下頜角截骨整形手術三維有限元模型的建立及生物力學研究.pdf

1、1.研究背景
　　 目前下頜角截骨整形術主要以口內入路為主,傳統(tǒng)手術方法是用擺動鋸或來復鋸進行截骨。由于口內入路空間小,手術暴露和用鋸截骨時操作困難,鋒利的鋸片容易損傷血管和周圍組織。因此柳大烈等提出應用鉆鑿法進行下頜角截骨,認為此法相比傳統(tǒng)方法有更多優(yōu)點,值得推廣應用。鉆鑿法下頜角截骨整形術作為矯治下面部輪廓整形的重要術式受到很多研究者和臨床醫(yī)生的關注。
　　 2.目的和意義
　　 通過本課題研究,探索研究下頜

2、角生物力學原理的方法和手段,建立高度仿真的下頜骨和顳下頜關節(jié)的三維有限元力學模型；通過對鉆鑿法下頜角截骨整形手術的仿真模擬,了解和闡述其生物力學原理:通過鉆鑿法下頜角截骨整形手術仿真模型,提出和分析對其的改進和優(yōu)化的方法。
　　 3.方法
　　 3.1不同下頜骨三維有限元模型建模方法的比較
　　 3.1.1 Mimics直接建模法建立下頜骨三維有限元模型
　　 直接法為直接按照物體結構系統(tǒng)的幾何外形建立節(jié)

3、點和單元?；谂郧嗄曛驹刚哳^顱CT掃描圖像,利用輪廓提取和閾值分割的方法提取下頜骨,刪除附近其他骨骼和軟組織。通過軟件的三維重建和Remesh模塊得到光滑連續(xù)的骨骼表面單元模型,導入Ansys軟件中建立了下頜骨三維有限元模型。通過Mimics內部的FEA模塊利用CT圖像中骨組織內灰度信息,為每個體單元賦材料性質參數,模擬了骨組織材料性質非均勻的特性。建立了下頜骨三維有限元模型(模型-1)。
　　 3.1.2 Solidwork

4、s間接建模法建立下頜骨三維有限元模型
　　 間接建模法,需要建立物體的實體模型,再對實體模型進行自動網格劃分,形成有限元模型。根據與上方法同源的原始CT圖片,先在圖像處理軟件中進行圖像分割把下頜骨分離出來,以點云形式輸入到逆向工程軟件Solidworks。軟件對曲面域基于曲率劃分,生成曲面修補,調整曲面修補的特征線消除扭曲曲面,導出曲面線框模型在Ansys軟件中生成曲面,曲面圍成的部分即自動生成所需的實體模型。有限元分析軟件AN

5、SYs對實體進行網格劃分,生成下頜骨三維有限元模型(模型-2)。骨組織的材料參數與Mimics模型取相同值。
　　 3.1.3直接建模法和間接建模法比較
　　 為對兩種建模方法進行比較分析,對Mimics直接建模法下頜骨三維有限元模型(模型-1)和Solidworks間接建模法下頜骨三維有限元模型(模型-2)采用相同的邊界約束條件,在頦聯合水平加載同等大小前后向沖擊載荷,在同一求解器進行計算。比較兩模型的Von Mise

6、s分布,對應部位應力大小進行統(tǒng)計學分析。
　　 3.2鉆鑿法下頜角截骨整形手術的生物力學研究
　　 3.2.1 帶顳下頜關節(jié)的下頜骨三維有限元模型的建立
　　 采用女性青年自愿者頭顱CT掃描圖像,間接法建立包括顱骨,上頜骨,顳下頜關節(jié)盤和下頜骨三維有限元模型。桿單元模擬咀嚼肌約束,設定下頜骨和顳下頜關節(jié)窩與關節(jié)盤為3D面-面接觸關系,約束關節(jié)窩的前、后和上表面?zhèn)€節(jié)點和桿單元上端所有方向的位移。建立包括顳下頜關節(jié)和

7、咀嚼肌及韌帶在內的下頜骨三維有限元模型(模型-3)。
　　 3.2.2鉆鑿法下頜角截骨整形手術模型的建立和生物力學分析
　　 根據臨床手術設計和操作方法,通過施加布爾運算,對模型 3進行簡化,鉆孔切割等操作,模擬手術方案,建立鉆鑿法下頜角截骨整形手術模型(模型-4)。模擬手術操作在截骨線下緣施加載荷模擬截骨過程,根據失效準則判定失效載荷,觀察分析截骨斷裂過程中Von Mises應力的在分布下頜骨,顳下頜關節(jié)的分布。

8、>　　 3.3鉆鑿法下頜角截骨整形手術的生物力學優(yōu)化
　　 3.3.1 非均勻鉆孔手術設計
　　 根據截骨線局部解剖測量和失效載荷最小化的原則,在模型-4上進行布爾運算,設計了下頜骨截骨線兩端鉆孔加密的新截骨方式,邊界條件同模型-4,建立非均勻截骨線下頜角截骨整形手術模型(模型-5)。載荷條件和觀察指標同模型-4。并將計算結果與模型-4進行對比。
　　 3.3.2下頜角頰側皮質骨去除手術設計
　　 根據

9、截骨線局部解剖測量和失效載荷最小化的原則,結合手術實際操作過程,設計了將截骨線上內側下頜骨外板皮質骨去除的手術方法,對均勻截骨法下頜角截骨整形手術模型(模型-4)和非均勻截骨法下頜角截骨整形手術模型(模型-5)進行優(yōu)化。邊界條件、載荷條件和失效準則同模型 4 生成去除下頜骨外板皮質骨均勻截骨手術模型(模型-6)和去除下頜骨外板皮質骨非均勻截骨手術模型(模型-7)。觀察指標同模型-4,并將模型4、5、6、7的計算結果進行對比,篩選出優(yōu)化下

10、頜角截骨手術的模型。
　　 3.3.3約束條件變化對下頜角截骨手術的影響
　　 在模型-7基礎上模擬肌肉的桿單元上加載最大肌力的軸向預張力建立模型-8；約束手術側截骨線上以上下頜支后緣部分節(jié)點建立模型-9;同時采用以上兩種附加約束方法模型-10。并將模型7,8,9,10的計算結果進行比較。
　　 4.結果
　　 4.1 Mimics直接建模法建立下頜骨三維有限元模型
　　 建立了下頜骨三維有限元模

11、型(模型-1),包含皮質骨和松質骨,共214354個節(jié)點,147219個四面體單元。
　　 4.2 Solidworks間接建模法建立下頜骨三維有限元模型
　　 建立了下頜骨三維有限元模型(模型-2),包含皮質骨和松質骨,共79538個節(jié)點,73999個四面體單元。
　　 4.3 Mimics建模法和Solidworks建模法比較
　　 兩模型在沖擊載荷下的響應、應力傳導和分布趨勢是一致的；在局部的最大應

12、力值有差異；模型-1和模型-2在沖擊載荷峰值時體部、磨牙區(qū)、髁突頸采樣節(jié)點von Mises應力值數據,通過SPSS13.0軟件進行統(tǒng)計學分析,配對t檢驗結果,t分別為-1.496,0.450,-0.286；P分別為0.23l,0.684,0.794；模型-1和模型-2之間的差異不顯著(p>0.05)。
　　 4.4帶顳下頜關節(jié)的下頜骨三維有限元模型的建立
　　 建立了包括顳下頜關節(jié),顳下頜關節(jié)盤、咀嚼肌和韌帶的下頜骨三

13、維有限元模型(模型-3),包含1895460個單元,2863257個節(jié)點,24個桿單元,4個接觸單元對。
　　 4.5鉆鑿法下頜角截骨整形手術的生物力學研究
　　 建立了均勻鉆孔鉆鑿法下頜角截骨整形手術三維有限元模型(模型-4)；計算結果顯示,下頜角斷裂失效載荷為2426N；von Mises應力主要分布在截骨線下半段,同時向頦聯合部傳導；骨折線下半段和頦聯合部都有明顯的應力集中。手術側關節(jié)盤應力較非手術側大,大部分區(qū)域

14、的應力值在0.56-7.54 MPa之間。
　　 4.6對鉆鑿法下頜角截骨整形手術的改進
　　 4.6.1 建立了下頜角非均勻鉆孔的鉆鑿法下頜角截骨整形手術三維有限元模型(模型-5)；計算結果,模型-5失效斷裂載荷為2018N。下頜骨von Mises應力分布顯示,應力集中于截骨線下端并向頦部傳導,最大應力點位于頦部,頦部紅色顯示的應力區(qū)域明顯小于模型-4。
　　 4.6.2建立去除下頜角頰側皮質骨均勻鉆孔的鉆鑿

15、法下頜角截骨整形手術三維有限元模型(模型-6)和去除下頜角頰側皮質骨的非均勻鉆孔的鉆鑿法下頜角截骨整形手術三維有限元模型(模型-7)；模型-6下頜角斷裂失效載荷為1854N,模型-7為1447N；von Mises應力分布,模型-6和模型-7應力分布均較模型-4和模型-5明顯集中,模型-7比模型-6應力分布更加集中,最大應力分布位于截骨線下半段,頦部無明顯應力集中區(qū)域。
　　 4.6.3 計算結果模型-8失效載荷1183N；模型

16、-9失效載荷1028N；模型-10失效載荷876N；模型-8 von Mises應力分布頦部的應力分布較模型-7明顯減?。荒Ｐ?9應力集中在截骨線及其上方區(qū)域內,而且較模型-7更加集中,方向與截骨線相同,下頜骨其他部位應力明顯減?。荒Ｐ?10應力集中更加明顯,應力分布范圍較模型-9更小。模型-8關節(jié)盤von Mises應力大部分在0.04-0.95 MPa之間,手術側稍大,少數區(qū)域為0.95-8.2MPa；模型-9關節(jié)盤von Mise

17、s應力手術側較非手術側明顯增大,關節(jié)盤上面局部地方von Mises應力在32.6-45.1MPa之間,后外側邊緣甚至超過了45.1MPa；模型-10關節(jié)盤von Mises應力手術側大于非手術側,大部分區(qū)域為0.52-3.25MPa之間,最大不超過9.86MPa。在模型-8中肌肉韌帶的拉應力最大,模型-9最小,模型-10居中但仍然小于模型-7。
　　 4.7 存在的問題和今后研究展望由于人體組織結構的不規(guī)則、材料的非線性,而且

18、大部分受力為動態(tài),特別是頜骨組織,這對計算機提出了高性能的計算和制圖能力要求。
　　 5.結論
　　 根據生物力學原理結合臨床實踐經驗,利用仿真力學實驗方法,對模型進行實驗條件的仿真手術,對模型在不同條件下的截骨線局部破壞極限進行分析,以失效斷裂載荷最小化為標準,尋求優(yōu)化的截骨方法。通過對模型的計算結果分析,我們認為非均勻鉆孔的方法優(yōu)于均勻鉆孔的方法,去除下頜角頰側皮質骨的方法優(yōu)于不去除下頜角頰側皮質骨的方法；在非均勻鉆