下颌个体化钛修复体的生物力学分析及优化设计

【摘要】 目的：对个体化钛下颌结构的设计进行分析，提出优化方案，为钛下颌修复体由形态仿生向功能仿生过渡进行生物力学方面的初步研究。方法：在同一高度、长度、宽度、孔隙率以及相同缺损修复部位前提下，建立3种不同厚度的个体化钛下颌三维有限元模型，分析下颌骨及其受力状况。结果：成功建立了在3种不同厚度条件下的个体化钛下颌修复体及其修复后的下颌骨三维有限元模型。结论：体部和延伸板皆为1 mm厚的个体化钛下颌，修复后两侧髁突应力大小与分布一致对称，最接近正常下颌骨两侧髁突应力的大小和分布，可以为以后个体化钛下颌的结构优化设计提供借鉴和参考。

【关键词】个体化钛修复体；三维有限元；生物力学分析；优化设计

【中图分类号】R782.6 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949（2015）02-0063-02

快速成型（Rapid Prototyping，RP）已经在口腔颌面外科学领域中显示出其巨大应用前景，尤其对于颌面骨缺损或畸形的整复，RP技术具有其他方法所不具备的优势。可针对不同颌面缺损畸形范围、部位，设计并制作出在结构与形态两方面均与之匹配的人工替代物，完成复杂的面部重建。对于单侧下颌骨缺损，可用健侧的形态数据通过镜像处理进行重建。精确制作出外形与健侧对称、连接部位与骨断端高度匹配的金属假体[1]。从而重建良好的面部外形，但修复体在结构设计上是否复合生物力学特征则有待于进一步研究。本研究拟探讨个体化钛修复体在3种不同厚度条件下的应力分布，旨在为以后修复体进行结构设计优化奠定一定的生物力学基础。

1 材料与方法

1.1正常下颌骨三维有限元模型的建立

因为本课题的最终目标是为了指导快速成形支架的临床应用，因此在分析时采用的都是人的颅骨模型。实验先建立人下颌骨的三维数字模型[2]。选择一位身体健康，牙列完整、第一磨牙呈中性咬合关系，无颞下颌关节弹响、疼痛、张口受限和下颌脱位等关节病症状和体征的志愿者，将其头颅CT断层图像数据在Mimics7.0中进行处理重构，然后在三维反求软件Geomagic Studio 6.0中进行曲面重构三维实体化，最后导入有限元分析软件Ansys 9.0进行划分网格进行力学模拟分析。将下颌皮质骨、松质骨以及关节盘等各部分经过简化处理的模型导入Ansys 9.0进行组合。并对相应部分结构进行简化处理。得到一个由皮质骨、松质骨、关节盘以及牙列组成的下颌骨CAD模型。设定各部分组织的参数和单元属性，得到下颌骨的三维有限元模型。

1.2定制化钛下颌在5种厚度条件下三维有限元模型的建立

正常下颌骨双侧髁突的应力分布状况对称[3]。我们应力求使钛下颌修复后的下颌骨应力分布更合理，更加接近生理状态下的下颌骨，从而防止颞下颌关节疾病的产生、防止修复体折断，提高修复体的使用寿命。（1）在Geomagic Studio 6.0中模拟下颌骨体部右侧部分缺损，根据缺损设计出定制化的下颌骨修复体。体部设计长2.2cm、宽1cm、厚0.8mm、高1.5cm，延伸板长1.6cm、高1.2cm、厚1.2mm。把上述各文件保存成STL格式导入Magic 6.0软件，在Magic中，在体部打直径为2.0 mm的圆孔，生成长7 mm、直径3 mm的圆柱体来模拟临床用钛钉。导人Geomagic Studio 6.0中分别对皮质骨、松质骨、关节盘、牙齿、定制化假体、钛钉进行曲面重构并包络。将上述经过处理的各模型导入Ansys 9.0进行组合。最后以Solid 45对皮质骨、松质骨等模型进行网格划分，以Solid 65对定制化假体、钛钉模型进行网格划分，最后得到一个包括22928个节点、101251个单元的定制化钛下颌修复后的下颌骨三维有限元模型。（2）在与上述假体设计一致（同一高度、长度、宽度、孔隙率以及相同缺损修复部位）的前提下，设计作为上述钛下颌设计对照组的4种工况：体部和延伸板皆为1mm，体部和延伸板皆为1.2mm。在2种修复体与前期研究的钛下颌（体部0.8mm，延伸板1.2mm）同一空间位置打上6个直径为2.0mm的圆孔。用同样的方法建立2种不同厚度的钛下颌三维有限元模型，分析其受力状况。这样设计出的体部和延伸板皆为1mm，建立了一个包括101251个单元和22928个节点在功能状态下的定制化钛下颌修复后的下颌骨三维有限元模型；体部和延伸板皆为1.2mm，建立了一个包括97645个单元和22012个节点在功能状态下的定制化钛下颌修复后的下颌骨三维有限元模型。

1.3 本实验采用文献最常见的加载和约束方法[4]。该种加载方式模拟了垂直加载最大咀嚼力作用，分别加载于相应的牙位，其大小如下：

1.4 分析目标（1）正常下颌骨；（2）不同设计厚度定制化钛体修复后的下颌骨：① 体部0.8mm，延伸板1.2mm；②体部和延伸板皆为1mm；③体部和延伸板皆为1.2mm。

1.5 观察部位及指标 （1）将髁状突表面按照解剖学标志分成3个区，从前至后区分为前斜面、髁状突嵴顶、后斜面，观察双侧髁状突表面应力分布变化。（2）假体体部及延伸板交界处的应力情况。（3）固定用钛钉的受力情况。确定各个分区表面的节点以及单元编号，提取Von Mises应力作为比较参数。

2 结果

定制化钛下颌修复后的下颌骨双侧髁突总体应力分布趋势与所建正常下颌骨髁突基本一致。对两模型双侧髁突的前斜面、后斜面、顶部等部位进行对比后得出：（1）钛下颌修复后的下颌骨双侧髁突的后斜面、顶部等部位应力大小基本对称，并与正常下颌骨相应部位的应力大小也基本一致；（2）两侧髁突前斜面应力不对称，尤以关节翼肌窝处为甚；（3）假体总体上应力分布较均匀，但在体部及延伸板过渡区应力较集中，尤以靠近缺损近中下缘处为甚；（4）靠近缺损侧，尤以靠近下颌骨下缘处的的螺钉及该部分下颌骨的应力较集中。采用通用分析软件Ansys 9.0计算得出相应数据，见表1：

从以上结果可以看到作为目前临床所采用的体部0.8mm、延伸板1.2mm的设计和作为对比的体部和延伸板皆为1.2mm的设计条件下定制化钛下颁修复后的下颌骨在双侧髁突前斜面及关节翼肌窝处应力不对称，健侧明显出现应力集中，同时在钛下颌体部及延伸板过渡区也出现明显的应力集中。靠近缺损侧的钛钉出现明显的应力集中区。这提示我们应对目前钛下颌的设计进行优化，力求使钛下颌修复后的下颌骨应力分布更合理。而体部和延伸板皆为lmm厚的假体修复后的下颌骨的两侧髁突应力大小与分布一致对称，最接近正常下颌骨两侧髁突应力的大小和分布。同时靠近缺损侧的钛钉也没有出现明显地应力集中区。

3 讨论

基于快速原型技术和CT技术的人体颌面部缺损修复手术，是快速原型技术在医学领域当中比较有价值的临床应用。Mercuri等应用快速原型技术重建颞下颌关节：由螺旋CT扫描得到颜下颌关节的三维数据，经过数据处理后，导入到快速原型机制造出颜下颂关节的个性化钛植入体，手术中截除病变关节，然后植入假体，整个过程简单易行，而且术后颞下颂关节功能及外形恢复良好[5]。此外，将快速原型技术与种植义齿相结合，可以同时完成颂骨缺损重建与种植义齿。张富强[6，7]等利用快速成形技术设计了个体化的钛假体，用于重建下颌骨缺损。该钛支架体部镂有孔，并在假体上端设计了义齿基桩，可以在术后进行种植，通过手术植入下颌骨缺损部位，获得了满意的面部外形，后期还进行了义齿修复。应用快速成型技术进行各种骨组织缺损的个体化修复研究空前活跃，但目前在假体生物力学方面研究较少。本研究的目的就是研究假体厚度这一因素对以个体化钛修复体修复后的下颌骨的应力分布的影响。本研究利用CAD软件和Ansys软件建立了模拟相似性接近于正常生理状态和3种不同厚度的钛下颌修复后下颌骨的三维有限元模型，对比几种工况条件下下颌骨的受力情况。通过分析，认为双端固定式下颌骨体部修复体的设计中，体部和延伸板皆为1mm厚的钛下颌修复体是一种较为合理的设计，其对髁状突表面局部的生物力学环境的影响最小，下颌骨的受力最接近生理状态。

有限元法能够精确模拟各种咬合状态下的下颌骨力学效应，有着实验应力分析法无法比拟的优越性，因此有限元法分析下颌骨所受应力得到了很大的发展，并成为公认的比较有效的方法之一[8]。与传统的实验性力学分析相比，有限单元法可提供模型任何部位的位移、应力，并可实时根据需要修改力学的参数，在维持原模型的情况下，分析各种应力的分布和大小。目前，在生物医学领域，有限元法已广泛应用于口腔学、骨科学等。近年来已有学者采用有限元法对下颌骨骨折及其坚强内固定进行力学分析，取得了一定的成果，但仍然存在一些问题[9]，如：边界约束条件问题，骨折及其内固定模型的几何及力学相似性问题，动态载荷问题，材料的力学相似性问题等。

本实验针对前期个体化钛下颌骨植骨支架存在的问题，结合正常下颌的生物力学性能，并以骨应力重建理论为依据，对支架的主体结构进行优化设计，仅对一个部位下颌骨缺损的不同厚度个体化功能性修复体进行了初步的有限元力学分析模型的建立和力学分析，而要完善个体化功能性修复三维有限元模型的建立和力学分析，还需要进一步的研究。

参考文献

[1] .项钊，谭颖徽，张纲等.快速成型技术在颌骨缺损修复中应用的临床研究[J].现代生物医学进展.2013， 35（13）：6886-6889.

[2]谷方，王钰，李宁毅.国人数字化下颌骨的计算机三维重建[J].现代口腔医学杂志. 2007， 21（5）：517-519.

[3]殷学民，扶晟，刘雄等.一种新型人工颞下颌关节的生物力学分析[J].中国临床解剖学杂志.2014， 32（1）：72-79.

[4]刘亚雄，李涤尘，卢秉恒等.快速原型在口腔颌面修复中的应用（2）-下颌骨替代物的个体化制造[J].实用口腔医学杂志. 2003，19（5）：408-410.

[5]D"Urso PS， Barker TM，Earwaker WJ， et al. Stereolitho graphic biomodelling in cranio-maxillofacial surgery：a prospective trial[J]， J Craniomaxillofac Surg， 1999，27（1）： 30-37.

[6]张富强，孙健，张秀娟等.个性下颌体部钛植入支架的生物力学设计[J].口腔颌面修复学杂志.2005，6 （3）：232-235.

[7]刘彦普，龚振宇，何黎升等.基于快速成型技术的下颌骨缺损重建术[J]，实用口腔医学杂志，2003，19（5）： 523-524.

[8]丁月峰，周培刚，费学东.多种软件和图像联合技术构建个体化颞下颌关节三维有限元模型的初步研究[J].口腔颌面外科杂志.2014，24（2）：108-112.

[9]罗小惠，樊瑜波.下颌骨骨折内固定的三维有限元分析[J]，生物医学工程学杂志，2009，26（3）： 534-539.

推荐访问:个体化 下颌 力学 优化设计 修复