下颌骨三维有限元模型的建立及优化设计研究

甘肃省兰州市口腔医院 （甘肃 兰州 730000）

内容提要： 目的：通过生物力学方法分析已有的个体化下颌赝复体模型，对其下颌骨双侧髁突进行应力分布描述，建立下颌骨赝复体的三维有限元模型并进行初步优化设计探讨。方法：构建正常生理状态的下颌骨的三维有限元模型，并通过CAD软件人工模拟缺损，根据缺损情况模拟构建两种厚度的赝复体，最后建立三维有限元模型并分析力学结构的合理性。结果：根据下颌骨缺损模型建立不同工况下的两个有限元模型。力学分析结果表明：两种不同的工况下应力均可以经由赝复体传导，其中在常规工况时双侧髁突应力呈现不对称分布，而在对照工况时两侧髁突应力则呈现相对一致对称的分布。结论：通过建立下颌骨三维有限元模型，并结合力学分析，能够为下颌骨缺损的赝复体优化设计提供帮助。

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术在应用于医疗行业后迅速发展，能够在人体组织修复方面为临床治疗提供帮助，本文所涉及的下颌骨缺损修复就是其中的一个应用方向。通过RP技术可以在精密铸钛工艺的辅助下完成数字化的颌骨修复设计，同时该技术也帮助下颌骨缺损的修复达到个体化定制水平。国内近年来已经出现了不少成功案例，但与生物力学方面相关的研究较少[1,2]。本研究旨在通过影像学技术和计算机辅助建模技术模拟不同厚度的下颌骨个体化赝复体对缺损进行修复，建立三维有限元模型，分析不同工况下的下颌骨修复力学情况。本文旨在为下颌骨三维有限元模型的建立及优化设计提供基础，进而提高下颌骨三维修复的临床可行性。

1.资料与方法

1.1 临床资料

模型参考素材：选择一位成年健康女性志愿者提供参考模型，要求该志愿者的牙列完整，牙合解剖关系正常，且颞下颌关节完全正常无紊乱，不存在关节弹响、咬合障碍、疼痛以及脱位等症状和体征。

1.2 方法

1.2.1 扫描方法。采用荷兰飞利浦公司生产的多层螺旋CT扫描，平行于眶耳平面，具体范围从眶上缘至下颌骨下缘，取得下颌骨缺损患者的原始断层影像。通过中心工作站对图像进行三维多平面重建，并调节窗宽和窗位，重建皮质骨和松质骨。

1.2.2 模型的建立。图像数据输入MIMICS7.1，定义Thresholds值来识别目标区域并三维叠加运算，展示3D形式显示目标区域。分开重建皮质骨和松质骨。Mimics7.1处理后导入Geomagic Studio4.0，保留颌骨并分别对下颌骨皮质骨、松质骨、关节盘等分别设计、重构和包络。

在MIMICS 7.1处理后导入Geomagic Studio4.0并模拟缺损，沿下颌侧切牙近中至同侧第一前磨牙远中做切除。根据缺损设计甲、乙两种工况条件的下颌骨赝复体，包括由体部和延伸板。延伸板取自原断端，吻合延伸板与两骨断端。甲：与实际情况相同，设计个体化赝复体：长2.2cm，宽1cm，高1.5cm，厚0.8mm。延伸板长1.6cm，高1.2cm，厚1.2mm；乙：与甲的长度、宽度及高度相同，且缺损位置相同，同时厚度设定为1mm。在体部的同一位置打孔，直径2.5mm。生成圆柱体模拟钛钉，之后分别曲面重构和包络皮质骨、松质骨及个体化假体。最后各模型处理后的导入Ansys9.0组合和网格划分[3]。最大咀嚼肌力计算公式：Fimax=PAi。P为内在强度常数，P=4×105Nm-2。

2.结果

2.1 建立下颌骨有限元模型

模拟两侧各四组咀嚼肌在正中咬合时下颌骨受力状况，标记不同咀嚼肌力的向量于Ansys前处理中利用特定命令操作建立正常下颌骨模型，包含99609个单元和19533个节点。在上述正常模型的基础上建立下颌骨缺损模型，在甲工况条件下建立一个包括101031个单元和22864个节点的修复后的模型；在乙工况条件下建立一个包括97645个单元和22012个节点的修复后的下颌骨模型。

2.2 生物力学分析结果

正常下颌骨双侧髁突应力集中在关节前斜面的中、外1/3部分。甲、乙两种工况下，修复后的髁突总体应力分布趋势与正常髁突基本一致。对比结果：①甲、乙工况下，修复后的双侧髁突后斜面，顶部等部位应力与正常下颌骨相应部位的应力基本一致。②甲工况下斜面应力不对称，健侧力值为21.32MPa，患侧为9.44MPa，而正常为15.05MPa。而乙工况下两侧翼肌窝处应力近似，健侧和患侧力值分别为25.4MPa和22.5MPa。③甲、乙两种工况下总体应力分布均匀在0～66MPa，但在体部及延伸板应力集中，甲工况下，健侧和患侧力值分别为165.23MPa和134.75MPa，该部分的应力也最大。而乙工况下，健侧和患侧力值分别为150.64MPa和131.33MPa，小于甲工况，靠近缺损侧的钛钉无明显应力集中区。

3.讨论

本实验的建模相对于常规建模方法，模型相似性好，区分皮质骨和松质骨及，精度高，且操作便捷。由于软组织在CT上显影较差，因此关节盘的模型通过髁状突和关节窝的间隙模拟。本研究对关节盘的外表面进行自由度约束，限制关节盘各方向移动，避免直接约束髁状突[4]。本研究针对个体化赝复体，并分析正中咬合状态下的下颌骨应力，假设下颌骨各类型的组织均为连续的线弹性材料，模拟实际情况。

仿生下颌骨最早于2001年研制并应用于临床，之后通过快速成型技术修复骨组织缺损的研究逐渐成为热点。除去形态相近，赝复体更重视功能恢复，达到真正的临床修复意义，这需要结合对生物力学研究[5]。本实验结果表明，正常双侧髁突的应力对称，集中在髁突关节前斜面的中、外1/3，与之前的资料近似。临床一般选择体部厚0.8mm，延伸板厚1.2mm的赝复体，结果双侧髁突前斜面及局部翼肌应力不对称，健侧应力明显强于患侧，需要进行设计优化，在赝复体中追求更合理的应力分布，而1mm的体部和延伸板在两侧髁突应力分布的对称效果好，整体设计更合理，对局部生物力学影响较小，钛钉无明显地应力集中区，受力分布更接近生理状态，降低了颞下颌关节疾病的发生率。

本实验的应力分布研究主要是正中咬合，包括正常下颌骨和假体修复后的应力研究，未涉及前伸咬合和侧方咬合。正中咬合的关节盘固定。此外，本研究的局限性还在于只对一个下颌骨缺损的不同厚度进行修复和力学分析。个体化赝复体的合理性首先与赝复体的强度有关，同时与是否牢固、应力分布是否合理等相关；其次，下颌骨三维有限元模型的完善涉及多方面因素，如在非正中咬合时，关节盘的转动和滑动所涉及的下颌骨应力分布，以及缺损部位的大小，修复材料及其他形态结构、早期固定的力量、后期应力等相关，还需要临床进一步研究。