下頜角骨折堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定生物力學(xué)的三維有限元法分析

賈娟，吳雙江，夏德林

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院口腔頜面外科，四川 瀘州 646000)

下頜角骨折堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定生物力學(xué)的三維有限元法分析

賈娟，吳雙江，夏德林

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院口腔頜面外科，四川 瀘州 646000)

目的 采用三維有限元法分析下頜角骨折張力帶固定與雙列小型板內(nèi)固定的穩(wěn)定性。方法選取健康成年志愿者1例，通過(guò)三維有限元法建立正常下頜骨模型，建立骨折線，制作內(nèi)固定系統(tǒng)，并最終建立三維有限元模型，分析前牙咬合、雙側(cè)后牙咬合、左側(cè)后牙咬合和右側(cè)后牙咬合四種咬合方法兩種內(nèi)固定最大應(yīng)力情況及骨折斷端相對(duì)移位情況。結(jié)果張力帶內(nèi)固定最大應(yīng)力和雙列小型板固定時(shí)的最大應(yīng)力分別集中在鈦板中斷和鈦板上側(cè)的中段。在前牙咬合及骨折對(duì)側(cè)后牙咬合時(shí)張力帶最大應(yīng)力低于雙列小型板固定系統(tǒng)最大應(yīng)力，張力帶內(nèi)固定前牙咬合及骨折對(duì)側(cè)后牙咬合時(shí)骨折斷端相對(duì)移位較大，超過(guò)0.15 mm安全移位閾值。結(jié)論三維有限元模型建立下頜角骨折可信度較高，雙列小型板固定生物力學(xué)分析穩(wěn)定性高于張力帶內(nèi)固定方法，而張力帶內(nèi)固定治療下頜角骨折需對(duì)患者咬合力的調(diào)整進(jìn)行指導(dǎo)，穩(wěn)定性也可達(dá)到安全范圍。

下頜角骨折；雙列小型板內(nèi)固定；張力帶內(nèi)固定；生物力學(xué)

下頜角位于領(lǐng)支及下領(lǐng)體交界轉(zhuǎn)折處，骨質(zhì)較薄弱，下頜角處骨折是下頜骨骨折中最為常見(jiàn)的類型之一，是頜面外科常見(jiàn)病癥，多為交通事故傷導(dǎo)致[1]。目前下頜角骨折常見(jiàn)的內(nèi)固定方法為張力帶固定及雙列小型板行聯(lián)合內(nèi)固定兩種方法，臨床對(duì)兩種固定方法有所爭(zhēng)議[2]。本研究通過(guò)三維有限元法這種目前生物力學(xué)模型研究較為完善的分析方法對(duì)兩種內(nèi)固定治療下頜角骨折的穩(wěn)定性、咬合功能的影響等方面進(jìn)行分析，現(xiàn)報(bào)道如下：

1 資料與方法

1.1 正常下頜骨三維模型建立 選取1例志愿健康男性作為測(cè)試對(duì)象，該例測(cè)試對(duì)象年齡28歲，牙列無(wú)缺失，咬合關(guān)系無(wú)異常。建立該例測(cè)試對(duì)象正常下頜骨三維模型。測(cè)定參數(shù)時(shí)，測(cè)試對(duì)象取仰臥位，研究人員協(xié)助測(cè)試對(duì)象將頭部與眶耳平面保持水平垂直狀態(tài)后進(jìn)行固定，然后進(jìn)行骨組織窗掃描。掃描參數(shù)：掃描層厚設(shè)置為0.75 mm，床進(jìn)速度設(shè)置為1 m/s，掃描范圍為頗部至骸狀突，掃描后將圖像存儲(chǔ)至工作站中，使用圖像處理工具將掃描圖像處理獲得CT斷層影響，共計(jì)100層，按順序?qū)隡imics軟件，根據(jù)人體頭部方位定義上、下、前、后、左、右六方向，定位模型，去除下頜骨上下臨界處以外層面，保留下頜骨完整外形輪廓，采用Edit masks將骨質(zhì)中異常空洞填滿，生成正常下頜骨3D表面模型。

1.2 骨折內(nèi)固定系統(tǒng)三維模型建立 骨折內(nèi)固定系統(tǒng)分別為雙列小型板內(nèi)固定系統(tǒng)和張力帶內(nèi)固定系統(tǒng)兩種，其中雙列小型板選擇小型四孔鈦板，長(zhǎng)26.8 mm，寬4.5 mm，厚1.0 mm，肽釘長(zhǎng)6 mm，直徑2 mm。利用AutoCAD軟件根據(jù)內(nèi)固定系統(tǒng)實(shí)際尺寸進(jìn)行三維模型構(gòu)建，并根據(jù)已建成的正常下頜骨三維模型進(jìn)行外形微調(diào)，導(dǎo)入Mimics軟件，將內(nèi)固定系統(tǒng)模型機(jī)械裝配到下領(lǐng)骨模型上[3]。

1.3 三維有限元模型建立 將以上所制作的正常下頜骨及內(nèi)固定系統(tǒng)三維模型表面表格進(jìn)行平滑處理，導(dǎo)入MSC.Patran軟件，生成四面體網(wǎng)絡(luò)，建立下頜骨三維有限元模型，然后在模型左側(cè)下頜骨建立寬度約1.5 mm自磨牙后區(qū)至下頜角的骨折縫，將內(nèi)固定系統(tǒng)三維模型進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，并裝配到下頜骨骨折模型之上。利用Mimics軟件FEA下material功能給模型材料賦予屬性[4]，其中下頜骨根據(jù)皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨等各向異性以及改變骨折斷層的材料屬性、內(nèi)固定系統(tǒng)及牙齒材料屬性均分別定義彈性模量(E)、泊松比(γ)、密度(ρ)。

1.4 臨界及咬合情況設(shè)置 將水平方向由右至左設(shè)為坐標(biāo)系的X軸，將水平方向向后設(shè)為坐標(biāo)系Y軸，與水平保持垂直的方向設(shè)為坐標(biāo)系的Z軸。下頜關(guān)節(jié)和骸突所具有的物理性能，決定了兩者可被骼突帶動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下頜處于靜止?fàn)顟B(tài)的瞬間，骸突所保持的姿勢(shì)即可發(fā)揮支點(diǎn)的作用。此時(shí)將雙側(cè)下頜骨骸狀突設(shè)為固定狀態(tài)，并在不用的咬合方式中設(shè)定各個(gè)方向的自由度為0，且不在坐標(biāo)線的Y軸和Z軸上對(duì)其進(jìn)行約束。將前牙咬合和后牙咬合的實(shí)際約束情況，分別為四種咬合方法三個(gè)坐標(biāo)軸左右側(cè)肌力賦值[5]。

1.5 觀察指標(biāo) 觀察比較兩種固定方法四種咬合狀態(tài)下固定系統(tǒng)最大應(yīng)力情況、骨折斷端相對(duì)移位情況、安全咬合力范圍。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)數(shù)資料的組間比較采用χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 模型建立情況 三維形態(tài)模型建立具有較高的相似性和可編輯性，見(jiàn)圖1～圖3，骨折內(nèi)固定系統(tǒng)三維有限元模型共有17 653個(gè)節(jié)點(diǎn)有下頜角骨折張力帶固定，具有極高的與實(shí)體相近的75 386個(gè)單元，下頜角骨折雙列小型板固定三維有限元模型共18 135個(gè)節(jié)點(diǎn)，78 349個(gè)單元，見(jiàn)圖4～圖6。

2.2 兩種內(nèi)固定方法的應(yīng)力分布 兩種內(nèi)固定四種咬合方法最大應(yīng)力對(duì)比可以看出，張力帶內(nèi)固定和雙列小型板固定時(shí)的最大應(yīng)力分別集中在鈦板中段和鈦板上側(cè)的中段。集中在上側(cè)鈦板中段，在前牙咬合及骨折對(duì)側(cè)后牙咬合時(shí)張力帶最大應(yīng)力低于雙列小型板固定系統(tǒng)最大應(yīng)力，兩種方法比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，見(jiàn)表1。

圖1 正常下頜骨三維模型

圖2 張力帶聯(lián)合下頜骨三維模型

表3 雙列小型板固定下頜骨三維模型

圖4 下頜角骨折三維有限元模型

圖5 下頜角骨折張力帶內(nèi)固定三維有限元模型應(yīng)力圖

圖6 下頜角骨折雙列小型板固定內(nèi)固定三維有限元模型應(yīng)力圖

表1 兩種內(nèi)固定四種咬合方法最大應(yīng)力比較(MPa)

2.3 兩種內(nèi)固定方法斷端相對(duì)移位情況 兩種內(nèi)固定四種咬合方法斷端相對(duì)移位對(duì)比可見(jiàn)，張力帶內(nèi)固定前牙咬合及骨折對(duì)側(cè)后牙咬合時(shí)骨折斷端相對(duì)移位較大，超過(guò)0.15 mm安全移位閾值，不斷減少?gòu)埩Ч潭Ｐ颓把酪Ш狭皩?duì)側(cè)后牙咬合力，使斷端相對(duì)移位減小，至其相對(duì)移位低于0.15 mm時(shí)，前牙咬合中切牙咬合力從55.3 N下降到40.7 N，對(duì)側(cè)后牙咬合中第1，2磨牙咬合力從122.5 N下降至103.4 N。兩種方法比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，見(jiàn)表2。

表2 兩種內(nèi)固定四種咬合方法斷端相對(duì)移位(mm)

3 討 論

對(duì)于骨折后應(yīng)力分布的分析，能夠較為清晰地通過(guò)觀測(cè)生物力學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)固定方式穩(wěn)定性及愈合支持能力進(jìn)行客觀分析，基本方法包括實(shí)體分析或人工材料、模型分析、光彈分析以及三維有限元分析。其中，實(shí)體和人工材料模型的分析由于涉及的標(biāo)本限制和材料屬性的限制較多，所以較難建立符合正常人體功能狀態(tài)的模型結(jié)構(gòu)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性較不滿意[6]。類似的，光彈分析由于受到光彈材料應(yīng)用的限制，且質(zhì)量參數(shù)和實(shí)體的差距過(guò)大，可能導(dǎo)致結(jié)果有一定的差異[7]。采用Mimics三維修復(fù)技術(shù)逆向建立人體組織三維模型具有較高的仿真性，由于模型建立無(wú)任何人工添加因素，因此可信度較高。在此基礎(chǔ)上有限元模型與實(shí)物在幾何相似性上精度較高，將模型分解為數(shù)量極大的節(jié)點(diǎn)和單元后，每個(gè)單元的精準(zhǔn)賦值解決了傳統(tǒng)有限元模型無(wú)法解決骨密質(zhì)與骨松質(zhì)的彈性模量假設(shè)問(wèn)題[8]，在生物力學(xué)的相似性上有重要的意義。有限元分析法則是通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行數(shù)字化分解之后，根據(jù)研究需要的實(shí)驗(yàn)物理變化條件，從而進(jìn)行模擬各種力學(xué)變化的實(shí)驗(yàn)、求解，從而獲得不同實(shí)驗(yàn)條件模型的任意部位所出現(xiàn)的變形，以及通過(guò)對(duì)其內(nèi)部能量的變化和應(yīng)力分布情況，模擬極限破壞情況[9-10]。

頜骨骨折固定方法主要包括頜間固定、單頜結(jié)扎固定、堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定三種，其中下頜角骨折由于頜間牽引復(fù)位有效區(qū)域的限制，不適用單純頜間固定，因此，堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定成為內(nèi)固定系統(tǒng)治療的首選，臨床最常用的方法為張力帶內(nèi)固定及雙列小型板內(nèi)固定兩種，本研究通過(guò)三維有限元模型分析可見(jiàn)，模型建立較為清晰靈活，同一模型下，頜骨下緣骨折斷端之間的相對(duì)位移均不會(huì)受到咬合狀態(tài)的影響。本研究結(jié)果表明正常生理狀態(tài)下雙列小型板固定所具有的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單純張力帶固定。但單純張力帶處于固定狀態(tài)時(shí)，伴隨著負(fù)載點(diǎn)由健側(cè)向患側(cè)移動(dòng)，下頜骨的下緣之間的距離也會(huì)逐漸縮小，其具有的穩(wěn)定性也會(huì)逐漸減弱。該研究結(jié)果表明健側(cè)后牙咬合及前牙咬合，能夠有效提升固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)張力帶處于被固定時(shí)，負(fù)載點(diǎn)在由健側(cè)向患側(cè)移動(dòng)時(shí)，下頜骨與下緣之間的穩(wěn)定性會(huì)逐漸減弱，健側(cè)后牙咬合和前牙咬合狀態(tài)下的穩(wěn)定性與患側(cè)后牙咬合和雙側(cè)后牙咬合說(shuō)明采用健側(cè)后牙咬合和比較存在明顯差異，前者的穩(wěn)定性更強(qiáng)。此外，當(dāng)張力帶處于固定狀態(tài)時(shí)，健側(cè)后牙咬合和前牙咬合狀態(tài)下，下頜骨下緣骨折斷端之間的剪切向相對(duì)位超過(guò)了0.15 mm的骨折愈合范圍[11-12]，這表明在下頜角骨折張力帶內(nèi)固定時(shí)，前牙咬合及健側(cè)后牙咬合時(shí)需減少咬合力，防止斷端移位，而通過(guò)咬合力的降低可見(jiàn)，前牙咬合中切牙咬合力從55.3 N下降到40.7 N，對(duì)側(cè)后牙咬合中第1、2磨牙咬合力從122.5 N下降至103.4 N時(shí)，完全可以將此移位控制在0.15 mm以內(nèi)。

綜上所述，三維有限元模型建立下頜角骨折可信度較高，雙列小型板固定生物力學(xué)分析穩(wěn)定性高于張力帶內(nèi)固定，而張力帶內(nèi)固定治療下頜角骨折需對(duì)患者咬合力的調(diào)整進(jìn)行指導(dǎo)，穩(wěn)定性也可達(dá)到安全范圍。

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Biomechanical analysis of rigid internal fixation for mandibular angle fracture through three-dimensional finite element method.

JIA Juan,WU Shuang-jiang,XIA De-lin.Department of Oral and Maxillofacial Surgery,the Affiliated Hospital of Luzhou Medical College,Luzhou 646000,Sichuan,CHINA

ObjectiveTo analyze the stability of two-miniplate internal fixation and tension band internal fixation for mandibular angle fracture by three-dimensional finite element method(3D-FEM).MethodsA healthy adult volunteer was chosen.The normal mandible model was established by 3D-FEM,with the fracture line and internal fixation system established,and finally,a three-dimensional finite element model was established.The maximum stress and the relative displacement of fracture of the two internal fixation methods for anterior teeth occlusion,bilateral posterior teeth occlusion,left posterior teeth occlusion and right posterior teeth occlusion were analyzed.ResultsThe maximum stress concentrated in the middle of the titanium plate for tension band internal fixation,and in the middle of the upper plate for two-miniplate internal fixation.The maximum stress of tension band internal fixation was lower than that of two-miniplate internal fixation for anterior teeth occlusion and contralateral posterior teeth occlusion,and the relative displacement of fracture of tension band internal fixation was larger for anterior teeth occlusion and contralateral posterior teeth occlusion(0.15 mm more than safe shift threshold).ConclusionMandibular angle fracture model is established under the three dimensional finite element model with good credibility.The stability of two-miniplate internal fixation is higher than that of tension band internal fixation.Guidance for the adjustment of occlusal force should be performed to make the stability in safe range when treating mandibular angle fracture with tension band internal fixation.

Mandibular angle fracture;Two-miniplate internal fixation;Tension band internal fixation;Biomechanics

R683.5

A

1003—6350（2016）04—0577—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.04.021

2015-06-26)

賈娟。E-mail：jiajuant@163.com