下颌骨骨折有限元模型的建立及相关研究

徐 岩，朱国雄，黄迪炎

下颌骨是颌面部体积最大，位置最突出的骨骼，容易受损伤，在平时或战时其损伤的发生率均较高，颌面骨折首位，占颌面骨折的55%～72%。本研究建立下颌骨骨折三维有限元模型，分析下颌骨创伤可能引起骨折的力学变化情况。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选择1名健康女性，年龄25岁。牙列完整，无任何口腔疾病志愿者为测试对象。对其下颌骨进行扫描。扫描范围：由髁部到髁状突进行横断扫描。

1.2 方法 采用德国西门子公司16排螺旋CT对受检者头面部扫描，测试对象采取仰卧位，眶耳平面与水平面垂直，选择骨组织窗扫描，层厚0.625mm，床进速度1 mm/s。扫描时扫描方向为近远中方向，扫描标志线与下颌平面平行，由颏部到髁突连续扫描。总共获取断层影像101张，直接以Dicom3.0医学数字通讯标准以光盘形式存储。将获得的断层影像导入比利时Materialise公司的医学影像三维重建软件Mimics中，直接建立下颌骨三维表面模型（图1），并在Mimics软件中FEA模块下进行表面网格划分，通过接口网格模板导入MSC.patran，可以在封闭的曲面风格上生成四面体，故利用软件功能将前面导入的颅上颌骨面网格进行拓扑，从而生成四面体网格，这样就完成了下颌骨三维实体网格划分。利用软件中自带的CT图像灰度值-组织力学材料性质关系公式，对三维下颌骨网格模型各单元进行材料分配。本实验所涉及的生物材料的材料力学特性为非均质、连续和各向同性的弹性材料。选择骨皮质弹性模量为104700kPa（1kPa=7.5mmHg），泊松比为0.30；松质骨弹性模量为7 900 MPa，泊松比为0.30[1]。牙的弹性模量为20 290 MPa，泊松比为0.30[2]，最后得出完整的下颌骨有限元模型。

图1 Mimics中生成下颌骨3D模型

1.3 边界条件 把髁状突抽象为固定铰链约束，三维方向都是固定约束，下颌骨是唯一一个活动关节，因此设定边界条件时双侧髁突固定。

1.4 加载方式 于下颌骨颏部颏正中联合处、下颌骨体部及下颌角部，髁突等部位，取合适部位10个节点平均分配力的大小，方向是水平方向的撞击力合力大小为100 N。

2 结 果

获得正常下颌骨CT扫描断层影像和数据并通过建立Mimics软件建立了下颌骨三维有限元模型（图2），重现了下颌骨的几何外形，能够得到下颌骨髁突的直观整体印象，最后得到模型共得到80044节点和18 441单元。

图2 生成的下颌骨实体网格模型图

在一侧髁突颈部加100 N水平方向的力，加力处髁突和对侧髁突颈部应力最大，最大处8.26 MPa，位移最大为0.045 mm，压力传导整个骨组织中主要表现为压应力。双侧髁突颈部应力最大，其次是下颌骨颏部下缘，其余处应力值均较小，骨皮质中最大等效应力出现在髁突区域（图3、4）。

图3 于髁突颈部加力下颌骨应力变化图

图4 下颌髁突加力后位移图

3 讨 论

下颌骨位于面下1/3，是颅面部唯一能活动的骨骼，对于正常咀嚼起到非常重要的作用，下颌骨生物力学研究主要是对下颌骨骨折的治疗进行指导。下颌骨骨折的部位多位于受力集中且骨质薄弱的部位，或发生变形较大的部位。从临床上看，下颌骨骨折多发生在髁突颈部、颏联合处、下颌角区、颏孔区。

本研究首次利用有限元分析对下颌骨骨折进行了受力分析实验，得到了加力作用下下颌骨骨折的应力分布情况：①当加一定力时，常规会认为加力部位应力较大容易发生骨折，笔者分别从下颌骨的颏部、下颌骨体部、下颌角及髁突四个部位加力，反而出现了髁突应力最大，加力部位相对较小；从结果可以看出应力值最大的部位均出现在髁突，充分说明了髁突发生骨折的危险性大；颏部加力结果也验证了白乐康等[3]的下颌骨的应力集中区在髁突前斜面；②外力的作用于颏部时，双侧髁突前斜面遭受到最大应力，其次是下颌颏部受力部位，加100 N的压力时大约相差2.5 MPa。从试验结果可以看出两侧的髁突应力值不同，位移变化不同，因为力的分配不可能达到两侧完全平衡，这也充分验证日常生活中，由于车祸、撞击伤及训练时颏部受力后，如出现颏部骨折，一般都会伴有双侧髁突骨折；外力作用一侧下颌体部时，同侧髁突颈部应力最大，其次是直接受力部位，再是对侧髁突头部；作用于下颌角时应力值最大的部位为同侧的髁突颈部，其次为下颌角部；这对下颌骨髁突的临床损伤情况可以提供一定的伤情判断依据，即可以根据外力作用部位考虑髁突骨折类型；③从模拟受力考虑在实际的撞击中，随着外力的增大，在撞击部位出现折裂或骨折，当骨折发生后，应力出现部分传导中断，骨折的发生可以保护后部的深层组织，减轻深部组织的损伤，加之肌肉组织的衬垫作用，使撞击接触时间变长，大大减小了撞击的力量。因此，从某种意义上来说骨折还有益处，它对对重要的组织有一定保护作用。

本研究应用有限元方法对下颌骨受力损伤引起骨折进行模拟分析，由于实验条件有限，实际情况，下颌骨骨折受力状态十分复杂，有待于进一步研究。

[1]Radhkrishnam P,Mao J.Nanomechanical properties of facial sutures and sutural minealization front[J].Dent Res,2004,83(6):470-475.

[2]Champy M,wilk A,Schnebelen JM.Treatment of mandibular fractures by means of osteosynthesis without intermaxillary immobilization according to FX.Michelel’technic[J].Zahn Mund kieferheilkd Zentralbl,1975,63(4):339-344.

[3]白乐康，安 虹，杜 斌.无牙颌患者垂直距离对髁突前斜面应力分布的影响.口腔医学，2007,27（2）：67-69.