论文摘要
下颌骨是颌面部骨骼的重要组成部分,不仅支撑面部轮廓与外形,更维系口腔功能,尤其是咀嚼功能。下颌骨肿瘤术后及下颌骨外伤均可造成不同程度的下颌骨缺损,给患者造成极大的功能障碍和生理、心理障碍,严重影响患者的生存质量和生活质量。所以下颌骨的重建不仅要恢复解剖外形,更为重要的是恢复必要的生理功能。近年来大量学者对下颌骨缺损重建方法进行探讨,从成型钛板重建到非血管化骨移植重建,到血管化骨组织瓣重建都是常用的方法。各种重建方法各有利弊,但最终目的是有效恢复患者的生理功能和社会功能。临床重建方法的选择主要根据疾病情况和患者情况来决定,目前临床常见下颌骨缺损为体部缺损,而下颌骨体部缺损重建应用最基本的是成型钛板重建,能有效恢复了患者的美观,保障了基本的社会功能,近期效果较好。随着术后随访发现在临床应用中也存在一定的问题,如钛板松动、折裂,钛钉脱落,远期咀嚼效率下降等问题,提示我们钛板内固定重建下颌骨体部缺损可能存在某部分的应力集中现象。所以下颌骨的重建不仅是考虑恢复颌骨的连续性和完整性,还需考虑后期功能咀嚼时承受的应力集中问题。我们通过对大量的下颌骨缺损钛板重建临床病例的观察发现,钛板松动折裂是最主要的并发症,尽管临床观察具有统计学意义,但缺乏实验室数据支持。这也是临床医学与基础研究一直在努力研究的一个重要环节。本研究拟建立含完整牙列的下颌骨三维有限元模型,在此基础上模拟下颌骨体部缺损并行钛板内固定重建。探讨了下颌骨体部缺损钛板内固定重建的生物力学分布情况,详细了解了钛板内固定重建后剩余下颌骨及钛板钛钉的生物力学分布状况,并对内固定钛钉做了应力比较,为优化内固定及下颌骨体部缺损钛板重建临床并发症的防治提供参考依据。第一部分含完整牙列的下颌骨三维有限元模型的建立目的本研究通过运用CT扫描技术,结合Mimics、Freeform等逆向工程软件,建立由单个牙组成完整牙列的下颌骨三维有限元模型,分析咀嚼加载对下颌骨应力的分布及影响。材料与方法1、建模数据来源选择南方医科大学附属南方医院口腔颌面外科一名健康的志愿者,男性26岁,牙列完整,无牙列拥挤,咬合关系正常的个别正常颌。经X线检查排除颌骨疾患,采用64层CT进行下颌骨连续水平扫描。扫描参数：层厚1mm,球管电流200mA,电压120kV；扫描范围：下颌骨下缘至髁突平面,得到180层清晰的骨窗断层图像,所得图像以DICOM格式保存。2、约束边界及设置条件：约束边界为咀嚼时髁突与关节面紧密接触。假设条件：本实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质,连续和各向同性的线弹性材料,受力时各接触界面不产生滑动,各单元有足够的稳定性。3、三维有限元模型的建立：将所获得的DICOM格式的图像导入Mimics13.0,首先进行图像分割,获得由单个牙齿组成完整牙列的下颌骨三维模型,然后重建好的三维模型导入Freeform进行模型修改和手工铺面；以IGES格式导入ANSYS有限元软件网格划分；最后形成包含完整牙列,骨松质,骨密质的下颌骨三维有限元模型。4、三维有限元模型的验证：模拟咬合加载,垂直加载于下颌第一磨牙中央窝处,加载大小为模拟下颌磨牙最大咬合力均数的一半200N。加载方式为静态加载。结果1、利用三维重建软件Mimics和有限元软件Ansys成功建立了含完整牙列的下颌骨生物力学模型。建成模型有较好的几何相似性,建成的模型骨皮质共生成40850节点,形成20070个等参四面体单元,骨松质共生成45934个节点,形成27557个等参四面体单元,牙齿共生成50184个节点,形成31420个等参四面体单元。2、对模型进行模拟正中咬合加载：咬合加载后下颌骨应力分布集中于下颌骨体部及升支部,且下颌支前缘、后缘及下颌骨下缘有明显应力集中区域,下颌支前缘受力大于后缘,颏部应力分布均匀,未见明显应力集中。对侧下颌骨力学分布与加载侧相比具有对称性,力量经过颏部的传导分散后较加载侧稍微降低。松骨质力学分布与皮骨质力学分布相协调。正常咬合状态下咬合力沿牙齿长轴经牙槽骨分散到下颌骨,牙齿分散应力较小。结论利用CT扫描技术结合Mimics、Freeform等逆向工程软件可建立真实含完整牙列下颌骨三维有限元模型。建立的模型结构层次清晰,单元网格划分精细形状逼真,具有较好的几何相似性,与临床实际状况接近,可任意旋转及缩放。还可以进行多种方式的观察。第二部分下颌骨体部缺损双皮质钛钉钛板重建的三维有限元分析目的本研究在第一部分实验基础上模拟一侧下颌骨体部缺损,行双皮质钛钉成型钛板内固定重建。分析了重建后剩余下颌骨的应力分布及位移趋势,钛板钛钉的应力分布情况,同时与正常下颌骨应力分布做比较。在钛板钛钉应力分布基础上精确分析双皮质钛钉观察线,钛板观察线应力分布情况,为临床降低下颌骨体部缺损钛板重建的手术并发症提供参考依据。材料与方法1、采用实验第一部分所建立的含完整牙列的下颌骨三维有限元模型,模拟一侧下颌骨体部缺损,并行双皮质钛钉钛板内固定重建,建立下颌骨体部缺损钛板重建的三维有限元模型。2、约束边界及设置条件：约束边界为正中咬合时双侧髁突位于中央位置。髁突关节前斜面,关节盘中间带,关节结节后斜面三者紧密接触。假设条件：本实验所涉及的生物材料的材料力学特性均假定为均质,连续和各向同性的线弹性材料,受力时各接触界面不产生滑动,各单元有足够的稳定性,钛板钛钉与临床应用尺寸大小一致。3、载荷条件：模拟咬合加载,垂直加载于下颌第一磨牙中央窝处,加载大小为模拟下颌磨牙最大咬合力均数的一半200N。加载方式为静态加载。4、观察指标：观察钛板重建后下颌骨应力分布情况,皮质骨应力分布,松质骨应力分布,钛板应力分布,钛钉应力分布,是否有应力集中区域。根据临床选择分析观察路径,观察钛板钛钉的详细生物力学分布情况,绘制钛钉观察线的应力分布曲线,绘制钛板上缘下缘两条观察线的应力分布曲线,为临床应用提供参考依据。结果1、下颌骨体部缺损双皮质钛钉钛板重建模型有限元分析：建立了一个左侧下颌骨体部缺损双皮质钛钉钛板重建的模型,对该模型进行磨牙区加载后应力分布示：咬合加载后下颌骨应力分布集中于下颌体及下颌支,且下颌支前缘、后缘及下颌骨下缘有明显应力集中区域,前缘受力大于后缘,颏部应力分布均匀。左侧钛板内固定区域与剩余骨质接触处有应力集中分布。钛板应力分布示：缺损处钛板整体受力相对均匀,内固定处钛板受力较小。钛钉应力分布示：全部双皮质钛钉尖端未见明显应力集中,钛钉靠近镙帽处应力较尖端明显。加载后位移图示：下颌骨体部缺损前端下颌骨及钛板最易发生位移。2、下颌骨体部缺损双皮质钛钉内固定重建,应力分别集中于固定区域首尾两颗钛钉周围,钛钉镙冒端承担较多的应力,钛钉尖端承担应力较小,钛钉尖端1/3基本不承担应力,两端钛钉承担应力大于中间钛钉,下颌升支区域钛钉应力比颏部钛钉应力较大。钛板上下两条边缘应力分布曲线显示,上缘承担应力变化大于下缘,应力急剧变化较下缘明显,呈现8个波峰,为钛板与钛钉接触处应力集中区域。结论1、在含完整牙列下颌骨三维有限元模型的基础上模拟的下颌骨体部缺损钛板内固定重建应力分析显示：全部双皮质钛钉固位稳定,钛钉的尖端未见明显应力集中,钛钉镙冒处有明显的应力集中现象,其它部位应力分布与正常下颌骨具有相似性,双皮质钛钉,钛板传导并承担部分应力。2、双皮质钛钉,钛板应力分布曲线显示最容易发生折裂的部位在下颌角前端的钛板,钛板上缘相对下缘更容易发生应力的急剧改变,导致钛板折裂。在下颌升支区域钛板内固定时,应选用双皮质钛钉。对于颏部固定可适当降低钛钉长度,该模型与临床病例具有较好的相似性,为下颌骨体部缺损钛钉钛板内固定重建的改良及临床并发症的防治提供了理论依据。