正常人上頜骨的生物力學分析

沈 毅 孫 堅 李 軍 王冬梅 王成燾

正常人上頜骨的生物力學分析

沈 毅 孫 堅 李 軍 王冬梅 王成燾

目的建立正常人顱頜面骨三維有限元模型，并對上頜骨進行生物力學分析。方法對正常男性行螺旋CT掃描，應用數字影像傳輸以及MedGraphics和ANSYS 8.0軟件建立顱頜面骨三維有限元模型，模擬正常咬牙合力來觀察上頜骨的應力分布和位移。結果建立了正常人顱頜面骨三維有限元模型，包括273 191個單元和260 988個節點。加載后上頜骨表現為壓應力，應力集中于尖牙區、第一磨牙上方和蝶骨翼突區，在顴牙槽嵴和尖牙區應力較大，前鼻棘和牙槽突可能發生的位移最大。結論正常人上頜骨三維有限元模型的生物力學分析結果與臨床一致，為口腔頜面部腫瘤患者術后上頜骨重建提供了理論依據。

上頜骨三維有限元模型生物力學分析

上頜骨缺損將引起面中部的畸形和功能障礙，給患者的生理和心理造成巨大的負面影響，進而降低其生存質量。一直以來，上頜骨缺損的功能性重建對于口腔頜面外科、修復重建外科、口腔修復科醫師都是一個重大的挑戰。近年來，血管化骨肌皮瓣結合鈦植入物以及種植體重建上頜骨成為目前上頜骨功能性重建較為理想的方法[1－4]。然而，由于上頜骨缺損類型和各種上頜骨重建模式的區別，使得面中部外形和口腔功能的恢復也不盡相同。目前，國內外對于選用何種血管化骨肌皮瓣和上頜骨重建模式能最大程度地恢復面中部外形和功能尚無定論。因而，有必要對重建前后的上頜骨進行生物力學分析，并比較各種上頜骨重建模式的優劣。本實驗通過建立正常人顱頜面骨三維有限元模型，并對上頜骨進行生物力學分析，為下一步的比較研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選擇正常男性志愿者作為被掃描對象。個人電腦。使用軟件包括，美國PTC公司的通用CAD/CAM軟件Pro/ENGINEER 2000I，英國DELCAM公司的CAD軟件POWERSHAPE 2.6，美國DELCAM公司的CAE分析軟件ANSYS 8.0和上海交通大學自行開發的MedGraphics軟件。

1.2 實驗方法

1.2.1 顱頜面骨螺旋CT掃描

對該志愿者的顱頜面骨行16排螺旋CT（美國GE公司）掃描。掃描參數包括：層厚0.625 mm，掃描速度為0.8秒/層、床進速度1 mm/s，球管電流250 mA、電壓140 KV。以眶耳平面為掃描基準線，掃描范圍上起自頭頂，下至下頜牙列上緣，共615層。連續掃描并處理后得到二維斷層圖像，保存為DICOM格式。

1.2.2 建立顱頜面骨三維有限元模型

利用MedGraphics軟件讀取CT數據，經增強、平滑等預處理后，行閾值分割提取骨組織輪廓線，通過igs格式轉入ANSYS軟件。在ANSYS軟件中建立每個不同的解剖結構的相應實體模型，從而建立顱頜面骨三維幾何模型，并進行模塊化。然后，在ANSYS軟件中對顱頜面骨三維幾何模型進行有限元網格劃分，依據顱頜面骨各結構的尺寸和變化剃度進行控制。

1.2.3 設定約束條件和加載

圖1 有限元模型中載荷與約束的施加情況

在對顱骨設置邊界約束時，考慮到顱骨底部的枕骨與脊椎相連，以及咀嚼運動中咬肌對骨骼的運動學和動力學影響。需要在枕骨大孔和咬肌附著骨面進行約束，設定在X、Y、Z軸三個方向上位移均為0（剛性約束）。本研究主要考慮顱頜面骨，所用材料性質均假定為各向同性、均質、線彈性，皮質骨的彈性模量為13 700 Mpa，泊松比為0.30；松質骨的彈性模量為1 850 Mpa，泊松比為0.30[5]。模擬前伸、正中、側方三種咬牙合方式對顱頜面骨按正常咬牙合力進行加載，其中切牙均為60 N、尖牙為100 N、第一前磨牙為120 N、第二前磨牙為150 N、磨牙均為200 N（圖1）。

1.2.4 采集與分析上頜骨相應圖片和數據

在顱頜面骨模型中采集相應的正常上頜骨應力分布圖、應力矢量圖和位移分布圖；并采集前鼻棘（ANS）、眶下緣（OR）、上頜骨前部（MA）、牙齦前部（GA）、牙齦中部（GM）、牙齦后部（GP）6個標志點（圖2）的最大位移和最大應力值。總位移最大值是指從ANSYS中采得的各向總位移值USUM，應力最大值是指采得的Von Mises應力值SEQV。

圖2 數據采集標志點

2 結果

2.1 建立了正常顱頜面骨三維有限元模型

圖3 顱頜面骨三維有限元模型

應用DICOM數據直接建模法，在ANSYS軟件中采用10節點的Solid 92四面體單元成功建立了正常顱頜面骨三維有限元模型，整個模型包括單元數：273 191，節點數：260 988（圖3）。本模型按顱頜面骨解剖部位進行模塊化分割，因而與人顱頜面骨具有良好的幾何相似性。通過適當簡化枕骨和頂骨等非本實驗重點關注部位，使模型在上頜骨部分的精度非常高。三維有限元模型能任意旋轉，還可以切割其中的某一部分，來研究不同缺損情況，使本模型具有良好的后續開發能力，為下一步進行上頜骨重建前后及不同上頜骨重建方式生物力學比較分析奠定基礎。

2.2 正常上頜骨應力分布情況及生物力學圖片和數據采集

模擬前伸、正中、側方三種咬牙合方式對正常上頜骨加載后，上頜骨組織主要表現為壓應力。而力的傳導集中于尖牙區、第一磨牙上方和蝶骨翼突區，即這三個區域是合力承擔和分散的主要部位（圖4）。圖4顯示采集的相應正常上頜骨應力分布圖、應力矢量圖和位移分布圖。正常上頜骨的最大位移和最大應力值見表1，其中牙齦后部即相當于顴牙槽嵴處的最大應力值最高，大于6.2 MPa，而在牙齦中部即尖牙區也有一定的應力，與應力分布圖一致。

圖4 正常上頜骨的應力分布圖(A)、應力矢量圖(B)和位移分布圖(C)

表1 正常上頜骨模型最大位移和最大應力值數據

3 討論

有限元法是建立在現代計算機技術基礎上的一種應力分析方法。該法將研究對象看成一個連續的彈性體，并分割成一系列有限個物體單位即有限元，再組成一個單元的結合體代替原來的彈性體，逐個研究每個單元的性質,以獲得整個彈性體性質的力學分析方法。自從1973年被應用于口腔醫學領域以來，有限元法在口腔生物力學中被廣泛應用，對各種幾何形態、材料性質及復雜的支持條件和加載方式下牙齒及周圍組織的應力應變分布是其主要研究內容。而模型的建立是有限元法的關鍵，模型的幾何相似性、力學相似性和網格的劃分將直接影響計算的結果。在口腔醫學領域常用的建模方法包括磨片切片法、三維測量法、CT圖像處理法、DICOM數據直接建模法和模塊化有限元模型。其中CT圖像處理法是目前最常用的方法，而DICOM數據直接建模法和模塊化有限元模型則是近年來出現的方法。

3.1 顱頜面骨三維有限元模型

由于顱頜面骨尤其是上頜骨形態復雜，建立模型的難度較大。許多學者都進行了不同的嘗試和研究，建立了多種不同的顱頜面骨三維有限元模型[5－10]。然而，這些研究多限于口腔修復、口腔正畸和口腔種植領域，而在口腔頜面外科尤其是口腔頜面修復重建外科領域則報道較少。現有的顱頜面骨三維有限元模型，有的由于建模方法所限，模型精度不夠高[6，8]；有的因重點關注牙齒和牙槽骨等部位的信息而使顴上頜骨復合體處的精度不夠[7，9]，使這些模型多數無法直接用于上頜骨缺損修復重建的應力研究分析。

本實驗采用DICOM數據直接建模法建立的顱頜面骨三維有限元模型以分析上頜骨重建前后的生物力學特點，并比較各種上頜骨重建模式的優劣為最終目的，因而在上頜骨處物理模擬精確、幾何相似性好的。由于其可進行任意模塊化分割的特點，使其具有可編輯性，對于進一步的有限元分析有著很強的適應能力，可以根據臨床中上頜骨切除手術的不同范圍，模擬各種類型的上頜骨缺損，建立不同缺損情況的有限元模型，進行個體化的研究；也為后續建立不同重建模式的重建上頜骨三維有限元模型并進行生物力學的分析比較奠定了基礎。DICOM數據直接建模法與以往的CT圖像處理法[6－8]相比較有建模程序簡單、數據失真或丟失少、所建模型更精確幾何相似性更好等優點[9]。

3.2 影響有限元生物力學分析精度的因素

有限元分析的精度主要取決于四個條件，即模型的幾何相似性、材料性質的相似性、邊界約束的相似性、和載荷的相似性[10]。模型的幾何相似性取決于CT掃描數據的豐富程度和網格劃分的精細程度。CT掃描的層厚越窄、斷層越密，則所建模型的幾何相似性越好[6]。本實驗使用16排螺旋CT，掃描層厚為0.625 mm，掃描所得上頜骨的數據較豐富，用DICOM數據直接建模法數據失真或丟失少，因而所得顱頜面骨的三維有限元模型的幾何相似性好。進行有限元網格劃分時，如果網格越密，幾何相似性也越好，但同時有限元分析也更復雜，需消耗更多的人力和物力。由于本實驗關注的焦點是上頜骨，其形狀不規則，較難劃分為五面體或六面體，因而仍采用10節點的四面體單元，最后所得有限元模型共包括273 191個單元和260 988個節點，多于以往文獻報道[5－9]，因而所得模型非常精確。同時由于對非本實驗重點關注的枕骨和頂骨等部位的網格劃分相對稀疏，減少了模型的數據量，避免了有限元分析中不必要的麻煩。

材料性質的相似性則與建模對象的彈性模量和泊松比等力學參數相關。本研究對顱頜面骨骼中皮質骨、松質骨參數的確定，參考了洪凌斐等[5]建立一側上頜骨缺損膺復體修復的有限元模型時使用的相關參數。邊界約束相似性指根據實體結構周圍物體的限制作用對有限元模型添加的約束條件與實體約束的接近程度。目前對于上頜骨有限元模型的約束條件的研究較少。白石柱等[10]的研究結果認為用有限元方法研究上頜骨的應力分布特征時，在咬牙合面加載，在咀嚼肌附麗處采用約束的方式來模擬咀嚼肌的影響，同時在枕骨大孔處也進行約束比較合理。本研究參考其結論對咬肌附麗處和枕骨大孔處進行了約束，設為剛性約束，并模擬前伸、正中、側方三種咬牙合方式對顱頜面骨按正常咬牙合力進行加載，最終所得六個位置的最大應力值與之一致。

3.3 正常上頜骨的應力與位移

本實驗結果顯示上頜骨組織主要表現為壓應力，上頜骨的應力分布圖和應力矢量圖顯示力的傳導集中于尖牙區、第一磨牙上方和蝶骨翼突區，這與白石柱等[8]對無牙頜研究的結果一致。采集的最大應力值顯示牙齦后部即相當于顴牙槽嵴和尖牙區應力較大。這些結果證實了咀嚼力以及外力通過上頜骨的鼻上頜支柱、顴上頜支柱和翼突上頜支柱來傳導和分散的理論。本實驗還對上頜骨受力后的位移進行了研究，這在以往未見文獻報道。位移分布圖和總最大位移值顯示上頜骨受力后前鼻棘和牙槽突可能發生的位移最大，此處正是臨床上外傷后LeFortⅠ型骨折的骨折線所在位置以及正頜外科LeFortⅠ型骨切開手術的截骨線位置。

總之，本實驗采用DICOM數據直接建模法建立了正常人的顱頜面骨三維有限元模型；按正常咬牙合力對模型進行加載和生物力學分析，采集了相應的上頜骨應力分布圖、應力矢量圖和位移分布圖，以及最大位移和最大應力值。結果顯示上頜骨組織主要為壓應力，力的傳導集中于尖牙區、第一磨牙上方和蝶骨翼突區而前鼻棘和鼻底平面牙槽突區可能發生的位移最大。

[1]孫堅,李軍,張志愿,等.上頜骨大型缺損的個體化三維閉合式功能性重建[J].中國口腔頜面外科雜志,2003,1:3-7.

[2]Brown JS,Jones DC,Summerwill A,et al.Vascularized iliac crest with internal oblique muscle for immediate reconstruction after maxillectomy[J].Br J Oral Maxillofac Surg,2002,40:183-190.

[3]Cordeiro PG,Bacilious N,Schantz S,et al.The radial forearm osteocutaneous“sandwich”free flap for reconstruction of the bilateral subtotal maxillectomy defect[J].Ann Plast Surg,1998,40:397-402.

[4]Uglesic V,Virag M,Varga S,et al.Reconstruction following radical maxillectomy with flaps supplied by the subscapular artery[J].J Craniomaxillofac Surg,2000,28:153-160.

[5]洪凌斐,孫健,焦婷,等.單側上頜骨缺損修復三維有限元模型的建立及力學分析[J].上海口腔醫學,2006,15:403－406.

[6]張彤,劉洪臣,王延榮,等.上頜骨復合體三維有限元模型的建立[J].中華口腔醫學雜志,2000,35:374-376.

[7]張曉慧,丁寅,劉冬,等.顱上頜復合體三維有限元模型的建立[J].中國美容醫學,2005,14:194-196.

[8]白石柱,趙銥民,鄒石泉,等.快速建立無牙頜上頜骨及顱骨三維有限元模型的探討[J].中華口腔醫學雜志,2005,40:515-517.

[9]王斌,張晏更,潘淑勤,等.鼻上頜骨復合體有限元模型的建立[J].安徽醫科大學學報,2008,43:231-233.

[10]白石柱,李滌塵,趙銥民,等.上頜骨有限元分析中邊界約束條件的研究[J].臨床口腔醫學雜志,2006,22:720-724.

Biomechanical Analysis of the Normal Maxilla

SHEN Yi1,SUN Jian1,LI Jun1,WANG Dongmei2,WANG Chengtao2.
1 Department of Oral and Maxillofacial Surgery,Shanghai Ninth People’s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai Key Laboratory of Stomatology,Shanghai 200011,China.2 Institute of Life Quality via Mechanical Engineering,School of Mechanical and Power Energy Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China. Corresponding author:SUN Jian.

ObjectiveTo construct three-dimensional finite element model of normal cranio-maxillofacial bones and to analyse biomechanical feature of the maxilla.MethodsBased on the data of spiral CT scan from a normal male,threedimensional finite element model of cranio-maxillofacial bones was constructed by digital image transfer and software of MedGraphics and ANSYS 8.0.The normal occlusal forces were simulated to observe the stress distribution and deviation of the maxilla.ResultsThree-dimensional finite element model of normal cranio-maxillofacial bones was constructed.The elements and nodes of the model were 273 191 and 260 988,respectively.The stress of maxilla was pressure after the loads were applied and the stress was concentrated on the areas of canine,first molar and pterygoid process of sphenoid bone.The stress on the areas of zygomaticoalveolar crest and canine was higher than that of other areas.The deviations in the anterior nasal spine and alveolar process were the maximum.ConclusionBiomechanical analysis of the normal maxilla was in accordance with the clinical research,so it provide basis for reconstruction of maxillectomy defect.

Maxilla;Three-dimensional finite element model;Biomechanical analysis

R318.01

A

1673－0364（2009）－01－0025－04

2009年1月8日；

2009年2月5日)

10.3969/j.issn.1673-0364.2009.01.007

上海市衛生局科研項目(044061)；上海市科學技術委員會項目(08DZ2271100)。

200011上海市上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院口腔頜面外科，上海市口腔醫學重點實驗室（沈毅，孫堅，李軍）；200030上海市上海交通大學機械工程學院生命質量與機械工程研究所（王冬梅，王成燾）。

孫堅。