骨折愈合進程下髁突囊內(nèi)骨折內(nèi)固定的有限元分析

曲愛麗 王冬梅 景 捷

1(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)2(寧夏大學(xué)機械工程學(xué)院， 銀川 750021)3(寧夏醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，銀川 750004)

骨折愈合進程下髁突囊內(nèi)骨折內(nèi)固定的有限元分析

曲愛麗1，2王冬梅1*景 捷3

1(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)2(寧夏大學(xué)機械工程學(xué)院， 銀川 750021)3(寧夏醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，銀川 750004)

為重建由于髁突囊內(nèi)骨折引起的顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，需選擇合適的內(nèi)固定方式，采用有限元方法將B型髁突骨折的四種固定方式置于骨折愈合進程中進行模擬，以獲得最適宜的長效內(nèi)固定方式?；贑T圖像構(gòu)建了下頜骨模型，在右側(cè)髁突模擬骨折裂隙與微型鈦板，加載邊界條件獲取有限元結(jié)果并分析受力、位移?？疾煨g(shù)后當(dāng)天及4、8、12周骨折愈合進程中4種固定方式即：一個直板、兩個平行直板、一個直板+一個L板以及兩個L板的力學(xué)行為，得出兩平行平板的力學(xué)特性最好(采用最大等效應(yīng)力比較，兩平行平板的最大應(yīng)力術(shù)后穩(wěn)定在443 MPa，且其上應(yīng)力變化平穩(wěn))，一個直板+一個L板的穩(wěn)定性最好(采用固定端與游離端的位移和轉(zhuǎn)角作為度量標(biāo)準(zhǔn)，其最大相對位移0.045 mm，最大相對轉(zhuǎn)角基本穩(wěn)定在0.0378 度，為系統(tǒng)提供可靠的穩(wěn)定性。臨床可根據(jù)適應(yīng)癥選擇雙板固定治療髁突囊內(nèi)骨折，不建議采用單板固定，且雙板固定考慮兩平行直板或一個直板+一個L板。

髁突囊內(nèi)骨折；內(nèi)固定方式；愈合進程；有限元；生物力學(xué)

引言

由于撞擊、外傷等原因?qū)е碌南骂M髁突矢狀骨折占下頜骨折中的67.24%[1]，臨床上對該類型骨折存在保守治療和手術(shù)治療的爭議。但是髁突作為顳下頜關(guān)節(jié)的重要組成部分，其骨折常引起關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改變，從而影響其力學(xué)分布，這是引起關(guān)節(jié)改建的主要原因[2]。但是根據(jù)臨床效果看：保守治療導(dǎo)致并發(fā)癥如關(guān)節(jié)強直或錯位愈合等現(xiàn)象高達81.2%，而手術(shù)治療后愈合率達到92%以上[3]，因此手術(shù)治療成為成人治療髁突矢狀骨折的首選方式。下頜髁突矢狀骨折屬于囊內(nèi)骨折，按照何冬梅[4]、景捷[5]的分類原則，將髁突后斜面分為內(nèi)1/3、中1/3、外1/3等3個部分，按照骨折線經(jīng)過內(nèi)中外這3個部分，依次分為A、B、C、M型。對于不同的骨折類型，臨床可根據(jù)一定的原則進行手術(shù)治療或保守治療的選擇[1]。但是在手術(shù)治療中，如何選擇固位方式則成為一個亟待解決的問題。對于下頜骨骨折，有大量的參考文獻已針對小型板(miniplate)的選擇類型做了細致的研究工作，得出較一致的結(jié)論：厚的板比薄的板力學(xué)性能好[6-7]，采用兩個板布置比采用一個板布置固定系統(tǒng)的力學(xué)性能好[2, 8-9]，且在采用雙板作為固位系統(tǒng)時，兩平行布置的鈦板其力學(xué)性能優(yōu)于成角度布置的兩板[8,10]。同時還有多種類型的接骨板，如三角形、正方形、梯形、直板[9]、T形板[11]、重建板[12]及生物可吸收板等接骨板也同時做了力學(xué)比較，綜合比較直板的力學(xué)性能優(yōu)于其他形狀的板。

但是值得注意的是在上述研究文獻中的固位方式選擇僅著眼于下頜髁突頸部、體部或頦部骨折的固定物分析，對髁突頭骨折的分析鮮見[13]；而且采用有限元分析時主要為靜態(tài)加載并對結(jié)果進行比較，動物實驗采用準(zhǔn)靜態(tài)加載以獲得鈦板的力-位移曲線性能[11, 14]，病例跟蹤中有6個月的結(jié)果[15]，從臨床應(yīng)用角度而言，更關(guān)注固定物長期的力學(xué)效果。為此，我們有必要關(guān)注髁突囊內(nèi)骨折在骨折愈合進程中固定板的力學(xué)性能。已有學(xué)者對髁突表面應(yīng)力分布和力學(xué)特性做了大量有意義的探索，楊壯群等[16-18]采用模擬骨折裂隙的方式，賦予裂隙材料不同的材料屬性值以模擬下頜骨頸部不同骨折愈合時期的力學(xué)行為，為系統(tǒng)了解骨折愈合進程提供了可行的方法。鑒于本研究關(guān)注的是適宜髁突囊內(nèi)骨折愈合的長期固位方式選取，因此擬采用骨折愈合進程下，模擬B型骨折分別采用一個直板、兩個平行直板、一個直板+一個L板以及兩個L板的組合形式進行有限元分析，考察固定系統(tǒng)和下頜骨的力學(xué)行為表現(xiàn)，為臨床選擇適宜的固定形式提供力學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

選取健康人體，牙列正常合的青年男性CT數(shù)據(jù)建立下頜骨及牙列組織模型。

1.2 方法

采用Mimics10.0 軟件分別提取了下頜骨松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨、下牙列的輪廓線，轉(zhuǎn)至Imageware13.0軟件中進行去除噪聲、光順等處理，再導(dǎo)入有限元軟件ANSYS13.0中進行體模型構(gòu)建，在Pro/Engineering軟件中按文獻[1]的分類方法，通過髁突頂部中部、下部到達髁突頸部的方法創(chuàng)建出0.1 mm間距的裂隙模擬囊內(nèi)B型骨折，采用四種組合的微型鈦板進行固定組裝，最后在ANSYS13.0中劃分網(wǎng)格，加載邊界條件后進行計算，讀取結(jié)果并進行分析。材料屬性見表1，裂隙的材料屬性采用文獻數(shù)值見表2，主要模擬隨愈合期增加、骨折裂隙處的組織在應(yīng)力刺激下發(fā)生改建的過程。模擬第一磨牙咬合，在雙側(cè)第一下磨牙處加載鉛垂載荷各100 N，全約束髁突中軟骨附著面和翼內(nèi)肌-翼外肌附著下頜升支至下頜角部位的表面自由度，有限元模型如圖1所示。主要研究髁突骨折在不同固定方式下的力學(xué)評價問題，需要在髁突部位構(gòu)建骨折裂隙及固定釘板系統(tǒng)，為此需要模型具有較強的修改性。模塊化模型即具有解決該問題的功能，為此，將幾何模型建立為模塊化模型。在右側(cè)髁突建立了骨折裂隙，并分別放置了厚度為1 mm的微型鈦板(microplate)，共有4 種組合，分別為一個直板、兩個直板平行放置、一個直板+一個L板、兩個L板，其布置形式原則上為盡量垂直于骨折縫放置，對兩個L板的組合為成角度布置，所獲得的幾何模型共有16個(4種固定方式對應(yīng)4個愈合時期，文中只展示4種組合形式)如圖2所示。

表1 材料屬性[19]

表2 骨折裂隙材料屬性[16]

2 結(jié)果

通過計算，獲得四個愈合期內(nèi)四種組合固定系統(tǒng)在髁突矢狀骨折中的力學(xué)行為表現(xiàn)，采用文獻[8]的方法：能為系統(tǒng)提供最小的受力、最小的位移的固定方式可認為是最穩(wěn)固的定位，常用的應(yīng)力、位移作為比較分析的指標(biāo)，考察下頜骨、固定系統(tǒng)和裂隙的等效應(yīng)力值；固定端和游離端的綜合位移以及綜合轉(zhuǎn)角七個量值，分析不同固位方式在愈合時期內(nèi)的長期穩(wěn)定性。結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖1 下頜骨及固定系統(tǒng)幾何模型及有限元模型。(a)幾何模型；(b)有限元模型Fig.1 The geometric and finite element model of mandible and the fixation system.(a)The geometry model;(b)The finite element model

圖2 固定系統(tǒng)幾何模型。(a)直板和L板模型；(b)直板與髁突裝配模型；(c)兩個L板與髁突裝配模型；(d)兩個平行直板與髁突裝配模型；(e)一個直板+一個L板與髁突裝配模型Fig.2 The geometry model of the fixation system. (a)The model of straight microplate and L-shape microplate; (b) The assemble model of the straight microplate with mandible condyle;(c) The assemble model of two L-shape microplate with mandible condyle; (d) The assemble model of two paralleled microplates with mandible condyle; (e) The assemble model of one straight and one L-shape microplates with mandible condyle

2.1 應(yīng)力分析

通過分析該骨折系統(tǒng)包括下頜骨、固定系統(tǒng)及骨折裂隙各部分在術(shù)后不同時期的最大應(yīng)力進行比較，獲得圖3進行應(yīng)力分析。

2.1.1 固定系統(tǒng)上的應(yīng)力分析

固定系統(tǒng)上的受力依愈合時間增長逐漸降低。以一個直板受力降低速度最快，兩個平行直板受力變化較緩且應(yīng)力水平最低，穩(wěn)定在443 MPa左右。此趨勢與兩個L板近似，只是后者在術(shù)后及一個月內(nèi)的應(yīng)力水平略高。雖然一個直板在術(shù)后當(dāng)天的應(yīng)力水平最高，但是在整個愈合過程中下降最快。從板的應(yīng)力分布看：兩個平行直板的應(yīng)力在愈合期內(nèi)都較穩(wěn)定，基本保持不變，次之為兩個L型板，一個直板+一個L板再次之。

2.1.2 下頜骨上的應(yīng)力分析

4 種固位系統(tǒng)在術(shù)后8 周后的應(yīng)力水平基本相同，不同的是在術(shù)后當(dāng)天的應(yīng)力水平以兩個直板、一個直板+ 一個L板、兩個L板、一個直板的順序依次上升，表明在術(shù)后以一個直板固定的下頜骨受力最大，兩個直板平行固定的下頜骨受力最小。其中兩個L板在術(shù)后4 周時應(yīng)力水平即下降至與兩個直板的下頜骨應(yīng)力水平，而一個直板的下頜骨的應(yīng)力水平在術(shù)后8 周才下降至該水平。綜合來看，采用兩個平行直板固定的下頜骨應(yīng)力水平相對最低且平穩(wěn)，一個直板+一個L板的固位系統(tǒng)的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平與之相近，只是在術(shù)后當(dāng)天至一個月內(nèi)的水平略高。

2.1.3 骨折裂隙上的應(yīng)力分析

盡管術(shù)后當(dāng)天所有固定方式下的骨折裂隙都采用彈性模量為1 MPa的材料屬性模擬，但是一個直板固定下的裂隙依然出現(xiàn)了高達1 608 MPa的應(yīng)力，而其他三種固位方式只產(chǎn)生1.1 MPa的應(yīng)力，根據(jù)眾多文獻表明：成骨細胞所能承受的最大應(yīng)力為0.045 MPa，采用一個直板的固定方式會為后期的骨愈合帶來很大的阻礙。而其他三種固定方式隨著彈性模量的增加其承載能力逐步增加，最終與下頜骨皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨受力相當(dāng)。

圖3 固定系統(tǒng)、下頜骨、骨折裂隙的應(yīng)力比較。(a)固定系統(tǒng)等效應(yīng)力比較；(b)下頜骨等效應(yīng)力比較；(c)骨折裂隙等效應(yīng)力比較Fig.3 The stress comparison of mandibular, fixation system and fracture gap. (a)The stress comparison of fixation system; (b) The stress comparison of mandibular; (c) The stress comparison of fracture gap

圖4 骨折游離端與固定端位移比較。(a)骨折游離端位移比較；(b)固定端位移比較Fig.4 The displacement comparison of fracture end and fixed end. (a) The displacement comparison of fracture end; (b) The displacement comparison of fixed end

圖5 骨折游離端與固定端轉(zhuǎn)角比較。(a)骨折游離端轉(zhuǎn)角比較；(b)固定端轉(zhuǎn)角比較Fig.5 The rotation angle comparison of fracture department and fixed end. (a) The rotation angle comparison of fracture end; (b) The rotation angle comparison of fixed end

2.2 位移與轉(zhuǎn)角分析

固定系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般采用被鈦板和鈦釘連接部分的位移和轉(zhuǎn)角進行度量，本研究采用髁突骨折游離端和髁突固定端的最大位移與最大轉(zhuǎn)角進行分析，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

2.2.1 骨折游離端與固定端的位移

骨折游離端的位移從術(shù)后當(dāng)天至12周依次呈下降趨勢，但是采用一個直板固定的游離端在術(shù)后四周依然出現(xiàn)約為0.876 mm的移動量，直至8 周后才達到與其他固定方式接近的移動量，其位移變化顯示呈不穩(wěn)定形式遞減，因此，從固定效果來看，不建議對該類型骨折采用一個直板的固定形式。從移動量來看，兩個L板固定產(chǎn)生的穩(wěn)定效果最好，兩個平行直板次之，一個直板+ 一個L板的固定再次之，三者在術(shù)后四周全部顯示固定效果良好。從固定端的位移來看，一個直板+ 一個L板的位移較大，均在0.9 mm左右，但穩(wěn)定效果最好；一個直板固定效果顯示其固定端的位移依次呈現(xiàn)降低趨勢，而兩個L板和兩個平行直板在術(shù)后四周即呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。固定端位移最大出現(xiàn)的位置從術(shù)后當(dāng)天在下方固定螺釘處出現(xiàn)轉(zhuǎn)移至術(shù)后4 周后的下頜切跡處。綜合固定端與游離端位移，二者之間的最大相對位移均未超過0.05 mm，小于文獻表述的150 μm[20],可以提供穩(wěn)定的愈合條件。

2.2.2 骨折游離端與固定端的轉(zhuǎn)角比較

4種固定方式在術(shù)后當(dāng)天都呈現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)動，只有一個直板固定的游離端出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)角，令人吃驚的是兩個L板固定的游離端在術(shù)后4 周扭轉(zhuǎn)加大，呈現(xiàn)不穩(wěn)定的固位趨勢。兩平行直板和一個直板+ 一個L板在術(shù)后4 周基本穩(wěn)定；而對于固定端則表現(xiàn)出非常大的不同：一個直板固定的固定端在第4 周時產(chǎn)生非常大的轉(zhuǎn)動，術(shù)后當(dāng)天則以兩平行直板產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動較大，為0.66 mm，兩個L板和一個直板+ 一個L板的組合都表現(xiàn)出較穩(wěn)定的防止扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)的特性。

3 討論

現(xiàn)在臨床對髁突囊內(nèi)骨折的治療已基本統(tǒng)一了治療標(biāo)準(zhǔn)，但是在選擇固定系統(tǒng)形式方面還存在很大爭議。本文模擬了下頜骨髁突囊內(nèi)B型骨折并分別采用四種固定形式研究其在骨折愈合進程中的力學(xué)行為表現(xiàn)，通過從應(yīng)力和穩(wěn)定性兩個方面分析固定系統(tǒng)的有效性，獲得了如下結(jié)果：采用應(yīng)力指標(biāo)評價發(fā)現(xiàn)兩個平行直板固定的下頜骨系統(tǒng)其上各部分受力都較小且均勻，在術(shù)后當(dāng)天即可承擔(dān)大約530 MPa的應(yīng)力，與下頜骨應(yīng)力接近；在術(shù)后4 周后應(yīng)力基本穩(wěn)定在443 MPa；采用位移和轉(zhuǎn)角評價穩(wěn)定性得出采用一個直板+ 一個L板固定的下頜骨系統(tǒng)其穩(wěn)定性最好，次之為兩個L板固定，兩個平行平板固定再次之，一個直板固定的力學(xué)性能和穩(wěn)定性最差，建議在進行髁突B型骨折的固定中盡量不采用。不建議采用單板的結(jié)論與文獻結(jié)論相同[21-23]。

但是對于骨折裂隙上的應(yīng)力分布以及相對位移數(shù)值上，本文的結(jié)論與文獻不符[23]：文獻認為肉芽能承受的最大應(yīng)力不大于0.05 MPa，而本文的骨折裂隙(采用間距為0.1 mm的薄層進行模擬)在術(shù)后當(dāng)天的應(yīng)力均在1.1 MPa(采用一個直板固定除外)左右。該現(xiàn)象出現(xiàn)主要是因為本文采用固定髁突軟骨附著部分的所有自由度(亦即將髁突固定端與游離端上面部分都進行了固定，未固定裂隙)，當(dāng)在磨牙垂直加載時，髁突游離端-骨折裂隙-固定端界面會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中和變形。本文比對臨床病例[24]，采用雙板固定具有良好的療效，未出現(xiàn)髁突明顯吸收或螺釘松動等現(xiàn)象，說明采用有限元方法模擬不同固定方式治療髁突囊內(nèi)骨折的方法是可行的，但是限于邊界條件的簡化等原因會出現(xiàn)應(yīng)力值超出文獻研究結(jié)果的可能，我們采信其變化的趨勢。

對于所探討的囊內(nèi)B型骨折方式的固定方式所得的結(jié)論，由于髁突表面應(yīng)力分布特征較復(fù)雜[25]，因此應(yīng)分別在后續(xù)研究中進行各種骨折類型不同固定方式的有限元研究，為臨床不同骨折類型選擇合適的固定方式提供理論基礎(chǔ)。

髁突是參與組成顳下頜關(guān)節(jié)的重要組織，但是在本文的研究中未考慮顳下頜關(guān)節(jié)的具體結(jié)構(gòu)，因此，關(guān)節(jié)盤、關(guān)節(jié)軟骨、韌帶以及肌肉的作用都未在本次研究中納入，為更真實地模擬髁突受力，今后將細化關(guān)節(jié)周圍組織結(jié)構(gòu)并將固定方式放入關(guān)節(jié)囊環(huán)境內(nèi)模擬以獲得更接近真實的結(jié)果。

4 結(jié)論

本研究通過建立人體下頜骨髁突囊內(nèi)骨折模型與固定系統(tǒng)模型，賦予骨折裂隙四種彈性模量與泊松比模擬術(shù)后當(dāng)天、術(shù)后4、8、12周的愈合情況，采用雙側(cè)第一磨牙加載，分析4種固定方式在骨折愈合進程中的力學(xué)行為表現(xiàn)，為臨床選擇合適的固定方式提供力學(xué)基礎(chǔ)。通過應(yīng)力和位移-轉(zhuǎn)角兩個方面的評價指標(biāo)比較了四種固定方式的趨勢與數(shù)值，獲得了采用雙板固定最佳，尤其以雙平行直板固定和一個直板+一個L板固定的方式為最佳的結(jié)論，為臨床根據(jù)適應(yīng)癥選擇合適的固定方式提供了選擇依據(jù)。

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The Finite Element Analysis of the Inner Fixation in Intracapsular Fracture during the Fracture Healing Process

Qu Aili1,2Wang Dongmei1*Jing Jie3

1(SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)2(SchoolofMechanicalEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)3(SchoolHospitalofStomatology,NingxiaMedicalUniversity,Yinchuan750004,China)

condyle intracapsular fracture; inner fixation; healing process; finite element; biomechanics

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 04.018

2014-10-16， 錄用日期:2014-11-20

國家自然科學(xué)基金青年基金(30500122)；寧夏科技攻關(guān)計劃項目(2011年度)

R318

D

0258-8021(2015) 04-0507-06

*通信作者 (Corresponding author)，E-mail: dmw_mail@163.net