三維有限元法對單純顴骨骨折堅強內(nèi)固定的生物力學研究

陳虹瑜 代燕 曲竹麗 趙華強

在頜面部外傷中，顴骨復合體骨折較多見，約占面部損傷的19%～40%[1]。顴骨為連接上頜骨與腦顱骨之間的主要支柱，近似四邊形，與上頜骨、額骨、蝶骨和顳骨相連接。顴骨骨折嚴重影響患者的面部外形和功能。顴骨骨折后的固定部位和放置鈦板的數(shù)目仍存在爭議。

本實驗旨在通過三維有限元模型，模擬一點（顴牙槽嵴）鈦板內(nèi)固定、三點（顴牙槽嵴、顴額縫、眶下緣）鈦板內(nèi)固定，并進行生物力學分析，為單純顴骨骨折固定方式的選擇提供理論依據(jù)；模擬顴牙槽嵴一點固定方式下鈦板固定與可吸收板固定，進行生物力學分析，為單純顴骨骨折固定材料的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 對象

1.2 設備及軟件

鈦板、鈦釘（慈溪市慈北口腔醫(yī)療器械有限公司）；可吸收接骨板（日本Gunze公司）。

電子計算機（英特爾奔騰雙核處理器2.8G CPU，Windows XP 系統(tǒng)）；Sensation 16層螺旋 CT（德國SIEMENS公司），掃描層厚0.75 mm。

Mimics軟件（比利時 Materialise公司）；MSC.Marc有限元軟件（美國MSC公司）；UGNX6.0軟件。

1.3 單純顴骨骨折堅強內(nèi)固定的三維有限元模型

將顴上頜骨原始CT圖像以Dicom 3.0格式導入Mimics軟件中，通過三維重建，生成顴上頜骨的三維模型。遵循封閉和單獨個體的原則，由mask創(chuàng)建顴骨模型后，利用Mimics對該模型進行簡單的修改和優(yōu)化。

根據(jù)研究需要，應用UGNX6.0等軟件將已構(gòu)建好的內(nèi)固定系統(tǒng)三維模型裝配到顴上頜骨模型上（左側(cè)），固定方式有三種：顴牙槽嵴一點L型鈦板內(nèi)固定、三點鈦板內(nèi)固定（顴牙槽嵴處采用左側(cè)L型鈦板，顴額縫處采用四孔鈦板，眶下緣處采用四孔微型鈦板）和顴牙槽嵴一點可吸收板固定。利用Mimics、MSC.Marc等軟件對顴骨、內(nèi)固定系統(tǒng)的表面模型進行網(wǎng)格劃分及處理，同時考慮皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、鈦板和可吸收板各材料的彈性模量和泊松比（表1）。

表1 模型各部位的彈性模量與泊松比[2-3]Table 1 Modulus of elasticity and Poisson ratio of different parts

最終生成具有材料屬性的顴骨骨折堅強內(nèi)固定三維有限元模型（圖1-3）。一點鈦板固定三維有限元模型由21339個節(jié)點和85720個單元組成；三點鈦板固定三維有限元模型由28613個節(jié)點和113655個單元組成；一點可吸收板固定三維有限元模型由32837個節(jié)點和129206個單元組成。模型材料的力學特性為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性，各單元有足夠的穩(wěn)定性。

圖1 一點L形鈦板固定三維有限元模型Fig.1 Three-dimensional finite element model of one point L-type titanium plate fixation

圖2 三點鈦板固定三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of three points titanium plate fixation

圖3 一點可吸收板固定三維有限元模型Fig.3 Three-dimensional finite element model of one point absorbable plate fixation

1.4 一點與三點鈦板固定單純顴骨骨折的三維有限元分析

1.4.1 工況設定

1.4.2 邊界條件

設定坐標系：水平自右向左為X軸正向，水平自后向前為Y軸正向，垂直自下向上為Z軸正向。對咬肌附著骨面進行約束，在X、Y、Z軸三個方向上的位移均設為0（剛性約束）。

1.4.3 載荷設定

咬肌淺層起自上頜骨顴突和顴弓下緣的前2/3，根據(jù)實際解剖位置，在模型上確定咬肌附著的節(jié)點位置。具體形式為將肌力設定為集中力的形式，分解為X、Y、Z軸向力。肌力大小與肌肉的橫截面積有關(guān)，根據(jù)公式 Mir=Xmi×K×EMGmi[4-5]，得到各個肌力的最大值。加載力值為正常咀嚼活動時使用的力量，約為最大肌力的一半。

1.5 一點式與可吸收板一點固定單純顴骨骨折的有限元分析

選用已建立的一點鈦板單純顴骨骨折內(nèi)固定系統(tǒng)三維有限元模型和一點可吸收板內(nèi)固定系統(tǒng)三維有限元模型，在MSC.Marc軟件中進行力學分析。約束條件、加載方式同1.4部分。

2 結(jié)果

2.1 判定標準

當骨折斷端相對位移不超過0.15 mm時，才可能保證骨折愈合[6]。在比較不同固定方式時，選取左側(cè)顴骨下端與上頜骨連接處、左側(cè)眶下緣和左側(cè)眶外側(cè)緣3個標志點的總位移最大值，作為衡量位移的主要指標。

von Mises應力是一種基于剪切應變能力的等效應力，可以體現(xiàn)鈦板在受力時發(fā)生的形變。在比較不同固定方式和不同咬狀態(tài)時，選取von Mises等效應力作為衡量應力水平的主要指標。

2.2 不同固定方式模型的位移分布

一點顴牙槽嵴固定時，剪切向位移距離最大為0.121 mm（LMOL）；三點板固定時，剪切向位移距離最大為 0.061 mm（ICP）。

2.3 不同固定方式模型的應力分布

圖4 一點L形鈦板固定時的應力分布（ICP）Fig.4 Stress distribution of one point L-type titanium plate fixation

圖5 三點鈦板固定時的應力分布（ICP）Fig.5 Stress distribution of three points titanium plate fixation

2.4 兩種不同材料模型的位移分布

一點鈦板固定的位移結(jié)果同2.2；一點可吸收板的剪切向最大位移距離0.0926 mm（LMOL）。

2.5 兩種不同材料模型的應力分布

一點顴牙槽嵴鈦板固定的應力分布結(jié)果同2.3（圖6）；一點可吸收板固定時，鈦板上最大應力位于上緣鈦板中部，分別為 23.51 MPa（INC），93.97 MPa（ICP），56.69 MPa（LMOL）和 60.56 MPa（RMOL）。

圖6 一點可吸收板固定時的應力分布（ICP）Fig.6 Stress distribution of one point absorbable plate fixation

3 討論

顴骨骨折治療成功的標準包括準確的骨折復位和可靠的內(nèi)固定。在顴骨骨折復位后實施堅強內(nèi)固定治療的必要性已經(jīng)得到公認，但是固定的部位及數(shù)量一直存在爭議，從復位后一點固定到三點固定均有報道。Eisele等[7]認為一點固定就足以獲得穩(wěn)定的固位。Rinehart等[8]在8例離體標本上人為制作單純顴骨骨折模型，觀察發(fā)現(xiàn)顴骨骨折一點固定并不能獲得穩(wěn)定的固位效果，但是顴額縫和顴上頜縫兩點固定，固定效果可靠。徐兵等[9]認為顴牙槽嵴、眶下緣和顴額縫三點小鈦板固定，可從垂直向、水平向、斜向三個方向上抵消影響骨質(zhì)在解剖位置上愈合可能產(chǎn)生的作用力，從而使被固定的骨折塊在原來的解剖部位達到一期愈合。

本實驗發(fā)現(xiàn)，顴牙槽嵴一點鈦板固定后，顴骨的最大位移是0.121 mm；顴牙槽嵴、顴額縫、眶下緣三點固定中，骨折斷端的最大位移僅為0.061 mm。說明兩種固定方式均可達到固位要求。顴骨骨折手術(shù)復位固定部位的選擇，應遵循安全可靠且創(chuàng)傷最小的原則，有待于在臨床中進一步探討。

隨著材料科學的發(fā)展，可吸收內(nèi)固定材料已逐漸應用于臨床?？晌諆?nèi)固定材料均為高分子量聚合物，目前常用的有聚乳酸（Polylactic acid，PLA）等。這類材料可隨著骨折的愈合，在生物體內(nèi)自動降解吸收。Eppley等[10]的研究表明，可吸收固定系統(tǒng)在實驗模型上約1年后能夠完全被吸收。但是，可吸收板也有其缺點，如機械強度稍差，降解速度不理想，而且在材料的降解過程中可能產(chǎn)生異物反應。但Cohen等[11]認為這種反應輕微，多為一過性，無需特殊處理。

本實驗結(jié)果顯示，采用顴牙槽嵴一點可吸收板固定后，骨折斷端最大位移0.0926 mm，說明此種固定方式可滿足單純顴骨骨折固定強度的要求，值得臨床推廣應用。相信隨著材料技術(shù)的發(fā)展，機械強度適宜、降解速率理想、價格適中的可吸收內(nèi)固定材料將被會更多地應用于臨床。

綜上所述，顴牙槽嵴一點鈦板固定的穩(wěn)定性不如顴牙槽嵴、顴額縫、眶下緣三點固定。但是，一點固定法只需在口內(nèi)做切口，避免了頭皮半冠狀切口及眉弓切口引起的皮膚瘢痕等缺點。近年來，內(nèi)鏡技術(shù)已用于顴骨骨折的治療，而且粉碎性顴弓、顴骨骨折也可以在內(nèi)鏡下獲得有效的復位固定[12-13]。同時，隨著可吸收材料性能的不斷提高，內(nèi)鏡下結(jié)合可吸收板復位固定顴骨顴弓，將成為今后顴骨復合體骨折的常規(guī)治療手段。

[1]Vriens JP,van der Glas HW,Moos KF,et al.Infraorbital nerve functionfollowing treatment of orbitozygomatic complex fractures.A multitest approach[J].Int J Oral Maxillofac Surg,1998,27(1):27-32.

[2]楊壯群,虎小毅,王正輝,等.模擬下頜骨骨折內(nèi)固定以及骨折愈合進程的三維有限元模型的建立[J].中國口腔頜面外科雜志,2004,2(1):56-59.

[3]Soballe K.Hydroxyapetite ceramic coating for bone implant fixation:mechanical and histological studies in dogs[J].Acta Orthop Scand Suppl,1993,255:1-58.

[4]Pruim GJ,de Jongh HJ,ten Bosch JJ.Forces acting on the mandible during bilateral static bite at different bite force levels[J].J Biomech,1980,13(9):755-763.

[5]Weijs WA,Hillen B.Relationship between the physiological cross-section of the human jaw muscles and their cross-sectional area in computer tomograms[J].Acta Anat(Basel),1984,118(3):129-138.

[6]Ikemura K,Kouno Y,Shibata H,et al.Biomechanical study on monocortical osteosynthesis for the fracture of the mandible[J].Int J Oral Surg,1984,13(4):307-312.

[7]Eisele DW,Duckert LG.Single-point stabilization of zygomatic fractures with theminicompression plate[J].Arch Otolaryngol Head Neck Surg,1987,113(3):267-270.

[8]Rinehart GC,Marsh JL,Hemmer KM,et al.Internal fixation of malar fractures:an experimental biophysical study[J].Plast Reconstr Surg,1989,84(1):21-25.

[9]徐兵,史俊,唐友盛,等.小切口三維固定治療顴骨復合體骨折43例臨床評價[J].中國口腔頜面外科雜志,2004,2(3):199-201.

[10]Eppley BL,Sadove AM.A comparion of resorbable and metallic fixation in healing of calvarial bone grafts[J].Plast Reconstr Surg,1995,96(2):316-322.

[11]Cohen SR,Holmes RE,Amis P,et al.Tacks:a new technique for craniofacial fixation[J].J Craniofac Surg,2001,12(6):596-602.

[12]Lee CH,Lee C,Trabulsy PP,et al.A cadaveric and clinical evaluation of endoscopically assisted zygomatic fracture repair[J].Plast Reconstr Surg,1998,101(2):333-345.

[13]Krimmel M,Cornelius CP,Reinert S.Endoscopically assisted zygomatic fracture reduction and osteosynthese revisited[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2002,31(5):484-488.