下頜個體化鈦修復(fù)體的生物力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計

米磊等

【摘要】 目的：對個體化鈦下頜結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行分析，提出優(yōu)化方案，為鈦下頜修復(fù)體由形態(tài)仿生向功能仿生過渡進(jìn)行生物力學(xué)方面的初步研究。方法：在同一高度、長度、寬度、孔隙率以及相同缺損修復(fù)部位前提下，建立3種不同厚度的個體化鈦下頜三維有限元模型，分析下頜骨及其受力狀況。結(jié)果：成功建立了在3種不同厚度條件下的個體化鈦下頜修復(fù)體及其修復(fù)后的下頜骨三維有限元模型。結(jié)論：體部和延伸板皆為1 mm厚的個體化鈦下頜，修復(fù)后兩側(cè)髁突應(yīng)力大小與分布一致對稱，最接近正常下頜骨兩側(cè)髁突應(yīng)力的大小和分布，可以為以后個體化鈦下頜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】個體化鈦修復(fù)體；三維有限元；生物力學(xué)分析；優(yōu)化設(shè)計

【中圖分類號】R782.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B【文章編號】1004-4949（2015）02-0063-02

快速成型（Rapid Prototyping，RP）已經(jīng)在口腔頜面外科學(xué)領(lǐng)域中顯示出其巨大應(yīng)用前景，尤其對于頜面骨缺損或畸形的整復(fù)，RP技術(shù)具有其他方法所不具備的優(yōu)勢。可針對不同頜面缺損畸形范圍、部位，設(shè)計并制作出在結(jié)構(gòu)與形態(tài)兩方面均與之匹配的人工替代物，完成復(fù)雜的面部重建。對于單側(cè)下頜骨缺損，可用健側(cè)的形態(tài)數(shù)據(jù)通過鏡像處理進(jìn)行重建。精確制作出外形與健側(cè)對稱、連接部位與骨斷端高度匹配的金屬假體[1]。從而重建良好的面部外形，但修復(fù)體在結(jié)構(gòu)設(shè)計上是否復(fù)合生物力學(xué)特征則有待于進(jìn)一步研究。本研究擬探討個體化鈦修復(fù)體在3種不同厚度條件下的應(yīng)力分布，旨在為以后修復(fù)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化奠定一定的生物力學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1正常下頜骨三維有限元模型的建立

因為本課題的最終目標(biāo)是為了指導(dǎo)快速成形支架的臨床應(yīng)用，因此在分析時采用的都是人的顱骨模型。實(shí)驗先建立人下頜骨的三維數(shù)字模型[2]。選擇一位身體健康，牙列完整、第一磨牙呈中性咬合關(guān)系，無顳下頜關(guān)節(jié)彈響、疼痛、張口受限和下頜脫位等關(guān)節(jié)病癥狀和體征的志愿者，將其頭顱CT斷層圖像數(shù)據(jù)在Mimics7.0中進(jìn)行處理重構(gòu)，然后在三維反求軟件Geomagic Studio 6.0中進(jìn)行曲面重構(gòu)三維實(shí)體化，最后導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys 9.0進(jìn)行劃分網(wǎng)格進(jìn)行力學(xué)模擬分析。將下頜皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨以及關(guān)節(jié)盤等各部分經(jīng)過簡化處理的模型導(dǎo)入Ansys 9.0進(jìn)行組合。并對相應(yīng)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。得到一個由皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)盤以及牙列組成的下頜骨CAD模型。設(shè)定各部分組織的參數(shù)和單元屬性，得到下頜骨的三維有限元模型。

1.2定制化鈦下頜在5種厚度條件下三維有限元模型的建立

正常下頜骨雙側(cè)髁突的應(yīng)力分布狀況對稱[3]。我們應(yīng)力求使鈦下頜修復(fù)后的下頜骨應(yīng)力分布更合理，更加接近生理狀態(tài)下的下頜骨，從而防止顳下頜關(guān)節(jié)疾病的產(chǎn)生、防止修復(fù)體折斷，提高修復(fù)體的使用壽命。（1）在Geomagic Studio 6.0中模擬下頜骨體部右側(cè)部分缺損，根據(jù)缺損設(shè)計出定制化的下頜骨修復(fù)體。體部設(shè)計長2.2cm、寬1cm、厚0.8mm、高1.5cm，延伸板長1.6cm、高1.2cm、厚1.2mm。把上述各文件保存成STL格式導(dǎo)入Magic 6.0軟件，在Magic中，在體部打直徑為2.0 mm的圓孔，生成長7 mm、直徑3 mm的圓柱體來模擬臨床用鈦釘。導(dǎo)人Geomagic Studio 6.0中分別對皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)盤、牙齒、定制化假體、鈦釘進(jìn)行曲面重構(gòu)并包絡(luò)。將上述經(jīng)過處理的各模型導(dǎo)入Ansys 9.0進(jìn)行組合。最后以Solid 45對皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨等模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以Solid 65對定制化假體、鈦釘模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后得到一個包括22928個節(jié)點(diǎn)、101251個單元的定制化鈦下頜修復(fù)后的下頜骨三維有限元模型。（2）在與上述假體設(shè)計一致（同一高度、長度、寬度、孔隙率以及相同缺損修復(fù)部位）的前提下，設(shè)計作為上述鈦下頜設(shè)計對照組的4種工況：體部和延伸板皆為1mm，體部和延伸板皆為1.2mm。在2種修復(fù)體與前期研究的鈦下頜（體部0.8mm，延伸板1.2mm）同一空間位置打上6個直徑為2.0mm的圓孔。用同樣的方法建立2種不同厚度的鈦下頜三維有限元模型，分析其受力狀況。這樣設(shè)計出的體部和延伸板皆為1mm，建立了一個包括101251個單元和22928個節(jié)點(diǎn)在功能狀態(tài)下的定制化鈦下頜修復(fù)后的下頜骨三維有限元模型；體部和延伸板皆為1.2mm，建立了一個包括97645個單元和22012個節(jié)點(diǎn)在功能狀態(tài)下的定制化鈦下頜修復(fù)后的下頜骨三維有限元模型。

1.3 本實(shí)驗采用文獻(xiàn)最常見的加載和約束方法[4]。該種加載方式模擬了垂直加載最大咀嚼力作用，分別加載于相應(yīng)的牙位，其大小如下：

1.4 分析目標(biāo)（1）正常下頜骨；（2）不同設(shè)計厚度定制化鈦體修復(fù)后的下頜骨：① 體部0.8mm，延伸板1.2mm；②體部和延伸板皆為1mm；③體部和延伸板皆為1.2mm。

1.5 觀察部位及指標(biāo) （1）將髁狀突表面按照解剖學(xué)標(biāo)志分成3個區(qū)，從前至后區(qū)分為前斜面、髁狀突嵴頂、后斜面，觀察雙側(cè)髁狀突表面應(yīng)力分布變化。（2）假體體部及延伸板交界處的應(yīng)力情況。（3）固定用鈦釘?shù)氖芰η闆r。確定各個分區(qū)表面的節(jié)點(diǎn)以及單元編號，提取Von Mises應(yīng)力作為比較參數(shù)。

2 結(jié)果

定制化鈦下頜修復(fù)后的下頜骨雙側(cè)髁突總體應(yīng)力分布趨勢與所建正常下頜骨髁突基本一致。對兩模型雙側(cè)髁突的前斜面、后斜面、頂部等部位進(jìn)行對比后得出：（1）鈦下頜修復(fù)后的下頜骨雙側(cè)髁突的后斜面、頂部等部位應(yīng)力大小基本對稱，并與正常下頜骨相應(yīng)部位的應(yīng)力大小也基本一致；（2）兩側(cè)髁突前斜面應(yīng)力不對稱，尤以關(guān)節(jié)翼肌窩處為甚；（3）假體總體上應(yīng)力分布較均勻，但在體部及延伸板過渡區(qū)應(yīng)力較集中，尤以靠近缺損近中下緣處為甚；（4）靠近缺損側(cè)，尤以靠近下頜骨下緣處的的螺釘及該部分下頜骨的應(yīng)力較集中。采用通用分析軟件Ansys 9.0計算得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，見表1：

從以上結(jié)果可以看到作為目前臨床所采用的體部0.8mm、延伸板1.2mm的設(shè)計和作為對比的體部和延伸板皆為1.2mm的設(shè)計條件下定制化鈦下頒修復(fù)后的下頜骨在雙側(cè)髁突前斜面及關(guān)節(jié)翼肌窩處應(yīng)力不對稱，健側(cè)明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時在鈦下頜體部及延伸板過渡區(qū)也出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。靠近缺損側(cè)的鈦釘出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū)。這提示我們應(yīng)對目前鈦下頜的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，力求使鈦下頜修復(fù)后的下頜骨應(yīng)力分布更合理。而體部和延伸板皆為lmm厚的假體修復(fù)后的下頜骨的兩側(cè)髁突應(yīng)力大小與分布一致對稱，最接近正常下頜骨兩側(cè)髁突應(yīng)力的大小和分布。同時靠近缺損側(cè)的鈦釘也沒有出現(xiàn)明顯地應(yīng)力集中區(qū)。

3 討論

基于快速原型技術(shù)和CT技術(shù)的人體頜面部缺損修復(fù)手術(shù)，是快速原型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中比較有價值的臨床應(yīng)用。Mercuri等應(yīng)用快速原型技術(shù)重建顳下頜關(guān)節(jié)：由螺旋CT掃描得到顏下頜關(guān)節(jié)的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，導(dǎo)入到快速原型機(jī)制造出顏下頌關(guān)節(jié)的個性化鈦植入體，手術(shù)中截除病變關(guān)節(jié)，然后植入假體，整個過程簡單易行，而且術(shù)后顳下頌關(guān)節(jié)功能及外形恢復(fù)良好[5]。此外，將快速原型技術(shù)與種植義齒相結(jié)合，可以同時完成頌骨缺損重建與種植義齒。張富強(qiáng)[6，7]等利用快速成形技術(shù)設(shè)計了個體化的鈦假體，用于重建下頜骨缺損。該鈦支架體部鏤有孔，并在假體上端設(shè)計了義齒基樁，可以在術(shù)后進(jìn)行種植，通過手術(shù)植入下頜骨缺損部位，獲得了滿意的面部外形，后期還進(jìn)行了義齒修復(fù)。應(yīng)用快速成型技術(shù)進(jìn)行各種骨組織缺損的個體化修復(fù)研究空前活躍，但目前在假體生物力學(xué)方面研究較少。本研究的目的就是研究假體厚度這一因素對以個體化鈦修復(fù)體修復(fù)后的下頜骨的應(yīng)力分布的影響。本研究利用CAD軟件和Ansys軟件建立了模擬相似性接近于正常生理狀態(tài)和3種不同厚度的鈦下頜修復(fù)后下頜骨的三維有限元模型，對比幾種工況條件下下頜骨的受力情況。通過分析，認(rèn)為雙端固定式下頜骨體部修復(fù)體的設(shè)計中，體部和延伸板皆為1mm厚的鈦下頜修復(fù)體是一種較為合理的設(shè)計，其對髁狀突表面局部的生物力學(xué)環(huán)境的影響最小，下頜骨的受力最接近生理狀態(tài)。

有限元法能夠精確模擬各種咬合狀態(tài)下的下頜骨力學(xué)效應(yīng)，有著實(shí)驗應(yīng)力分析法無法比擬的優(yōu)越性，因此有限元法分析下頜骨所受應(yīng)力得到了很大的發(fā)展，并成為公認(rèn)的比較有效的方法之一[8]。與傳統(tǒng)的實(shí)驗性力學(xué)分析相比，有限單元法可提供模型任何部位的位移、應(yīng)力，并可實(shí)時根據(jù)需要修改力學(xué)的參數(shù)，在維持原模型的情況下，分析各種應(yīng)力的分布和大小。目前，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有限元法已廣泛應(yīng)用于口腔學(xué)、骨科學(xué)等。近年來已有學(xué)者采用有限元法對下頜骨骨折及其堅強(qiáng)內(nèi)固定進(jìn)行力學(xué)分析，取得了一定的成果，但仍然存在一些問題[9]，如：邊界約束條件問題，骨折及其內(nèi)固定模型的幾何及力學(xué)相似性問題，動態(tài)載荷問題，材料的力學(xué)相似性問題等。

本實(shí)驗針對前期個體化鈦下頜骨植骨支架存在的問題，結(jié)合正常下頜的生物力學(xué)性能，并以骨應(yīng)力重建理論為依據(jù)，對支架的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，僅對一個部位下頜骨缺損的不同厚度個體化功能性修復(fù)體進(jìn)行了初步的有限元力學(xué)分析模型的建立和力學(xué)分析，而要完善個體化功能性修復(fù)三維有限元模型的建立和力學(xué)分析，還需要進(jìn)一步的研究。

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