咬肌牽動的顴骨復合體三維有限元模型的建立

[摘要]目的：建立顴骨復合體、咬肌牽動可分析應力狀態的三維有限元模型。方法：應用MIMCS軟件將顴骨復合體高突患者面部cT圖像進行三維重建，使用MSC.Marc軟件進行網格劃分，建立三維有限元模型，并通過解剖學研究和測量，結合圖像，確立咬肌的附著部位面積和肌力線方向。結果：建立了咬肌牽動的顴骨復合體生物力學分析模型，該模型共有9093個節點(咬肌1025個節點)，包含39026個單元(咬肌4487個單元)，與CT三位重建影像比較，形態結構一致性好。結論：運用有限元分析技術，結合咬肌牽動的功能測定所建立的生物力學模型幾何相似性和力學相似性好，為顴骨復合體縮小手術提供了一種可定量化術前設計的方法。

[關鍵詞]顴骨復合體；咬肌；生物力學；有限元分析

[中圖分類號]R782.05 [文獻標識碼]A [文章編號]1008－6455(2007)03－0346－03

橢圓形的面部輪廓在東方美學評價中占有較重要的地位，其中中面部顴骨復合體前突和側突的形態對面部水平寬度、前突度和中面部垂直高度均有著重要的決定性意義。現今，縮小顴骨復合體的手術已廣泛地應用于臨床，但我們在工作中仍然面臨不少問題和難點，主要集中在四個方面：①設計合理的顴骨復合體截骨和骨塊移動方式；②選擇合理的手術入路；③如何防治術后面中下部軟組織下垂；④選擇可靠的截骨斷端內固定方式。Hee Youn Choi等和Byung Chao Cho亦討論了該手術的問題，但均未提出較好的研究方法和解決方案。顴骨復合體是有咬肌牽動的骨性架構，手術截骨、移位和內固定方式均與其力學環境密切相關。三維有限元分析法(3D finite elementmethod)在生物力學研究中應用廣泛，建立模型是關鍵所在。以往國內外所建的三維有限元模型，多為下頜骨、牙體和脊椎等，針對顴部縮小手術的顴骨復合體三維有限元模型尚未見報道。我們利用CT影像技術、MIMICS三維重建并優化顴骨復合體的實體模型，通過MSC.Marc軟件建立了較為理想的顴骨高突顴骨復合體三維有限元模型。為顴骨復合體的生物力學研究摸索了一條途徑，亦為顴部縮小手術設計提供了定量化的依據。

1 材料和方法

1．1 材料：女性患者，年齡26歲，先天性雙側顴骨復合體肥大，無其他顱頜面病變。三維CT對手術前顴骨復合體進行掃描測量，符合上面部寬/中面部寬＞0.75。

1．2 頭面部螺旋CT掃描和數據采集：采用新型PHILIP Brilliance^tm64型CT掃描機對患者進行螺旋掃描，掃描參數如下：層厚0.67mm，床進速度0.5mm/s，80KVA，50/60Hz。掃描范圍為整個頭顱，最終獲得287幅掃描斷層圖像，保存為DICOM格式。

1．3 顴骨復合體的三維有限元建模

1．3．1 顴骨復合體的MIMCS三維建模：傳輸DICOM數據入MIMICS程序，選擇窗寬為2100Hu，窗高為400Hu(將Predefined Gray Scale設置為BoneScale樣式，即最小值為－1350，最大值為1650)；將Mask Thresholds設置為206至2963，從每張斷層圖像中人工勾勒出顴骨復合體相應的皮質骨和松質骨的骨質范圍；再將Mask Thresholds設置為50至1038，從每張斷層圖像中人工單獨勾勒出顴骨復合體松質骨的骨質范圍。分別將兩次勾勒出的范圍進行三維重建，得到皮質骨和松質骨的三維模型。

1．3．2 顴骨復合體模型的三維有限元網格劃分：將顴骨復合體的皮質骨和松質骨三維模型數據導入MSC.Marc程序，使用MSC.Marc最具特色的有限元三維實體網格劃分，考慮到顴骨復合體的三維不規則性，我們采用了四面體劃分方式，得到顴骨復合體的皮質骨和松質骨三維實體有限元模型，將皮質骨和松質骨劃分到不同的單元集合中，融合之后，可以通過選擇單元集合來選定皮質骨或松質骨，便于后續有限元分析中的幾何特性、材料特性、邊界條件的設定。模型中皮質骨和松質骨的材料常數見表1，設定模型中的各組織為連續、均質、各向同性的線彈性材料。

1．3．3 咬肌肌力大小、方向以及施力點的確定：由臨床解剖結合本研究已建立的咬肌實體模型，可知咬肌的附著部位、肌力線方向、肌生理橫斷面面積等，參考已有研究成果，確定咬肌生物力學數據。肌力大小參考了Faulkner等的研究，由下列公式計算：

Fmax.i=P·Ai

其中，P為肌內在強度強數，P=0.37×106N/m²；Ai為第i塊咬肌的生理橫斷面積。計算得到正常生理活動咬肌肌力約為120N。

2 結果

2．1 建立的顴骨復合體三維有限元模型包括咬肌，具有良好的生物形態，與CT重建的實體影像比較，幾何相似性良好。有限元模型由顴骨體、顴弓、眶外側壁、上頜骨前外側壁和咬肌組成。

2．2 整個模型共有9093個節點，其中咬肌1025個節點，包含39026個單元，其中咬肌4487個單元，所有單元形態較為規則，沒有特別不規則的單元出現，對研究的顴骨體和上頜骨前外側壁網格劃分較為細致，模型可以任意旋轉和縮放，可根據不同研究情況任意選區和添加材料、組織。

3 討論

3．1 顴骨復合體為不規則的骨性架構，受力后情況較為復雜，尤其是顴骨復合體縮小手術截骨后，內固定方式多種多樣，但術后顴弓移位不可預測，內固定設計和評估無法實現。該手術臨床開展廣泛，但仍存在問題。張彤等曾建立了上頜骨復合體有限元模型，包括上頜骨、顴骨和鼻骨、淚骨等，范圍廣，結構分割不夠細致，圖層厚度較寬。我們選擇典型的顴骨復合體高突患者作為研究對象，運用64排螺旋CT機進行斷層掃描，層面厚度僅為0.67mm，將其實體通過細致的三維圖像重建和有限元分析，較好地建立了一個方便、實用、有效的顴骨復合體三維有限元模型。為了使肌力方向、施力點更符合生理情況，Koolstra等運用MR影像三維重建后確定咀嚼肌施力點和方向，發現不同個體的角度差異在5。以內，而國內文獻對咬肌的解剖結構分析很明確，肌力大小與生理橫斷面積成比例，因而我們根據患者咬肌形態設置的邊界條件，即牽動效果，不但較為準確，且適用性較強。

3．2 該模型的特點：①模型可以任意切割、移位和刪減單位、層面及特定部位，方便觀察及研究局部的內部應力分布狀態。②模型可按照顴部縮小術所設定的手術條件，進行手術模擬，并分析手術后的生物力學狀態。例如：設計不同的截骨形式及內固定方式，分析其對顴弓穩定性的影響。③模型可添加不同的載荷單元，完成新力學模型構建和分析。例如：新內固定材料對手術后骨折愈合的影響。④模型還提供了形態學研究的基礎，可供磨削術后面部軟組織形態改變提供骨性架構變化的數據，便于分析其相關性。

綜上所述，我們所建立的顴骨復合體模型，結合咬肌牽動模式，不僅為今后顴骨復合體縮小手術術前設計創造了計算機研究的數據條件，而且為探索顴骨復合體在各種打擊力作用下和各類骨折固定方式下的生物力學行為提供了可靠及定量化的研究方法。