三維有限元法對下頜角骨折內固定的生物力學分析

代燕 張超 趙華強

下頜角位于下頜支與下頜體的交界轉折處，骨質薄弱，是下頜骨骨折的好發部位之一[1]。目前，下頜角骨折內固定技術已經比較成熟，但是在臨床上具體固定方式的選擇還存有一些爭議。

本實驗應用三維有限元的方法選擇臨床上最常見的固定方式，即張力帶固定和雙列小型板固定，比較兩者在下頜角骨折堅強內固定手術中的穩定性和適用范圍，為臨床選擇提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 對象

1.2 設備及軟件

硬件：Sensation16層螺旋CT（德國Siemens公司），掃描層厚0.75 mm。

軟件：Mimics軟件 (比利時 Materialise公司)；MSC.Patran及MSC.Marc有限元軟件；AutoCAD軟件（美國 Autodesk公司）；Photoshop 6.0 軟件

1.3 三維有限元模型的建立

將下頜骨原始CT圖像以Dicom 3.0醫學數字圖像形式導入三維重建軟件Mimics 10.01中，建立下頜骨的三維模型。根據需要在模型上設立骨折縫，并將內固定系統三維模型機械裝配到下頜骨模型上，固定方式為張力帶固定和雙列小型板固定。利用MSC.Patran軟件對下頜骨及內固定系統進行網格劃分，張力帶固定三維有限元模型節點數為18551，單元數為79642；雙列小型板固定三維有限元模型節點數18669，單元數為79847。

由于CT圖像中呈現出的灰度不同，把灰度值定義為10等份，根據骨密度與灰度值的關系算得骨密度，參照文獻算得彈性模量(MPa)[2]，對每一種材料定義彈性模量（E）及泊松比(ν)，泊松比均設定為0.30。生成具有材料屬性的下頜骨骨折堅強內固定三維有限元模型（圖1，2）。模型的材料力學特性為均質、連續和各向同性，各單元有足夠的穩定性。

圖1 具有材料屬性的有限元模型（張力帶固定）Fig.1 The finite-element model with material properties(tension band fixation)

圖2 具有材料屬性的有限元模型(雙列小型板固定)Fig.2 The finite-element model with material properties(twomini-plate fixation)

1.4 下頜角骨折兩種固定方式的有限元研究

利用軟件MSC.Marc對已建立的下頜角骨折堅強內固定三維有限元模型進行分析。

1.4.1 約束條件

顳下頜關節是雙側聯動關節，髁突被關節囊約束在關節窩內，通過髁突的轉動和滑動進行各種功能性運動[3]，因此將雙側下頜骨髁狀突設定為固定鉸鏈約束，髁突表面節點在各方向自由度為0。前牙咬時約束牙位為中切牙，后牙咬時約束牙位為第一、二磨牙。

1.4.2 工況設定

1.4.3 加載方式

2 結果

2.1 模型應力分布

圖3 張力帶固定，前牙咬合時von Mises應力分布Fig.3 The von Mises stress distribution on mandibular model under the tension band fixation when bite of INC

圖4 雙列小型板固定，前牙咬合時von Mises應力分布Fig.4 The von Mises stress distribution on mandibular model under the two-miniplate fixation when bite of INC

2.2 骨折斷端相對位移

2.3 張力帶固定的安全咬力范圍

3 討論

下頜角骨折有5種固定方法，即通用骨折板或重建板固定、DCP加壓固定、拉力螺釘固定、雙列小型板固定和張力帶固定[9]。無明顯骨質缺損的下頜角線性骨折主要應用張力帶固定或雙列小型板固定。

自Champy于1975年提出下頜骨骨折理想的固定路線理論以來，爭議最大的就是下頜角骨折張力帶固定的穩定性和臨床效果。Kroon等[10]的研究證明，一側下頜角骨折張力帶固定后，健側后牙和前牙區負載時，患側下頜角上緣呈張力，下緣呈壓力，應力分布狀態類似于生理狀態，固定是穩定的；如果負載點向患側移動，固定結構的張力帶便隨之減弱，當負載點足夠靠近骨折縫時，壓力性質會發生逆轉，此時張力帶固定是不穩定的，下頜骨下緣可能會發生張裂。張益[11]對下頜角骨折的臨床研究結果顯示，單純張力帶固定的穩定性不足，有21.43%的患者術后出現了下頜骨下緣開裂。

本實驗結果顯示，張力帶固定時，加載牙位由健側后牙向患側后牙移動時，其下頜骨下緣相對位移依次為 0.254 mm（RMOL）、0.162 mm（INC）和0.066 mm（LMOL），說明隨著負載點由健側向患側移動，下頜骨下緣的壓力逐步減小，從而得知下頜骨上緣張力逐步減弱。不論何種咬狀態，下頜骨下緣骨折斷端之間的相對位移都超過了雙列小型板固定，說明在正常生理功能狀態下，雙列小型板固定的穩定性更好。

從生物力學的角度來說，雖然雙列小型板固定下頜角骨折比張力帶固定更加穩定，但是越來越多的研究表明，使用張力帶固定引起的并發癥尤其是術后感染明顯低于使用雙列小型板。而且，張力帶固定臨床操作簡便，無需在面部皮膚上作切口，具有創傷小、出血少、避免損傷面神經及更好保存正常組織等優點。Feller等[12]通過有限元分析發現，多數情況下，在下頜角上緣張力帶僅固定1塊1 mm厚的小型鈦板即可對抗咀嚼肌的牽拉。Ellis[13]使用單鈦板張力帶固定及雙鈦板固定治療單純下頜角骨折，發現單鈦板張力帶內固定比使用雙鈦板操作簡單，且前者術后的感染率明顯低于后者。

綜上所述，為了使患者擁有更好的生活質量，在貫徹堅強內固定的原則下，臨床可以選用張力帶固定，術后必須配合一定的措施，以確保張力帶固定的穩定性，如采取前牙咬和健側后牙咬的方式，適當降低咬力，輔以頜間固定，保持口腔衛生等。

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