基于力学仿真的下颌角截骨整形技术研究

赵俪月 苏 伟 张 劲 李军奎

1 广州市第一人民医院(广州 510180) 2 中国赛宝实验室(广州 510610) 3 南方医科大学珠江医院整形美容科(广州 510282) 4 暨南大学力学与建筑工程学院(510632)

下颌角截骨整形手术是面型轮廓重塑中最常见的一种手术之一，手术过程中不可避免的受到力的作用，研究其力学性能对其手术方案的改进有着重要的作用。研究生物力学的主要方法有实验方法和有限元方法，鉴于整形手术实验方法的局限性，利用有限元法则在实验数据采集、实验结果重复性及实验条件要求等方面有着明显的优势，同时避免了医学伦理问题，而且在计算机上可以对模型的各个部位进行详细、直观、动态的观察,数据保存和分析方便[1]，它具有丰富的生物材料库，能处理复杂形状的模型，进行结构的强度分析和优化分析，获得巨大的信息量。本文借助有限元方法，建立高度仿真的下颌骨和颞下颌关节的三维有限元力学模型。通过对钻凿法下颌角截骨整形手术及其他改良术式的仿真模拟，了解和阐述其生物力学原理，提出和分析哪种术式更优。

1 资料与方法

1.1 一般资料

1.1.1 下颌骨标本 选择颅颌面系统发育正常的健康24岁青年女性志愿者，I类磨牙关系，牙周健康，无颞下颌关节(Temporal-mandibular joint, TMJ)疾患。

1.1.2 实验设备

①CT扫描机：采用飞利浦Brilliance 64排螺旋CT扫描机。

②实验所用计算机系统硬件配置：CPU Core E5 32核2.5GHz，64G DDR4内存，2T硬盘。

③试验用计算机操作系统：Windows 10 Professional。

1.1.2 实验用软件 Mimics17.0(Materialise’s Interactive Medical Image Control System)；SolidWorks2017(Dassault Systèmes SolidWorks Corp)；Ansys17.0(Analysis System)。

1.2 分析方法

通过CT扫描生成三维几何图形，然后导入到Solidworks中进行模型处理，采用Solidworks间接法建立下颌骨三维有限元模型；然后导入到Ansys软件中进行模型前处理，包括网格划分、材料属性设置和边界条件设置；最后在Ansys中进行模型求解和后处理，提取相应的分析结果。

下颌骨的几何及有限元模型如图1A所示，皮质骨、松质骨和关节盘采用四面体单元(Solid92)，肌肉约束采用杆单元(Link10)，接触设置采用接触单元对。

1.2.1 模型的建立

1.2.1.1 钻凿法下颌骨截骨整形手术的三维有限元模型建立(模型-1) 在带颞下颌关节的下颌骨三维有限元模型的基础上进行模型钻孔：咬合平面与下颌支后缘的交点为截骨线的上端；下颌支前缘的延长线与下颌体下缘的交点为截骨线的下端；第三磨牙与下颌角点的连线上距下颌角点1.0 cm为截骨线中间点。由中间点至截骨线上下两端均匀钻孔，孔径1.0 mm，孔距2.0 mm，共钻孔25 个。运用Ansys建模工具，按设计截骨方法在下颌骨上生成25个直径1 mm圆柱，通过布尔运算从下颌骨模型上减去圆柱，得到下颌骨钻孔后体模型。划分有限元网格、生成建立包含下颌骨，双侧颞下颌关节及肌肉韧带的模型，即模型-1。见图1B。

图1 下颌骨三维模型注：A:下颌骨三维几何模型；B:模型-1

1.2.1.2 非均匀钻孔设计的下颌角截骨整形手术模型建模(模型-2) 在带颞下颌关节的下颌骨三维有限元模型的基础上进行模型钻孔：截骨线的上下端位置同模型-1；第三磨牙与下颌角点的连线上距下颌角点1.0 cm为截骨线中间点。截骨线下端开口约7 mm长(相当于7个连续钻孔)，截骨线上端连续钻孔5个；中间孔与两端开口的上下端之间根据截骨断面面积与模型-1相等(两个模型钻孔数量相等)的原则调整。孔径1.0 mm，孔距约3.0 mm。共钻孔25个。

1.2.1.3 去除下颌角颊侧皮质骨模型(模型-3、模型-4) 按均匀钻孔和非均匀钻孔的方法分别建模。

去除截骨线上缘皮质骨：选择下颌角区域外板，将材料实常数中厚度设置为1.0 mm，模拟截骨区域皮质骨被磨削去除约4.0 mm。参考模型-1、模型-2的钻孔方法，生成建立包含下颌骨，双侧颞下颌关节及肌肉韧带的去除下颌角颊侧皮质骨均匀钻孔模型(模型-3)和去除下颌角颊侧皮质骨非均匀钻孔模型(模型-4)。

1.2.1.4 改变模型的边界约束条件(模型-5、模型-6、模型-7) 使用模型4，设其边界约束条件如下：约束关节窝的模型的上面，前、后面和内侧面上节点所有方向的位移；约束关节盘X方向位移；关节盘和髁突及下颌窝定义为3D面面接触单元对。模拟肌肉的杆单元上加载最大肌力的轴向预张力生成模型-5；在左侧下颌角截骨线上方下颌支后缘选择1 cm范围内的20个节点，约束所有方向的位移，模拟手术时术者以手指固定下颌支后缘，生成模型-6；模型-7同时采用以上两种附加约束方法。

1.2.2 材料的力学参数 下颌骨的皮质骨、松质骨及其他组织(髁突软骨、关节盘等)均为各向同性、均匀连续的线弹性材料。骨组织力学参数由下颌骨CT值计算得出。利用颌骨CT值、表观密度和骨弹性模量之间的对应关系，根据构成骨的像素的灰度值(CT值)来进行插值计算，得到此骨的表观密度，并由表观密度推算出它的弹性模量[2]。

在本研究中，骨表观密度及其相应的弹性模量都由CT值(Hounsfield)导出。根据每个单元坐标找到对应的CT值，经过计算得到弹性模量和泊松比，使构建的三维有限元模型能够接近实际临床。材料的力学参数汇总于表2。

表2 下颌骨的力学参数

1.2.3 模型的边界条件 边界约束条件：约束关节窝的模型的上面，前、后面和内侧面上节点和杆单元上端所有方向的位移；模拟肌肉的杆单元上加载25%最大肌力的轴向预张力；约束关节盘X方向位移。模型-5、模型-6、模型-7的边界约束条件同1.2.1.5小节介绍。

载荷施加：载荷施加位置位于截骨线前端，后下侧约1 cm长范围内骨皮质单元节点。在前端截骨线下方选择12个皮质骨节点，旋转节点坐标系，使其Z轴与与手术时骨刀的作用方向一致，与骨表面的夹角约为30°，设置有限元模型加载方向为Z轴。载荷的大小从100N开始，每步增加100N，步长1 ms。判定当模拟骨折线长度等于截骨线长度的90%时，下颌骨完全断裂。

1.2.4 失效判据 失效准则采用最大von Mises应力准则。当单元节点上的最大von Mises应力大于45 Mpa[6]时判定该单元失效。

2 结 果

2.1 下颌角肥大钻凿法截骨整形手术的分析结果

2.1.1 失效载荷 计算结果显示，失效载荷为2 426N。

2.1.2 下颌骨应力分布 计算结果显示，模型-1截骨线下端施加冲击载荷后下颌骨应力主要分布在截骨线下端，同时向颏联合部传导；在达到失效载荷时，骨折线下端和颏联合部都有明显的应力集中，应力最大值位于下颌体前部。

2.1.3 关节盘应力分布 关节盘在下颌角断裂失效时的应力较小，非手术侧较手术侧大，大部分区域的应力值在0.56～7.54 MPa之间，手术侧的应力为0.08～0.56 MPa。

2.2 下颌角钻凿法截骨手术的改进结果

2.2.1 非均匀钻孔设计的下颌角截骨整形手术模型

2.2.1.1 失效载荷 计算结果，模型-2失效断裂载荷为2 018N。

2.2.1.2 下颌骨应力分布 下颌骨应力分布云图显示，应力集中于截骨线下端并向前方颏部传导，最大应力点位于颏部。但颏部红色显示的应力区域明显小于模型-1。

2.2.1.3 关节盘应力分布 非手术侧关节盘应力大于手术侧，大部分应力为0.09～0.48 MPa，小部分为0.48～8.64 MPa,手术侧均为0.09～0.48 MPa。模型-2关节盘应力明显小于模型-1。

2.2.2 去除下颌角颊侧皮质骨模型

2.2.2.1 失效载荷 计算结果，模型-3下颌角断裂失效载荷为1 854N，模型-4为1 447N。

2.2.2.2 下颌骨应力分布 从应力分布来看，模型-4比模型-3应力分布更加集中。与模型-1和模型-2相比，模型-3、模型-4应力分布均明显集中，最大应力分布位于截骨线下半段，颏部已经无红色显示，说明该部位应力明显减小，见图2。

图2 模型-1注：A：下颌角断裂时von Mises应力分布；B：关节盘在下颌角断裂时von Mises应力分布

2.2.2.3 关节盘应力分布 模型-3非手术侧关节盘应力大于手术侧，大部分应力为0.065～0.85 MPa，小部分为0.85～9.63 MPa,手术侧均为0.065～0.85 MPa。模型-4非手术侧关节盘应力大于手术侧，大部分应力为0.027～0.94 MPa，小部分为0.94～4.87 MPa,手术侧均大部分为0.027～0.94 MPa及更低。模型-4关节盘应力明显小于模型-3。

2.2.3 约束条件变化对下颌角截骨手术影响模型

2.2.3.1 失效载荷 模型-5失效载荷1183N；模型-6失效载荷1028N；模型-7失效载荷876N。

2.2.3.2 下颌骨应力分布 模型-5应力分布显示与模型-4相似，但是颏部的应力较模型-4明显减小；模型-5应力分布明显与以前的模型不同，应力集中在截骨线及其上方区域内，而且较以前模型更加集中，方向与截骨线相同，下颌骨其他部位应力明显减小；模型-7应力集中更加明显，范围较模型-6更小。

2.2.3.3 关节盘应力分布 模型-5关节盘应力大部分为0.04～0.95 MPa之间，手术侧较非手术侧稍大，少数区域为0.95～8.2 MPa；模型-6关节盘应力手术侧较非手术侧明显增大，关节盘前斜面局部地方应力在32.6～45.1 MPa之间，后外侧边缘甚至超过了45.1 MPa；模型7关节盘应力手术侧大于非手术侧，大部分区域为0.52-3.25 MPa之间，最大不超过9.86 MPa。

3 讨 论

随着经济的发展，人们对美的追求越来越高，而下颌角肥大则是亚洲人常见的美容问题，对于此类患者，需要通过手术截骨的方法来解决。因此，近年来下颌角截骨成型术成为了流行的整形美容手术之一[7]。目前，围绕临床可操作性和治疗效果，针对该手术的临床研究并不鲜见。然而，关于下颌角截骨整形手术的生物力学研究少有报道。

口腔生物力学的研究方法中，有限元分析法的应用较为普遍[8-10]， 以活体下颌骨的CT图像为原始数据建立下颌骨三维有限元模型的方法已很成熟，模型的相似度也越来越高。本研究应用生物力学分析方法，建立下颌骨和颞下颌关节三维有限元模型，模拟钻凿法及其改良术式截除下颌角手术，分析下颌角截骨的断裂动力学，及下颌角冲击载荷对下颌骨和颞下颌关节的影响。以期对临床实际工作提供有益的帮助，为有限元研究方法在整形外科的应用开辟了一个新的领域。

模型-1中下颌角的断裂失效载荷为2 426N。且计算结果显示失效应力主要集中于下颌角截骨线的下端，同时下颌骨颏联合部也有明显的应力集中显示。已知下颌骨颏联合的强度达到了GPa数量级，据此笔者判断在下颌角达到失效阈值发生断裂时，颏联合部的应力仍然不能超过其强度阈值导致颏部骨折，临床工作中也未见有类似的相关报道，故在本文中虽然其失效载荷和应力分布较其他模型大，但钻凿法仍然是一种相对安全有效的术式。尽管如此，探索更为微创、安全的手术方法是本研究的最终目的，因此根据下颌骨结构特点和临床手术操作条件提出了手术优化方式，实验对应每种方式设计了模型-2～模型-7， 对手术条件进行仿真。综合各模型的计算结果，结合临床实际，我们认为非均匀钻孔的方法优于均匀钻孔的方法，去除下颌角颊侧皮质骨的方法优于不去除下颌角颊侧皮质骨的方法；在非均匀钻孔的去下颌角颊侧皮质骨手术模型上，单独增加最大咬合力约束或下颌支后缘约束与同时增加最大咬合力和下颌支后缘约束都能明显减少失效载荷，但同时施加最大咬合力和下颌支后缘约束的方法最优。

应指出的是，本文的有限元模拟是基于材料线弹性假设,其物理相似性有进一步提高的空间, 特别是建立具有非线性、各向异性、动态等生物力学特性的三维有限元模型,以真正向生物仿真方向发展。生物力学有限元分析的困难在于基于标本试验和生物组织材料力学理论的材料参数的客观性评价，因此本文仅是根据现有技术，以认识规律、发现和解决问题为目的，目前尚不能满足对生物力学模型的定量分析的要求，其进一步发展还有赖于科学的不断进步。