下颌骨体部缺损腓骨重建小钛板固定的生物力学分析

发布时间：2017-11-22 08:08

  本文关键词：下颌骨体部缺损腓骨重建小钛板固定的生物力学分析

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【摘要】：研究背景 下颌骨是面下部的骨支架,承担着咀嚼、吞咽及咬合等功能。而下颌骨缺损通常使患者的生活质量显著下降,因此下颌骨缺损的修复一直是临床医生普遍关注的问题。骨瓣移植和单纯重建钛板是下颌骨修复的主要手段。自从1989年,Hidalgo首次报道利用腓骨肌皮瓣修复下颌骨缺损以来,腓骨因有骨量充分,可多点截骨塑形重建；血管蒂长,易达吻合部位,口径大,易吻合成功,不易发生血栓；可实施双组手术；供区并发症少；腓骨以皮质骨为主,适合骨结合式种植体的植入等优点,逐步替代了肋骨瓣、桡骨瓣、髂骨瓣等成为修复不同类型下颌骨缺损的最好方法之一。在口腔颌面外科领域,坚强内固定技术因其独特的优势被用于骨折的治疗,现已逐渐应用于下颌骨缺损骨移植修复重建。但是术后也可能发生骨不愈合、感染、钛板断裂及钛钉松动等并发症。小钛板和重建板在两种临床常用的坚固内固定方式,小钛板由于其应用简单,操作时间短,便于选择性拆除。同时能达到精确塑形,术后外形较好,适于缺损范围较小的移植骨瓣固定。但有研究认为其固位力相对不足。 目前对下颌骨缺损腓骨重建固定的生物力学研究较少见,体外人工下颌骨简化模型研究因受材料的性质不一致等因素的影响难以重现下颌骨与腓骨复杂的生物力学环境,其可靠性倍受质疑。随着计算机硬件技术的不断提高,软件的开发升级,三维有限元分析方法逐渐能对人体各部分复杂的非均质结构进行真实模拟和精密分析。本研究通过CT数据精确重建下颌骨和腓骨三维模型,结合三维实体重建软件重建临床常用钛板钛钉模型,然后完成腓骨截取和内固定系统的装配,并通过咬合力加载分析重建术后模型的生物力学特征。本实验真实、精确地重现了下颌骨缺损腓骨重建内固定的过程,模拟了口腔的应力环境,完成了在体内和体外都无法完成的力学评估。 研究目的 本实验基于下颌骨和腓骨的CT数据以及用游标卡尺测量出的临床上常用钛板钛钉的实际尺寸数据,利用有限元计算软件Mimics、ANSYS及逆向重建软件Geomagic、Solidworks建立接近实际情况的由小钛板固定的下颌骨体部缺损腓骨重建的模型,为后续的生物力学研究奠定基础。在此基础上进一步对正常下颌骨及重建下颌骨有限元模型进行咬合加载来模拟前牙及健侧后牙的咬合,分析重建前后模型的整体应力与位移情况,分析钛板钛钉应力位移特点及腓骨前后端的矢量位移情况,为临床上减少下颌骨体部缺损腓骨重建内固定的术后并发症提供生物力学参考。 材料与方法 第一部分下颌骨体部缺损腓骨重建小钛板固定的三维有限元模型 1、研究对象：南方医科大学1名健康成年女性志愿者,无牙列缺损,无颞下颌关节疾患,个别正常牙合,经X线检查排除下颌骨及腓骨疾患。知悉此次实验目的及相关风险,接受后行CT扫描。 2、扫描方式：采用南方医院影像科64排螺旋CT采集下颌骨及腓骨数据。扫描层厚1mm。采集对象取仰卧位于扫描仪台上,利用十字光束定位,保持眶耳平面与地平面垂直,扫描基线与眶耳平面平行。扫描范围：下颌骨下缘至髁突平面,小腿从膝关节至踝关节,所得图像以DICOM格式数据保存。 3、下颌骨及腓骨三维实体模型建立：利用DICOM格式的CT扫描数据输入三维重建软件Mimics10.01中,建立含有骨皮质、骨松质和牙的下颌骨STL格式三维模型,再输入到逆向工程软件Geomagic11.0软件中,对其进行一系列图像精细化处理,生成三维图形IGES文件格式。经过相似的处理过程建立腓骨三维模型。 4、钛板钛钉三维实体模型的建立：利用游标卡尺测量临床常用的四孔小钛板和10mm钛钉规格尺寸数据,输入三维CAD软件Solidworks2011中分别建立钛板、钛钉三维实体模型。钛钉的建立根据以往学者的研究简化为柱状模型。 5、下颌骨体部缺损腓骨重建三维实体模型建立：将已建立的正常下颌骨及腓骨模型数据导入ANSYS Workbench13.0中,利用Workbench强大的模型处理功能,进行部件的布尔运算,截取左侧下颌骨体部及相应长度的腓骨中段,并将其进行定位装配。 6、内固定模型建立：将钛板、钛钉三维模型数据输入到ANSYS Workbench已建立的下颌骨体部缺损腓骨重建三维模型中,分别进行定点装配。固定方式：下颌骨与腓骨交界处两端各均匀放置两块四孔小钛板,板间距4mm,按照骨面形态做钛板外形调整,钛钉长度10mam。 7、有限元网格划分：采用Workbench13.0默认的Solid187实体单元对下颌骨部分及腓骨和钛板钛钉进行自动化网格划分,设定下颌骨及腓骨模型的单元尺寸为1mm～2mm,钛板、钛钉为1mm。 第二部分下颌骨体部缺损腓骨重建小钛板固定模型的生物力学分析 1、边界条件：参考Hart等对下颌骨的边界条件对双侧髁突进行约束,右侧髁突设置为完全固定,左侧髁突仅固定上下、前后方向,而释放侧向约束。进行静态力学三维有限元分析,打开变形效应。 2、接触设置及材料属性：在Workbench中,设定皮质骨与松质骨为完全固定,设定牙齿与皮质骨、钛板与钛钉、钛钉与骨质为Bonded接触,设定下颌骨与腓骨间设置为Bonded接触,设置钛板与下颌骨以及腓骨间为只承受剪切力的Frictionless接触。本实验中涉及到的材料包括皮质骨、松质骨、牙齿、钛金属,其参数均引用于相关文献。假设模型材料和组织均为均质、连续和各向同性的线弹性材料。 3、咬合加载及生物力学分析：分别于健侧第一第二磨牙及前牙施加100N的静态咬合力。分析2种咬合力加载情况下,正常下颌骨和重建后下颌骨模型整体Von Mises应力分布特点及位移趋势；钛板、钛钉的Von Mises应力位移分布、钉孔周围骨质应力以及重建后的腓骨前后端矢量方向上的位移情况。 结果 1、建立了下颌骨体部缺损腓骨重建固定三维实体及有限元模型,其中下颌骨部分包含了皮质骨、松质骨及完整牙列,形态逼真,具有良好的几何相似性；腓骨截取长度精确,与缺损区匹配良好,骨段间间隙小,接触面积大。 2、根据临床常用的四孔小钛板、钛钉实际规格,利用逆向重建软件精确重建了本实验所需钛板钛钉的三维模型。根据先前研究,钛钉为简化圆柱模型,使后期应力分析更加准确。 3、将钛板钛钉按临床实际操作装配至重建后的三维实体模型,通过网格划分获得三维有限元模型。重建下颌骨有限元模型由309830个节点和182871个单元组成；正常下颌骨有限元模型由186035个节点和111580个单元组成。建立的模型元素超过30000个自由度,其后期分析结果取得了相当稳定的收敛效果。 4、通过前牙及健侧后牙咬合力加载获得了正常下颌骨和四孔小型钛板固定下颌骨体部缺损腓骨重建模型的生物力学特征： 根据等效应力分布可知： 整体应力分布：正常下颌骨的髁突颈部、下颌升支前后缘及乙状切迹、下颌角是主要的应力集中区域,并明显可见,髁突颈部至乙状切迹、内外斜嵴至下颌升支应力轨迹线,应力由咬合部位沿着轨迹线向两端传递。重建后的下颌骨模型,在两种加载情况下最大应力值均出现在加载侧髁突颈部；同时,非加载侧髁突颈部、下颌骨残端与腓骨交界处、固定钛钉周围骨质、非加载侧靠近下颌角区域的钛板也是常见的应力集中部位。重建模型的相应部位的应力值比正常模型都有所增加,尤其是在健侧髁突颈部。前牙咬合加载时重建模型和正常下颌骨的最大应力值明显大于后牙咬合加载时。 钛板钛钉应力分布：前牙咬合加载时相应钛板钛钉应力均大于后牙咬合加载时。每块钛板的最大应力值均位于内侧2个钉孔之间,最大值依次为后上板后下板前上板前下板。除了后上方的钛板,其余钛板的最大应力值均位于上缘。两种加载情况下,前下板上钛钉最大应力值从前至后逐渐增大,后上板及后下板上钛钉最大应力值从前至后逐渐减小。所有钛钉最大应力值均在颈部,应力沿着钉尖方向先逐渐减小,在钉尖1/3处出现增大现象。下颌骨残端钛钉最大应力值位于前上方靠近交界处的第一颗钛钉处,腓骨端最大应力值位于后下方钛板靠近腓骨中份的钛钉。 钉孔周围骨质应力分布：钉孔边缘的骨皮质是应力的集中区域。前牙咬合加载时相应钉孔最大应力值均大于后牙咬合加载时。下颌骨残端钉孔最大应力值位于前上方靠近交界处的钉孔,除此之外,下颌骨残端处钉孔应力值均小于腓骨端。腓骨端最大应力值位于前上方靠近腓骨中份的钉孔处。 根据位移分布可知：总体上,前牙咬合加载时重建模型位移趋势大于后牙咬合加载时,对于移植腓骨和钛板钛钉,位移值均从前牙区向髁突方向逐渐减小。腓骨前端位移值均大于后端,前牙咬合加载时腓骨前端最大位移值为264.22μm,而后牙咬合加载时为149.02μm。对腓骨位移沿着其长轴(X)、颊舌向(Y)及上下方向(Z)作矢量分解可见：在两种咬合情况下腓骨矢量方向上的变化趋势基本是一致的,腓骨沿着其长轴方向上的位移从上缘至下缘逐渐减小；颊舌向位移最大值位于腓骨前下方,从前下方和后端向中份上方逐渐减小；上下方向位移从腓骨前端至后端逐渐减小。对腓骨前后端矢量方向上最大位移值提取后发现前端位移趋势：上下方向颊舌向长轴方向。后端位移趋势：颊舌向长轴方向上下方向。 结论 1、利用CT扫描获取下颌骨及腓骨数据结合Solidworks等逆向工程软件及三维有限元Mimics、ANSYS软件建立的下颌骨体部缺损腓骨重建小钛板固定的三维有限元模型,具有良好的几何相似性,骨段间接触面积大,钛板塑形方便,与骨面贴合良好比临床实际操作更加精细；建立的模型结构层次清晰,单元网格划分精细；模型可任意旋转及缩放,亦可进行多角度的观察。这些都为后续的生物力学分析奠定了坚实的基础。 2、根据钛板的等效应力分析可知：最易发生钛板折断的部位位于下颌角区域,尤其是后上方钛板,为钛板折断的高发部位,为临床上防治提供了力学依据,如此处钛板可考虑加固处理,如加宽加厚等,从而减小钛板断裂的风险。 3、根据钛钉应力云图：钛钉尖端及颈部应力大于中份,可见钛钉尖端在承担应力方面发挥着同等重要的作用。因此,选择双皮质钛钉固定于双层皮质骨上对分散钛钉局部应力十分有必要。另一方面,下颌骨残端及腓骨端承担较大应力的钛钉及钉孔,在临床操作中应充分重视其固位性及稳定性。 4、根据整个重建模型、腓骨和钛板钛钉应力及位移形变分析,可知健侧后牙咬合时重建模型的生物力学行为明显优于前牙咬合时,因此术后一段时间内应选择进食流质或使用后牙咀嚼软食,以降低骨不愈合的风险。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R783.1

【参考文献】

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