下頜支矢狀骨劈開術的數(shù)字模型建立及其生物力學穩(wěn)定性研究.pdf

1、背景：下頜支矢狀骨劈開術（sagittal split ramus osteotomy，簡稱SSRO）是最早被提出的經口內入路、目前臨床上矯治下頜骨畸形最常用的正頜手術，主要應用于矯治小下頜畸形、下頜前突及結合其他術式治療復雜頜骨畸形等。其優(yōu)點在于:口內切口避免了面部遺留手術瘢痕;下頜骨及下頜牙列整體移動，保留了其完整性;較大的骨接觸面，不需骨移植，利于骨劈開處的早期愈合。但下頜支矢狀骨劈開術的不足在于術中、術后可能存在不同程度的并發(fā)癥

2、，如下牙槽神經不可逆性損傷、下頜骨意外骨折、下頜骨畸形復發(fā)等。下頜支矢狀骨劈開術可矯治頜面部畸形，改善咬合關系，同時也改變了頜面部肌肉組織及骨組織的生物力學關系，影響了矢狀劈開后下頜骨的穩(wěn)定性。在堅強內固定(rigid internal fixation，RIF)概念提出之后，臨床上呈現(xiàn)出多種下頜支矢狀骨劈開術固定方法。雖然國內外許多學者對SSRO不同固定方式進行了不同角度的研究，迄今為止對于術中、術后并發(fā)癥最小、固定效果最穩(wěn)定的固定方

3、法尚無定論。目前，下頜支矢狀骨劈開術穩(wěn)定性的研究方法有臨床回顧、動物實驗、離體模型及計算機虛擬仿真實驗等。臨床回顧、動物實驗及離體模型研究很難重現(xiàn)口腔復雜的生物力學環(huán)境，因而其研究結果的可靠性也受到質疑。應用三維有限元法對SSRO的研究在近年來快速發(fā)展，為下頜支矢狀骨劈開術的穩(wěn)定性研究奠定了堅實的基礎。有限元法可以通過CT數(shù)據仿真重建下頜骨三維模型，對下頜骨數(shù)字模型進行矢狀劈開并模擬不同固定方式，通過咬合力加載分析SSRO術后下頜骨的生

4、物力學特征。可以真實地重現(xiàn)下頜骨的幾何形態(tài)，模擬口腔的應力環(huán)境，也可避免臨床實驗及體外實驗的力學測量局限性。
　　 目的：本實驗利用三維重建軟件及有限元計算軟件建立下頜骨及固定系統(tǒng)三維模型，在該數(shù)字模型中進行下頜支矢狀骨劈開術以及臨床最常用的三種不同方式固定骨斷端，建立SSRO三維有限元模型。并在此基礎上對下頜支矢狀骨劈開術有限元模型進行咬合力加載，分析其不同固定方式的穩(wěn)定性，為臨床SSRO固定方式的選擇及改良、減少術后并發(fā)癥提

5、供理論支持。通過對下頜支矢狀骨劈開術的生物力學研究，為臨床中下頜支矢狀骨劈開術的個性化治療提供方便快捷的仿真手段及預期效果評估的數(shù)據支持。
　　 方法：⑴健康成年女性志愿者，25周歲，牙列完整、咬合關系正常，下頜骨及顳下頜關節(jié)無疾病及形態(tài)異常。經志愿者同意后進行CT掃描。⑵采用64層CT進行頭顱連續(xù)水平掃描，CT機型為SOMATOM Definition CT，德國SIEMENS公司產品。掃描參數(shù):層厚1mm，球管電流200 m

6、A，電壓120 kV。研究對象取仰臥位于CT掃描儀臺上，以十字定位光束為準，眶耳平面與地平面垂直，掃描基線與眶耳平面平行。掃描范圍上起額竇上沿，下至頦下軟組織，所得圖像數(shù)據以DICOM格式保存。⑶利用CT掃描頭顱圖像數(shù)據輸入三維重建軟件Mimics（比利時Materialise公司）中，分別建立下頜皮質骨、下頜松質骨、牙等三維模型，并進行光滑、打磨、去噪等一系列圖像處理，生成三維圖形IGES文件格式。⑷游標卡尺測量臨床使用的四孔長橋鈦板

7、、8mm、12mm鈦釘三維數(shù)據（美國Wlorenz公司提供），鈦釘?shù)慕⒉捎昧撕喕瘓A柱模型，利用三維CAD軟件Solidworks（法國達索公司）分別進行鈦板、鈦釘建模。⑸將下頜骨三維實體模型數(shù)據導入ANSYS Workbench（美國ANSYS公司）中，利用Workbench進行部件的布爾運算，劈開雙側下頜升支，將遠端骨段前徙5mm。⑹將鈦板、鈦釘三維模型數(shù)據輸入到已模擬劈開的下頜三維模型中，并根據本實驗設計的臨床最常用的三種固定方式

8、進行定點裝配。方式Ⅰ:一塊四孔鈦板于第二磨牙頰側截骨線的中線處放置，并垂直于截骨線，四枚單皮質鈦釘固定;方式Ⅱ:一塊四孔鈦板于第二磨牙頰側截骨線的中線處放置，并垂直于截骨線，四枚單皮質鈦釘固定，于下頜骨第二磨牙遠端牙槽緣下3mm再固定一枚雙皮質鈦釘;方式Ⅲ:下頜骨第一磨牙與第二磨牙遠端牙槽緣下3mm分別固定一枚雙皮質鈦釘，平行于截骨線在下頜骨第一磨牙牙槽緣下的雙皮質螺釘下20 mm處再固定一枚雙皮質鈦釘，三枚螺釘排列呈倒L形。⑺整個下頜

9、模型和固定構件均采用Workbench默認的Solid187實體單元，劃分時，下頜模型的單元尺寸取2mm～5mm，固定構件取2mm。建立SSRO三種不同固定方式三維有限元模型。⑻對下頜雙側髁突進行固定約束，進行靜態(tài)力學有限元分析。在Workbench中選中需要約束的髁突面，設置模型邊界條件。⑼下頜皮質骨與松質骨為完全固定。牙齒與皮質骨為綁定接觸，鈦板和鈦釘打入下頜之后也設置為綁定接觸，相鄰牙齒之間設置綁定接觸。劈開面之間的接觸均設置為不

10、分離接觸。⑽模擬咬合力在雙側第一磨牙靜態(tài)加Ⅲ載132N的力，對正常下頜骨及矢狀劈開后三種不同固定方式的模型進行等效應力及位移的計算分析，并截取骨接合處相同位點進行標記，對比分析不同固定方式的生物力學特征。⑾咬合加載下提取三種不同固定方式中的鈦板、鈦釘應力分布、應力集中及位移情況進行生物力學分析，結合骨的生物力學特點，比較三種固定方式的固定穩(wěn)定性。
　　 結果：①通過對健康成年志愿者下頜CT精密掃描，利用三維重建軟件Mimics成

11、功建立了含完整牙列并包含皮質骨、松質骨的正常下頜骨三維實體模型，具有良好的幾何相似性;②逆向重建了本實驗所需的固定系統(tǒng)三維模型（8mm單皮質鈦釘、12mm雙皮質鈦釘、四孔長橋鈦板），為避免局部較大的應力集中導致結果失真，兩種鈦釘?shù)慕⒉捎昧撕喕瘓A柱模型;③在完整下頜骨三維實體模型基礎上進行雙側下頜支矢狀骨劈開，并將固定系統(tǒng)按不同固定方式進行定點裝配，建立了三種不同固定方式的SSRO三維實體模型，網格劃分后獲得三維有限元模型;④雙側第一磨

12、牙進行咬合力加載后獲得正常下頜骨及三種不同固定方式的下頷支矢狀骨劈開術的生物力學特征：根據等效應力分布可知，方式Ⅰ、方式Ⅱ應力集中范圍較大，主要集中于下頜支后緣、髁突、乙狀切跡、下頜支前緣，且在固定區(qū)域有明顯應力集中;方式Ⅲ相比前二種的應力分布均勻，最大應力值也較小，與正常下頜骨的應力分布比較接近。三種固定方式中最大等效應力值為方式Ⅲ＜方式Ⅰ＜方式Ⅱ，因此，在前二種固定方式中，應力集中可影響固定區(qū)域的早期骨愈合，而方式Ⅲ應力均勻，在骨連

13、接處受力最小，更利于骨劈開處的早期愈合。此外，矢狀劈開術后與正常下頜骨相比，三種固定方式都出現(xiàn)了在髁突附近最大等效應力范圍有明顯增加的趨勢。根據位移分布可知，最大位移出現(xiàn)于下頜前段，通過骨劈開處附近的位點變形標記可以得出:最大位移值為方式Ⅲ＜方式Ⅱ＜方式Ⅰ。方式Ⅲ的最大位移值為最小;在同一位點方式Ⅲ的結果也是最小。方式Ⅲ在手術區(qū)附近的位移等值分布相比其他二種固定要相對稀疏，數(shù)值也較小，固定也最為牢固。因此，雙皮質鈦釘?shù)筁形固定效果最為穩(wěn)

14、定，最能抵抗咬合力加載所產生的旋轉力，也更利于固定裝置的固定，避免了螺釘松動。⑤固定系統(tǒng)的應力及位移分析:方式Ⅰ最大位移值位于最前端鈦板及鈦釘處，最大應力值主要位于近心端靠近劈開處釘孔前緣上端及該處鈦釘其上緣與鈦板接觸區(qū)。方式Ⅱ最大位移情況與方法Ⅰ分布相似，但最大位移值小于前者;最大應力值主要位于靠近下頜骨上緣的雙皮質鈦釘，與方式Ⅰ的最大應力分布對應處相比其分布較為均勻。方式Ⅲ最大位移值位于靠近下頜骨下緣的雙皮質鈦釘，最大應力值位于靠近

15、下頜骨上緣遠心骨段的鈦釘與骨面接觸的區(qū)域，但整體分布較為均勻，最大應力值明顯小于前兩者。
　　 結論：①通過三維重建軟件Mimics結合三維CT掃描數(shù)據建立的下頜骨三維實體模型具有極好的幾何相似性，經過處理后可分別建立由單個牙齒組成的完整牙列、皮質骨及松質骨，使用逆向工程軟件Geomagic對三維模型進行光滑、打磨、去噪等一系列圖像處理，使三維實體模型更加接近真實;使頜骨生物力學特點分析的結果更為準確;②三維CAD實體模型設計軟

16、件Solidworks重建固定系統(tǒng)，利于在三維實體模型中進行下頜支矢狀骨劈開后骨斷端的固定，建立SSRO三維實體模型并進行其生物力學分析;③通過ANSYS軟件中的Workbench功能在下頜骨實體模型成功模擬了下頜支矢狀骨劈開術，并載入固定系統(tǒng)三維模型，建立了不同固定方式的SSRO三維實體模型及三維有限元模型，為臨床中下頜支矢狀骨劈開術的個性化治療提供方便快捷的仿真手段及預期效果評估的數(shù)據支持;④以下頜骨和固定系統(tǒng)的應力及位移變形作為評