三维有限元法对下颌角骨折内固定的生物力学分析

代燕 张超 赵华强

下颌角位于下颌支与下颌体的交界转折处，骨质薄弱，是下颌骨骨折的好发部位之一[1]。目前，下颌角骨折内固定技术已经比较成熟，但是在临床上具体固定方式的选择还存有一些争议。

本实验应用三维有限元的方法选择临床上最常见的固定方式，即张力带固定和双列小型板固定，比较两者在下颌角骨折坚强内固定手术中的稳定性和适用范围，为临床选择提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 对象

1.2 设备及软件

硬件：Sensation16层螺旋CT（德国Siemens公司），扫描层厚0.75 mm。

软件：Mimics软件 (比利时 Materialise公司)；MSC.Patran及MSC.Marc有限元软件；AutoCAD软件（美国 Autodesk公司）；Photoshop 6.0 软件

1.3 三维有限元模型的建立

将下颌骨原始CT图像以Dicom 3.0医学数字图像形式导入三维重建软件Mimics 10.01中，建立下颌骨的三维模型。根据需要在模型上设立骨折缝，并将内固定系统三维模型机械装配到下颌骨模型上，固定方式为张力带固定和双列小型板固定。利用MSC.Patran软件对下颌骨及内固定系统进行网格划分，张力带固定三维有限元模型节点数为18551，单元数为79642；双列小型板固定三维有限元模型节点数18669，单元数为79847。

由于CT图像中呈现出的灰度不同，把灰度值定义为10等份，根据骨密度与灰度值的关系算得骨密度，参照文献算得弹性模量(MPa)[2]，对每一种材料定义弹性模量（E）及泊松比(ν)，泊松比均设定为0.30。生成具有材料属性的下颌骨骨折坚强内固定三维有限元模型（图1，2）。模型的材料力学特性为均质、连续和各向同性，各单元有足够的稳定性。

图1 具有材料属性的有限元模型（张力带固定）Fig.1 The finite-element model with material properties(tension band fixation)

图2 具有材料属性的有限元模型(双列小型板固定)Fig.2 The finite-element model with material properties(twomini-plate fixation)

1.4 下颌角骨折两种固定方式的有限元研究

利用软件MSC.Marc对已建立的下颌角骨折坚强内固定三维有限元模型进行分析。

1.4.1 约束条件

颞下颌关节是双侧联动关节，髁突被关节囊约束在关节窝内，通过髁突的转动和滑动进行各种功能性运动[3]，因此将双侧下颌骨髁状突设定为固定铰链约束，髁突表面节点在各方向自由度为0。前牙咬时约束牙位为中切牙，后牙咬时约束牙位为第一、二磨牙。

1.4.2 工况设定

1.4.3 加载方式

2 结果

2.1 模型应力分布

图3 张力带固定，前牙咬合时von Mises应力分布Fig.3 The von Mises stress distribution on mandibular model under the tension band fixation when bite of INC

图4 双列小型板固定，前牙咬合时von Mises应力分布Fig.4 The von Mises stress distribution on mandibular model under the two-miniplate fixation when bite of INC

2.2 骨折断端相对位移

2.3 张力带固定的安全咬力范围

3 讨论

下颌角骨折有5种固定方法，即通用骨折板或重建板固定、DCP加压固定、拉力螺钉固定、双列小型板固定和张力带固定[9]。无明显骨质缺损的下颌角线性骨折主要应用张力带固定或双列小型板固定。

自Champy于1975年提出下颌骨骨折理想的固定路线理论以来，争议最大的就是下颌角骨折张力带固定的稳定性和临床效果。Kroon等[10]的研究证明，一侧下颌角骨折张力带固定后，健侧后牙和前牙区负载时，患侧下颌角上缘呈张力，下缘呈压力，应力分布状态类似于生理状态，固定是稳定的；如果负载点向患侧移动，固定结构的张力带便随之减弱，当负载点足够靠近骨折缝时，压力性质会发生逆转，此时张力带固定是不稳定的，下颌骨下缘可能会发生张裂。张益[11]对下颌角骨折的临床研究结果显示，单纯张力带固定的稳定性不足，有21.43%的患者术后出现了下颌骨下缘开裂。

本实验结果显示，张力带固定时，加载牙位由健侧后牙向患侧后牙移动时，其下颌骨下缘相对位移依次为 0.254 mm（RMOL）、0.162 mm（INC）和0.066 mm（LMOL），说明随着负载点由健侧向患侧移动，下颌骨下缘的压力逐步减小，从而得知下颌骨上缘张力逐步减弱。不论何种咬状态，下颌骨下缘骨折断端之间的相对位移都超过了双列小型板固定，说明在正常生理功能状态下，双列小型板固定的稳定性更好。

从生物力学的角度来说，虽然双列小型板固定下颌角骨折比张力带固定更加稳定，但是越来越多的研究表明，使用张力带固定引起的并发症尤其是术后感染明显低于使用双列小型板。而且，张力带固定临床操作简便，无需在面部皮肤上作切口，具有创伤小、出血少、避免损伤面神经及更好保存正常组织等优点。Feller等[12]通过有限元分析发现，多数情况下，在下颌角上缘张力带仅固定1块1 mm厚的小型钛板即可对抗咀嚼肌的牵拉。Ellis[13]使用单钛板张力带固定及双钛板固定治疗单纯下颌角骨折，发现单钛板张力带内固定比使用双钛板操作简单，且前者术后的感染率明显低于后者。

综上所述，为了使患者拥有更好的生活质量，在贯彻坚强内固定的原则下，临床可以选用张力带固定，术后必须配合一定的措施，以确保张力带固定的稳定性，如采取前牙咬和健侧后牙咬的方式，适当降低咬力，辅以颌间固定，保持口腔卫生等。

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