有限元分析法用于下颌骨缺损修复术的研究近况

刘 峰，王瑞春综述，黄迪炎审校

下颌骨位于面下部，呈弓形，是面部唯一能活动的骨骼，它具有呼吸、咀嚼、吞咽、语言、表情等重要功能，一旦因肿瘤或外伤造成缺损，则直接影响到颌面部形态和功能，因此对下颌骨缺损整复治疗一直备受关注，其生物力学研究日益受到重视。对下颌骨缺损修复后力学实验研究主要通过动物模型模拟，在人体直接进行力学实验是不可能的，而有限元分析法是计算机力学分析的重要方法之一，可在一定程度上替代生物力学实验，模拟下颌骨缺损修复后生物力学情况，为下颌骨生物力学研究开辟新的途径。本文就有限元分析法在下颌骨缺损修复术后研究的近况介绍如下。

1 自体骨移植修复下颌骨缺损的有限元应力分析

下颌骨节段缺损修复，目前常用自体髂骨肌瓣和腓骨瓣[1，2]。过去，对其重建效果多偏重于临床分析[3-6]，现在也逐渐重视对其生物力学的研究，为下颌骨缺损提供理论依据。首先，对髂骨移植重建下颌骨移植固定方式进行应力分析，例如，对髂骨移植修复下颌骨连接方式，现在常用有3种，即外嵌式、端端式和内嵌式。究竟哪一种方式最佳，邱蔚六[7]认为下颌骨体部缺损修复时髂骨块最好作外嵌式连接固定。另外汪良能等[8]则认为内嵌式连接比外嵌式连接稳定。王冬等[9]通过应用生物力学角度对髂骨块移植整复的最佳连接方式进行分析，采用三维有限元的方法，建立血管化游离髂骨块移植端端式、外嵌式、内嵌式连接方式的三维有限元模型，定量对比、分析上述研究部位不同的应力和位移分布情况，结果是髂骨块钉孔周围最大Von-Mises应力值最大的是端端式，最小的是外嵌式。Von-Mises应力值小，提示承载能力强。髂骨块钛板钛钉相应部位位移云图，内嵌式最大，外嵌式最小。从骨生物力学角度来看，当传导应力的正常骨横截面积发生变化时，必然导致骨内外应力的重新分布[9]。在相同的载荷作用下，位移值小提示稳定性能好。因此，认为外嵌式和端端式下颌骨残端孔周围应力环境稳定性均比内嵌式高。从生物力学上证明，外嵌式链接是研究部位应力最小，且接近正常愈合状态的连接方式。其次，对自体腓骨移植修复下颌骨后移植骨应力分布特征进行应力分析。自从1989年Hidalgo等[10]采用游离腓骨肌瓣重建下颌骨获得成功后，国内外学者相继报道应用游离腓骨肌瓣重建下颌骨[11,12]。但对重建后的下颌骨应力分布特点研究尚不充分，季彤等[13]为了研究下颌骨缺损腓骨重建的应力分布特点，建立下颌骨缺损腓骨重建有限元模型，模拟下颌骨髁状突、下颌支、下颌骨体部、半侧颏部缺损模型对模型进行定量的三维有限元应力分析，结论证明，各腓骨重建模型的应力分布与正常模型有明显差别，最大应力出现在腓骨和下颌骨交界处，腓骨重建模型各兴趣区Von-Mises应力和最大主应力与正常下颌骨模型相比，除健侧髁突区外多数兴趣区均有显著差异。下颌骨缺损重建后，下颌骨的应力出现显著改变，而这一改变在手术侧的髁突和髁颈表现最为明显。再次，采用髂骨移植和腓骨修复下颌骨缺损2种生物力学分析情况，铁瑛等[14]分别模拟临床下颌骨缺损修复，分别建立了腓骨、髂骨重建下颌骨的几何和三维有限元模型，计算分析各种重建情况下，下颌骨的应力分布，研究力在骨中的传递，从生物力学角度，对不同缺损状态2种移植重建方案重建进行了比较，认为髂骨重建下颌骨的生物力学性能较腓骨重建更接近完整下颌骨，更有利于术后愈合和进一步的功能重建。

2 钛下颌骨假体修复下颌骨缺损的生物力学研究

下颌骨缺损修复方法，除采用自体骨移植外，还包括异体骨材料、异质骨材料。20世纪90年代后期，随着快速成型技术，数控操作技术在医学界的引入，同时也给下颌骨缺损修复确定了新的研究方向。Morris利用此技术在离体的下颌骨上进行试验，证明了引用钛完全复制出缺损区颌骨正常形态，做到个性化修复，从而达到理想的外观形态修复[15]。韩正学等[15]利用钛下颌骨重建假体修复下颌骨缺损的试验研究，应用CAD/CAM技术，形成与缺损部位完全吻合的易用纯钛假体，通过手术重建下颌骨，在龈骨膜下的部分容易暴露于口腔易引起假体周围炎，破坏假体与骨间内固定的稳定性，导致假体松动而失败，在假体与骨结合较牢固的部位，生物力学测试显示，假体与骨之间的结合强度仍较差。按照缺损区下颌骨形态复制出同样大小的假体仅仅是形态上的仿真，达不到真正的下颌骨修复。为了克服下颌骨替代物的不足，为植骨改建提供的应力刺激，刘葳等[16]通过有限元优化分析法对定制化钛下颌骨替代物进行结构优化，提出了柔性结构的概念，旨在促进骨替代物内部植骨的改建。根据骨应力重建理论，该柔性结构实现了一定意义的仿真性修复效果。叶志佳等[17]通过回顾38例下颌骨缺损成型钛板修复重建的病例，对下颌骨修复重建后的面部形态和咬合关系进行比较，证明成型钛板是修复下颌缺失的良好材料。随着这一技术的广泛应用，并发症随之出现，其中最主要的是钛板断裂和钛钉松动。张益等[18]应用光弹性模型模拟下颌骨缺损和钛板固定，分析导致内固定失败的可能原因，发现力矩和剪力能够使螺钉周围产生应力集中，从而发生骨吸收，致使螺钉松脱。根据AO内固定原则，钛板承受力方式分为完全承载和分担式承载2种。下颌骨缺损处植骨而单纯应用钛板支撑缺损的受力方式为完全承载，植骨后由钛板和移植骨共同受力的方式为分担承载，钛板在完全承载的情况下，其断裂和松动的概率远远大于分担承载。曲行舟[21]认为，即使行骨移植手术，如果移植骨与受区下颌骨断端没有骨性愈合，应力就会集中在骨不连处，此处钛板受力情况仍然是完全承载，也有可能较大的断裂可能性，此外，重建分为自锁型钛板和非自锁型2种。Haug等[22]认为自锁型钛板较非自锁型具有良好的稳定性。Chiodo等[23]证明自锁型钛板较非自锁型钛板在抗屈服性试验中无显著性差异，固位地成败主要与骨的质量的外科技术有关。

3 展 望

综上所述，下颌骨缺损，造成其连续性中断或变形，导致形态和功能障碍，使患者生活质量下降。目前，主要采用血管化骨移植和非血管化骨移植，以及钛下颌骨重建下颌骨缺损，由单一术式向多种方式发展，但是下颌骨缺损的修复，仍然是临床一项富有挑战性的工作。

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