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(xué)珠江醫(yī)院整形美容科(廣州 510282) 4 暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院(510632)

下頜角截骨整形手術(shù)是面型輪廓重塑中最常見的一種手術(shù)之一，手術(shù)過程中不可避免的受到力的作用，研究其力學(xué)性能對其手術(shù)方案的改進(jìn)有著重要的作用。研究生物力學(xué)的主要方法有實驗方法和有限元方法，鑒于整形手術(shù)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(jié)果重復(fù)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(xué)倫理問題，而且在計算機(jī)上可以對模型的各個部位進(jìn)行詳細(xì)、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(fù)雜形狀的模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(guān)節(jié)的三維有限元力學(xué)模型。通過對鉆鑿法下頜角截骨整形手術(shù)及其他改良術(shù)式的仿真模擬，了解和闡述其生物力學(xué)原理，提出和分析哪種術(shù)式更優(yōu)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

1.1.1 下頜骨標(biāo)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(guān)系，牙周健康，無顳下頜關(guān)節(jié)(Temporal-mandibular joint, TMJ)疾患。

1.1.2 實驗設(shè)備

①CT掃描機(jī)：采用飛利浦Brilliance 64排螺旋CT掃描機(jī)。

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

③試驗用計算機(jī)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(dǎo)入到Solidworks中進(jìn)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(dǎo)入到Ansys軟件中進(jìn)行模型前處理，包括網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置和邊界條件設(shè)置；最后在Ansys中進(jìn)行模型求解和后處理，提取相應(yīng)的分析結(jié)果。

下頜骨的幾何及有限元模型如圖1A所示，皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨和關(guān)節(jié)盤采用四面體單元(Solid92)，肌肉約束采用桿單元(Link10)，接觸設(shè)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(shù)的三維有限元模型建立(模型-1) 在帶顳下頜關(guān)節(jié)的下頜骨三維有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shè)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(cè)顳下頜關(guān)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(shè)計的下頜角截骨整形手術(shù)模型建模(模型-2) 在帶顳下頜關(guān)節(jié)的下頜骨三維有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dāng)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(diào)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(cè)皮質(zhì)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(zhì)骨：選擇下頜角區(qū)域外板，將材料實常數(shù)中厚度設(shè)置為1.0 mm，模擬截骨區(qū)域皮質(zhì)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(cè)顳下頜關(guān)節(jié)及肌肉韌帶的去除下頜角頰側(cè)皮質(zhì)骨均勻鉆孔模型(模型-3)和去除下頜角頰側(cè)皮質(zhì)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(shè)其邊界約束條件如下：約束關(guān)節(jié)窩的模型的上面，前、后面和內(nèi)側(cè)面上節(jié)點所有方向的位移；約束關(guān)節(jié)盤X方向位移；關(guān)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(yù)張力生成模型-5；在左側(cè)下頜角截骨線上方下頜支后緣選擇1 cm范圍內(nèi)的20個節(jié)點，約束所有方向的位移，模擬手術(shù)時術(shù)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(xué)參數(shù) 下頜骨的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及其他組織(髁突軟骨、關(guān)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(xué)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(yīng)關(guān)系，根據(jù)構(gòu)成骨的像素的灰度值(CT值)來進(jìn)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(yīng)的彈性模量都由CT值(Hounsfield)導(dǎo)出。根據(jù)每個單元坐標(biāo)找到對應(yīng)的CT值，經(jīng)過計算得到彈性模量和泊松比，使構(gòu)建的三維有限元模型能夠接近實際臨床。材料的力學(xué)參數(shù)匯總于表2。

表2 下頜骨的力學(xué)參數(shù)

1.2.3 模型的邊界條件 邊界約束條件：約束關(guān)節(jié)窩的模型的上面，前、后面和內(nèi)側(cè)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(yù)張力；約束關(guān)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(cè)約1 cm長范圍內(nèi)骨皮質(zhì)單元節(jié)點。在前端截骨線下方選擇12個皮質(zhì)骨節(jié)點，旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標(biāo)系，使其Z軸與與手術(shù)時骨刀的作用方向一致，與骨表面的夾角約為30°，設(shè)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(dāng)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(zhǔn)則采用最大von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則。當(dāng)單元節(jié)點上的最大von Mises應(yīng)力大于45 Mpa[6]時判定該單元失效。

2 結(jié) 果

2.1 下頜角肥大鉆鑿法截骨整形手術(shù)的分析結(jié)果

2.1.1 失效載荷 計算結(jié)果顯示，失效載荷為2 426N。

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

2.1.3 關(guān)節(jié)盤應(yīng)力分布 關(guān)節(jié)盤在下頜角斷裂失效時的應(yīng)力較小，非手術(shù)側(cè)較手術(shù)側(cè)大，大部分區(qū)域的應(yīng)力值在0.56～7.54 MPa之間，手術(shù)側(cè)的應(yīng)力為0.08～0.56 MPa。

2.2 下頜角鉆鑿法截骨手術(shù)的改進(jìn)結(jié)果

2.2.1 非均勻鉆孔設(shè)計的下頜角截骨整形手術(shù)模型

2.2.1.1 失效載荷 計算結(jié)果，模型-2失效斷裂載荷為2 018N。

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

2.2.1.3 關(guān)節(jié)盤應(yīng)力分布 非手術(shù)側(cè)關(guān)節(jié)盤應(yīng)力大于手術(shù)側(cè)，大部分應(yīng)力為0.09～0.48 MPa，小部分為0.48～8.64 MPa,手術(shù)側(cè)均為0.09～0.48 MPa。模型-2關(guān)節(jié)盤應(yīng)力明顯小于模型-1。

2.2.2 去除下頜角頰側(cè)皮質(zhì)骨模型

2.2.2.1 失效載荷 計算結(jié)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(yīng)力分布 從應(yīng)力分布來看，模型-4比模型-3應(yīng)力分布更加集中。與模型-1和模型-2相比，模型-3、模型-4應(yīng)力分布均明顯集中，最大應(yīng)力分布位于截骨線下半段，頦部已經(jīng)無紅色顯示，說明該部位應(yīng)力明顯減小，見圖2。

圖2 模型-1注：A：下頜角斷裂時von Mises應(yīng)力分布；B：關(guān)節(jié)盤在下頜角斷裂時von Mises應(yīng)力分布

2.2.2.3 關(guān)節(jié)盤應(yīng)力分布 模型-3非手術(shù)側(cè)關(guān)節(jié)盤應(yīng)力大于手術(shù)側(cè)，大部分應(yīng)力為0.065～0.85 MPa，小部分為0.85～9.63 MPa,手術(shù)側(cè)均為0.065～0.85 MPa。模型-4非手術(shù)側(cè)關(guān)節(jié)盤應(yīng)力大于手術(shù)側(cè)，大部分應(yīng)力為0.027～0.94 MPa，小部分為0.94～4.87 MPa,手術(shù)側(cè)均大部分為0.027～0.94 MPa及更低。模型-4關(guān)節(jié)盤應(yīng)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(shù)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(yīng)力分布 模型-5應(yīng)力分布顯示與模型-4相似，但是頦部的應(yīng)力較模型-4明顯減??；模型-5應(yīng)力分布明顯與以前的模型不同，應(yīng)力集中在截骨線及其上方區(qū)域內(nèi)，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(yīng)力明顯減?。荒Ｐ?7應(yīng)力集中更加明顯，范圍較模型-6更小。

2.2.3.3 關(guān)節(jié)盤應(yīng)力分布 模型-5關(guān)節(jié)盤應(yīng)力大部分為0.04～0.95 MPa之間，手術(shù)側(cè)較非手術(shù)側(cè)稍大，少數(shù)區(qū)域為0.95～8.2 MPa；模型-6關(guān)節(jié)盤應(yīng)力手術(shù)側(cè)較非手術(shù)側(cè)明顯增大，關(guān)節(jié)盤前斜面局部地方應(yīng)力在32.6～45.1 MPa之間，后外側(cè)邊緣甚至超過了45.1 MPa；模型7關(guān)節(jié)盤應(yīng)力手術(shù)側(cè)大于非手術(shù)側(cè)，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(jīng)濟(jì)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(shù)截骨的方法來解決。因此，近年來下頜角截骨成型術(shù)成為了流行的整形美容手術(shù)之一[7]。目前，圍繞臨床可操作性和治療效果，針對該手術(shù)的臨床研究并不鮮見。然而，關(guān)于下頜角截骨整形手術(shù)的生物力學(xué)研究少有報道。

口腔生物力學(xué)的研究方法中，有限元分析法的應(yīng)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(yīng)用生物力學(xué)分析方法，建立下頜骨和顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元模型，模擬鉆鑿法及其改良術(shù)式截除下頜角手術(shù)，分析下頜角截骨的斷裂動力學(xué)，及下頜角沖擊載荷對下頜骨和顳下頜關(guān)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(yīng)用開辟了一個新的領(lǐng)域。

模型-1中下頜角的斷裂失效載荷為2 426N。且計算結(jié)果顯示失效應(yīng)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(yīng)力集中顯示。已知下頜骨頦聯(lián)合的強(qiáng)度達(dá)到了GPa數(shù)量級，據(jù)此筆者判斷在下頜角達(dá)到失效閾值發(fā)生斷裂時，頦聯(lián)合部的應(yīng)力仍然不能超過其強(qiáng)度閾值導(dǎo)致頦部骨折，臨床工作中也未見有類似的相關(guān)報道，故在本文中雖然其失效載荷和應(yīng)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(shù)式。盡管如此，探索更為微創(chuàng)、安全的手術(shù)方法是本研究的最終目的，因此根據(jù)下頜骨結(jié)構(gòu)特點和臨床手術(shù)操作條件提出了手術(shù)優(yōu)化方式，實驗對應(yīng)每種方式設(shè)計了模型-2～模型-7， 對手術(shù)條件進(jìn)行仿真。綜合各模型的計算結(jié)果，結(jié)合臨床實際，我們認(rèn)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(cè)皮質(zhì)骨的方法優(yōu)于不去除下頜角頰側(cè)皮質(zhì)骨的方法；在非均勻鉆孔的去下頜角頰側(cè)皮質(zhì)骨手術(shù)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(yīng)指出的是，本文的有限元模擬是基于材料線彈性假設(shè),其物理相似性有進(jìn)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(xué)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(xué)有限元分析的困難在于基于標(biāo)本試驗和生物組織材料力學(xué)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(shù)，以認(rèn)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(xué)模型的定量分析的要求，其進(jìn)一步發(fā)展還有賴于科學(xué)的不斷進(jìn)步。