下頜骨髁突囊內骨折不同內固定方式下的應力分布

[摘要]目的：研究小型鈦板和拉力螺釘兩種不同內固定方式治療下頜骨髁突囊內骨折時局部的應力分布情況，從理論上探討髁突囊內骨折最理想的內固定方式。方法：通過建立下頜骨囊內骨折三維有限元模型，并在此模型基礎上模擬下頜骨囊內骨折，在同樣的約束及載荷條件下分析小型鈦板固定及拉力螺釘固定方式下各自的應力分布情況及骨折斷端間相對位移情況。結果：小型鈦板和拉力螺釘固定方式均可起到穩定骨折斷端的作用，但小型鈦板固定方式下其自身及固定螺釘均有著明顯的應力集中，應力主要集中于骨折斷端附近。結論：拉力螺釘內固定方式較小型鈦板固定方式更有利于形成可靠的內固定環境，小型鈦板內固定時在骨折愈合早期更應注意下頜制動并避免大的咀嚼力量。

[關鍵詞]髁突囊內骨折；內固定；三維有限元；應力分布

[中圖分類號]R782 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2013）11-1169-03

下頜骨髁突骨折的治療是目前頜面部骨折治療的一個難點，關于這類疾病的理想治療方案在國內外學者中一直存在眾多爭議[1-2]，而髁突囊內骨折治療方式更是如此。爭議的內容涉及多個方面，一些學者認為，髁突骨折塊小、不易手術復位固定且有面神經損傷風險，建議保守治療。而主張手術治療者認為準確的復位及可靠的固定有利于恢復下頜升支高度并有助于降低顳下頜關節紊亂?。═emporomandibular disorders， TMD）發生率。隨著CBCT等影像學技術的提高及外科技術的發展，越來越多的學者采用手術治療髁突囊內骨折，內固定的方式多采用小型鈦板或拉力螺釘。由于力學性能的穩定性關乎內固定治療的可靠性，因此筆者建立了下頜骨髁突囊內骨折的三維有限元模型，模擬了不同的內固定方式，研究分析了在功能性載荷作用下骨折斷面和內固定材料的應力分布規律，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右側髁突囊內骨折的模擬：選用牙列完整、咬合關系正常、無任何TMD癥狀和體征的成年健康男性志愿者1例作為建模素材。通過CT掃描獲取下頜骨影像學二維數據，將所得數據經Mimics軟件（Materialise公司，比利時）轉換并形成三維立體模型后導入Geomagic Studio軟件（Geomagic公司，美國）中進行進一步精細建模，再將所得模型導入Ansys軟件（Ansys公司，美國）中進行髁突囊內骨折的模擬及三維有限元分析。鈦板模型在Geomagic Studio軟件建立后導入Ansys軟件使用。鈦釘及拉力螺釘模型在SolidWorks2012軟件（Dassault Systèmes公司，美國）中建立后再導入Ansys軟件中使用。參考國內學者髁突囊內骨折的分型[2]，筆者模擬的骨折類型為A型，即骨折線經過髁突頭的外1/3，下頜支高度降低。所模擬的鈦板為下頜骨骨折內固定常用的標準“L”形小型鈦板，4顆內固定螺釘大小為2.0mm×6mm，拉力螺釘大小為2.0mm×14mm。

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節運動，在雙側下頜第一磨牙牙合面予以約束以模擬雙側咀嚼較硬食物的功能狀態。分別在雙側咬肌、翼內肌及顳肌附著區加載功能狀態下的力量以模擬咀嚼狀態。模型材料屬性、載荷力量大小及方向等參考前期研究文獻[3-5]。筆者分析在相同約束、相同載荷及相同骨折情況下小型鈦板固定與拉力螺釘兩種內固定方式（即兩種工況）下局部應力分布及位移大小。

1.3 觀察部位及指標：觀察在前述載荷作用下內固定區骨質、內固定鈦板鈦釘以及拉力螺釘的Von Mises應力值大小及其分布情況，以分析內固定材料使用的合理性，Von Mises應力值較小者更為合理；在骨折斷面外周選擇間距相等的8個節點，采集其位移值，觀察骨折斷面的位移情況以分析內固定的穩定性，位移越小者越穩定。

2 結果

小型鈦板鈦釘固定情況下下頜骨Von Mises應力分布情況如圖1，拉力螺釘固定情況下的下頜骨Von Mises應力分布情況如圖2，小型鈦板及鈦釘Von Mises應力分布情況如圖3，拉力螺釘Von Mises應力分布情況如圖4，兩種工況下骨折斷面的位移情況如圖5。

結果顯示，小型鈦板內固定時下頜骨最大應力值為84.384Mpa，而拉力螺釘固定時最大下頜骨最大應力值為59.828Mpa，前者約為后者的1.4倍，兩種工況下的下頜骨的最大應力值均分布在螺釘周圍。小型鈦板自身最大應力值為1790Mpa，而拉力螺釘自身的最大應力值為111.661Mpa，前者約為后者的16倍，兩種工況下最大應力值均分布在骨折線附近；小型鈦釘最大應力值為1167Mpa，約為拉力螺釘的10.5倍，負載最大應力的螺釘為靠近骨折線的螺釘。兩種工況下骨折斷面的位移情況較為接近，拉力螺釘固定者波動更小。

3 討論

關于髁突囊內骨折的治療方法，長期以來一直存在爭論。在以往髁突骨折多傾向于保守治療，髁突囊內骨折更是如此。主要原因在于手術顯露范圍有限，小的骨塊固定困難，而且還存在面神經損傷導致面部畸形的風險。然而，保守治療存在咬合恢復有限及引起顳下頜關節紊亂病等風險，嚴重時甚至引起關節強直，需要二次手術治療[6]。因此，國內外一些學者逐漸轉變觀念，越來越多的學者傾向于手術治療髁突囊內骨折。目前有關手術治療髁突囊內骨折的系統性研究資料有限，有報道統計利用小型鈦板行髁突頸部骨折固定時鈦板斷裂的發生率達20%～25%[7-8]，并考慮這種并發癥是的發生與內固定方法不合理而引起的局部應力集中有關[9]。因此，我們不得不關注囊內骨折內固定后局部應力分布情況，以防類似并發癥的發生。

目前手術治療髁突骨折的方法包括小型鈦板內固定、拉力螺釘固定及鋼絲栓扎等方法，需術者在術中根據骨折的具體情況而定，而髁突頭段過于粉碎而無法固定的患者往往需要手術摘除髁突。臨床治療認為小型鈦板固定和拉力螺釘固定方式最為穩定可靠。本實驗建立了單側（右側）髁突囊內骨折模型，并模擬了目前學者常采用的單塊“L”型小型鈦板固定和單顆拉力螺釘固定兩種治療方式，給予功能載荷后分析局部應力分布情況及骨斷端位移情況。根據國內學者的分型和研究，認為A型髁突囊內骨折骨折塊較大，復位及固定較為容易，臨床治療多選擇手術治療方式，因此，本研究選擇這一型髁突囊內骨折作為研究對象。

在材料力學有限元分析中常選用的一個指標是Von Mises應力，又稱等效應力，對于韌性材料（如金屬）來說是一個重要參數，用于界定屈服點，一旦達到屈服點，材料將不具有彈性，產生永久變形。本實驗發現，小型鈦板固定方式下，固定螺釘周圍骨組織應力略高于拉力螺釘固定方式，約為后者1.4倍，內固定螺釘周圍骨組織過高的應力可能導致骨質吸收，最終導致螺釘松動脫落；本研究還發現功能載荷下小型鈦板自身的應力值遠遠高于拉力螺釘，約為拉力螺釘的16倍，這種過于集中的應力可能導致術后內固定板斷裂；另外，小型內固定螺釘的應力值為拉力螺釘的10.5倍，內固定螺釘過于集中的應力亦可能導致術后螺釘松動脫落。關于兩種內固定方式應力分布差異研究的文獻較少。本實驗觀察到了兩種內固定方式下的最大應力差別達10倍以上，這在臨床應用中往往是難以接受的。筆者分析其可能原因如下：①由于拉力螺釘固定是橫穿骨斷端中央部位而小型鈦板則是在骨斷端外側，從結構力學角度來看顯然前者更為穩定。有學者對比分析了下頜角骨折應用小型鈦板固定和拉力螺釘固定方式的差異。研究發現，拉力螺釘固定方式術后骨斷端間間隙更小[10]，這也間接證實兩種固定方式間的差異。②受局部解剖因素影響，髁突囊內骨折無法像下頜骨其它部位一樣做到兩塊鈦板固定，因而其應力也得不到更好的分散。由于本實驗模擬的載荷力量為正常咀嚼力量，筆者推測，如果臨床實際中囑咐患者術后進食流質飲食，避免大的咀嚼力量產生，則有助于降低髁突小型內固定鈦板的最大應力值，從而有助于降低小型鈦板折斷及固定螺釘松動等并發癥發生風險。

骨折術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[11]。本實驗中我們在骨折斷面選擇8個節點，其間距相等，均勻分布在骨折斷面最外周，試圖從整體上反應骨折斷的相對位移情況。研究發現，兩種固定情況下骨折斷端間的相對位移均較小，遠小于150μm。因此，可以認為，在固定的初期，兩種固定方式均可以達到穩定骨折斷端的效果。

綜上所述，在功能載荷狀態下，雖然小型鈦板及拉力螺釘固定方式下骨折斷端間相對位移很小，但小型鈦板固定方式下鈦板自身有明顯的應力集中。這提示我們，雖然兩種內固定方式均可以起到穩定骨折斷端的效果，但小型鈦板固定方式下應力過于集中可能引起鈦板斷裂及內固定螺釘松動，最終導致治療失敗。因此，在本研究條件下，筆者認為拉力螺釘固定方式較小型鈦板固定方式更為可靠，若采用小型鈦板固定，則在骨折愈合的早期更應注意下頜制動，并盡可能采用流質飲食等措施，避免產生過大的咀嚼力量。

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[收稿日期]2013-04-23 [修回日期]2013-05- 13

編輯/何志斌