2种牵张方向对下颌骨体部牵张成骨应力分布与位移的影响

2种牵张方向对下颌骨体部牵张成骨应力分布与位移的影响作者：刘春丽 刘志辉 秦绪喜 王战鑫    作者单位：1.吉林大学口腔医院 口腔颌面外科；2.口腔修复科，吉林 长春 130022；3.吉林大学 机械工程学院，吉林 长春 130025 　　【摘要】 目的 建立下颌骨牵张成骨三维有限元模型，研究下颌骨体部模拟牵张成骨时牵张方向对下颌骨体部牵张成骨的影响。方法 建立下颌骨牵张成骨三维有限元模型，测量不同牵张位移加载条件下，下颌骨的Von Mises应力、骨结合点位移。结果 当牵张器平行于下颌骨体放置时，模型中的最大应力是牵张器平行于矢状轴模型中最大应力的2倍。Von Mises应力集中主要发生在加载部位（牵张器与骨的结合点）和髁突的颈部前下方区域，由于这2处有应力集中，可能导致局部骨质吸收，从而造成螺钉松动，影响牵张器的稳固性。当模型的加载位移增加时，最大应力与加载位移值成线性关系。结论 平行于下颌骨体组模型存在明显的侧方力，牵引装置所产生的反作用力使它的后臂产生向外侧位移。牵引装置平行于矢状轴放置时，这种反作用力可降至最低程度，此项研究为牵张器在临床应用中的放置位置和牵引方向提供了理论依据。 　　【关键词】  下颌骨 牵张成骨 有限元法 应力 位移　　The effect of stress distribution and displacement by two kinds of different distract directions on mandibular body  LIU Chun-li1, LIU Zhi-hui2, QIN Xu-xi3, WANG Zhan-xin1. （1. Dept. of Oral and Maxillofacial Surgery, School of Stomatology, Jilin University, Changchun 130022, China; 2. Dept. of Prosthodontics, School of Stomatology, Jilin University, Changchun 130022, China; 3. College of Mechanical Engineering, Jilin University, Changchun 130025,China）　　[Abstract]  Objective  To establish a three-dimensional finite element model of mandibular distraction osteogenesis（DO） in order to study the influence of distraction orientations to mandibular DO. Methods  By using the two finite element models, Von Mises stress and the displacement under different loads were measured. Results  The maximum stress in the distract equipment paralleled to the mandibular corpus was two times of that when the distract equipment paralleled to the sagittal axis. Von Mises stress concentration mainly occurred in the loading position and the condylar ante inferior. This phenomenon may lead to partial bone resorption, consequently lead to screw loose and affect the stability of distraction device. When the displacement increased in the model, the maximum stress and displacement showed linear relation. Conclusion  The counterforce produced by the device makes lateral displacement in tail. The reaction force could be reduced to a minimum degree when the traction device parallel to the sagittal axis. This study provides theoretical basis for the position of distract equipment and distraction orientations in clinical application.　　[Key words] 　mandibular； distraction osteogenesis； finite element method； stress； displacement　　目前牵张成骨（distraction osteogenesis，DO）已经成为矫治牙颌面发育不足及整复颌骨缺损畸形的一个重要手段，也是当今口腔正畸和正颌外科研究的热点之一。随着实验室研究的深入和临床经验的不断积累，人们逐渐意识到牵张方向对牵张结果有着重要意义[1-5]。在颌骨进行的牵张成骨是三维方向上的，因此有必要考虑牵张装置放置的位置和牵张方向。本研究通过在计算机上建立下颌骨三维有限元模型，分析下颌骨体部2种不同的牵张器放置方向对下颌骨应力分布与位移趋势的影响，以期为临床提供一定的参考依据。1  材料和方法　1.1  下颌骨牵张成骨的三维有限元模型　　以颅颌面系统正常的男性青年为标本，采用螺旋CT以冠状位扫描下颌骨，层厚为1.5 mm，获得72层扫描图像。使用CAD计算机软件和I-DEAS软件对所选下颌骨进行三维实体模型的建模。通过布尔操作，模拟下颌骨体部完全截断，其位置相当于磨牙区，切口线垂直骨面。对模型进行下颌骨皮质骨、松质骨的实体分离，建立包括下颌骨、颞下颌关节、局部骨皮质断开的三维有限元总体模型，对面及关节窝进行固端约束。用空间梁单元模拟临床上使用的牵张器。根据牵张器放置的方位不同建立2组模型，分别为平行于矢状轴模型（模型1）和平行于下颌骨体部模型（模型2）。模型2中牵张器受力为F，将F分解可得一水平力Fx和铅锤方向的力Fy，定义Fx为侧方力。模型1平行于牵引轴时，侧方力很小。侧方力会对模型产生不同影响。根据加载需要调用2组模型，进行相关分析实验。　1.2  材料参数设定　　采用正交各向异性处理下颌骨的力学性能。假设下颌骨皮质骨、松质骨为正交各向异性的均质连续材料。本研究采用的力学参数参照文献[6-7]。　1.3 　模型上加载　　本实验模拟牵张器放置位置为下颌骨下1/3处。采用温度载荷控制位移，使梁单元受到温度变化而发生形变，推动骨段，在沿着梁单元方向上产生位移。对2组模型分别加载限定2种牵张方向的位移载荷。2种模型牵张位移由2 mm开始，牵张5次，牵张增量2 mm。每次牵张加载后用I-DEAS软件进行求解，并提取相应Von Mises应力、颏部应力、骨结合点位移。2  结果　2.1  2种装置模型求解后最大Von Mises应力结果的比较　　研究结果显示，Von Mises应力均集中在加力部位和约束部位（图1），此处应力最大。无论是沿骨面还是沿矢状轴加载，Von Mises应力均与加载力值成线性关系（图2）。相同加载位移时，模型2的VonMises应力均较模型1的应力大。当牵张器平行于下颌骨体放置时，模型中的最大应力是牵张器平行于矢状轴模型中最大应力的2倍。Von Mises应力集中主要发生在加载部位（牵张器与骨的结合点）和髁突的颈部前下方区域。　2.2  2种装置模型求解后颏部应力结果的比较　　模型1加载位移为2 mm时，颏部应力值为7×105 Pa；模型2加载位移为2 mm时，颏部应力值为1.5×106 Pa（图3）。可见侧方力的存在使模型局部应力发生了变化。　2.3  牵张器与骨结合点位移结果的比较　　无论是沿骨面还是沿矢状轴加载，整体位移在约束部位为零，前颌整体沿牵张方向向前平移（图4）。为观察不同位移载荷下延x向的位移，设定图5中A点是平行矢状轴牵张器远中端的牵张器与骨面结合点，A′点是对应平行骨面的点；图6中B点是平行矢状轴牵张器近中端的牵张器与骨面结合点，B′点是对应平行骨面的点。由图6可见，近中骨段颊侧移位B较B′大。3  讨论　　由于模型2存在明显的侧方力，牵引装置牢固固定在下颌骨体部表面，牵引装置所产生的反作用力使它的后臂产生向外侧位移，这种装置-骨界面效应可导致近中骨段颊侧移位，从而使牵张后的下颌骨形态发生变化，导致咬合关系紊乱，面形改变，颞下颌关节滑动轨迹的变化可能导致关节功能的紊乱。牵引装置平行于矢状轴放置时，将这种反作用力降至最低程度。　　下颌骨的Von Mises应力主要集中在加载部位（牵张器与骨的结合点）和髁突的颈部前下方区域。　　2种模型的最大应力相差1倍。应力集中位置发生在牵张器与骨面结合处，可能导致局部骨质吸收，从而造成螺钉松动，影响牵张器的稳固性。当模型的加载位移增加时，最大应力与加载位移值成线性关系。　　由于牵张器牵张方向不同导致下颌骨局部应力分布不同，研究结果提示牵张器平行于下颌骨矢状面放置时牵张结果明显优于平行于下颌骨体放置。此研究为牵张器在临床应用中的放置位置和牵引方向提供了理论依据。【参考文献】　　[1] McCarthy JG, Schreiber J, Karp N, et al. 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