下頜角骨折堅強內固定生物力學的三維有限元法分析

賈娟，吳雙江，夏德林

(瀘州醫學院附屬醫院口腔頜面外科，四川 瀘州 646000)

下頜角骨折堅強內固定生物力學的三維有限元法分析

賈娟，吳雙江，夏德林

(瀘州醫學院附屬醫院口腔頜面外科，四川 瀘州 646000)

目的 采用三維有限元法分析下頜角骨折張力帶固定與雙列小型板內固定的穩定性。方法選取健康成年志愿者1例，通過三維有限元法建立正常下頜骨模型，建立骨折線，制作內固定系統，并最終建立三維有限元模型，分析前牙咬合、雙側后牙咬合、左側后牙咬合和右側后牙咬合四種咬合方法兩種內固定最大應力情況及骨折斷端相對移位情況。結果張力帶內固定最大應力和雙列小型板固定時的最大應力分別集中在鈦板中斷和鈦板上側的中段。在前牙咬合及骨折對側后牙咬合時張力帶最大應力低于雙列小型板固定系統最大應力，張力帶內固定前牙咬合及骨折對側后牙咬合時骨折斷端相對移位較大，超過0.15 mm安全移位閾值。結論三維有限元模型建立下頜角骨折可信度較高，雙列小型板固定生物力學分析穩定性高于張力帶內固定方法，而張力帶內固定治療下頜角骨折需對患者咬合力的調整進行指導，穩定性也可達到安全范圍。

下頜角骨折；雙列小型板內固定；張力帶內固定；生物力學

下頜角位于領支及下領體交界轉折處，骨質較薄弱，下頜角處骨折是下頜骨骨折中最為常見的類型之一，是頜面外科常見病癥，多為交通事故傷導致[1]。目前下頜角骨折常見的內固定方法為張力帶固定及雙列小型板行聯合內固定兩種方法，臨床對兩種固定方法有所爭議[2]。本研究通過三維有限元法這種目前生物力學模型研究較為完善的分析方法對兩種內固定治療下頜角骨折的穩定性、咬合功能的影響等方面進行分析，現報道如下：

1 資料與方法

1.1 正常下頜骨三維模型建立 選取1例志愿健康男性作為測試對象，該例測試對象年齡28歲，牙列無缺失，咬合關系無異常。建立該例測試對象正常下頜骨三維模型。測定參數時，測試對象取仰臥位，研究人員協助測試對象將頭部與眶耳平面保持水平垂直狀態后進行固定，然后進行骨組織窗掃描。掃描參數：掃描層厚設置為0.75 mm，床進速度設置為1 m/s，掃描范圍為頗部至骸狀突，掃描后將圖像存儲至工作站中，使用圖像處理工具將掃描圖像處理獲得CT斷層影響，共計100層，按順序導入Mimics軟件，根據人體頭部方位定義上、下、前、后、左、右六方向，定位模型，去除下頜骨上下臨界處以外層面，保留下頜骨完整外形輪廓，采用Edit masks將骨質中異常空洞填滿，生成正常下頜骨3D表面模型。

1.2 骨折內固定系統三維模型建立 骨折內固定系統分別為雙列小型板內固定系統和張力帶內固定系統兩種，其中雙列小型板選擇小型四孔鈦板，長26.8 mm，寬4.5 mm，厚1.0 mm，肽釘長6 mm，直徑2 mm。利用AutoCAD軟件根據內固定系統實際尺寸進行三維模型構建，并根據已建成的正常下頜骨三維模型進行外形微調，導入Mimics軟件，將內固定系統模型機械裝配到下領骨模型上[3]。

1.3 三維有限元模型建立 將以上所制作的正常下頜骨及內固定系統三維模型表面表格進行平滑處理，導入MSC.Patran軟件，生成四面體網絡，建立下頜骨三維有限元模型，然后在模型左側下頜骨建立寬度約1.5 mm自磨牙后區至下頜角的骨折縫，將內固定系統三維模型進行三維網格劃分，并裝配到下頜骨骨折模型之上。利用Mimics軟件FEA下material功能給模型材料賦予屬性[4]，其中下頜骨根據皮質骨、松質骨等各向異性以及改變骨折斷層的材料屬性、內固定系統及牙齒材料屬性均分別定義彈性模量(E)、泊松比(γ)、密度(ρ)。

1.4 臨界及咬合情況設置 將水平方向由右至左設為坐標系的X軸，將水平方向向后設為坐標系Y軸，與水平保持垂直的方向設為坐標系的Z軸。下頜關節和骸突所具有的物理性能，決定了兩者可被骼突帶動進行被動運動，當下頜處于靜止狀態的瞬間，骸突所保持的姿勢即可發揮支點的作用。此時將雙側下頜骨骸狀突設為固定狀態，并在不用的咬合方式中設定各個方向的自由度為0，且不在坐標線的Y軸和Z軸上對其進行約束。將前牙咬合和后牙咬合的實際約束情況，分別為四種咬合方法三個坐標軸左右側肌力賦值[5]。

1.5 觀察指標 觀察比較兩種固定方法四種咬合狀態下固定系統最大應力情況、骨折斷端相對移位情況、安全咬合力范圍。

1.6 統計學方法 應用SPSS17.0統計學軟件對實驗結果進行統計分析，計數資料的組間比較采用χ2檢驗，以P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 模型建立情況 三維形態模型建立具有較高的相似性和可編輯性，見圖1～圖3，骨折內固定系統三維有限元模型共有17 653個節點有下頜角骨折張力帶固定，具有極高的與實體相近的75 386個單元，下頜角骨折雙列小型板固定三維有限元模型共18 135個節點，78 349個單元，見圖4～圖6。

2.2 兩種內固定方法的應力分布 兩種內固定四種咬合方法最大應力對比可以看出，張力帶內固定和雙列小型板固定時的最大應力分別集中在鈦板中段和鈦板上側的中段。集中在上側鈦板中段，在前牙咬合及骨折對側后牙咬合時張力帶最大應力低于雙列小型板固定系統最大應力，兩種方法比較差異有統計學意義(P＜0.05)，見表1。

圖1 正常下頜骨三維模型

圖2 張力帶聯合下頜骨三維模型

表3 雙列小型板固定下頜骨三維模型

圖4 下頜角骨折三維有限元模型

圖5 下頜角骨折張力帶內固定三維有限元模型應力圖

圖6 下頜角骨折雙列小型板固定內固定三維有限元模型應力圖

表1 兩種內固定四種咬合方法最大應力比較(MPa)

2.3 兩種內固定方法斷端相對移位情況 兩種內固定四種咬合方法斷端相對移位對比可見，張力帶內固定前牙咬合及骨折對側后牙咬合時骨折斷端相對移位較大，超過0.15 mm安全移位閾值，不斷減少張力帶固定模型前牙咬合力及對側后牙咬合力，使斷端相對移位減小，至其相對移位低于0.15 mm時，前牙咬合中切牙咬合力從55.3 N下降到40.7 N，對側后牙咬合中第1，2磨牙咬合力從122.5 N下降至103.4 N。兩種方法比較差異有統計學意義(P＜0.05)，見表2。

表2 兩種內固定四種咬合方法斷端相對移位(mm)

3 討 論

對于骨折后應力分布的分析，能夠較為清晰地通過觀測生物力學參數來實現，從而對固定方式穩定性及愈合支持能力進行客觀分析，基本方法包括實體分析或人工材料、模型分析、光彈分析以及三維有限元分析。其中，實體和人工材料模型的分析由于涉及的標本限制和材料屬性的限制較多，所以較難建立符合正常人體功能狀態的模型結構，其結果的準確性較不滿意[6]。類似的，光彈分析由于受到光彈材料應用的限制，且質量參數和實體的差距過大，可能導致結果有一定的差異[7]。采用Mimics三維修復技術逆向建立人體組織三維模型具有較高的仿真性，由于模型建立無任何人工添加因素，因此可信度較高。在此基礎上有限元模型與實物在幾何相似性上精度較高，將模型分解為數量極大的節點和單元后，每個單元的精準賦值解決了傳統有限元模型無法解決骨密質與骨松質的彈性模量假設問題[8]，在生物力學的相似性上有重要的意義。有限元分析法則是通過對模型進行數字化分解之后，根據研究需要的實驗物理變化條件，從而進行模擬各種力學變化的實驗、求解，從而獲得不同實驗條件模型的任意部位所出現的變形，以及通過對其內部能量的變化和應力分布情況，模擬極限破壞情況[9-10]。

頜骨骨折固定方法主要包括頜間固定、單頜結扎固定、堅強內固定三種，其中下頜角骨折由于頜間牽引復位有效區域的限制，不適用單純頜間固定，因此，堅強內固定成為內固定系統治療的首選，臨床最常用的方法為張力帶內固定及雙列小型板內固定兩種，本研究通過三維有限元模型分析可見，模型建立較為清晰靈活，同一模型下，頜骨下緣骨折斷端之間的相對位移均不會受到咬合狀態的影響。本研究結果表明正常生理狀態下雙列小型板固定所具有的穩定性明顯優于單純張力帶固定。但單純張力帶處于固定狀態時，伴隨著負載點由健側向患側移動，下頜骨的下緣之間的距離也會逐漸縮小，其具有的穩定性也會逐漸減弱。該研究結果表明健側后牙咬合及前牙咬合，能夠有效提升固定系統的穩定性。當張力帶處于被固定時，負載點在由健側向患側移動時，下頜骨與下緣之間的穩定性會逐漸減弱，健側后牙咬合和前牙咬合狀態下的穩定性與患側后牙咬合和雙側后牙咬合說明采用健側后牙咬合和比較存在明顯差異，前者的穩定性更強。此外，當張力帶處于固定狀態時，健側后牙咬合和前牙咬合狀態下，下頜骨下緣骨折斷端之間的剪切向相對位超過了0.15 mm的骨折愈合范圍[11-12]，這表明在下頜角骨折張力帶內固定時，前牙咬合及健側后牙咬合時需減少咬合力，防止斷端移位，而通過咬合力的降低可見，前牙咬合中切牙咬合力從55.3 N下降到40.7 N，對側后牙咬合中第1、2磨牙咬合力從122.5 N下降至103.4 N時，完全可以將此移位控制在0.15 mm以內。

綜上所述，三維有限元模型建立下頜角骨折可信度較高，雙列小型板固定生物力學分析穩定性高于張力帶內固定，而張力帶內固定治療下頜角骨折需對患者咬合力的調整進行指導，穩定性也可達到安全范圍。

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Biomechanical analysis of rigid internal fixation for mandibular angle fracture through three-dimensional finite element method.

JIA Juan,WU Shuang-jiang,XIA De-lin.Department of Oral and Maxillofacial Surgery,the Affiliated Hospital of Luzhou Medical College,Luzhou 646000,Sichuan,CHINA

ObjectiveTo analyze the stability of two-miniplate internal fixation and tension band internal fixation for mandibular angle fracture by three-dimensional finite element method(3D-FEM).MethodsA healthy adult volunteer was chosen.The normal mandible model was established by 3D-FEM,with the fracture line and internal fixation system established,and finally,a three-dimensional finite element model was established.The maximum stress and the relative displacement of fracture of the two internal fixation methods for anterior teeth occlusion,bilateral posterior teeth occlusion,left posterior teeth occlusion and right posterior teeth occlusion were analyzed.ResultsThe maximum stress concentrated in the middle of the titanium plate for tension band internal fixation,and in the middle of the upper plate for two-miniplate internal fixation.The maximum stress of tension band internal fixation was lower than that of two-miniplate internal fixation for anterior teeth occlusion and contralateral posterior teeth occlusion,and the relative displacement of fracture of tension band internal fixation was larger for anterior teeth occlusion and contralateral posterior teeth occlusion(0.15 mm more than safe shift threshold).ConclusionMandibular angle fracture model is established under the three dimensional finite element model with good credibility.The stability of two-miniplate internal fixation is higher than that of tension band internal fixation.Guidance for the adjustment of occlusal force should be performed to make the stability in safe range when treating mandibular angle fracture with tension band internal fixation.

Mandibular angle fracture;Two-miniplate internal fixation;Tension band internal fixation;Biomechanics

R683.5

A

1003—6350（2016）04—0577—04

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.04.021

2015-06-26)

賈娟。E-mail：jiajuant@163.com