基于力學仿真的下頜角截骨整形技術研究

趙儷月 蘇 偉 張 勁 李軍奎

1 廣州市第一人民醫(yī)院(廣州 510180) 2 中國賽寶實驗室(廣州 510610) 3 南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院整形美容科(廣州 510282) 4 暨南大學力學與建筑工程學院(510632)

下頜角截骨整形手術是面型輪廓重塑中最常見的一種手術之一，手術過程中不可避免的受到力的作用，研究其力學性能對其手術方案的改進有著重要的作用。研究生物力學的主要方法有實驗方法和有限元方法，鑒于整形手術實驗方法的局限性，利用有限元法則在實驗數(shù)據(jù)采集、實驗結果重復性及實驗條件要求等方面有著明顯的優(yōu)勢，同時避免了醫(yī)學倫理問題，而且在計算機上可以對模型的各個部位進行詳細、直觀、動態(tài)的觀察,數(shù)據(jù)保存和分析方便[1]，它具有豐富的生物材料庫，能處理復雜形狀的模型，進行結構的強度分析和優(yōu)化分析，獲得巨大的信息量。本文借助有限元方法，建立高度仿真的下頜骨和顳下頜關節(jié)的三維有限元力學模型。通過對鉆鑿法下頜角截骨整形手術及其他改良術式的仿真模擬，了解和闡述其生物力學原理，提出和分析哪種術式更優(yōu)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 下頜骨標本 選擇顱頜面系統(tǒng)發(fā)育正常的健康24歲青年女性志愿者，I類磨牙關系，牙周健康，無顳下頜關節(jié)(Temporal-mandibular joint, TMJ)疾患。

1.1.2 實驗設備

①CT掃描機：采用飛利浦Brilliance 64排螺旋CT掃描機。

②實驗所用計算機系統(tǒng)硬件配置：CPU Core E5 32核2.5GHz，64G DDR4內存，2T硬盤。

③試驗用計算機操作系統(tǒng)：Windows 10 Professional。

1.1.2 實驗用軟件 Mimics17.0(Materialise’s Interactive Medical Image Control System)；SolidWorks2017(Dassault Systèmes SolidWorks Corp)；Ansys17.0(Analysis System)。

1.2 分析方法

通過CT掃描生成三維幾何圖形，然后導入到Solidworks中進行模型處理，采用Solidworks間接法建立下頜骨三維有限元模型；然后導入到Ansys軟件中進行模型前處理，包括網(wǎng)格劃分、材料屬性設置和邊界條件設置；最后在Ansys中進行模型求解和后處理，提取相應的分析結果。

下頜骨的幾何及有限元模型如圖1A所示，皮質骨、松質骨和關節(jié)盤采用四面體單元(Solid92)，肌肉約束采用桿單元(Link10)，接觸設置采用接觸單元對。

1.2.1 模型的建立

1.2.1.1 鉆鑿法下頜骨截骨整形手術的三維有限元模型建立(模型-1) 在帶顳下頜關節(jié)的下頜骨三維有限元模型的基礎上進行模型鉆孔：咬合平面與下頜支后緣的交點為截骨線的上端；下頜支前緣的延長線與下頜體下緣的交點為截骨線的下端；第三磨牙與下頜角點的連線上距下頜角點1.0 cm為截骨線中間點。由中間點至截骨線上下兩端均勻鉆孔，孔徑1.0 mm，孔距2.0 mm，共鉆孔25 個。運用Ansys建模工具，按設計截骨方法在下頜骨上生成25個直徑1 mm圓柱，通過布爾運算從下頜骨模型上減去圓柱，得到下頜骨鉆孔后體模型。劃分有限元網(wǎng)格、生成建立包含下頜骨，雙側顳下頜關節(jié)及肌肉韌帶的模型，即模型-1。見圖1B。

圖1 下頜骨三維模型注：A:下頜骨三維幾何模型；B:模型-1

1.2.1.2 非均勻鉆孔設計的下頜角截骨整形手術模型建模(模型-2) 在帶顳下頜關節(jié)的下頜骨三維有限元模型的基礎上進行模型鉆孔：截骨線的上下端位置同模型-1；第三磨牙與下頜角點的連線上距下頜角點1.0 cm為截骨線中間點。截骨線下端開口約7 mm長(相當于7個連續(xù)鉆孔)，截骨線上端連續(xù)鉆孔5個；中間孔與兩端開口的上下端之間根據(jù)截骨斷面面積與模型-1相等(兩個模型鉆孔數(shù)量相等)的原則調整?？讖?.0 mm，孔距約3.0 mm。共鉆孔25個。

1.2.1.3 去除下頜角頰側皮質骨模型(模型-3、模型-4) 按均勻鉆孔和非均勻鉆孔的方法分別建模。

去除截骨線上緣皮質骨：選擇下頜角區(qū)域外板，將材料實常數(shù)中厚度設置為1.0 mm，模擬截骨區(qū)域皮質骨被磨削去除約4.0 mm。參考模型-1、模型-2的鉆孔方法，生成建立包含下頜骨，雙側顳下頜關節(jié)及肌肉韌帶的去除下頜角頰側皮質骨均勻鉆孔模型(模型-3)和去除下頜角頰側皮質骨非均勻鉆孔模型(模型-4)。

1.2.1.4 改變模型的邊界約束條件(模型-5、模型-6、模型-7) 使用模型4，設其邊界約束條件如下：約束關節(jié)窩的模型的上面，前、后面和內側面上節(jié)點所有方向的位移；約束關節(jié)盤X方向位移；關節(jié)盤和髁突及下頜窩定義為3D面面接觸單元對。模擬肌肉的桿單元上加載最大肌力的軸向預張力生成模型-5；在左側下頜角截骨線上方下頜支后緣選擇1 cm范圍內的20個節(jié)點，約束所有方向的位移，模擬手術時術者以手指固定下頜支后緣，生成模型-6；模型-7同時采用以上兩種附加約束方法。

1.2.2 材料的力學參數(shù) 下頜骨的皮質骨、松質骨及其他組織(髁突軟骨、關節(jié)盤等)均為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性材料。骨組織力學參數(shù)由下頜骨CT值計算得出。利用頜骨CT值、表觀密度和骨彈性模量之間的對應關系，根據(jù)構成骨的像素的灰度值(CT值)來進行插值計算，得到此骨的表觀密度，并由表觀密度推算出它的彈性模量[2]。

在本研究中，骨表觀密度及其相應的彈性模量都由CT值(Hounsfield)導出。根據(jù)每個單元坐標找到對應的CT值，經過計算得到彈性模量和泊松比，使構建的三維有限元模型能夠接近實際臨床。材料的力學參數(shù)匯總于表2。

表2 下頜骨的力學參數(shù)

1.2.3 模型的邊界條件 邊界約束條件：約束關節(jié)窩的模型的上面，前、后面和內側面上節(jié)點和桿單元上端所有方向的位移；模擬肌肉的桿單元上加載25%最大肌力的軸向預張力；約束關節(jié)盤X方向位移。模型-5、模型-6、模型-7的邊界約束條件同1.2.1.5小節(jié)介紹。

載荷施加：載荷施加位置位于截骨線前端，后下側約1 cm長范圍內骨皮質單元節(jié)點。在前端截骨線下方選擇12個皮質骨節(jié)點，旋轉節(jié)點坐標系，使其Z軸與與手術時骨刀的作用方向一致，與骨表面的夾角約為30°，設置有限元模型加載方向為Z軸。載荷的大小從100N開始，每步增加100N，步長1 ms。判定當模擬骨折線長度等于截骨線長度的90%時，下頜骨完全斷裂。

1.2.4 失效判據(jù) 失效準則采用最大von Mises應力準則。當單元節(jié)點上的最大von Mises應力大于45 Mpa[6]時判定該單元失效。

2 結 果

2.1 下頜角肥大鉆鑿法截骨整形手術的分析結果

2.1.1 失效載荷 計算結果顯示，失效載荷為2 426N。

2.1.2 下頜骨應力分布 計算結果顯示，模型-1截骨線下端施加沖擊載荷后下頜骨應力主要分布在截骨線下端，同時向頦聯(lián)合部傳導；在達到失效載荷時，骨折線下端和頦聯(lián)合部都有明顯的應力集中，應力最大值位于下頜體前部。

2.1.3 關節(jié)盤應力分布 關節(jié)盤在下頜角斷裂失效時的應力較小，非手術側較手術側大，大部分區(qū)域的應力值在0.56～7.54 MPa之間，手術側的應力為0.08～0.56 MPa。

2.2 下頜角鉆鑿法截骨手術的改進結果

2.2.1 非均勻鉆孔設計的下頜角截骨整形手術模型

2.2.1.1 失效載荷 計算結果，模型-2失效斷裂載荷為2 018N。

2.2.1.2 下頜骨應力分布 下頜骨應力分布云圖顯示，應力集中于截骨線下端并向前方頦部傳導，最大應力點位于頦部。但頦部紅色顯示的應力區(qū)域明顯小于模型-1。

2.2.1.3 關節(jié)盤應力分布 非手術側關節(jié)盤應力大于手術側，大部分應力為0.09～0.48 MPa，小部分為0.48～8.64 MPa,手術側均為0.09～0.48 MPa。模型-2關節(jié)盤應力明顯小于模型-1。

2.2.2 去除下頜角頰側皮質骨模型

2.2.2.1 失效載荷 計算結果，模型-3下頜角斷裂失效載荷為1 854N，模型-4為1 447N。

2.2.2.2 下頜骨應力分布 從應力分布來看，模型-4比模型-3應力分布更加集中。與模型-1和模型-2相比，模型-3、模型-4應力分布均明顯集中，最大應力分布位于截骨線下半段，頦部已經無紅色顯示，說明該部位應力明顯減小，見圖2。

圖2 模型-1注：A：下頜角斷裂時von Mises應力分布；B：關節(jié)盤在下頜角斷裂時von Mises應力分布

2.2.2.3 關節(jié)盤應力分布 模型-3非手術側關節(jié)盤應力大于手術側，大部分應力為0.065～0.85 MPa，小部分為0.85～9.63 MPa,手術側均為0.065～0.85 MPa。模型-4非手術側關節(jié)盤應力大于手術側，大部分應力為0.027～0.94 MPa，小部分為0.94～4.87 MPa,手術側均大部分為0.027～0.94 MPa及更低。模型-4關節(jié)盤應力明顯小于模型-3。

2.2.3 約束條件變化對下頜角截骨手術影響模型

2.2.3.1 失效載荷 模型-5失效載荷1183N；模型-6失效載荷1028N；模型-7失效載荷876N。

2.2.3.2 下頜骨應力分布 模型-5應力分布顯示與模型-4相似，但是頦部的應力較模型-4明顯減?。荒Ｐ?5應力分布明顯與以前的模型不同，應力集中在截骨線及其上方區(qū)域內，而且較以前模型更加集中，方向與截骨線相同，下頜骨其他部位應力明顯減??；模型-7應力集中更加明顯，范圍較模型-6更小。

2.2.3.3 關節(jié)盤應力分布 模型-5關節(jié)盤應力大部分為0.04～0.95 MPa之間，手術側較非手術側稍大，少數(shù)區(qū)域為0.95～8.2 MPa；模型-6關節(jié)盤應力手術側較非手術側明顯增大，關節(jié)盤前斜面局部地方應力在32.6～45.1 MPa之間，后外側邊緣甚至超過了45.1 MPa；模型7關節(jié)盤應力手術側大于非手術側，大部分區(qū)域為0.52-3.25 MPa之間，最大不超過9.86 MPa。

3 討 論

隨著經濟的發(fā)展，人們對美的追求越來越高，而下頜角肥大則是亞洲人常見的美容問題，對于此類患者，需要通過手術截骨的方法來解決。因此，近年來下頜角截骨成型術成為了流行的整形美容手術之一[7]。目前，圍繞臨床可操作性和治療效果，針對該手術的臨床研究并不鮮見。然而，關于下頜角截骨整形手術的生物力學研究少有報道。

口腔生物力學的研究方法中，有限元分析法的應用較為普遍[8-10]， 以活體下頜骨的CT圖像為原始數(shù)據(jù)建立下頜骨三維有限元模型的方法已很成熟，模型的相似度也越來越高。本研究應用生物力學分析方法，建立下頜骨和顳下頜關節(jié)三維有限元模型，模擬鉆鑿法及其改良術式截除下頜角手術，分析下頜角截骨的斷裂動力學，及下頜角沖擊載荷對下頜骨和顳下頜關節(jié)的影響。以期對臨床實際工作提供有益的幫助，為有限元研究方法在整形外科的應用開辟了一個新的領域。

模型-1中下頜角的斷裂失效載荷為2 426N。且計算結果顯示失效應力主要集中于下頜角截骨線的下端，同時下頜骨頦聯(lián)合部也有明顯的應力集中顯示。已知下頜骨頦聯(lián)合的強度達到了GPa數(shù)量級，據(jù)此筆者判斷在下頜角達到失效閾值發(fā)生斷裂時，頦聯(lián)合部的應力仍然不能超過其強度閾值導致頦部骨折，臨床工作中也未見有類似的相關報道，故在本文中雖然其失效載荷和應力分布較其他模型大，但鉆鑿法仍然是一種相對安全有效的術式。盡管如此，探索更為微創(chuàng)、安全的手術方法是本研究的最終目的，因此根據(jù)下頜骨結構特點和臨床手術操作條件提出了手術優(yōu)化方式，實驗對應每種方式設計了模型-2～模型-7， 對手術條件進行仿真。綜合各模型的計算結果，結合臨床實際，我們認為非均勻鉆孔的方法優(yōu)于均勻鉆孔的方法，去除下頜角頰側皮質骨的方法優(yōu)于不去除下頜角頰側皮質骨的方法；在非均勻鉆孔的去下頜角頰側皮質骨手術模型上，單獨增加最大咬合力約束或下頜支后緣約束與同時增加最大咬合力和下頜支后緣約束都能明顯減少失效載荷，但同時施加最大咬合力和下頜支后緣約束的方法最優(yōu)。

應指出的是，本文的有限元模擬是基于材料線彈性假設,其物理相似性有進一步提高的空間, 特別是建立具有非線性、各向異性、動態(tài)等生物力學特性的三維有限元模型,以真正向生物仿真方向發(fā)展。生物力學有限元分析的困難在于基于標本試驗和生物組織材料力學理論的材料參數(shù)的客觀性評價，因此本文僅是根據(jù)現(xiàn)有技術，以認識規(guī)律、發(fā)現(xiàn)和解決問題為目的，目前尚不能滿足對生物力學模型的定量分析的要求，其進一步發(fā)展還有賴于科學的不斷進步。