三維有限元法對單純顴骨骨折堅強內固定的生物力學研究

陳虹瑜 代燕 曲竹麗 趙華強

在頜面部外傷中，顴骨復合體骨折較多見，約占面部損傷的19%～40%[1]。顴骨為連接上頜骨與腦顱骨之間的主要支柱，近似四邊形，與上頜骨、額骨、蝶骨和顳骨相連接。顴骨骨折嚴重影響患者的面部外形和功能。顴骨骨折后的固定部位和放置鈦板的數目仍存在爭議。

本實驗旨在通過三維有限元模型，模擬一點（顴牙槽嵴）鈦板內固定、三點（顴牙槽嵴、顴額縫、眶下緣）鈦板內固定，并進行生物力學分析，為單純顴骨骨折固定方式的選擇提供理論依據；模擬顴牙槽嵴一點固定方式下鈦板固定與可吸收板固定，進行生物力學分析，為單純顴骨骨折固定材料的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 對象

1.2 設備及軟件

鈦板、鈦釘（慈溪市慈北口腔醫療器械有限公司）；可吸收接骨板（日本Gunze公司）。

電子計算機（英特爾奔騰雙核處理器2.8G CPU，Windows XP 系統）；Sensation 16層螺旋 CT（德國SIEMENS公司），掃描層厚0.75 mm。

Mimics軟件（比利時 Materialise公司）；MSC.Marc有限元軟件（美國MSC公司）；UGNX6.0軟件。

1.3 單純顴骨骨折堅強內固定的三維有限元模型

將顴上頜骨原始CT圖像以Dicom 3.0格式導入Mimics軟件中，通過三維重建，生成顴上頜骨的三維模型。遵循封閉和單獨個體的原則，由mask創建顴骨模型后，利用Mimics對該模型進行簡單的修改和優化。

根據研究需要，應用UGNX6.0等軟件將已構建好的內固定系統三維模型裝配到顴上頜骨模型上（左側），固定方式有三種：顴牙槽嵴一點L型鈦板內固定、三點鈦板內固定（顴牙槽嵴處采用左側L型鈦板，顴額縫處采用四孔鈦板，眶下緣處采用四孔微型鈦板）和顴牙槽嵴一點可吸收板固定。利用Mimics、MSC.Marc等軟件對顴骨、內固定系統的表面模型進行網格劃分及處理，同時考慮皮質骨、松質骨、鈦板和可吸收板各材料的彈性模量和泊松比（表1）。

表1 模型各部位的彈性模量與泊松比[2-3]Table 1 Modulus of elasticity and Poisson ratio of different parts

最終生成具有材料屬性的顴骨骨折堅強內固定三維有限元模型（圖1-3）。一點鈦板固定三維有限元模型由21339個節點和85720個單元組成；三點鈦板固定三維有限元模型由28613個節點和113655個單元組成；一點可吸收板固定三維有限元模型由32837個節點和129206個單元組成。模型材料的力學特性為均質、連續和各向同性，各單元有足夠的穩定性。

圖1 一點L形鈦板固定三維有限元模型Fig.1 Three-dimensional finite element model of one point L-type titanium plate fixation

圖2 三點鈦板固定三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of three points titanium plate fixation

圖3 一點可吸收板固定三維有限元模型Fig.3 Three-dimensional finite element model of one point absorbable plate fixation

1.4 一點與三點鈦板固定單純顴骨骨折的三維有限元分析

1.4.1 工況設定

1.4.2 邊界條件

設定坐標系：水平自右向左為X軸正向，水平自后向前為Y軸正向，垂直自下向上為Z軸正向。對咬肌附著骨面進行約束，在X、Y、Z軸三個方向上的位移均設為0（剛性約束）。

1.4.3 載荷設定

咬肌淺層起自上頜骨顴突和顴弓下緣的前2/3，根據實際解剖位置，在模型上確定咬肌附著的節點位置。具體形式為將肌力設定為集中力的形式，分解為X、Y、Z軸向力。肌力大小與肌肉的橫截面積有關，根據公式 Mir=Xmi×K×EMGmi[4-5]，得到各個肌力的最大值。加載力值為正常咀嚼活動時使用的力量，約為最大肌力的一半。

1.5 一點式與可吸收板一點固定單純顴骨骨折的有限元分析

選用已建立的一點鈦板單純顴骨骨折內固定系統三維有限元模型和一點可吸收板內固定系統三維有限元模型，在MSC.Marc軟件中進行力學分析。約束條件、加載方式同1.4部分。

2 結果

2.1 判定標準

當骨折斷端相對位移不超過0.15 mm時，才可能保證骨折愈合[6]。在比較不同固定方式時，選取左側顴骨下端與上頜骨連接處、左側眶下緣和左側眶外側緣3個標志點的總位移最大值，作為衡量位移的主要指標。

von Mises應力是一種基于剪切應變能力的等效應力，可以體現鈦板在受力時發生的形變。在比較不同固定方式和不同咬狀態時，選取von Mises等效應力作為衡量應力水平的主要指標。

2.2 不同固定方式模型的位移分布

一點顴牙槽嵴固定時，剪切向位移距離最大為0.121 mm（LMOL）；三點板固定時，剪切向位移距離最大為 0.061 mm（ICP）。

2.3 不同固定方式模型的應力分布

圖4 一點L形鈦板固定時的應力分布（ICP）Fig.4 Stress distribution of one point L-type titanium plate fixation

圖5 三點鈦板固定時的應力分布（ICP）Fig.5 Stress distribution of three points titanium plate fixation

2.4 兩種不同材料模型的位移分布

一點鈦板固定的位移結果同2.2；一點可吸收板的剪切向最大位移距離0.0926 mm（LMOL）。

2.5 兩種不同材料模型的應力分布

一點顴牙槽嵴鈦板固定的應力分布結果同2.3（圖6）；一點可吸收板固定時，鈦板上最大應力位于上緣鈦板中部，分別為 23.51 MPa（INC），93.97 MPa（ICP），56.69 MPa（LMOL）和 60.56 MPa（RMOL）。

圖6 一點可吸收板固定時的應力分布（ICP）Fig.6 Stress distribution of one point absorbable plate fixation

3 討論

顴骨骨折治療成功的標準包括準確的骨折復位和可靠的內固定。在顴骨骨折復位后實施堅強內固定治療的必要性已經得到公認，但是固定的部位及數量一直存在爭議，從復位后一點固定到三點固定均有報道。Eisele等[7]認為一點固定就足以獲得穩定的固位。Rinehart等[8]在8例離體標本上人為制作單純顴骨骨折模型，觀察發現顴骨骨折一點固定并不能獲得穩定的固位效果，但是顴額縫和顴上頜縫兩點固定，固定效果可靠。徐兵等[9]認為顴牙槽嵴、眶下緣和顴額縫三點小鈦板固定，可從垂直向、水平向、斜向三個方向上抵消影響骨質在解剖位置上愈合可能產生的作用力，從而使被固定的骨折塊在原來的解剖部位達到一期愈合。

本實驗發現，顴牙槽嵴一點鈦板固定后，顴骨的最大位移是0.121 mm；顴牙槽嵴、顴額縫、眶下緣三點固定中，骨折斷端的最大位移僅為0.061 mm。說明兩種固定方式均可達到固位要求。顴骨骨折手術復位固定部位的選擇，應遵循安全可靠且創傷最小的原則，有待于在臨床中進一步探討。

隨著材料科學的發展，可吸收內固定材料已逐漸應用于臨床。可吸收內固定材料均為高分子量聚合物，目前常用的有聚乳酸（Polylactic acid，PLA）等。這類材料可隨著骨折的愈合，在生物體內自動降解吸收。Eppley等[10]的研究表明，可吸收固定系統在實驗模型上約1年后能夠完全被吸收。但是，可吸收板也有其缺點，如機械強度稍差，降解速度不理想，而且在材料的降解過程中可能產生異物反應。但Cohen等[11]認為這種反應輕微，多為一過性，無需特殊處理。

本實驗結果顯示，采用顴牙槽嵴一點可吸收板固定后，骨折斷端最大位移0.0926 mm，說明此種固定方式可滿足單純顴骨骨折固定強度的要求，值得臨床推廣應用。相信隨著材料技術的發展，機械強度適宜、降解速率理想、價格適中的可吸收內固定材料將被會更多地應用于臨床。

綜上所述，顴牙槽嵴一點鈦板固定的穩定性不如顴牙槽嵴、顴額縫、眶下緣三點固定。但是，一點固定法只需在口內做切口，避免了頭皮半冠狀切口及眉弓切口引起的皮膚瘢痕等缺點。近年來，內鏡技術已用于顴骨骨折的治療，而且粉碎性顴弓、顴骨骨折也可以在內鏡下獲得有效的復位固定[12-13]。同時，隨著可吸收材料性能的不斷提高，內鏡下結合可吸收板復位固定顴骨顴弓，將成為今后顴骨復合體骨折的常規治療手段。

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