下颌骨个体化钛修复体三维有限元模型的建立及分析

　　作者：高俊武1 薛玉萍2 高 翔1 李涤尘3 作者单位：(1.包头医学院口腔学院，内蒙古包头 014030; 2.内蒙古医学院第三附属医院口腔科;　3.西安交通大学先进制造技术研究所)

　　【摘要】 目的：探讨个体化钛修复体修复的下颌骨三维有限元模型的建立及生物力学分析，为以后下颌骨缺损的个体化功能性修复奠定一定基础。方法：在Geomagic Studio软件中模拟正常下颌骨模型的左侧节段缺损(相当于侧切牙、尖牙、第一双尖牙三个牙位)，设计个体化钛修复体加以修复，然后进行三维有限元建模和应力分析。结果：成功建立了个体化钛修复体修复的下颌骨三维有限元模型。力学分析结果显示，应力能通过修复体有效地传导，双侧髁突应力分布在前斜面呈现明显不对称性，修复体的体部和延伸板交界处出现较明显的应力集中。结论：建立的钛修复体修复的下颌骨三维有限元模型及力学分析结果可以为以后钛修复体的结构优化设计提供借鉴和参考。

　　【关键词】 个体化钛修复体;下颌骨缺损;三维有限元;生物力学分析

　　快速成型(RP-Rapid Prototyping)的出现及其在生物医学领域的成功应用，使对结构复杂的颌骨缺损进行定制化修复成为可能。现在采用RP技术，结合精密铸钛工艺进行颌骨缺损重建修复设计，全程实现数字化，使下颌骨缺损的修复从外形上达到了个体化的修复水平。国内如西安交通大学、第四军医大学等单位都有成功病例的报道[1-2]。本研究的初衷就是在保证力学要求的前提下，利用现代影像学技术和计算机辅助建模技术建立了模拟个体化钛下颌功能性修复的下颌骨三维有限元模型，分析修复后的下颌骨的力学变化，为以后钛下颌修复体进行结构设计优化奠定一定的基础，进而使修复后的下颌骨达到功能和形态的完美统一，提高患者生存质量。

　　1 材料与方法

　　1.1 建模素材

　　牙列完整，后牙中性牙合关系，正常覆牙合覆盖关系，无咬合障碍，无任何颞下颌关节弹响、疼痛、张口受限和下颌脱位等颞下颌关节紊乱综合征症状和体征的成年健康女性志愿者。

　　1.2 下颌骨螺旋CT扫描

　　采用Philips公司生产的-X-8000型螺旋CT进行扫描，扫描平面平行于眶耳平面，扫描范围从眶上缘至下颌骨下缘，获得患者原始的断层影像。然后利用影像中心的工作站对扫描的图像进行三维与多平面重建(multi-planar reconstruction, MPR)。

　　1.3 三维有限元模型的建立

　　1.3.1 将图像数据输入MIMICS 7.1,通过定义Thresholds值来识别目标区域，然后对目标区域进行三维叠加运算，以3D形式显示目标区域。将皮质骨和松质骨分别重建。将在Mimics 7.1中处理后的目标数据导入Geomagic Studio 4.0，删除不需要的部分，只留出下颌骨，分别对下颌骨皮质骨、松质骨、关节盘等分别进行曲面设计、重构、包络。

　　1.3.2 将在MIMICS 7.1中处理后的目标数据导入Geomagic Studio 4.0，并模拟左侧体部缺损，范围为沿下颌侧切牙近中平行于其牙长轴，至同侧第一前磨牙远中平行与其牙长轴做切除。同时根据缺损设计出个体化的下颌骨修复体。修复体由体部和延伸板两部分组成。延伸板的数据取自原有的骨断端，保证延伸板与两骨断端的严密吻合，与临床应用的实际情况一致。将体部设计成长2.2 cm，宽1 cm，厚0.8 mm,高1.5 cm;延伸板长1.6 cm，高1.2 cm，厚1.2 mm。并在体部打直径为2.5 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，并分别对皮质骨、松质骨、关节盘、牙齿、个体化假体、钛钉分别进行曲面重构、包络。

　　1.3.3 将上述经过处理的各模型导入Ansys 9.0进行组合，最后对模型进行网格划分。

　　1.4 边界约束条件

　　在关节盘的外表面(即与关节窝接触的面)上的所有自由度以及牙齿表面的所有自由度。

　　1.5 载荷大小与方向的确定

　　选择与闭口及咀嚼运动有关的左右侧各四组肌肉共十四个肌力向量:咬肌(分为浅层和深层)、翼内肌、颞肌(分为前份和后份)，翼外肌(分为上头和下头)。根据解剖位置确定各咀嚼肌附着的节点编号。加载力量为人正常咀嚼时使用的力量约为最大咀嚼肌力的50 %。最大咀嚼肌力的大小由如下公式计算得出：Fimax=PAi，其中P 为内在强度常数(P=4×105 N/m2)，Ai为第i块咀嚼肌的生理横断截面积[3]。本研究中所采用的各咀嚼肌的肌力向量参考了相关文献[4],并转换为本研究的坐标系统，详见表1。表1 咀嚼肌三维肌力向量

　　1.6 实验假设条件

　　1.6.1 假设模型中的各组织均为连续、均质、各向同性的线弹性材料[5]。各组织及材料弹性模量系数与泊松比[6-8]，详见表2。表2 各组织结构及材料属性

　　2 结果

　　2.1 个体化钛下颌修复后的下颌骨在功能状态下三维有限元模型

　　建立了一个包括101 251个单元和22 928个节点在功能状态下的个体化钛下颌修复后的下颌骨三维有限元模型 (图1)。

　　2.2 生物力学分析结果(本研究以Von Mises应力作为比较参数)

　　(1)个体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。(2)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钛修复体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的相应部位的应力大小也基本一致。 ②但两侧髁突前斜面应力不对称，健侧(右侧)力值为 21.35 MPa，患侧(左侧)为9.35 MPa，而正常下颌骨为15.7 MPa。两侧髁突应力不对称尤以关节翼肌窝处最大，健侧(右侧)力值为28.0 MPa，患侧(左侧)为9.4 MPa。③假体总体上应力分布较均匀，力值在0～66.66 MPa之间，但在体部及延伸板过渡区应力较集中，尤以靠近健侧下颌骨下缘处为甚(力值为312 MPa，而靠近患侧端为260 MPa)，相应的螺钉及该部分下颌骨的应力及形变也最大 (图2、图3、图4) 。图1 钛修复体修复后下颌骨模型网格图图2 假体修复后下颌骨表面应力分布图图3 假体表面应力分布图图4 钛钉表面应力分布图

　　3 讨论

　　本实验采用的建模方法与常规建模方法相比具有模型相似性好，清楚地区分了皮质骨、松质骨及关节盘，计算精度高，结果可靠性高，简单方便工作量小的优点。2001年世界首例基于RP-SL法的仿生下颌骨由西安交通大学研制成功并应用于临床以来[9]，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。国内有关于个体化三维钛网修复下颌骨体部缺损并对其力学分析的报道[10]。但目前对个体化钛修复体生物力学方面的研究较少。而真正意义的功能性修复，除了形态上的相近，更重要的是功能上的相近。这样才能达到真正意义上的仿生性功能修复。而对生物力学的研究，是向此方向的一个迈进。从本实验结果可以看到，正常下颌骨双侧髁突的应力分布状况对称，应力集中区域位于髁突关节前斜面的中、外1/3部分，以往的研究结果与此一致[11-12]。个体化钛修复体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。同时在钛修复体体部及延伸板过渡区也出现明显的应力集中。这提示我们应对目前钛修复体的设计进行优化，力求使钛修复体修复后的下颌骨应力分布更合理，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。

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