰(zhàn)時其損傷的發(fā)生率均較高，頜面骨折首位，占頜面骨折的55%～72%。本研究建立下頜骨骨折三維有限元模型，分析下頜骨創(chuàng)傷可能引起骨折的力學(xué)變化情況。

1 資料與方法

1.1 研究對象 選擇1名健康女性，年齡25歲。牙列完整，無任何口腔疾病志愿者為測試對象。對其下頜骨進(jìn)行掃描。掃描范圍：由髁部到髁狀突進(jìn)行橫斷掃描。

1.2 方法 采用德國西門子公司16排螺旋CT對受檢者頭面部掃描，測試對象采取仰臥位，眶耳平面與水平面垂直，選擇骨組織窗掃描，層厚0.625mm，床進(jìn)速度1 mm/s。掃描時掃描方向為近遠(yuǎn)中方向，掃描標(biāo)志線與下頜平面平行，由頦部到髁突連續(xù)掃描。總共獲取斷層影像101張，直接以Dicom3.0醫(yī)學(xué)數(shù)字通訊標(biāo)準(zhǔn)以光盤形式存儲。將獲得的斷層影像導(dǎo)入比利時Materialise公司的醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Mimics中，直接建立下頜骨三維表面模型（圖1），并在Mimics軟件中FEA模塊下進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分，通過接口網(wǎng)格模板導(dǎo)入MSC.patran，可以在封閉的曲面風(fēng)格上生成四面體，故利用軟件功能將前面導(dǎo)入的顱上頜骨面網(wǎng)格進(jìn)行拓?fù)?，從而生成四面體網(wǎng)格，這樣就完成了下頜骨三維實體網(wǎng)格劃分。利用軟件中自帶的CT圖像灰度值-組織力學(xué)材料性質(zhì)關(guān)系公式，對三維下頜骨網(wǎng)格模型各單元進(jìn)行材料分配。本實驗所涉及的生物材料的材料力學(xué)特性為非均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的彈性材料。選擇骨皮質(zhì)彈性模量為104700kPa（1kPa=7.5mmHg），泊松比為0.30；松質(zhì)骨彈性模量為7 900 MPa，泊松比為0.30[1]。牙的彈性模量為20 290 MPa，泊松比為0.30[2]，最后得出完整的下頜骨有限元模型。

圖1 Mimics中生成下頜骨3D模型

1.3 邊界條件 把髁狀突抽象為固定鉸鏈約束，三維方向都是固定約束，下頜骨是唯一一個活動關(guān)節(jié)，因此設(shè)定邊界條件時雙側(cè)髁突固定。

1.4 加載方式 于下頜骨頦部頦正中聯(lián)合處、下頜骨體部及下頜角部，髁突等部位，取合適部位10個節(jié)點平均分配力的大小，方向是水平方向的撞擊力合力大小為100 N。

2 結(jié) 果

獲得正常下頜骨CT掃描斷層影像和數(shù)據(jù)并通過建立Mimics軟件建立了下頜骨三維有限元模型（圖2），重現(xiàn)了下頜骨的幾何外形，能夠得到下頜骨髁突的直觀整體印象，最后得到模型共得到80044節(jié)點和18 441單元。

圖2 生成的下頜骨實體網(wǎng)格模型圖

在一側(cè)髁突頸部加100 N水平方向的力，加力處髁突和對側(cè)髁突頸部應(yīng)力最大，最大處8.26 MPa，位移最大為0.045 mm，壓力傳導(dǎo)整個骨組織中主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。雙側(cè)髁突頸部應(yīng)力最大，其次是下頜骨頦部下緣，其余處應(yīng)力值均較小，骨皮質(zhì)中最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在髁突區(qū)域（圖3、4）。

圖3 于髁突頸部加力下頜骨應(yīng)力變化圖

圖4 下頜髁突加力后位移圖

3 討 論

下頜骨位于面下1/3，是顱面部唯一能活動的骨骼，對于正常咀嚼起到非常重要的作用，下頜骨生物力學(xué)研究主要是對下頜骨骨折的治療進(jìn)行指導(dǎo)。下頜骨骨折的部位多位于受力集中且骨質(zhì)薄弱的部位，或發(fā)生變形較大的部位。從臨床上看，下頜骨骨折多發(fā)生在髁突頸部、頦聯(lián)合處、下頜角區(qū)、頦孔區(qū)。

本研究首次利用有限元分析對下頜骨骨折進(jìn)行了受力分析實驗，得到了加力作用下下頜骨骨折的應(yīng)力分布情況：①當(dāng)加一定力時，常規(guī)會認(rèn)為加力部位應(yīng)力較大容易發(fā)生骨折，筆者分別從下頜骨的頦部、下頜骨體部、下頜角及髁突四個部位加力，反而出現(xiàn)了髁突應(yīng)力最大，加力部位相對較??；從結(jié)果可以看出應(yīng)力值最大的部位均出現(xiàn)在髁突，充分說明了髁突發(fā)生骨折的危險性大；頦部加力結(jié)果也驗證了白樂康等[3]的下頜骨的應(yīng)力集中區(qū)在髁突前斜面；②外力的作用于頦部時，雙側(cè)髁突前斜面遭受到最大應(yīng)力，其次是下頜頦部受力部位，加100 N的壓力時大約相差2.5 MPa。從試驗結(jié)果可以看出兩側(cè)的髁突應(yīng)力值不同，位移變化不同，因為力的分配不可能達(dá)到兩側(cè)完全平衡，這也充分驗證日常生活中，由于車禍、撞擊傷及訓(xùn)練時頦部受力后，如出現(xiàn)頦部骨折，一般都會伴有雙側(cè)髁突骨折；外力作用一側(cè)下頜體部時，同側(cè)髁突頸部應(yīng)力最大，其次是直接受力部位，再是對側(cè)髁突頭部；作用于下頜角時應(yīng)力值最大的部位為同側(cè)的髁突頸部，其次為下頜角部；這對下頜骨髁突的臨床損傷情況可以提供一定的傷情判斷依據(jù)，即可以根據(jù)外力作用部位考慮髁突骨折類型；③從模擬受力考慮在實際的撞擊中，隨著外力的增大，在撞擊部位出現(xiàn)折裂或骨折，當(dāng)骨折發(fā)生后，應(yīng)力出現(xiàn)部分傳導(dǎo)中斷，骨折的發(fā)生可以保護(hù)后部的深層組織，減輕深部組織的損傷，加之肌肉組織的襯墊作用，使撞擊接觸時間變長，大大減小了撞擊的力量。因此，從某種意義上來說骨折還有益處，它對對重要的組織有一定保護(hù)作用。

本研究應(yīng)用有限元方法對下頜骨受力損傷引起骨折進(jìn)行模擬分析，由于實驗條件有限，實際情況，下頜骨骨折受力狀態(tài)十分復(fù)雜，有待于進(jìn)一步研究。

[1]Radhkrishnam P,Mao J.Nanomechanical properties of facial sutures and sutural minealization front[J].Dent Res,2004,83(6):470-475.

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[3]白樂康，安 虹，杜 斌.無牙頜患者垂直距離對髁突前斜面應(yīng)力分布的影響.口腔醫(yī)學(xué)，2007,27（2）：67-69.