下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)的數(shù)字模型建立及其生物力學(xué)穩(wěn)定性研究.pdf

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

2、，如下牙槽神經(jīng)不可逆性損傷、下頜骨意外骨折、下頜骨畸形復(fù)發(fā)等。下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)可矯治頜面部畸形，改善咬合關(guān)系，同時(shí)也改變了頜面部肌肉組織及骨組織的生物力學(xué)關(guān)系，影響了矢狀劈開(kāi)后下頜骨的穩(wěn)定性。在堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)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(kāi)術(shù)固定方法。雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)SSRO不同固定方式進(jìn)行了不同角度的研究，迄今為止對(duì)于術(shù)中、術(shù)后并發(fā)癥最小、固定效果最穩(wěn)定的固定方

3、法尚無(wú)定論。目前，下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)穩(wěn)定性的研究方法有臨床回顧、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、離體模型及計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)等。臨床回顧、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及離體模型研究很難重現(xiàn)口腔復(fù)雜的生物力學(xué)環(huán)境，因而其研究結(jié)果的可靠性也受到質(zhì)疑。應(yīng)用三維有限元法對(duì)SSRO的研究在近年來(lái)快速發(fā)展，為下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)的穩(wěn)定性研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。有限元法可以通過(guò)CT數(shù)據(jù)仿真重建下頜骨三維模型，對(duì)下頜骨數(shù)字模型進(jìn)行矢狀劈開(kāi)并模擬不同固定方式，通過(guò)咬合力加載分析SSRO術(shù)后下頜骨的生

4、物力學(xué)特征?？梢哉鎸?shí)地重現(xiàn)下頜骨的幾何形態(tài)，模擬口腔的應(yīng)力環(huán)境，也可避免臨床實(shí)驗(yàn)及體外實(shí)驗(yàn)的力學(xué)測(cè)量局限性。
　　 目的：本實(shí)驗(yàn)利用三維重建軟件及有限元計(jì)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(jìn)行下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)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(chǔ)上對(duì)下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)有限元模型進(jìn)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(shù)后并發(fā)癥提

5、供理論支持。通過(guò)對(duì)下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)的生物力學(xué)研究，為臨床中下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)的個(gè)性化治療提供方便快捷的仿真手段及預(yù)期效果評(píng)估的數(shù)據(jù)支持。
　　 方法：⑴健康成年女性志愿者，25周歲，牙列完整、咬合關(guān)系正常，下頜骨及顳下頜關(guān)節(jié)無(wú)疾病及形態(tài)異常。經(jīng)志愿者同意后進(jìn)行CT掃描。⑵采用64層CT進(jìn)行頭顱連續(xù)水平掃描，CT機(jī)型為SOMATOM Definition CT，德國(guó)SIEMENS公司產(chǎn)品。掃描參數(shù):層厚1mm，球管電流200 m

6、A，電壓120 kV。研究對(duì)象取仰臥位于CT掃描儀臺(tái)上，以十字定位光束為準(zhǔn)，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(jù)以DICOM格式保存。⑶利用CT掃描頭顱圖像數(shù)據(jù)輸入三維重建軟件Mimics（比利時(shí)Materialise公司）中，分別建立下頜皮質(zhì)骨、下頜松質(zhì)骨、牙等三維模型，并進(jìn)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(biāo)卡尺測(cè)量臨床使用的四孔長(zhǎng)橋鈦板

7、、8mm、12mm鈦釘三維數(shù)據(jù)（美國(guó)Wlorenz公司提供），鈦釘?shù)慕⒉捎昧撕?jiǎn)化圓柱模型，利用三維CAD軟件Solidworks（法國(guó)達(dá)索公司）分別進(jìn)行鈦板、鈦釘建模。⑸將下頜骨三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS Workbench（美國(guó)ANSYS公司）中，利用Workbench進(jìn)行部件的布爾運(yùn)算，劈開(kāi)雙側(cè)下頜升支，將遠(yuǎn)端骨段前徙5mm。⑹將鈦板、鈦釘三維模型數(shù)據(jù)輸入到已模擬劈開(kāi)的下頜三維模型中，并根據(jù)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的臨床最常用的三種固定方式

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

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

10、分離接觸。⑽模擬咬合力在雙側(cè)第一磨牙靜態(tài)加Ⅲ載132N的力，對(duì)正常下頜骨及矢狀劈開(kāi)后三種不同固定方式的模型進(jìn)行等效應(yīng)力及位移的計(jì)算分析，并截取骨接合處相同位點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)比分析不同固定方式的生物力學(xué)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(yīng)力分布、應(yīng)力集中及位移情況進(jìn)行生物力學(xué)分析，結(jié)合骨的生物力學(xué)特點(diǎn)，比較三種固定方式的固定穩(wěn)定性。
　　 結(jié)果：①通過(guò)對(duì)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(zhì)骨、松質(zhì)骨的正常下頜骨三維實(shí)體模型，具有良好的幾何相似性;②逆向重建了本實(shí)驗(yàn)所需的固定系統(tǒng)三維模型（8mm單皮質(zhì)鈦釘、12mm雙皮質(zhì)鈦釘、四孔長(zhǎng)橋鈦板），為避免局部較大的應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)果失真，兩種鈦釘?shù)慕⒉捎昧撕?jiǎn)化圓柱模型;③在完整下頜骨三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上進(jìn)行雙側(cè)下頜支矢狀骨劈開(kāi)，并將固定系統(tǒng)按不同固定方式進(jìn)行定點(diǎn)裝配，建立了三種不同固定方式的SSRO三維實(shí)體模型，網(wǎng)格劃分后獲得三維有限元模型;④雙側(cè)第一磨

12、牙進(jìn)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(kāi)術(shù)的生物力學(xué)特征：根據(jù)等效應(yīng)力分布可知，方式Ⅰ、方式Ⅱ應(yīng)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(yīng)力集中;方式Ⅲ相比前二種的應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力值也較小，與正常下頜骨的應(yīng)力分布比較接近。三種固定方式中最大等效應(yīng)力值為方式Ⅲ＜方式Ⅰ＜方式Ⅱ，因此，在前二種固定方式中，應(yīng)力集中可影響固定區(qū)域的早期骨愈合，而方式Ⅲ應(yīng)力均勻，在骨連

13、接處受力最小，更利于骨劈開(kāi)處的早期愈合。此外，矢狀劈開(kāi)術(shù)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(yīng)力范圍有明顯增加的趨勢(shì)。根據(jù)位移分布可知，最大位移出現(xiàn)于下頜前段，通過(guò)骨劈開(kāi)處附近的位點(diǎn)變形標(biāo)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(diǎn)方式Ⅲ的結(jié)果也是最小。方式Ⅲ在手術(shù)區(qū)附近的位移等值分布相比其他二種固定要相對(duì)稀疏，數(shù)值也較小，固定也最為牢固。因此，雙皮質(zhì)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(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，也更利于固定裝置的固定，避免了螺釘松動(dòng)。⑤固定系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)力值主要位于近心端靠近劈開(kāi)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(yīng)力值主要位于靠近下頜骨上緣的雙皮質(zhì)鈦釘，與方式Ⅰ的最大應(yīng)力分布對(duì)應(yīng)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(zhì)鈦釘，最大應(yīng)力值位于靠近

15、下頜骨上緣遠(yuǎn)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(yīng)力值明顯小于前兩者。
　　 結(jié)論：①通過(guò)三維重建軟件Mimics結(jié)合三維CT掃描數(shù)據(jù)建立的下頜骨三維實(shí)體模型具有極好的幾何相似性，經(jīng)過(guò)處理后可分別建立由單個(gè)牙齒組成的完整牙列、皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨，使用逆向工程軟件Geomagic對(duì)三維模型進(jìn)行光滑、打磨、去噪等一系列圖像處理，使三維實(shí)體模型更加接近真實(shí);使頜骨生物力學(xué)特點(diǎn)分析的結(jié)果更為準(zhǔn)確;②三維CAD實(shí)體模型設(shè)計(jì)軟

16、件Solidworks重建固定系統(tǒng)，利于在三維實(shí)體模型中進(jìn)行下頜支矢狀骨劈開(kāi)后骨斷端的固定，建立SSRO三維實(shí)體模型并進(jìn)行其生物力學(xué)分析;③通過(guò)ANSYS軟件中的Workbench功能在下頜骨實(shí)體模型成功模擬了下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)，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(shí)體模型及三維有限元模型，為臨床中下頜支矢狀骨劈開(kāi)術(shù)的個(gè)性化治療提供方便快捷的仿真手段及預(yù)期效果評(píng)估的數(shù)據(jù)支持;④以下頜骨和固定系統(tǒng)的應(yīng)力及位移變形作為評(píng)