人下頜骨撞擊傷三維有限元模擬及生物力學分析

雷　濤,涂文斌,王婷婷,鄭加軍,謝良憲△

(1.解放軍第324醫(yī)院口腔科,重慶 400020;2.華東交通大學機電工程學院,南昌 330013)

人下頜骨撞擊傷三維有限元模擬及生物力學分析

雷濤1,涂文斌2,王婷婷1,鄭加軍1,謝良憲1△

(1.解放軍第324醫(yī)院口腔科,重慶 400020;2.華東交通大學機電工程學院,南昌 330013)

[摘要]目的利用有限元模擬技術對人下頜骨撞擊傷進行仿真，對模擬結(jié)果進行生物力學分析，探討下頜骨撞擊傷的致傷機制。方法采用中國可視化數(shù)字人數(shù)據(jù),建立人下頜骨撞擊傷三維有限元模型，動態(tài)模擬不同致傷條件下人下頜骨撞擊動態(tài)損傷過程，采用Von Mises應力及有效應變進行生物力學分析。結(jié)果建立人下頜骨撞擊傷三維有限元模型并成功模擬人下頜骨撞擊傷動態(tài)損傷過程及骨折，髁狀突及下頜角是應力、應變集中及骨折的好發(fā)部位。結(jié)論Von Mises應力及有效應變可作為預測和判定骨組織損傷的生物力學指標之一，利用有限元法可以有效模擬下頜骨動態(tài)撞擊過程，模擬結(jié)果可為頜面部撞擊傷基礎研究及臨床救治提供指導和數(shù)據(jù)參考。

[關鍵詞]下頜骨；撞擊傷；有限元分析；生物力學

隨著生活節(jié)奏的不斷加快，頜面部作為人體突出和暴露的部位，撞擊性損傷的發(fā)生率一直居高不下，且呈逐年上升趨勢，由于頜面部毗鄰顱腦、頸部等重要器官，加之傷后對顏面影響明顯，因此頜面部撞擊性損傷一直是創(chuàng)傷研究中的重點和難點問題[1-2]。本文通過使用計算機模擬技術(有限元法)仿真人下頜骨撞擊傷的動態(tài)損傷過程，對模擬結(jié)果進行生物力學分析，探討頜面部撞擊傷的致傷機制。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1模型數(shù)據(jù)來源中國可視化數(shù)字人CVH (Chinese visible human)(年齡22歲，身高1.62 m)頭頸部CT掃描數(shù)據(jù)。由第三軍醫(yī)大學基礎醫(yī)學部人體解剖學教研室提供[3]。

1.1.2建模軟、硬件環(huán)境LightSpeed 64排螺旋CT(美國通用電氣公司)，CT影像處理軟件Mimics V10.01(比利時Materialise公司)，有限元前處理軟件 ANSA V12.03(希臘BETA公司)，有限元運算分析軟件LS-DYNA (美國LSTC公司)，有限元分析軟件LS-PREPOST (美國LSTC公司)，PC電腦處理器 AMD四核620 Processer (2.60 GHz)，內(nèi)存4 G，硬盤5 T,顯卡 NVIDIA GeForce 310 M。

1.2方法

1.2.1CVH下頜骨撞擊傷三維有限元模型的建立將中國可視化數(shù)字人頭頸部數(shù)據(jù)導入MIMICS后的軟件界面，用MIMICS軟件自帶的閾值提取功能，提取出CVH頭面部骨質(zhì)，然后利用軟件的擦拭功能，去除下頜骨以外其他的骨組織，只保留下頜骨，采用手動擦拭功能，去除下頜骨松質(zhì)骨以外的其他部分，此外使用MIMICS軟件中的描繪功能，手工將下頜神經(jīng)管描繪出來，通過MIMICS軟件自帶的三維重建功能建立人CVH頜骨、松質(zhì)骨、下頜神經(jīng)管三維重建模型[4]。將MIMICS中建立的CVH下頜骨模型導入有限元前處理軟件ANSA中，將下頜骨分成數(shù)塊，然后通過手動模擬將各塊進行修整，并使用六面體網(wǎng)格自動生成功能，使各塊自動形成六面體單元，對于外形異常無法形成六面體的微小部位，使用四面體和五面體代替，將模型進行拼接后建立CVH下頜骨三維有限元模型。采用BIM-Ⅱ 型水平式生物撞擊機專用撞擊頭為致傷物[5]，采集其外形、質(zhì)地、重量建立撞擊頭三維有限元模型，將兩個模型進行拼裝，建立CVH下頜骨撞擊傷三維有限元模型。

1.2.2材料屬性的定義人下頜骨材料型號為分段線彈性材料：*MAT_PIECEWISE_ LINEAR_PLASTI CITY。模型各材料參數(shù)設定見表1[6-7]。

1.2.3邊界約束及載荷條件的設定將撞擊點設定于下頜骨頰側(cè)下頜角部位，撞擊方向與下頜角垂直，撞擊速度分別設定為5 m/s(低速)、10 m/s(中速)、15 m/s(高速)，將模型在髁狀突頂部區(qū)域的單元和節(jié)點設定鉸鏈約束，與張閉口方向一致。

表1　模型材料參數(shù)

1.2.4動態(tài)損傷過程的運算和分析將人下頜骨撞擊傷三維有限元模型導入有限元運算軟件LS-DYNA中，設定撞擊頭與骨面之間的接觸為面-面接觸， 為實現(xiàn)動態(tài)的骨質(zhì)斷裂過程，作者采用了單元失效運算，并將下頜骨皮質(zhì)和松質(zhì)的效應變值分別設定為0.44%和1.50%[8]。仿真時間設定為0.015 s 。將LS-DYNA軟件中運算的結(jié)果導入有限元處理軟件LS-Prepost中，對模擬結(jié)果進行針對性的處理和分析。

2結(jié)果

2.1有限元模型建立情況成功建立人下頜骨撞擊傷三維有限元模型，如圖1所示，CVH下頜骨模型幾何外形與實物標本基本一致，細節(jié)損失小，模型平滑，各細小解剖結(jié)構和部位清晰，六面體單元數(shù)目多，單元大小適中，其中人下頜骨三維有限元模型單元數(shù)為26 644個(六面體24 250個，五面體956個，四面體1 438個)，節(jié)點數(shù)為38 875個，撞擊頭的單元數(shù)為24 826個(六面體21 796個，五面體1 030個)，節(jié)點數(shù)為27 522個。

圖1　人下頜骨撞擊傷三維有限元模型

2.2成功進行人下頜骨撞擊傷動態(tài)模擬如圖2所示，損傷過程逼真，實現(xiàn)了下頜骨的骨質(zhì)破壞和骨折。

圖2　人下頜骨撞擊傷動態(tài)損傷過程

圖3　人下頜骨投射傷動態(tài)模擬能量守恒檢驗

2.3模擬過程能量守恒的檢查撞擊模擬過程中能量是否守恒，將大大影響模擬結(jié)果的可靠性，本研究對整個動態(tài)模擬過程進行了能量守恒檢驗[9]，如圖3所示，其中Kinetic Energy 為動能，Internal Energy 為內(nèi)能，Hourglass Energy為沙漏能，Total Energy 為總能量。整個撞擊過程中總能量保持不變，沙漏能小于5.00%，撞擊物的部分動能轉(zhuǎn)化為下頜骨的內(nèi)能，符合能量守恒定律。

2.4損傷形態(tài)對比分析如圖4所示，在5 m/s速度撞擊的情況下，撞擊側(cè)髁狀突頸部出現(xiàn)了明顯的骨折和移位，在10 m/s時，除了撞擊側(cè)髁狀突出現(xiàn)了明顯的骨折外，在撞擊點的下頜角部位出現(xiàn)了一定的骨質(zhì)斷裂和破壞，但未出現(xiàn)明顯移位，到了15 m/s時，撞擊側(cè)下頜角及髁狀突均出現(xiàn)了明顯的骨折和移位，對側(cè)髁狀突也出現(xiàn)了部分的骨質(zhì)破壞。

圖4　不同撞擊速度下人下頜骨損傷后形態(tài)對比

圖6　不同撞擊速度下人下頜骨有效應變動態(tài)分布對比

2.5生物力學指標動態(tài)對比分析不同時間點下頜骨整體Von Mises 應力分布云圖如圖5，Von Mises應力范圍設定為0～1.5×107Pa，顏色越接近紅色，表明值越大，越靠近藍色，表明值越小。在5.0 m/s撞擊的情況下，在撞擊頭撞擊到下頜骨表面瞬間于撞擊部位快速出現(xiàn)應力并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞^(qū)(紅色區(qū)域)，隨后應力快速向四周擴散，于撞擊側(cè)髁狀突部位出現(xiàn)高應力集中區(qū)域，隨后應力快速減弱并逐漸消失。在5 ms時，下頜骨表面除撞擊點及雙側(cè)髁狀突頸部外，其他大部分區(qū)域均無明顯高應力出現(xiàn)，隨著撞擊速度的增加，高應力區(qū)域(紅色區(qū)域)面積逐漸增加，越是骨質(zhì)破壞明顯的區(qū)域，高應力區(qū)域面積越大，停留時間越長。

不同時間點下頜骨整體有效應變動態(tài)分布云圖如圖6，有效應變范圍設定為0～0.05 ε，顏色越接近紅色，表明值越大，越靠近藍色，表明值越小。在5 m/s撞擊的情況下，在撞擊頭撞擊到下頜骨表面瞬間于撞擊部位快速出現(xiàn)應變并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樾》秶母邞儏^(qū)(紅色區(qū)域)，隨后應變快速向四周擴散，于撞擊側(cè)髁狀突部位出現(xiàn)高應力集中區(qū)域，隨后應變緩慢減弱并逐漸消失，在10 m/s撞擊的情況下，除撞擊側(cè)髁狀突外，撞擊點處也出現(xiàn)了明顯的高應變區(qū)域，對側(cè)髁狀突也出現(xiàn)了一定強度的應變區(qū)域(綠色區(qū)域)，到了15 m/s時，不但撞擊點及撞擊側(cè)髁狀突高應變區(qū)面積增大，對側(cè)髁狀突部位也出現(xiàn)了明顯的高應變區(qū)，高應變區(qū)均出現(xiàn)在骨質(zhì)破壞部位，破壞越嚴重，高應變區(qū)域面積越大，持續(xù)時間越長。

3討論

下頜骨占據(jù)面下1/3區(qū)域，由于其位置突出，易遭受外界撞擊的損傷，而不同的致傷條件會導致截然不同的下頜骨損傷形態(tài)，在臨床救治中也要采取不同的措施[10]。創(chuàng)傷基礎研究中致傷機制的研究是基礎和重點，為臨床救治提供必要的指導和參考[11]，而理想的實驗模型則是進行致傷機制研究的前提。但目前傳統(tǒng)的撞擊傷模型多以實驗動物、尸頭及仿真材料為主，這些模型存在數(shù)據(jù)采集困難、重復性差、價格昂貴及醫(yī)學倫理學等問題，從而限制了撞擊傷致傷機制的研究。而利用有限元法進行撞擊傷生物力學分析研究則避免了傳統(tǒng)實驗的不足，它在實驗數(shù)據(jù)采集、實驗結(jié)果重復性及實驗條件要求等方面有著明顯的優(yōu)勢，且無醫(yī)學倫理學問題等，而且在電腦上可以對模型的局部、整體、內(nèi)部等各個部位進行詳細、直觀、動態(tài)的觀察，數(shù)據(jù)保存和分析方便，更為重要的是建立好的三維有限元模型可以隨意搭配不同的致傷方式并進行計算機模擬，以上優(yōu)勢均是傳統(tǒng)撞擊傷模型和方法所不具備的[12]。

骨組織創(chuàng)傷計算機模擬中骨質(zhì)破壞斷裂效果的實現(xiàn)一直都是難點問題，本實驗為了實現(xiàn)在撞擊過程中骨組織的斷裂，采取了以下步驟。首先，將下頜骨的材料屬性設定為分段線彈性材料；其次，在算法中增加了*MAT_ADD_EROSION(材料失效算法)；然后，將材料失效設定為應變失效并設定失效值[13]。通過以上設定，在有限元仿真計算軟件LS-DYNA進行運算時，當軟件檢測到某個單元受到的應變超過了設定的應變值，該單元則會直接被刪除，從而實現(xiàn)了骨質(zhì)的破壞和斷裂，在破壞嚴重的區(qū)域即會出現(xiàn)明顯的骨折。從圖2可以看出，模擬過程逼真，實現(xiàn)了下頜骨的骨質(zhì)破壞和骨折，且損傷部位和程度具有較高的真實性。與此同時，單元的消失會帶走一部分能量，從而影響模擬結(jié)果，為此，本研究還特意加入了*CONTACT_ERODING_NODES_TO_SUR-FACE接觸算法[14]，即當一個單元被刪除后，該單元所受到的能量會自動傳遞到周圍其他的單元上，從而保證了該單元接收到的能量將會自動傳遞到鄰近的下一個單元，從而保證了能量無明顯丟失。從圖3看，動能和內(nèi)能之和與總能量相等，沙漏能小于5.00%，沒有明顯的能量丟失，能量檢查結(jié)果說明本次模擬結(jié)果可靠。從模擬結(jié)果來看，本實驗采用的模擬方法能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍骨質(zhì)斷裂仿真，模擬結(jié)果真實性較高，該方法在骨組織撞擊傷生物力學分析和傷情預判上均具有良好的分析和和預判能力。

創(chuàng)傷生物力學分析中，力學指標的選擇十分重要，本次實驗選取了Von Mises應力和有效應變進行分析，Von Mises應力是一個綜合性應力指標，主要用于反應組織總體應力和在應力作用下的組織化屈服斷裂情況[15]，而有效應變指物體在綜合性應力作用下產(chǎn)生的形變，主要用于判斷骨組織的屈服和斷裂[16]。從圖5可以看出，在5 m/s的撞擊速度下，Von Mises應力主要表現(xiàn)為在撞擊部位快速出現(xiàn)并轉(zhuǎn)化為高應力區(qū)域，隨即向四周擴散，然后迅速減弱并消失，在整個撞擊過程中，出現(xiàn)骨折的撞擊側(cè)髁狀突頸部高應力范圍最廣且持續(xù)時間最久，這也與該處骨組織破壞最為嚴重一致，隨著撞擊速度的增加，也就是撞擊能量的加大，下頜骨整體的Von Mises應力值也變大，在10 m/s時，除撞擊側(cè)髁狀突頸部外，在撞擊點周圍也出現(xiàn)了大面積的高應力區(qū)，表面該處骨質(zhì)出現(xiàn)了破壞，而到了15 m/s時，對側(cè)髁狀突頸部也出現(xiàn)了一定面積的高應力區(qū)域。從圖6可以看出，有效應變的動態(tài)分布情況與Von Mises應力存在一定的相似，也是先出現(xiàn)在撞擊點，然后快速向四周擴散，后逐漸減弱并消失，但與Von Mises應力不同的是，有效應變更集中地表現(xiàn)在出現(xiàn)明顯骨質(zhì)破壞的區(qū)域，且在該部位停留的時間較長，也就是說有效應變較Von Mises應力更能體現(xiàn)骨質(zhì)破壞情況，但無法全面反應骨組織的受力情況，因此在進行系統(tǒng)的骨組織生物力學分析中，需將這兩個治療綜合起來進行分析。從以上的生物力學分析情況可以看出在低速撞擊情況下，受力和損傷主要集中在髁狀突頸部部位，隨著撞擊速度的增加，撞擊點部位的受力進一步加大并出現(xiàn)骨質(zhì)損傷和破壞，在15 m/s的撞擊情況下，除了撞擊側(cè)髁狀突頸部和撞擊點外，對側(cè)髁狀突頸部也出現(xiàn)了骨質(zhì)的破壞。因此Von Mises 應力及有效應變可應用于評判骨組織受力和損傷程度，并成為預測和判定骨組織損傷的生物力學指標之一[17]。

綜上所述，本研究通過利用中國可視化數(shù)字人的頭頸部CT掃描數(shù)據(jù)建立人下頜骨撞擊傷三維有限元模型，動態(tài)模擬不同撞擊速度致傷下頜骨下頜角部位的損傷過程，并對模擬結(jié)果進行生物力學對比分析，從而探討了撞擊物與下頜骨骨組織之間的力學作用和效應，整個模擬過程逼真，真實反映出下頜骨在撞擊物作用下的動態(tài)損傷情況，模擬結(jié)果可為頜面部撞擊傷基礎研究及臨床救治提供指導和數(shù)據(jù)參考。

參考文獻

[1]Ramalingam S,Nooh N,Neelakandan R. The impact of maxillofacial trauma scoring systems in predicting maxillofacial injury severity in developing countries[J]. Oral Maxillofac Surg,2013,42(10): 1232-1233.

[2]Bertram A,Hyam D,Hapangama N. Out-of-hours maxillofacial trauma surgery: a risk factor for complications?[J]. Int J Oral Maxillofac Surg,2013,42(2): 214-217.

[3]Rong JJ,Wang QH,Liu KJ,et al. A new Atlas localization approach for subthalamic nucleus utilizing Chinese visible human head datasets[J]. PLoS One,2013,8(2): 57-64.

[4]Olmez S,Dogan S,Pekedis M,et al. Biomechanical evaluation of sagittal maxillary internal distraction osteogenesis in unilateral cleft lip and palate patient and noncleft patients A three-dimensional finite element analysis[J]. Angle Orthodontist,2014,84(5): 815-824.

[5]黃一，吳秋平，余祖濱，等．胸部撞擊傷致心肺聯(lián)合損傷動物模型的建立[J]．重慶醫(yī)學，2012，41(30)：3188-3191．

[6]Tang Z,Tu WB,Zhang G,et al. Dynamic simulation and preliminary finite element analysis of gunshot wounds to the human mandible[J]. Injury,2012,43(5): 660-665.

[7]Chen YB,Miao YY,Xu C,et al. Wound ballistics of the pig mandibular angle:a preliminary finite element analysis and experimental study[J]. J Biomech,2010,43(6): 1131-1137.

[8]Lei T,Xie LX,Tu WB,et al. Development of a finite element model for blast injuries to the pig mandible and a preliminary biomechanical analysis[J]. J Trauma Acute Care Surg,2012,73(4): 902-907.

[9]Combescure A,Gravouil A,Gregoire D,et al. X-FEM a good candidate for energy conservation in simulation of brittle dynamic crack propagation[J]. Comput Methods Appl Mech Eng,2008,197(5): 309-318.

[10]Tutela JP,Verbist DE,Kelishadi S,et al. Traumatic dislocation of the mandibular condyle into the middle cranial fossa in an elderly patient[J]. J Craniofac Surg,2013,24(5): 1703-1705.

[11]Bege T,Menard J,Tremblay J,et al. Biomechanical analysis of traumatic mesenteric avulsion[J]. Med Biol Eng Comput,2015,53(2): 187-194.

[12]Vavalle NA,Moreno DP,Rhyne AC,et al. Lateral impact validation of a geometrically accurate full body finite element model for blunt injury prediction[J]. Ann Biomed Eng,2013,41(3): 497-512.

[13]雷濤．下頜骨爆炸傷有限元模型的建立、仿真模擬及生物力學機制的初步研究[D]．重慶：第三軍醫(yī)大學，2012．

[14]Di Capua D,Agelet De Saracibar C. A direct elimination algorithm for quasi-static and dynamic contact problems[J]. Finite Elements in Analysis and Design,2015,93(1): 107-125.

[15]Nekkanty S,Yerramshetty J,Kim DG,et al. Stiffness of the endplate boundary layer and endplate surface topography are associated with brittleness of human whole vertebral bodies[J]. Bone,2010,47(4): 783-789.

[16]Liu X,Cao D,Mei H,et al. Effect of particle shapes on effective strain gradient of SiC particle reinforced Aluminum composites[J]. J Phys Conf Ser,2013,419(1): 5293-5304.

[17]Green JO,Nagaraja S,Diab T,et al. Age-related changes in human trabecular bone:relationship between microstructural stress and strain and damage morphology[J]. J Biomch,2011(12): 2279-2285.

Three-dimensional finite element simulation and biomechanical analysis of human mandible injury*

LeiTao1,TuWenbin2,WangTingting1,ZhengJiajun1,XieLiangxian1△

(1.DepartmentofStomatology,324thHospitalofthePeople′sLiberationArmy,Chongqing400020,China;2.MechanicalandElectricalEngineeringCollegeofEastChinaJiaotongUniversity,Nanchang,Jiangxi330013,China)

[Abstract]ObjectiveThe simulation of the human mandible injury was carried out by using the finite element simulation technology,and the biomechanical analysis of simulation results was developed to explore the mechanism of injuries.MethodsThe Chinese Visible Human digital data were used to establish the three-dimensional element model of mandible injuries,and the dynamic processes of human mandible injuries in different conditions were simulated,and the biomechanical analysis were carried out by using the Von Mises stress and effective strain.ResultsThe three-dimensional element model of mandible injuries was established,the dynamic damage and fracture of human mandible were simulated successfully,the mandibular angle and condylar were the predilection parts of high-stress,high-strain and fractures.ConclusionThe Von Mises stress and effective strain can be used to predict and judge the bone tissue injuries,the finite element method can simulate the impact injuries of mandible effectively,and the simulated results can provide guidance and reference for basic research and clinical treatment of oral and maxillofacial injuries.

[Key words]mandible;impact injury;finite element analysis;biomechanics

doi:·論著·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.02.003

基金項目：全軍青年培育項目(13QNP066)；重慶市科委自然基金面上項目(cstc2013jycjA10028)。

作者簡介：雷濤(1979-)，主治醫(yī)師，博士，主要從事頜面部創(chuàng)傷、有限元模擬、生物力學分析。 △通訊作者,E-mail:31485761@ qq.com。

[中圖分類號]R782

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)02-0151-05

(收稿日期：2015-08-10修回日期：2015-09-22)