下颌角骨折坚强内固定生物力学的三维有限元法分析

贾娟，吴双江，夏德林

(泸州医学院附属医院口腔颌面外科，四川 泸州 646000)

下颌角骨折坚强内固定生物力学的三维有限元法分析

贾娟，吴双江，夏德林

(泸州医学院附属医院口腔颌面外科，四川 泸州 646000)

目的 采用三维有限元法分析下颌角骨折张力带固定与双列小型板内固定的稳定性。方法选取健康成年志愿者1例，通过三维有限元法建立正常下颌骨模型，建立骨折线，制作内固定系统，并最终建立三维有限元模型，分析前牙咬合、双侧后牙咬合、左侧后牙咬合和右侧后牙咬合四种咬合方法两种内固定最大应力情况及骨折断端相对移位情况。结果张力带内固定最大应力和双列小型板固定时的最大应力分别集中在钛板中断和钛板上侧的中段。在前牙咬合及骨折对侧后牙咬合时张力带最大应力低于双列小型板固定系统最大应力，张力带内固定前牙咬合及骨折对侧后牙咬合时骨折断端相对移位较大，超过0.15 mm安全移位阈值。结论三维有限元模型建立下颌角骨折可信度较高，双列小型板固定生物力学分析稳定性高于张力带内固定方法，而张力带内固定治疗下颌角骨折需对患者咬合力的调整进行指导，稳定性也可达到安全范围。

下颌角骨折；双列小型板内固定；张力带内固定；生物力学

下颌角位于领支及下领体交界转折处，骨质较薄弱，下颌角处骨折是下颌骨骨折中最为常见的类型之一，是颌面外科常见病症，多为交通事故伤导致[1]。目前下颌角骨折常见的内固定方法为张力带固定及双列小型板行联合内固定两种方法，临床对两种固定方法有所争议[2]。本研究通过三维有限元法这种目前生物力学模型研究较为完善的分析方法对两种内固定治疗下颌角骨折的稳定性、咬合功能的影响等方面进行分析，现报道如下：

1 资料与方法

1.1 正常下颌骨三维模型建立 选取1例志愿健康男性作为测试对象，该例测试对象年龄28岁，牙列无缺失，咬合关系无异常。建立该例测试对象正常下颌骨三维模型。测定参数时，测试对象取仰卧位，研究人员协助测试对象将头部与眶耳平面保持水平垂直状态后进行固定，然后进行骨组织窗扫描。扫描参数：扫描层厚设置为0.75 mm，床进速度设置为1 m/s，扫描范围为颇部至骸状突，扫描后将图像存储至工作站中，使用图像处理工具将扫描图像处理获得CT断层影响，共计100层，按顺序导入Mimics软件，根据人体头部方位定义上、下、前、后、左、右六方向，定位模型，去除下颌骨上下临界处以外层面，保留下颌骨完整外形轮廓，采用Edit masks将骨质中异常空洞填满，生成正常下颌骨3D表面模型。

1.2 骨折内固定系统三维模型建立 骨折内固定系统分别为双列小型板内固定系统和张力带内固定系统两种，其中双列小型板选择小型四孔钛板，长26.8 mm，宽4.5 mm，厚1.0 mm，肽钉长6 mm，直径2 mm。利用AutoCAD软件根据内固定系统实际尺寸进行三维模型构建，并根据已建成的正常下颌骨三维模型进行外形微调，导入Mimics软件，将内固定系统模型机械装配到下领骨模型上[3]。

1.3 三维有限元模型建立 将以上所制作的正常下颌骨及内固定系统三维模型表面表格进行平滑处理，导入MSC.Patran软件，生成四面体网络，建立下颌骨三维有限元模型，然后在模型左侧下颌骨建立宽度约1.5 mm自磨牙后区至下颌角的骨折缝，将内固定系统三维模型进行三维网格划分，并装配到下颌骨骨折模型之上。利用Mimics软件FEA下material功能给模型材料赋予属性[4]，其中下颌骨根据皮质骨、松质骨等各向异性以及改变骨折断层的材料属性、内固定系统及牙齿材料属性均分别定义弹性模量(E)、泊松比(γ)、密度(ρ)。

1.4 临界及咬合情况设置 将水平方向由右至左设为坐标系的X轴，将水平方向向后设为坐标系Y轴，与水平保持垂直的方向设为坐标系的Z轴。下颌关节和骸突所具有的物理性能，决定了两者可被骼突带动进行被动运动，当下颌处于静止状态的瞬间，骸突所保持的姿势即可发挥支点的作用。此时将双侧下颌骨骸状突设为固定状态，并在不用的咬合方式中设定各个方向的自由度为0，且不在坐标线的Y轴和Z轴上对其进行约束。将前牙咬合和后牙咬合的实际约束情况，分别为四种咬合方法三个坐标轴左右侧肌力赋值[5]。

1.5 观察指标 观察比较两种固定方法四种咬合状态下固定系统最大应力情况、骨折断端相对移位情况、安全咬合力范围。

1.6 统计学方法 应用SPSS17.0统计学软件对实验结果进行统计分析，计数资料的组间比较采用χ2检验，以P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 模型建立情况 三维形态模型建立具有较高的相似性和可编辑性，见图1～图3，骨折内固定系统三维有限元模型共有17 653个节点有下颌角骨折张力带固定，具有极高的与实体相近的75 386个单元，下颌角骨折双列小型板固定三维有限元模型共18 135个节点，78 349个单元，见图4～图6。

2.2 两种内固定方法的应力分布 两种内固定四种咬合方法最大应力对比可以看出，张力带内固定和双列小型板固定时的最大应力分别集中在钛板中段和钛板上侧的中段。集中在上侧钛板中段，在前牙咬合及骨折对侧后牙咬合时张力带最大应力低于双列小型板固定系统最大应力，两种方法比较差异有统计学意义(P＜0.05)，见表1。

图1 正常下颌骨三维模型

图2 张力带联合下颌骨三维模型

表3 双列小型板固定下颌骨三维模型

图4 下颌角骨折三维有限元模型

图5 下颌角骨折张力带内固定三维有限元模型应力图

图6 下颌角骨折双列小型板固定内固定三维有限元模型应力图

表1 两种内固定四种咬合方法最大应力比较(MPa)

2.3 两种内固定方法断端相对移位情况 两种内固定四种咬合方法断端相对移位对比可见，张力带内固定前牙咬合及骨折对侧后牙咬合时骨折断端相对移位较大，超过0.15 mm安全移位阈值，不断减少张力带固定模型前牙咬合力及对侧后牙咬合力，使断端相对移位减小，至其相对移位低于0.15 mm时，前牙咬合中切牙咬合力从55.3 N下降到40.7 N，对侧后牙咬合中第1，2磨牙咬合力从122.5 N下降至103.4 N。两种方法比较差异有统计学意义(P＜0.05)，见表2。

表2 两种内固定四种咬合方法断端相对移位(mm)

3 讨 论

对于骨折后应力分布的分析，能够较为清晰地通过观测生物力学参数来实现，从而对固定方式稳定性及愈合支持能力进行客观分析，基本方法包括实体分析或人工材料、模型分析、光弹分析以及三维有限元分析。其中，实体和人工材料模型的分析由于涉及的标本限制和材料属性的限制较多，所以较难建立符合正常人体功能状态的模型结构，其结果的准确性较不满意[6]。类似的，光弹分析由于受到光弹材料应用的限制，且质量参数和实体的差距过大，可能导致结果有一定的差异[7]。采用Mimics三维修复技术逆向建立人体组织三维模型具有较高的仿真性，由于模型建立无任何人工添加因素，因此可信度较高。在此基础上有限元模型与实物在几何相似性上精度较高，将模型分解为数量极大的节点和单元后，每个单元的精准赋值解决了传统有限元模型无法解决骨密质与骨松质的弹性模量假设问题[8]，在生物力学的相似性上有重要的意义。有限元分析法则是通过对模型进行数字化分解之后，根据研究需要的实验物理变化条件，从而进行模拟各种力学变化的实验、求解，从而获得不同实验条件模型的任意部位所出现的变形，以及通过对其内部能量的变化和应力分布情况，模拟极限破坏情况[9-10]。

颌骨骨折固定方法主要包括颌间固定、单颌结扎固定、坚强内固定三种，其中下颌角骨折由于颌间牵引复位有效区域的限制，不适用单纯颌间固定，因此，坚强内固定成为内固定系统治疗的首选，临床最常用的方法为张力带内固定及双列小型板内固定两种，本研究通过三维有限元模型分析可见，模型建立较为清晰灵活，同一模型下，颌骨下缘骨折断端之间的相对位移均不会受到咬合状态的影响。本研究结果表明正常生理状态下双列小型板固定所具有的稳定性明显优于单纯张力带固定。但单纯张力带处于固定状态时，伴随着负载点由健侧向患侧移动，下颌骨的下缘之间的距离也会逐渐缩小，其具有的稳定性也会逐渐减弱。该研究结果表明健侧后牙咬合及前牙咬合，能够有效提升固定系统的稳定性。当张力带处于被固定时，负载点在由健侧向患侧移动时，下颌骨与下缘之间的稳定性会逐渐减弱，健侧后牙咬合和前牙咬合状态下的稳定性与患侧后牙咬合和双侧后牙咬合说明采用健侧后牙咬合和比较存在明显差异，前者的稳定性更强。此外，当张力带处于固定状态时，健侧后牙咬合和前牙咬合状态下，下颌骨下缘骨折断端之间的剪切向相对位超过了0.15 mm的骨折愈合范围[11-12]，这表明在下颌角骨折张力带内固定时，前牙咬合及健侧后牙咬合时需减少咬合力，防止断端移位，而通过咬合力的降低可见，前牙咬合中切牙咬合力从55.3 N下降到40.7 N，对侧后牙咬合中第1、2磨牙咬合力从122.5 N下降至103.4 N时，完全可以将此移位控制在0.15 mm以内。

综上所述，三维有限元模型建立下颌角骨折可信度较高，双列小型板固定生物力学分析稳定性高于张力带内固定，而张力带内固定治疗下颌角骨折需对患者咬合力的调整进行指导，稳定性也可达到安全范围。

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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)

贾娟。E-mail：jiajuant@163.com