下頜骨層片狀骨折內(nèi)固定方式的選擇及生物力學(xué)分析

虎小毅 史婧怡 屠軍波

[摘要]目的：建立下頜骨頦部-體部層片狀骨折堅固內(nèi)固定的三維有限元模型，分析功能載荷下下頜骨的生物力學(xué)變化規(guī)律。方法：基于健康志愿者的下頜骨CT數(shù)據(jù)建立下頜骨三維有限元模型，在此模型上模擬出下頜骨頦部-體部（右側(cè)）層片狀骨折，并模擬小型鈦板堅固內(nèi)固定。依據(jù)內(nèi)固定螺釘?shù)念愋头譃閱纹べ|(zhì)釘固定和雙皮質(zhì)釘固定模式，依據(jù)載荷的類型分為右側(cè)咀嚼載荷、左側(cè)咀嚼載荷及雙側(cè)咀嚼載荷，共計6種工況。分析每種工況下骨折斷端間的位移情況及內(nèi)固定接骨板的Von Mises應(yīng)力分布情況。結(jié)果：雙皮質(zhì)釘固定時骨斷端間相對位移小于單皮質(zhì)釘固定，患側(cè)咀嚼時骨斷端間的相對位移最大，其中單皮質(zhì)釘固定右側(cè)咀嚼時骨折斷端間的相對位移達到了0.158mm，超過了臨床內(nèi)固定要求的警戒線0.150mm。雙皮質(zhì)釘固定時內(nèi)固定接骨板的應(yīng)力集中程度較單皮質(zhì)釘固定輕;雙側(cè)咀嚼較單側(cè)咀嚼的應(yīng)力集中程度輕。結(jié)論：對于下頜骨頦部-體部層片狀骨折，采用雙皮質(zhì)釘?shù)膱怨虄?nèi)固定方式較單皮質(zhì)釘固定方式力學(xué)穩(wěn)定性好，更有利于為骨折愈合創(chuàng)造良好的生物力學(xué)環(huán)境。

[關(guān)鍵詞]下頜骨骨折;層片狀骨折;生物力學(xué);三維有限元

[中圖分類號]R782.4 ? ?[文獻標志碼]A ? ?[文章編號]1008-6455（2019）11-0063-03

Abstract： Objective ?To establish a three-dimensional finite element model for rigid internal fixation of mandibular mental-body lamellar fracture， and to analyze the biomechanical changes of mandible under functional loading. Methods A three-dimensional finite element model of mandible was established based on CT data of healthy volunteers. On this model， the mental-body （right side） laminar fracture of mandible was simulated， and the rigid internal fixation with mini plates was simulated. According to the length of internal fixation screws， it was divided into single-cortical screw fixation and double-cortical screw fixation. According to the type of load， it was divided into right-side masticatory load， left-side masticatory load and bilateral masticatory load， totally 6 operating modes. The displacement between fracture sites and Von Mises stress distribution of internal fixation plate under each operating mode were analyzed. Results ?Compared with unicortical screws fixation operating modes， the displacement between fracture sites in bicortical screws fixation operating modes was shorter. The displacement between fracture sites reached 0.158 mm when the masticatory forces was applied on the affected side， which was the longest displacement and exceeded the warning limit of 0.15mm. The stress concentration on internal fixation plate with bicortical screws was lighter than that with unicortical screws. In addition， the stress concentration on internal fixation plate in bilateral loading modes was lighter than that in unilateral loading modes. Conclusion For mandibular mental-body lamellar fractures， the mechanical stability of the mandible fracture fixed with bicortical screws is better than that with unicortical screws， which is more conducive to creating a better biomechanical environment for bone healing.

Key words： mandibular fracture; lamellar fracture; biomechanics; three-dimensional finite element method

隨著頜骨創(chuàng)傷理論的發(fā)展和骨折治療理念的更新，堅固內(nèi)固定技術(shù)已廣泛應(yīng)用于頜骨骨折的臨床治療之中。大量的文獻報道均顯示出堅固內(nèi)固定技術(shù)顯著提升了頜骨骨折的治療效果，并有助于早期功能運動。特別是對于新鮮骨折的治療，同保守治療相比，堅固內(nèi)固定有助于患者早期行使口腔功能，從而降低了頜骨骨折對患者的口腔衛(wèi)生、飲食以及營養(yǎng)等健康因素的影響[1-2]。然而，堅固內(nèi)固定并沒有杜絕頜骨骨折治療并發(fā)癥的發(fā)生，術(shù)后感染、骨折愈合不良等是常見的術(shù)后并發(fā)癥[3-4]。通常認為，力學(xué)穩(wěn)定性與堅固內(nèi)固定術(shù)后并發(fā)癥密切相關(guān)。下頜骨頦部-體部層片狀骨折屬于下頜骨骨折的一種類型，是指下頜骨骨折后骨折斷面并非垂直于下頜骨長軸，而是與下頜骨長軸形成一個較小的夾角，使得下頜骨唇頰側(cè)骨皮質(zhì)與舌側(cè)骨皮質(zhì)分離形成層片狀。雖然這類骨折并非下頜骨骨折的常見類型，但由于其骨折線走行的特殊性，為臨床治療帶來了一定的挑戰(zhàn)。因此，筆者建立了下頜骨頦部-體部層片狀骨折的三維有限元模型，并模擬了不同的內(nèi)固定方式，研究分析了在功能性載荷作用下骨折斷面和內(nèi)固定材料的應(yīng)力分布規(guī)律，并分析了骨折斷端間的相對位移，以期為臨床治療提供理論參考。

1 ?材料和方法

1.1 下頜骨三維有限元模型的建立及下頜骨頦部-體部層片狀骨折（右側(cè)）的模擬：選用牙列完整、咬合關(guān)系正常、無任何TMD癥狀和體征的1例成年健康男性志愿者作為建模素材。通過CT掃描獲取下頜骨影像學(xué)二維數(shù)據(jù)，將所得數(shù)據(jù)經(jīng)Mimics軟件（比利時Materialise公司）轉(zhuǎn)換并形成三維立體模型后導(dǎo)入Geomagic Studio軟件（美國Geomagic公司）中進行進一步精細建模，再將所得模型導(dǎo)入Ansys軟件（美國Ansys公司）中進行下頜骨頦部-體部骨折的模擬及三維有限元分析。鈦板模型在Geomagic Studio軟件建立后導(dǎo)入Ansys軟件使用。鈦釘模型在SolidWorks2012軟件（美國Dassault Systèmes公司）中建立后再導(dǎo)入Ansys軟件中使用。

所模擬的骨折類型為下頜骨頦部-體部（右側(cè)）層片狀骨折。所模擬的鈦板為下頜骨骨折內(nèi)固定常用的標準四孔型小型鈦板，內(nèi)固定螺釘大小分為2.0×6mm的單皮質(zhì)螺釘和2.0×12mm的雙皮質(zhì)螺釘。模擬的骨折線固定方式為常規(guī)的根尖下和近下頜骨下緣處兩塊接骨板內(nèi)固定。所模擬的骨折類型及固定模式如圖1所示。

1.2 三維有限元分析的載荷條件及分析工況：對髁突頂部予以約束即以鉸鏈模式模擬顳下頜關(guān)節(jié)運動，在單側(cè)或雙側(cè)下頜第一磨牙牙合面予以約束以模擬咀嚼食物的功能狀態(tài)。分別在雙側(cè)咬肌、翼內(nèi)肌及顳肌附著區(qū)加載功能狀態(tài)下的力量以模擬咀嚼狀態(tài)。模型材料屬性、載荷力量大小及方向等參考前期研究文獻[5-7]。筆者分析在不同約束、相同載荷及相同骨折情況下單皮質(zhì)螺釘固定與雙皮質(zhì)螺釘固定方式下骨折斷端間的位移大小及內(nèi)固定接骨板的應(yīng)力分布情況。具體而言，分6種工況分析：根據(jù)第一磨牙牙合面約束（模擬咀嚼）的不同，區(qū)分為右側(cè)約束、左側(cè)約束及雙側(cè)約束三種狀態(tài)，每種約束狀態(tài)包含單皮質(zhì)釘固定和雙皮質(zhì)釘固定兩種固定模型。各工況其他約束條件、載荷及骨折情況相同。

1.3 觀察部位及指標：采集骨折斷端間的相對最大位移，對比分析不同工況下骨斷端間的裂隙大小，以分析內(nèi)固定的穩(wěn)定性，位移越小者越利于骨折愈合;觀察在不同工況中內(nèi)固定接骨板的Von Mises應(yīng)力值大小及其分布情況，以分析內(nèi)固定材料使用的合理性，Von Mises應(yīng)力值較小者更為合理。

2 ?結(jié)果

結(jié)果顯示，不同工況下骨折斷端間的最大位移存在一定程度的差異?？傮w而言，雙皮質(zhì)釘固定時骨斷端間相對位移小于單皮質(zhì)釘固定。而右側(cè)（患側(cè)）咀嚼時骨斷端間的相對位移最大，其中單皮質(zhì)釘固定右側(cè)咀嚼時骨折斷端間的相對位移達到了0.158mm，超過了臨床內(nèi)固定要求的警戒線0.150mm。不同工況下的位移見圖2。

內(nèi)固定接骨板上的Von Mises應(yīng)力集中程度也間接反映了骨折內(nèi)固定的穩(wěn)定程度。單皮質(zhì)釘固定情況下內(nèi)固定接骨板的應(yīng)力集中程度較為明顯：右側(cè)單側(cè)咀嚼時的Von Mises應(yīng)力值最大，應(yīng)力值為234.07MPa，雙側(cè)咀嚼時的最大Von Mises應(yīng)力值為96.38MPa;雙皮質(zhì)釘固定情況下內(nèi)固定接骨板的應(yīng)力集中程度較輕，盡管也是右側(cè)單側(cè)咀嚼時的Von Mises應(yīng)力值最大，應(yīng)力值為105.97MPa，但明顯小于單皮質(zhì)釘固定情況，而雙側(cè)咀嚼時的最大Von Mises應(yīng)力值也僅為22.75MPa?？傮w而言，雙皮質(zhì)釘固定時內(nèi)固定接骨板的應(yīng)力集中程度較單皮質(zhì)釘固定輕;雙側(cè)咀嚼較單側(cè)咀嚼的應(yīng)力集中程度輕。見圖3。

3 ?討論

頜骨在功能負載情況下內(nèi)部的應(yīng)力體系十分復(fù)雜，而骨折發(fā)生后頜骨的連續(xù)性中斷便意味著頜骨內(nèi)的應(yīng)力軌跡中斷，繼而失去了抗力結(jié)構(gòu)和承載功能。頜骨骨折內(nèi)固定的目的就在于臨時重建應(yīng)力傳導(dǎo)的替代結(jié)構(gòu)，在恢復(fù)口腔功能的同時為骨折愈合創(chuàng)造條件。不穩(wěn)定的骨折固定難以避免骨折斷面在功能狀態(tài)下的相對錯動，從而引起骨折愈合不良甚至出現(xiàn)感染。

對于骨折斷面為垂直面的下頜骨頦部骨折來說，堅固內(nèi)固定治療并不存在困難，通常選用兩塊小型接骨板，分別置于根尖下5mm區(qū)域和下頜骨下緣上3mm區(qū)域，即可獲得穩(wěn)定的治療效果。然而，當骨折斷面為層片狀時，盡管骨折線的唇側(cè)仍位于頦部區(qū)域，但是舌側(cè)骨折線可以向后延伸至下頜第一磨牙的舌側(cè)區(qū)域，由于內(nèi)固定接骨板只能置于下頜骨的唇頰側(cè)，因此，采用常規(guī)的頦部骨折內(nèi)固定方式對這類骨折進行治療能否達到理想的生物力學(xué)穩(wěn)定效果尚不明確。

基于三維有限元的生物力學(xué)分析是頜骨內(nèi)固定穩(wěn)定性評價的一種重要手段[8-11]。在材料力學(xué)有限元分析中常常選用的一個指標是Von Mises應(yīng)力，它又稱等效應(yīng)力，對于韌性材料（如金屬）來說是一個重要參數(shù)，用于界定屈服點，一旦達到屈服點，材料將不具有彈性，產(chǎn)生永久變形。本研究建立了下頜骨頦部-體部層片狀骨折模型，并模擬了在頦部唇側(cè)骨折線區(qū)以兩塊小型接骨板加6mm單皮質(zhì)釘固定的經(jīng)典固定方式以及兩塊小型接骨板加12mm雙皮質(zhì)釘固定的方式，分析了兩種固定方式下骨折斷端的位移情況以及內(nèi)固定材料的應(yīng)力分布情況。筆者發(fā)現(xiàn)各工況的接骨板Von Mises應(yīng)力集中情況遠未達到材料的屈服強度。雙皮質(zhì)釘固定方式下內(nèi)固定接骨板的Von Mises應(yīng)力集中程度較單皮質(zhì)釘固定方式輕，也就是說雙皮質(zhì)釘固定方式下固定材料上的應(yīng)力分布更為均勻、合理。過于集中的應(yīng)力可引起材料疲勞變形，甚至斷裂。對于頜骨堅固內(nèi)固定來說，接骨板上的異常應(yīng)力集中可能會導(dǎo)致固定失敗，進而導(dǎo)致骨折愈合不良。

骨折術(shù)后骨斷端間的相對位移對骨折愈合有一定影響，通常認為位移超過150μm將不利于骨折愈合[12]。層片狀骨折斷面的舌側(cè)近心端遠離內(nèi)固定區(qū)，是骨折固定的薄弱環(huán)節(jié)，筆者選擇此處骨折裂隙作為觀測點，分析功能載荷下骨斷端間最大位移。研究發(fā)現(xiàn)，單皮質(zhì)釘固定右側(cè)磨牙咀嚼狀態(tài)下骨折斷端間的相對位移大于150μm，而雙皮質(zhì)釘固定情況下骨折斷端間相對位移小于150μm。這提示，單皮質(zhì)釘固定層片狀骨折時不能形成理想的初期穩(wěn)定性，可能會對骨折愈合產(chǎn)生一定程度的影響。

在本研究中，筆者通過建立頜骨骨折及內(nèi)固定模型，從生物力學(xué)角度分析了內(nèi)固定的合理性。但在實際臨床條件下，影響骨折愈合的因素眾多，生物力學(xué)只是其中一種因素。例如：手術(shù)中骨斷端間的血凝塊及肉芽組織清理的徹底程度也影響到骨折復(fù)位即骨斷端間的貼合程度。事實上，受局部解剖因素及微創(chuàng)治療理念的限制，層片狀骨折的舌側(cè)近心斷端區(qū)的探查清理一直是臨床治療的難點。本研究所建立的骨折模型僅代表了臨床常見的層片狀骨折類型，并不能代表所有的層片狀骨折類型。雖然頜骨堅固內(nèi)固定的治療原則主張早期功能性運動，但由于個體間存在差異，不同人對疼痛的耐受程度以及對食物的偏好程度不同，所產(chǎn)生的咀嚼力大小也不盡相同?？梢姡狙芯康牧W(xué)分析模型并不能代表所有臨床條件，這也是本研究的不足之處。

綜合以上研究結(jié)果分析，在功能載荷狀態(tài)下，雖然兩種固定方式下內(nèi)固定接骨板的應(yīng)力集中均未達到材料的疲勞極限，但單皮質(zhì)固定方式僅可形成唇頰側(cè)骨折線的穩(wěn)定固定，并不能穩(wěn)定固定舌側(cè)骨折線，而雙皮質(zhì)釘固定則可達到理想的唇側(cè)及舌側(cè)骨折線穩(wěn)定性。因此，在本研究條件下，筆者認為對于下頜骨層片狀骨折來說，采用雙皮質(zhì)釘固定的方式有助于形成理想的力學(xué)穩(wěn)定性，并有可能降低骨折愈合不良情況以及術(shù)后感染等并發(fā)癥的發(fā)生。

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[收稿日期]2019-05-23

本文引用格式：虎小毅，史婧怡，屠軍波，等.下頜骨層片狀骨折內(nèi)固定方式的選擇及生物力學(xué)分析[J].中國美容醫(yī)學(xué)，2019，28（11）：63-66.