下頜個體化鈦修復體的生物力學分析及優化設計

米磊等

【摘要】 目的：對個體化鈦下頜結構的設計進行分析，提出優化方案，為鈦下頜修復體由形態仿生向功能仿生過渡進行生物力學方面的初步研究。方法：在同一高度、長度、寬度、孔隙率以及相同缺損修復部位前提下，建立3種不同厚度的個體化鈦下頜三維有限元模型，分析下頜骨及其受力狀況。結果：成功建立了在3種不同厚度條件下的個體化鈦下頜修復體及其修復后的下頜骨三維有限元模型。結論：體部和延伸板皆為1 mm厚的個體化鈦下頜，修復后兩側髁突應力大小與分布一致對稱，最接近正常下頜骨兩側髁突應力的大小和分布，可以為以后個體化鈦下頜的結構優化設計提供借鑒和參考。

【關鍵詞】個體化鈦修復體；三維有限元；生物力學分析；優化設計

【中圖分類號】R782.6 【文獻標識碼】B【文章編號】1004-4949（2015）02-0063-02

快速成型（Rapid Prototyping，RP）已經在口腔頜面外科學領域中顯示出其巨大應用前景，尤其對于頜面骨缺損或畸形的整復，RP技術具有其他方法所不具備的優勢。可針對不同頜面缺損畸形范圍、部位，設計并制作出在結構與形態兩方面均與之匹配的人工替代物，完成復雜的面部重建。對于單側下頜骨缺損，可用健側的形態數據通過鏡像處理進行重建。精確制作出外形與健側對稱、連接部位與骨斷端高度匹配的金屬假體[1]。從而重建良好的面部外形，但修復體在結構設計上是否復合生物力學特征則有待于進一步研究。本研究擬探討個體化鈦修復體在3種不同厚度條件下的應力分布，旨在為以后修復體進行結構設計優化奠定一定的生物力學基礎。

1 材料與方法

1.1正常下頜骨三維有限元模型的建立

因為本課題的最終目標是為了指導快速成形支架的臨床應用，因此在分析時采用的都是人的顱骨模型。實驗先建立人下頜骨的三維數字模型[2]。選擇一位身體健康，牙列完整、第一磨牙呈中性咬合關系，無顳下頜關節彈響、疼痛、張口受限和下頜脫位等關節病癥狀和體征的志愿者，將其頭顱CT斷層圖像數據在Mimics7.0中進行處理重構，然后在三維反求軟件Geomagic Studio 6.0中進行曲面重構三維實體化，最后導入有限元分析軟件Ansys 9.0進行劃分網格進行力學模擬分析。將下頜皮質骨、松質骨以及關節盤等各部分經過簡化處理的模型導入Ansys 9.0進行組合。并對相應部分結構進行簡化處理。得到一個由皮質骨、松質骨、關節盤以及牙列組成的下頜骨CAD模型。設定各部分組織的參數和單元屬性，得到下頜骨的三維有限元模型。

1.2定制化鈦下頜在5種厚度條件下三維有限元模型的建立

正常下頜骨雙側髁突的應力分布狀況對稱[3]。我們應力求使鈦下頜修復后的下頜骨應力分布更合理，更加接近生理狀態下的下頜骨，從而防止顳下頜關節疾病的產生、防止修復體折斷，提高修復體的使用壽命。（1）在Geomagic Studio 6.0中模擬下頜骨體部右側部分缺損，根據缺損設計出定制化的下頜骨修復體。體部設計長2.2cm、寬1cm、厚0.8mm、高1.5cm，延伸板長1.6cm、高1.2cm、厚1.2mm。把上述各文件保存成STL格式導入Magic 6.0軟件，在Magic中，在體部打直徑為2.0 mm的圓孔，生成長7 mm、直徑3 mm的圓柱體來模擬臨床用鈦釘。導人Geomagic Studio 6.0中分別對皮質骨、松質骨、關節盤、牙齒、定制化假體、鈦釘進行曲面重構并包絡。將上述經過處理的各模型導入Ansys 9.0進行組合。最后以Solid 45對皮質骨、松質骨等模型進行網格劃分，以Solid 65對定制化假體、鈦釘模型進行網格劃分，最后得到一個包括22928個節點、101251個單元的定制化鈦下頜修復后的下頜骨三維有限元模型。（2）在與上述假體設計一致（同一高度、長度、寬度、孔隙率以及相同缺損修復部位）的前提下，設計作為上述鈦下頜設計對照組的4種工況：體部和延伸板皆為1mm，體部和延伸板皆為1.2mm。在2種修復體與前期研究的鈦下頜（體部0.8mm，延伸板1.2mm）同一空間位置打上6個直徑為2.0mm的圓孔。用同樣的方法建立2種不同厚度的鈦下頜三維有限元模型，分析其受力狀況。這樣設計出的體部和延伸板皆為1mm，建立了一個包括101251個單元和22928個節點在功能狀態下的定制化鈦下頜修復后的下頜骨三維有限元模型；體部和延伸板皆為1.2mm，建立了一個包括97645個單元和22012個節點在功能狀態下的定制化鈦下頜修復后的下頜骨三維有限元模型。

1.3 本實驗采用文獻最常見的加載和約束方法[4]。該種加載方式模擬了垂直加載最大咀嚼力作用，分別加載于相應的牙位，其大小如下：

1.4 分析目標（1）正常下頜骨；（2）不同設計厚度定制化鈦體修復后的下頜骨：① 體部0.8mm，延伸板1.2mm；②體部和延伸板皆為1mm；③體部和延伸板皆為1.2mm。

1.5 觀察部位及指標 （1）將髁狀突表面按照解剖學標志分成3個區，從前至后區分為前斜面、髁狀突嵴頂、后斜面，觀察雙側髁狀突表面應力分布變化。（2）假體體部及延伸板交界處的應力情況。（3）固定用鈦釘的受力情況。確定各個分區表面的節點以及單元編號，提取Von Mises應力作為比較參數。

2 結果

定制化鈦下頜修復后的下頜骨雙側髁突總體應力分布趨勢與所建正常下頜骨髁突基本一致。對兩模型雙側髁突的前斜面、后斜面、頂部等部位進行對比后得出：（1）鈦下頜修復后的下頜骨雙側髁突的后斜面、頂部等部位應力大小基本對稱，并與正常下頜骨相應部位的應力大小也基本一致；（2）兩側髁突前斜面應力不對稱，尤以關節翼肌窩處為甚；（3）假體總體上應力分布較均勻，但在體部及延伸板過渡區應力較集中，尤以靠近缺損近中下緣處為甚；（4）靠近缺損側，尤以靠近下頜骨下緣處的的螺釘及該部分下頜骨的應力較集中。采用通用分析軟件Ansys 9.0計算得出相應數據，見表1：

從以上結果可以看到作為目前臨床所采用的體部0.8mm、延伸板1.2mm的設計和作為對比的體部和延伸板皆為1.2mm的設計條件下定制化鈦下頒修復后的下頜骨在雙側髁突前斜面及關節翼肌窩處應力不對稱，健側明顯出現應力集中，同時在鈦下頜體部及延伸板過渡區也出現明顯的應力集中。靠近缺損側的鈦釘出現明顯的應力集中區。這提示我們應對目前鈦下頜的設計進行優化，力求使鈦下頜修復后的下頜骨應力分布更合理。而體部和延伸板皆為lmm厚的假體修復后的下頜骨的兩側髁突應力大小與分布一致對稱，最接近正常下頜骨兩側髁突應力的大小和分布。同時靠近缺損側的鈦釘也沒有出現明顯地應力集中區。

3 討論

基于快速原型技術和CT技術的人體頜面部缺損修復手術，是快速原型技術在醫學領域當中比較有價值的臨床應用。Mercuri等應用快速原型技術重建顳下頜關節：由螺旋CT掃描得到顏下頜關節的三維數據，經過數據處理后，導入到快速原型機制造出顏下頌關節的個性化鈦植入體，手術中截除病變關節，然后植入假體，整個過程簡單易行，而且術后顳下頌關節功能及外形恢復良好[5]。此外，將快速原型技術與種植義齒相結合，可以同時完成頌骨缺損重建與種植義齒。張富強[6，7]等利用快速成形技術設計了個體化的鈦假體，用于重建下頜骨缺損。該鈦支架體部鏤有孔，并在假體上端設計了義齒基樁，可以在術后進行種植，通過手術植入下頜骨缺損部位，獲得了滿意的面部外形，后期還進行了義齒修復。應用快速成型技術進行各種骨組織缺損的個體化修復研究空前活躍，但目前在假體生物力學方面研究較少。本研究的目的就是研究假體厚度這一因素對以個體化鈦修復體修復后的下頜骨的應力分布的影響。本研究利用CAD軟件和Ansys軟件建立了模擬相似性接近于正常生理狀態和3種不同厚度的鈦下頜修復后下頜骨的三維有限元模型，對比幾種工況條件下下頜骨的受力情況。通過分析，認為雙端固定式下頜骨體部修復體的設計中，體部和延伸板皆為1mm厚的鈦下頜修復體是一種較為合理的設計，其對髁狀突表面局部的生物力學環境的影響最小，下頜骨的受力最接近生理狀態。

有限元法能夠精確模擬各種咬合狀態下的下頜骨力學效應，有著實驗應力分析法無法比擬的優越性，因此有限元法分析下頜骨所受應力得到了很大的發展，并成為公認的比較有效的方法之一[8]。與傳統的實驗性力學分析相比，有限單元法可提供模型任何部位的位移、應力，并可實時根據需要修改力學的參數，在維持原模型的情況下，分析各種應力的分布和大小。目前，在生物醫學領域，有限元法已廣泛應用于口腔學、骨科學等。近年來已有學者采用有限元法對下頜骨骨折及其堅強內固定進行力學分析，取得了一定的成果，但仍然存在一些問題[9]，如：邊界約束條件問題，骨折及其內固定模型的幾何及力學相似性問題，動態載荷問題，材料的力學相似性問題等。

本實驗針對前期個體化鈦下頜骨植骨支架存在的問題，結合正常下頜的生物力學性能，并以骨應力重建理論為依據，對支架的主體結構進行優化設計，僅對一個部位下頜骨缺損的不同厚度個體化功能性修復體進行了初步的有限元力學分析模型的建立和力學分析，而要完善個體化功能性修復三維有限元模型的建立和力學分析，還需要進一步的研究。

參考文獻

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