下颌支矢状骨劈开术的数字模型建立及其生物力学稳定性研究

摘要

背景：下颌支矢状骨劈开术（sagittal split ramus osteotomy，简称SSRO）是最早被提出的经口内入路、目前临床上矫治下颌骨畸形最常用的正颌手术，主要应用于矫治小下颌畸形、下颌前突及结合其他术式治疗复杂颌骨畸形等。其优点在于:口内切口避免了面部遗留手术瘢痕;下颌骨及下颌牙列整体移动，保留了其完整性;较大的骨接触面，不需骨移植，利于骨劈开处的早期愈合。但下颌支矢状骨劈开术的不足在于术中、术后可能存在不同程度的并发症，如下牙槽神经不可逆性损伤、下颌骨意外骨折、下颌骨畸形复发等。下颌支矢状骨劈开术可矫治颌面部畸形，改善咬合关系，同时也改变了颌面部肌肉组织及骨组织的生物力学关系，影响了矢状劈开后下颌骨的稳定性。在坚强内固定(rigid internal fixation，RIF)概念提出之后，临床上呈现出多种下颌支矢状骨劈开术固定方法。虽然国内外许多学者对SSRO不同固定方式进行了不同角度的研究，迄今为止对于术中、术后并发症最小、固定效果最稳定的固定方法尚无定论。目前，下颌支矢状骨劈开术稳定性的研究方法有临床回顾、动物实验、离体模型及计算机虚拟仿真实验等。临床回顾、动物实验及离体模型研究很难重现口腔复杂的生物力学环境，因而其研究结果的可靠性也受到质疑。应用三维有限元法对SSRO的研究在近年来快速发展，为下颌支矢状骨劈开术的稳定性研究奠定了坚实的基础。有限元法可以通过CT数据仿真重建下颌骨三维模型，对下颌骨数字模型进行矢状劈开并模拟不同固定方式，通过咬合力加载分析SSRO术后下颌骨的生物力学特征。可以真实地重现下颌骨的几何形态，模拟口腔的应力环境，也可避免临床实验及体外实验的力学测量局限性。
　　 目的：本实验利用三维重建软件及有限元计算软件建立下颌骨及固定系统三维模型，在该数字模型中进行下颌支矢状骨劈开术以及临床最常用的三种不同方式固定骨断端，建立SSRO三维有限元模型。并在此基础上对下颌支矢状骨劈开术有限元模型进行咬合力加载，分析其不同固定方式的稳定性，为临床SSRO固定方式的选择及改良、减少术后并发症提供理论支持。通过对下颌支矢状骨劈开术的生物力学研究，为临床中下颌支矢状骨劈开术的个性化治疗提供方便快捷的仿真手段及预期效果评估的数据支持。
　　 方法：⑴健康成年女性志愿者，25周岁，牙列完整、咬合关系正常，下颌骨及颞下颌关节无疾病及形态异常。经志愿者同意后进行CT扫描。⑵采用64层CT进行头颅连续水平扫描，CT机型为SOMATOM Definition CT，德国SIEMENS公司产品。扫描参数:层厚1mm，球管电流200 mA，电压120 kV。研究对象取仰卧位于CT扫描仪台上，以十字定位光束为准，眶耳平面与地平面垂直，扫描基线与眶耳平面平行。扫描范围上起额窦上沿，下至颏下软组织，所得图像数据以DICOM格式保存。⑶利用CT扫描头颅图像数据输入三维重建软件Mimics（比利时Materialise公司）中，分别建立下颌皮质骨、下颌松质骨、牙等三维模型，并进行光滑、打磨、去噪等一系列图像处理，生成三维图形IGES文件格式。⑷游标卡尺测量临床使用的四孔长桥钛板、8mm、12mm钛钉三维数据（美国Wlorenz公司提供），钛钉的建立采用了简化圆柱模型，利用三维CAD软件Solidworks（法国达索公司）分别进行钛板、钛钉建模。⑸将下颌骨三维实体模型数据导入ANSYS Workbench（美国ANSYS公司）中，利用Workbench进行部件的布尔运算，劈开双侧下颌升支，将远端骨段前徙5mm。⑹将钛板、钛钉三维模型数据输入到已模拟劈开的下颌三维模型中，并根据本实验设计的临床最常用的三种固定方式进行定点装配。方式Ⅰ:一块四孔钛板于第二磨牙颊侧截骨线的中线处放置，并垂直于截骨线，四枚单皮质钛钉固定;方式Ⅱ:一块四孔钛板于第二磨牙颊侧截骨线的中线处放置，并垂直于截骨线，四枚单皮质钛钉固定，于下颌骨第二磨牙远端牙槽缘下3mm再固定一枚双皮质钛钉;方式Ⅲ:下颌骨第一磨牙与第二磨牙远端牙槽缘下3mm分别固定一枚双皮质钛钉，平行于截骨线在下颌骨第一磨牙牙槽缘下的双皮质螺钉下20 mm处再固定一枚双皮质钛钉，三枚螺钉排列呈倒L形。⑺整个下颌模型和固定构件均采用Workbench默认的Solid187实体单元，划分时，下颌模型的单元尺寸取2mm～5mm，固定构件取2mm。建立SSRO三种不同固定方式三维有限元模型。⑻对下颌双侧髁突进行固定约束，进行静态力学有限元分析。在Workbench中选中需要约束的髁突面，设置模型边界条件。⑼下颌皮质骨与松质骨为完全固定。牙齿与皮质骨为绑定接触，钛板和钛钉打入下颌之后也设置为绑定接触，相邻牙齿之间设置绑定接触。劈开面之间的接触均设置为不分离接触。⑽模拟咬合力在双侧第一磨牙静态加Ⅲ载132N的力，对正常下颌骨及矢状劈开后三种不同固定方式的模型进行等效应力及位移的计算分析，并截取骨接合处相同位点进行标记，对比分析不同固定方式的生物力学特征。⑾咬合加载下提取三种不同固定方式中的钛板、钛钉应力分布、应力集中及位移情况进行生物力学分析，结合骨的生物力学特点，比较三种固定方式的固定稳定性。
　　 结果：①通过对健康成年志愿者下颌CT精密扫描，利用三维重建软件Mimics成功建立了含完整牙列并包含皮质骨、松质骨的正常下颌骨三维实体模型，具有良好的几何相似性;②逆向重建了本实验所需的固定系统三维模型（8mm单皮质钛钉、12mm双皮质钛钉、四孔长桥钛板），为避免局部较大的应力集中导致结果失真，两种钛钉的建立采用了简化圆柱模型;③在完整下颌骨三维实体模型基础上进行双侧下颌支矢状骨劈开，并将固定系统按不同固定方式进行定点装配，建立了三种不同固定方式的SSRO三维实体模型，网格划分后获得三维有限元模型;④双侧第一磨牙进行咬合力加载后获得正常下颌骨及三种不同固定方式的下颔支矢状骨劈开术的生物力学特征：根据等效应力分布可知，方式Ⅰ、方式Ⅱ应力集中范围较大，主要集中于下颌支后缘、髁突、乙状切迹、下颌支前缘，且在固定区域有明显应力集中;方式Ⅲ相比前二种的应力分布均匀，最大应力值也较小，与正常下颌骨的应力分布比较接近。三种固定方式中最大等效应力值为方式Ⅲ＜方式Ⅰ＜方式Ⅱ，因此，在前二种固定方式中，应力集中可影响固定区域的早期骨愈合，而方式Ⅲ应力均匀，在骨连接处受力最小，更利于骨劈开处的早期愈合。此外，矢状劈开术后与正常下颌骨相比，三种固定方式都出现了在髁突附近最大等效应力范围有明显增加的趋势。根据位移分布可知，最大位移出现于下颌前段，通过骨劈开处附近的位点变形标记可以得出:最大位移值为方式Ⅲ＜方式Ⅱ＜方式Ⅰ。方式Ⅲ的最大位移值为最小;在同一位点方式Ⅲ的结果也是最小。方式Ⅲ在手术区附近的位移等值分布相比其他二种固定要相对稀疏，数值也较小，固定也最为牢固。因此，双皮质钛钉倒L形固定效果最为稳定，最能抵抗咬合力加载所产生的旋转力，也更利于固定装置的固定，避免了螺钉松动。⑤固定系统的应力及位移分析:方式Ⅰ最大位移值位于最前端钛板及钛钉处，最大应力值主要位于近心端靠近劈开处钉孔前缘上端及该处钛钉其上缘与钛板接触区。方式Ⅱ最大位移情况与方法Ⅰ分布相似，但最大位移值小于前者;最大应力值主要位于靠近下颌骨上缘的双皮质钛钉，与方式Ⅰ的最大应力分布对应处相比其分布较为均匀。方式Ⅲ最大位移值位于靠近下颌骨下缘的双皮质钛钉，最大应力值位于靠近下颌骨上缘远心骨段的钛钉与骨面接触的区域，但整体分布较为均匀，最大应力值明显小于前两者。
　　 结论：①通过三维重建软件Mimics结合三维CT扫描数据建立的下颌骨三维实体模型具有极好的几何相似性，经过处理后可分别建立由单个牙齿组成的完整牙列、皮质骨及松质骨，使用逆向工程软件Geomagic对三维模型进行光滑、打磨、去噪等一系列图像处理，使三维实体模型更加接近真实;使颌骨生物力学特点分析的结果更为准确;②三维CAD实体模型设计软件Solidworks重建固定系统，利于在三维实体模型中进行下颌支矢状骨劈开后骨断端的固定，建立SSRO三维实体模型并进行其生物力学分析;③通过ANSYS软件中的Workbench功能在下颌骨实体模型成功模拟了下颌支矢状骨劈开术，并载入固定系统三维模型，建立了不同固定方式的SSRO三维实体模型及三维有限元模型，为临床中下颌支矢状骨劈开术的个性化治疗提供方便快捷的仿真手段及预期效果评估的数据支持;④以下颌骨和固定系统的应力及位移变形作为评判依据证实，下颌支矢状骨劈开术倒L形固定应力分布最均匀，劈开处位移最小并且无明显应力集中，最能有效抵抗咬合力加载所产生的各向旋转力，与其他二种方式相比稳定性最佳，最接近正常下颌骨受力的生物力学特征，更有利于促进手术区域早期愈合，避免远期畸形复发。

目录

摘要

前言

第一部分 双侧下颌支矢状骨劈开术的数字模型建立

1．材料和方法

2 结果

3 讨论

4 结论

第二部分 三种不同固定方式下的下颌支矢状骨劈开术生物力学分析

1 材料和方法

2 结果

3 讨论

4 结论

全文总结

参考文献

中英文对照缩略词表

综述 下颌支矢状骨劈开术的数字仿真及其稳定性研究

成果

致谢

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