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        下頜骨骨折有限元模型的建立及相關(guān)研究

        2011-06-08 02:00:56朱國雄黃迪炎
        實(shí)用醫(yī)藥雜志 2011年1期
        關(guān)鍵詞:有限元模型

        徐 巖,朱國雄,黃迪炎

        下頜骨是頜面部體積最大,位置最突出的骨骼,容易受損傷,在平時(shí)或戰(zhàn)時(shí)其損傷的發(fā)生率均較高,頜面骨折首位,占頜面骨折的55%~72%。本研究建立下頜骨骨折三維有限元模型,分析下頜骨創(chuàng)傷可能引起骨折的力學(xué)變化情況。

        1 資料與方法

        1.1 研究對象 選擇1名健康女性,年齡25歲。牙列完整,無任何口腔疾病志愿者為測試對象。對其下頜骨進(jìn)行掃描。掃描范圍:由髁部到髁狀突進(jìn)行橫斷掃描。

        1.2 方法 采用德國西門子公司16排螺旋CT對受檢者頭面部掃描,測試對象采取仰臥位,眶耳平面與水平面垂直,選擇骨組織窗掃描,層厚0.625mm,床進(jìn)速度1 mm/s。掃描時(shí)掃描方向?yàn)榻h(yuǎn)中方向,掃描標(biāo)志線與下頜平面平行,由頦部到髁突連續(xù)掃描??偣搏@取斷層影像101張,直接以Dicom3.0醫(yī)學(xué)數(shù)字通訊標(biāo)準(zhǔn)以光盤形式存儲(chǔ)。將獲得的斷層影像導(dǎo)入比利時(shí)Materialise公司的醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Mimics中,直接建立下頜骨三維表面模型(圖1),并在Mimics軟件中FEA模塊下進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分,通過接口網(wǎng)格模板導(dǎo)入MSC.patran,可以在封閉的曲面風(fēng)格上生成四面體,故利用軟件功能將前面導(dǎo)入的顱上頜骨面網(wǎng)格進(jìn)行拓?fù)?,從而生成四面體網(wǎng)格,這樣就完成了下頜骨三維實(shí)體網(wǎng)格劃分。利用軟件中自帶的CT圖像灰度值-組織力學(xué)材料性質(zhì)關(guān)系公式,對三維下頜骨網(wǎng)格模型各單元進(jìn)行材料分配。本實(shí)驗(yàn)所涉及的生物材料的材料力學(xué)特性為非均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的彈性材料。選擇骨皮質(zhì)彈性模量為104700kPa(1kPa=7.5mmHg),泊松比為0.30;松質(zhì)骨彈性模量為7 900 MPa,泊松比為0.30[1]。牙的彈性模量為20 290 MPa,泊松比為0.30[2],最后得出完整的下頜骨有限元模型。

        圖1 Mimics中生成下頜骨3D模型

        1.3 邊界條件 把髁狀突抽象為固定鉸鏈約束,三維方向都是固定約束,下頜骨是唯一一個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié),因此設(shè)定邊界條件時(shí)雙側(cè)髁突固定。

        1.4 加載方式 于下頜骨頦部頦正中聯(lián)合處、下頜骨體部及下頜角部,髁突等部位,取合適部位10個(gè)節(jié)點(diǎn)平均分配力的大小,方向是水平方向的撞擊力合力大小為100 N。

        2 結(jié) 果

        獲得正常下頜骨CT掃描斷層影像和數(shù)據(jù)并通過建立Mimics軟件建立了下頜骨三維有限元模型(圖2),重現(xiàn)了下頜骨的幾何外形,能夠得到下頜骨髁突的直觀整體印象,最后得到模型共得到80044節(jié)點(diǎn)和18 441單元。

        圖2 生成的下頜骨實(shí)體網(wǎng)格模型圖

        在一側(cè)髁突頸部加100 N水平方向的力,加力處髁突和對側(cè)髁突頸部應(yīng)力最大,最大處8.26 MPa,位移最大為0.045 mm,壓力傳導(dǎo)整個(gè)骨組織中主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。雙側(cè)髁突頸部應(yīng)力最大,其次是下頜骨頦部下緣,其余處應(yīng)力值均較小,骨皮質(zhì)中最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在髁突區(qū)域(圖3、4)。

        圖3 于髁突頸部加力下頜骨應(yīng)力變化圖

        圖4 下頜髁突加力后位移圖

        3 討 論

        下頜骨位于面下1/3,是顱面部唯一能活動(dòng)的骨骼,對于正常咀嚼起到非常重要的作用,下頜骨生物力學(xué)研究主要是對下頜骨骨折的治療進(jìn)行指導(dǎo)。下頜骨骨折的部位多位于受力集中且骨質(zhì)薄弱的部位,或發(fā)生變形較大的部位。從臨床上看,下頜骨骨折多發(fā)生在髁突頸部、頦聯(lián)合處、下頜角區(qū)、頦孔區(qū)。

        本研究首次利用有限元分析對下頜骨骨折進(jìn)行了受力分析實(shí)驗(yàn),得到了加力作用下下頜骨骨折的應(yīng)力分布情況:①當(dāng)加一定力時(shí),常規(guī)會(huì)認(rèn)為加力部位應(yīng)力較大容易發(fā)生骨折,筆者分別從下頜骨的頦部、下頜骨體部、下頜角及髁突四個(gè)部位加力,反而出現(xiàn)了髁突應(yīng)力最大,加力部位相對較小;從結(jié)果可以看出應(yīng)力值最大的部位均出現(xiàn)在髁突,充分說明了髁突發(fā)生骨折的危險(xiǎn)性大;頦部加力結(jié)果也驗(yàn)證了白樂康等[3]的下頜骨的應(yīng)力集中區(qū)在髁突前斜面;②外力的作用于頦部時(shí),雙側(cè)髁突前斜面遭受到最大應(yīng)力,其次是下頜頦部受力部位,加100 N的壓力時(shí)大約相差2.5 MPa。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出兩側(cè)的髁突應(yīng)力值不同,位移變化不同,因?yàn)榱Φ姆峙洳豢赡苓_(dá)到兩側(cè)完全平衡,這也充分驗(yàn)證日常生活中,由于車禍、撞擊傷及訓(xùn)練時(shí)頦部受力后,如出現(xiàn)頦部骨折,一般都會(huì)伴有雙側(cè)髁突骨折;外力作用一側(cè)下頜體部時(shí),同側(cè)髁突頸部應(yīng)力最大,其次是直接受力部位,再是對側(cè)髁突頭部;作用于下頜角時(shí)應(yīng)力值最大的部位為同側(cè)的髁突頸部,其次為下頜角部;這對下頜骨髁突的臨床損傷情況可以提供一定的傷情判斷依據(jù),即可以根據(jù)外力作用部位考慮髁突骨折類型;③從模擬受力考慮在實(shí)際的撞擊中,隨著外力的增大,在撞擊部位出現(xiàn)折裂或骨折,當(dāng)骨折發(fā)生后,應(yīng)力出現(xiàn)部分傳導(dǎo)中斷,骨折的發(fā)生可以保護(hù)后部的深層組織,減輕深部組織的損傷,加之肌肉組織的襯墊作用,使撞擊接觸時(shí)間變長,大大減小了撞擊的力量。因此,從某種意義上來說骨折還有益處,它對對重要的組織有一定保護(hù)作用。

        本研究應(yīng)用有限元方法對下頜骨受力損傷引起骨折進(jìn)行模擬分析,由于實(shí)驗(yàn)條件有限,實(shí)際情況,下頜骨骨折受力狀態(tài)十分復(fù)雜,有待于進(jìn)一步研究。

        [1]Radhkrishnam P,Mao J.Nanomechanical properties of facial sutures and sutural minealization front[J].Dent Res,2004,83(6):470-475.

        [2]Champy M,wilk A,Schnebelen JM.Treatment of mandibular fractures by means of osteosynthesis without intermaxillary immobilization according to FX.Michelel’technic[J].Zahn Mund kieferheilkd Zentralbl,1975,63(4):339-344.

        [3]白樂康,安 虹,杜 斌.無牙頜患者垂直距離對髁突前斜面應(yīng)力分布的影響.口腔醫(yī)學(xué),2007,27(2):67-69.

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