甘肅省蘭州市口腔醫(yī)院 （甘肅 蘭州 730000）

內(nèi)容提要： 目的：通過生物力學方法分析已有的個體化下頜贗復體模型，對其下頜骨雙側(cè)髁突進行應力分布描述，建立下頜骨贗復體的三維有限元模型并進行初步優(yōu)化設(shè)計探討。方法：構(gòu)建正常生理狀態(tài)的下頜骨的三維有限元模型，并通過CAD軟件人工模擬缺損，根據(jù)缺損情況模擬構(gòu)建兩種厚度的贗復體，最后建立三維有限元模型并分析力學結(jié)構(gòu)的合理性。結(jié)果：根據(jù)下頜骨缺損模型建立不同工況下的兩個有限元模型。力學分析結(jié)果表明：兩種不同的工況下應力均可以經(jīng)由贗復體傳導，其中在常規(guī)工況時雙側(cè)髁突應力呈現(xiàn)不對稱分布，而在對照工況時兩側(cè)髁突應力則呈現(xiàn)相對一致對稱的分布。結(jié)論：通過建立下頜骨三維有限元模型，并結(jié)合力學分析，能夠為下頜骨缺損的贗復體優(yōu)化設(shè)計提供幫助。

快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)在應用于醫(yī)療行業(yè)后迅速發(fā)展，能夠在人體組織修復方面為臨床治療提供幫助，本文所涉及的下頜骨缺損修復就是其中的一個應用方向。通過RP技術(shù)可以在精密鑄鈦工藝的輔助下完成數(shù)字化的頜骨修復設(shè)計，同時該技術(shù)也幫助下頜骨缺損的修復達到個體化定制水平。國內(nèi)近年來已經(jīng)出現(xiàn)了不少成功案例，但與生物力學方面相關(guān)的研究較少[1,2]。本研究旨在通過影像學技術(shù)和計算機輔助建模技術(shù)模擬不同厚度的下頜骨個體化贗復體對缺損進行修復，建立三維有限元模型，分析不同工況下的下頜骨修復力學情況。本文旨在為下頜骨三維有限元模型的建立及優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)，進而提高下頜骨三維修復的臨床可行性。

1.資料與方法

1.1 臨床資料

模型參考素材：選擇一位成年健康女性志愿者提供參考模型，要求該志愿者的牙列完整，牙合解剖關(guān)系正常，且顳下頜關(guān)節(jié)完全正常無紊亂，不存在關(guān)節(jié)彈響、咬合障礙、疼痛以及脫位等癥狀和體征。

1.2 方法

1.2.1 掃描方法。采用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的多層螺旋CT掃描，平行于眶耳平面，具體范圍從眶上緣至下頜骨下緣，取得下頜骨缺損患者的原始斷層影像。通過中心工作站對圖像進行三維多平面重建，并調(diào)節(jié)窗寬和窗位，重建皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨。

1.2.2 模型的建立。圖像數(shù)據(jù)輸入MIMICS7.1，定義Thresholds值來識別目標區(qū)域并三維疊加運算，展示3D形式顯示目標區(qū)域。分開重建皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨。Mimics7.1處理后導入Geomagic Studio4.0，保留頜骨并分別對下頜骨皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)盤等分別設(shè)計、重構(gòu)和包絡(luò)。

在MIMICS 7.1處理后導入Geomagic Studio4.0并模擬缺損，沿下頜側(cè)切牙近中至同側(cè)第一前磨牙遠中做切除。根據(jù)缺損設(shè)計甲、乙兩種工況條件的下頜骨贗復體，包括由體部和延伸板。延伸板取自原斷端，吻合延伸板與兩骨斷端。甲：與實際情況相同，設(shè)計個體化贗復體：長2.2cm，寬1cm，高1.5cm，厚0.8mm。延伸板長1.6cm，高1.2cm，厚1.2mm；乙：與甲的長度、寬度及高度相同，且缺損位置相同，同時厚度設(shè)定為1mm。在體部的同一位置打孔，直徑2.5mm。生成圓柱體模擬鈦釘，之后分別曲面重構(gòu)和包絡(luò)皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨及個體化假體。最后各模型處理后的導入Ansys9.0組合和網(wǎng)格劃分[3]。最大咀嚼肌力計算公式：Fimax=PAi。P為內(nèi)在強度常數(shù)，P=4×105Nm-2。

2.結(jié)果

2.1 建立下頜骨有限元模型

模擬兩側(cè)各四組咀嚼肌在正中咬合時下頜骨受力狀況，標記不同咀嚼肌力的向量于Ansys前處理中利用特定命令操作建立正常下頜骨模型，包含99609個單元和19533個節(jié)點。在上述正常模型的基礎(chǔ)上建立下頜骨缺損模型，在甲工況條件下建立一個包括101031個單元和22864個節(jié)點的修復后的模型；在乙工況條件下建立一個包括97645個單元和22012個節(jié)點的修復后的下頜骨模型。

2.2 生物力學分析結(jié)果

正常下頜骨雙側(cè)髁突應力集中在關(guān)節(jié)前斜面的中、外1/3部分。甲、乙兩種工況下，修復后的髁突總體應力分布趨勢與正常髁突基本一致。對比結(jié)果：①甲、乙工況下，修復后的雙側(cè)髁突后斜面，頂部等部位應力與正常下頜骨相應部位的應力基本一致。②甲工況下斜面應力不對稱，健側(cè)力值為21.32MPa，患側(cè)為9.44MPa，而正常為15.05MPa。而乙工況下兩側(cè)翼肌窩處應力近似，健側(cè)和患側(cè)力值分別為25.4MPa和22.5MPa。③甲、乙兩種工況下總體應力分布均勻在0～66MPa，但在體部及延伸板應力集中，甲工況下，健側(cè)和患側(cè)力值分別為165.23MPa和134.75MPa，該部分的應力也最大。而乙工況下，健側(cè)和患側(cè)力值分別為150.64MPa和131.33MPa，小于甲工況，靠近缺損側(cè)的鈦釘無明顯應力集中區(qū)。

3.討論

本實驗的建模相對于常規(guī)建模方法，模型相似性好，區(qū)分皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨及，精度高，且操作便捷。由于軟組織在CT上顯影較差，因此關(guān)節(jié)盤的模型通過髁狀突和關(guān)節(jié)窩的間隙模擬。本研究對關(guān)節(jié)盤的外表面進行自由度約束，限制關(guān)節(jié)盤各方向移動，避免直接約束髁狀突[4]。本研究針對個體化贗復體，并分析正中咬合狀態(tài)下的下頜骨應力，假設(shè)下頜骨各類型的組織均為連續(xù)的線彈性材料，模擬實際情況。

仿生下頜骨最早于2001年研制并應用于臨床，之后通過快速成型技術(shù)修復骨組織缺損的研究逐漸成為熱點。除去形態(tài)相近，贗復體更重視功能恢復，達到真正的臨床修復意義，這需要結(jié)合對生物力學研究[5]。本實驗結(jié)果表明，正常雙側(cè)髁突的應力對稱，集中在髁突關(guān)節(jié)前斜面的中、外1/3，與之前的資料近似。臨床一般選擇體部厚0.8mm，延伸板厚1.2mm的贗復體，結(jié)果雙側(cè)髁突前斜面及局部翼肌應力不對稱，健側(cè)應力明顯強于患側(cè)，需要進行設(shè)計優(yōu)化，在贗復體中追求更合理的應力分布，而1mm的體部和延伸板在兩側(cè)髁突應力分布的對稱效果好，整體設(shè)計更合理，對局部生物力學影響較小，鈦釘無明顯地應力集中區(qū)，受力分布更接近生理狀態(tài)，降低了顳下頜關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生率。

本實驗的應力分布研究主要是正中咬合，包括正常下頜骨和假體修復后的應力研究，未涉及前伸咬合和側(cè)方咬合。正中咬合的關(guān)節(jié)盤固定。此外，本研究的局限性還在于只對一個下頜骨缺損的不同厚度進行修復和力學分析。個體化贗復體的合理性首先與贗復體的強度有關(guān)，同時與是否牢固、應力分布是否合理等相關(guān)；其次，下頜骨三維有限元模型的完善涉及多方面因素，如在非正中咬合時，關(guān)節(jié)盤的轉(zhuǎn)動和滑動所涉及的下頜骨應力分布，以及缺損部位的大小，修復材料及其他形態(tài)結(jié)構(gòu)、早期固定的力量、后期應力等相關(guān)，還需要臨床進一步研究。