本文關鍵詞：下頜骨體部缺損腓骨重建小鈦板固定的生物力學分析

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【摘要】：研究背景 下頜骨是面下部的骨支架,承擔著咀嚼、吞咽及咬合等功能。而下頜骨缺損通常使患者的生活質(zhì)量顯著下降,因此下頜骨缺損的修復一直是臨床醫(yī)生普遍關注的問題。骨瓣移植和單純重建鈦板是下頜骨修復的主要手段。自從1989年,Hidalgo首次報道利用腓骨肌皮瓣修復下頜骨缺損以來,腓骨因有骨量充分,可多點截骨塑形重建；血管蒂長,易達吻合部位,口徑大,易吻合成功,不易發(fā)生血栓；可實施雙組手術；供區(qū)并發(fā)癥少；腓骨以皮質(zhì)骨為主,適合骨結(jié)合式種植體的植入等優(yōu)點,逐步替代了肋骨瓣、橈骨瓣、髂骨瓣等成為修復不同類型下頜骨缺損的最好方法之一。在口腔頜面外科領域,堅強內(nèi)固定技術因其獨特的優(yōu)勢被用于骨折的治療,現(xiàn)已逐漸應用于下頜骨缺損骨移植修復重建。但是術后也可能發(fā)生骨不愈合、感染、鈦板斷裂及鈦釘松動等并發(fā)癥。小鈦板和重建板在兩種臨床常用的堅固內(nèi)固定方式,小鈦板由于其應用簡單,操作時間短,便于選擇性拆除。同時能達到精確塑形,術后外形較好,適于缺損范圍較小的移植骨瓣固定。但有研究認為其固位力相對不足。 目前對下頜骨缺損腓骨重建固定的生物力學研究較少見,體外人工下頜骨簡化模型研究因受材料的性質(zhì)不一致等因素的影響難以重現(xiàn)下頜骨與腓骨復雜的生物力學環(huán)境,其可靠性倍受質(zhì)疑。隨著計算機硬件技術的不斷提高,軟件的開發(fā)升級,三維有限元分析方法逐漸能對人體各部分復雜的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)進行真實模擬和精密分析。本研究通過CT數(shù)據(jù)精確重建下頜骨和腓骨三維模型,結(jié)合三維實體重建軟件重建臨床常用鈦板鈦釘模型,然后完成腓骨截取和內(nèi)固定系統(tǒng)的裝配,并通過咬合力加載分析重建術后模型的生物力學特征。本實驗真實、精確地重現(xiàn)了下頜骨缺損腓骨重建內(nèi)固定的過程,模擬了口腔的應力環(huán)境,完成了在體內(nèi)和體外都無法完成的力學評估。 研究目的 本實驗基于下頜骨和腓骨的CT數(shù)據(jù)以及用游標卡尺測量出的臨床上常用鈦板鈦釘?shù)膶嶋H尺寸數(shù)據(jù),利用有限元計算軟件Mimics、ANSYS及逆向重建軟件Geomagic、Solidworks建立接近實際情況的由小鈦板固定的下頜骨體部缺損腓骨重建的模型,為后續(xù)的生物力學研究奠定基礎。在此基礎上進一步對正常下頜骨及重建下頜骨有限元模型進行咬合加載來模擬前牙及健側(cè)后牙的咬合,分析重建前后模型的整體應力與位移情況,分析鈦板鈦釘應力位移特點及腓骨前后端的矢量位移情況,為臨床上減少下頜骨體部缺損腓骨重建內(nèi)固定的術后并發(fā)癥提供生物力學參考。 材料與方法 第一部分下頜骨體部缺損腓骨重建小鈦板固定的三維有限元模型 1、研究對象：南方醫(yī)科大學1名健康成年女性志愿者,無牙列缺損,無顳下頜關節(jié)疾患,個別正常牙合,經(jīng)X線檢查排除下頜骨及腓骨疾患。知悉此次實驗目的及相關風險,接受后行CT掃描。 2、掃描方式：采用南方醫(yī)院影像科64排螺旋CT采集下頜骨及腓骨數(shù)據(jù)。掃描層厚1mm。采集對象取仰臥位于掃描儀臺上,利用十字光束定位,保持眶耳平面與地平面垂直,掃描基線與眶耳平面平行。掃描范圍：下頜骨下緣至髁突平面,小腿從膝關節(jié)至踝關節(jié),所得圖像以DICOM格式數(shù)據(jù)保存。 3、下頜骨及腓骨三維實體模型建立：利用DICOM格式的CT掃描數(shù)據(jù)輸入三維重建軟件Mimics10.01中,建立含有骨皮質(zhì)、骨松質(zhì)和牙的下頜骨STL格式三維模型,再輸入到逆向工程軟件Geomagic11.0軟件中,對其進行一系列圖像精細化處理,生成三維圖形IGES文件格式。經(jīng)過相似的處理過程建立腓骨三維模型。 4、鈦板鈦釘三維實體模型的建立：利用游標卡尺測量臨床常用的四孔小鈦板和10mm鈦釘規(guī)格尺寸數(shù)據(jù),輸入三維CAD軟件Solidworks2011中分別建立鈦板、鈦釘三維實體模型。鈦釘?shù)慕⒏鶕?jù)以往學者的研究簡化為柱狀模型。 5、下頜骨體部缺損腓骨重建三維實體模型建立：將已建立的正常下頜骨及腓骨模型數(shù)據(jù)導入ANSYS Workbench13.0中,利用Workbench強大的模型處理功能,進行部件的布爾運算,截取左側(cè)下頜骨體部及相應長度的腓骨中段,并將其進行定位裝配。 6、內(nèi)固定模型建立：將鈦板、鈦釘三維模型數(shù)據(jù)輸入到ANSYS Workbench已建立的下頜骨體部缺損腓骨重建三維模型中,分別進行定點裝配。固定方式：下頜骨與腓骨交界處兩端各均勻放置兩塊四孔小鈦板,板間距4mm,按照骨面形態(tài)做鈦板外形調(diào)整,鈦釘長度10mam。 7、有限元網(wǎng)格劃分：采用Workbench13.0默認的Solid187實體單元對下頜骨部分及腓骨和鈦板鈦釘進行自動化網(wǎng)格劃分,設定下頜骨及腓骨模型的單元尺寸為1mm～2mm,鈦板、鈦釘為1mm。 第二部分下頜骨體部缺損腓骨重建小鈦板固定模型的生物力學分析 1、邊界條件：參考Hart等對下頜骨的邊界條件對雙側(cè)髁突進行約束,右側(cè)髁突設置為完全固定,左側(cè)髁突僅固定上下、前后方向,而釋放側(cè)向約束。進行靜態(tài)力學三維有限元分析,打開變形效應。 2、接觸設置及材料屬性：在Workbench中,設定皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨為完全固定,設定牙齒與皮質(zhì)骨、鈦板與鈦釘、鈦釘與骨質(zhì)為Bonded接觸,設定下頜骨與腓骨間設置為Bonded接觸,設置鈦板與下頜骨以及腓骨間為只承受剪切力的Frictionless接觸。本實驗中涉及到的材料包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、牙齒、鈦金屬,其參數(shù)均引用于相關文獻。假設模型材料和組織均為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的線彈性材料。 3、咬合加載及生物力學分析：分別于健側(cè)第一第二磨牙及前牙施加100N的靜態(tài)咬合力。分析2種咬合力加載情況下,正常下頜骨和重建后下頜骨模型整體Von Mises應力分布特點及位移趨勢；鈦板、鈦釘?shù)腣on Mises應力位移分布、釘孔周圍骨質(zhì)應力以及重建后的腓骨前后端矢量方向上的位移情況。 結(jié)果 1、建立了下頜骨體部缺損腓骨重建固定三維實體及有限元模型,其中下頜骨部分包含了皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及完整牙列,形態(tài)逼真,具有良好的幾何相似性；腓骨截取長度精確,與缺損區(qū)匹配良好,骨段間間隙小,接觸面積大。 2、根據(jù)臨床常用的四孔小鈦板、鈦釘實際規(guī)格,利用逆向重建軟件精確重建了本實驗所需鈦板鈦釘?shù)娜S模型。根據(jù)先前研究,鈦釘為簡化圓柱模型,使后期應力分析更加準確。 3、將鈦板鈦釘按臨床實際操作裝配至重建后的三維實體模型,通過網(wǎng)格劃分獲得三維有限元模型。重建下頜骨有限元模型由309830個節(jié)點和182871個單元組成；正常下頜骨有限元模型由186035個節(jié)點和111580個單元組成。建立的模型元素超過30000個自由度,其后期分析結(jié)果取得了相當穩(wěn)定的收斂效果。 4、通過前牙及健側(cè)后牙咬合力加載獲得了正常下頜骨和四孔小型鈦板固定下頜骨體部缺損腓骨重建模型的生物力學特征： 根據(jù)等效應力分布可知： 整體應力分布：正常下頜骨的髁突頸部、下頜升支前后緣及乙狀切跡、下頜角是主要的應力集中區(qū)域,并明顯可見,髁突頸部至乙狀切跡、內(nèi)外斜嵴至下頜升支應力軌跡線,應力由咬合部位沿著軌跡線向兩端傳遞。重建后的下頜骨模型,在兩種加載情況下最大應力值均出現(xiàn)在加載側(cè)髁突頸部；同時,非加載側(cè)髁突頸部、下頜骨殘端與腓骨交界處、固定鈦釘周圍骨質(zhì)、非加載側(cè)靠近下頜角區(qū)域的鈦板也是常見的應力集中部位。重建模型的相應部位的應力值比正常模型都有所增加,尤其是在健側(cè)髁突頸部。前牙咬合加載時重建模型和正常下頜骨的最大應力值明顯大于后牙咬合加載時。 鈦板鈦釘應力分布：前牙咬合加載時相應鈦板鈦釘應力均大于后牙咬合加載時。每塊鈦板的最大應力值均位于內(nèi)側(cè)2個釘孔之間,最大值依次為后上板后下板前上板前下板。除了后上方的鈦板,其余鈦板的最大應力值均位于上緣。兩種加載情況下,前下板上鈦釘最大應力值從前至后逐漸增大,后上板及后下板上鈦釘最大應力值從前至后逐漸減小。所有鈦釘最大應力值均在頸部,應力沿著釘尖方向先逐漸減小,在釘尖1/3處出現(xiàn)增大現(xiàn)象。下頜骨殘端鈦釘最大應力值位于前上方靠近交界處的第一顆鈦釘處,腓骨端最大應力值位于后下方鈦板靠近腓骨中份的鈦釘。 釘孔周圍骨質(zhì)應力分布：釘孔邊緣的骨皮質(zhì)是應力的集中區(qū)域。前牙咬合加載時相應釘孔最大應力值均大于后牙咬合加載時。下頜骨殘端釘孔最大應力值位于前上方靠近交界處的釘孔,除此之外,下頜骨殘端處釘孔應力值均小于腓骨端。腓骨端最大應力值位于前上方靠近腓骨中份的釘孔處。 根據(jù)位移分布可知：總體上,前牙咬合加載時重建模型位移趨勢大于后牙咬合加載時,對于移植腓骨和鈦板鈦釘,位移值均從前牙區(qū)向髁突方向逐漸減小。腓骨前端位移值均大于后端,前牙咬合加載時腓骨前端最大位移值為264.22μm,而后牙咬合加載時為149.02μm。對腓骨位移沿著其長軸(X)、頰舌向(Y)及上下方向(Z)作矢量分解可見：在兩種咬合情況下腓骨矢量方向上的變化趨勢基本是一致的,腓骨沿著其長軸方向上的位移從上緣至下緣逐漸減小；頰舌向位移最大值位于腓骨前下方,從前下方和后端向中份上方逐漸減��；上下方向位移從腓骨前端至后端逐漸減小。對腓骨前后端矢量方向上最大位移值提取后發(fā)現(xiàn)前端位移趨勢：上下方向頰舌向長軸方向。后端位移趨勢：頰舌向長軸方向上下方向。 結(jié)論 1、利用CT掃描獲取下頜骨及腓骨數(shù)據(jù)結(jié)合Solidworks等逆向工程軟件及三維有限元Mimics、ANSYS軟件建立的下頜骨體部缺損腓骨重建小鈦板固定的三維有限元模型,具有良好的幾何相似性,骨段間接觸面積大,鈦板塑形方便,與骨面貼合良好比臨床實際操作更加精細；建立的模型結(jié)構(gòu)層次清晰,單元網(wǎng)格劃分精細；模型可任意旋轉(zhuǎn)及縮放,亦可進行多角度的觀察。這些都為后續(xù)的生物力學分析奠定了堅實的基礎。 2、根據(jù)鈦板的等效應力分析可知：最易發(fā)生鈦板折斷的部位位于下頜角區(qū)域,尤其是后上方鈦板,為鈦板折斷的高發(fā)部位,為臨床上防治提供了力學依據(jù),如此處鈦板可考慮加固處理,如加寬加厚等,從而減小鈦板斷裂的風險。 3、根據(jù)鈦釘應力云圖：鈦釘尖端及頸部應力大于中份,可見鈦釘尖端在承擔應力方面發(fā)揮著同等重要的作用。因此,選擇雙皮質(zhì)鈦釘固定于雙層皮質(zhì)骨上對分散鈦釘局部應力十分有必要。另一方面,下頜骨殘端及腓骨端承擔較大應力的鈦釘及釘孔,在臨床操作中應充分重視其固位性及穩(wěn)定性。 4、根據(jù)整個重建模型、腓骨和鈦板鈦釘應力及位移形變分析,可知健側(cè)后牙咬合時重建模型的生物力學行為明顯優(yōu)于前牙咬合時,因此術后一段時間內(nèi)應選擇進食流質(zhì)或使用后牙咀嚼軟食,以降低骨不愈合的風險。
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R783.1

【參考文獻】

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本文編號：1214019