三维有限元分析下颌骨不同部位受力髁突的力学应变

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.29.015

摘要/Abstract

摘要：

背景：髁突骨折可以发生在直接及间接外力作用下，其危险性与撞击作用部位有着何种相关关系，目前报道较少。
目的：快速建立正常下颌骨的三维有限元模型，采用有限元方法分析下颌骨不同部位受力对髁突力学应变情况。
方法：以颌骨发育正常，无任何口腔疾患的青年志愿者1例进行多层螺旋CT扫描，利用医学逆向工程软件Mimics和大型有限元软件MSC.Patran建立下颌骨三维有限元模型并对下颌骨体部、颏部、下颌角部及髁突等部位进行数值撞击试验，对所建模型进行可行性验证。
结果与结论：①快速建立下颌骨三维有限元生物力学模型，重现了下颌骨的几何外形，能够得到下颌骨髁突的直观整体印象。建立的几何模型包括80 044节点和18 441单元。②于下颌骨颏部、一侧下颌体部、下颌角及髁突处分别加载100 N压力时，骨皮质中最大等效应力出现在髁突区域，髁突发生骨折的危险性最大。实验结果有助于从力学上对于髁状突骨折类型进行分析及对骨折的程度进行判断。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 组织构建, 骨组织工程, 下颌骨, 髁突, 生物力学, 有限元, 三位重建

Abstract:

BACKGROUND: Condylar fracture can occur under direct and indirect forces, and however, its risk and correlation with the impact site are rarely reported.
OBJECTIVE: To quickly establish normal mandible three-dimensional finite element model and to analyze the strain conditions of the condyle under force at different parts of the mandible.
METHODS: An adolescent volunteer was examined by multilayer spiral CT scans, whose mandible was normal and oral cavity was healthy. We used the reverse engineering software Mimics and large finite element software MSC.Patran to establish the three-dimensional finite element model of the mandible and to verify the feasibility of the model in the impact test at the body of the mandible, chin, mandibular angle and condyle.
RESULTS AND CONCLUSION: A rapid establishment of mandible dimensional finite element biomechanical model could reproduce the morphology of the mandible, which was able to obtain the overall visual impression of the mandibular condyle. Geometric model included 80 044 nodes and 18 441 units. The mandibular chin, one side of the body, mandibular angle and condyle were given 100 N force respectively. The maximum equivalent stress of the bone cortex appeared in condylar region. So the mandibular condylar fractures were at the greatest risk. Experimental results contribute to mechanically analyze the condylar fracture type and to judge the severity of fractures.

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Key words: Mandible, Finite Element Analysis;, Biomechanics

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 3

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引言

在口腔颌面部全面地认识颌骨的生物力学行为，了解其结构本身、结构改变以及状态改变对生物力学特性的影响，一直是口腔临床医生和研究者们共同关心的问题。然而，由于生物力学研究方法的限制，这一愿望长期未能实现。有限元法在口腔生物力学研究中的应用，为这一领域的研究提供了先进、有效的手段。并被广泛应用于各种复杂力学问题的研究[1-2]。曹力飞等[3]在三维有限元分析下颌骨生物力学的研究进展中提到建立完整准确的下颌骨三维有限元模型，是有限元分析能否实现的关键，也是国内外研究的热点与难点。本实验拟从临床应用和相关研究的需要出发，目的在于利用Mimics软件把螺旋CT断层扫描影像转化为三维模型，建立正常人下颌骨三维模型，为以后的生物力学研究和分析奠定基础。
下颌骨位于面下1/3，是颅面部唯一活动的骨骼，对于正常咀嚼起到非常重要的作用，下颌骨骨折部位多位于受力集中且骨质薄弱的部位，或发生在变形较大的部位。在口腔颌面创伤骨折类型中，下颌骨骨折是最常见的颌面部损伤。下颌骨骨折占40%-71%，平均62%，而且近年来还呈现不断上升的趋势[4]。以往的研究资料表明，下颌骨颏部、体部、下颌角、髁突颈部是下颌骨骨折好发部位[5-6]。其中下颌骨髁突日益受到国内外学者的关注，由于其位置的特殊，如不及时处理，有些骨折会导致关节囊内外损伤及出血多，易粘连，骨折断端对关节盘还可造成继发性损伤，预后较差，因而正确与及早诊断具有重要意义[7-8]。
髁突骨折是是下颌骨骨折中较常见的一种，占下颌骨骨折的25%-52%[9]。近年来，随着各类交通事故的增多，其发生率有明显的增加。髁突骨折可以发生在直接及间接外力作用下，其危险性与撞击作用部位有何种相关关系，目前报道较少。实验对下颌骨体部、颏部、下颌角部及髁突等部位进行数值撞击试验，采用有限元方法初步分析下颌骨不同部位受力对髁突力学应变情况，探讨髁突骨折的生物力学有关问题。

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材料方法

设计：三维有限元分析。
时间及地点：实验于2010年2月至2014年1月在山东省德州市人民医院完成。
对象：青年女性颌骨发育正常，无任何口腔疾患的志愿者。
材料：
硬件：高性能电子计算机：英特尔奔腾双核处理器 2.8 G CPU，2 G内存，WindowsXP系统；德国SIEMENS公司Sensation16层螺旋CT：电压120.00 kV，电流为 44.25 mAs，分辨率为512×512，扫描最薄层厚0.625 mm。
软件：Windows XP；Mimics 10.01；MSC Pantran；Photoshop 6.0软件。
方法：测试对象取仰卧息止颌口位，以利于下颌骨图像后期区分处理，眶耳平面与水平面垂直，头部固定。扫描条件：选择骨组织窗扫描，层厚0.625 mm，由颏部到髁状突进行横断扫描，共扫描101层，直接以Dicom 3.0医学数字图像通讯标准以光盘形式存储。
应用Mimics建立三维实体模型：运用Mimics 10.1软件读取图像，通过调整阈值范围，把下颌骨从软组织影像中提取，直接建立三维表面模型，其表面为三角片面网格形状，在Mimics软件中FEA模块下使用remesh功能将3D模型表面网格重新划分，并且对模型表面进行平滑处理，以IGES格式文件输出(图1)。
由于Mimics提供的是表面重建，重建所得的下颌骨非三维实体，而用于有限元分析的对象必须是三维实体网格，故将所得数据导入到MSC.Patran软件，以为建立三维实体模型作准备。MSC.Patran可以在封闭的曲面风格上自动生成四面体，故利用软件此功能，将前面导入的下颌骨面网格进行拓扑，从而生成四面体网格，这样也就完成了下颌骨三维实体网格划分工作(图2)。
材料参数的假定：将在MSC.Patran中已划分好的三维网格输出，生成out格式文件，再次导入Mimics软件，于Material功能下赋予材料属性(图3)。体网格数据载入Mimics后，利用FEA下的Material功能，赋予模型材料属性。在一个XML文件中为灰度值分配相应的密度值，然后在FEA模块中输入这个XML文件，按照XML文件的定义对每一个体网格分配材料，再对每一种材料定义弹性模量(E)及泊松比(ν)。
参照文献采用颌骨密度与灰度值的经验公式为[10]：
density(kg/m3)=1.9×10-3 Hu+0.105      (1)
density(kg/m3)=7.69×10-4 Hu+1.028     (2)
当Hu ≤ 816时利用公式(1)；当Hu > 816时利用公式(2)
最后单元的弹性模量根据下式计算
E(GPa)=2 875× density3(kg/m3)        (3)
泊松比均设定为0.30[11]。

自定义的10种材料属性：
假定材料	灰度范围(Hu)	密度(kg/m3)	弹性模量(MPa)	泊松比
材料1	226-521	0.534 4	438.77	0.3
材料2	521-816	1.094 9	3 773.65	0.3
材料3	816-1111	1.655 504	13 044.53	0.3
材料4	1111-1406	1.882 359	19 175.43	0.3
材料5	1406-1701	2.109 218	26 977.53	0.3
材料6	1701-1996	2.336 073	36 651.95	0.3
材料7	1996-2291	2.562 928	48 400.19	0.3
材料8	2291-2586	2.789 783	62 423.64	0.3
材料9	2586-2881	3.016 638	78 923.70	0.3
材料10	2881-3071	3.243 493	98 101.75	0.3

约束条件及加载方式：①边界条件：把髁突抽象为固定铰链约束，三维方向都固定约束，由于下颌骨是惟一一个活动关节，因此设定边界条件时双侧髁突固定。②加载方式：于下颌骨颏部颏正中联合处、下颌骨体部及下颌角部，髁突等部位，取适合部位的10个节点平均分配力的大小，方向是水平方向的的撞击力，合力的大小为100 N。
主要观察指标：①标准的下颌骨三维模型建立结果。②应用Mimics软件辅助快速建立了下颌骨三维有限元模型应力分布。③受力验证结果。

讨论

3.1 下颌骨有限元模型的建立有限元方法于20世纪50年代初期诞生，已广泛应用于口腔生物力学领域的研究，成为结构优化设计、材料非线性和几何非线性分析的一种实用、有效、方便且无创的应力分析方法[12]。该方法的基础是模型的建立，如何提高模型的相似性是研究的重点[13-16]。
目前生物体三维有限元建模方法经历了不断演进,目前国内为学者大多运用Dicom格式数据文件直接建模，可以直接读取数据并处理，避免反复数据导入、导出，文件格式的转换造成的数据失真或丢失，显著提高了模型的精确度[17-18]。
本实验即运用专业医学影像三维重建软件直接识别颌面部高精度DICOM格式多层螺旋CT扫描数据，以多面体面的形式重建下颌骨三维模型，充分利用了专业造型软件强大的功能，简化了以往研究中对CT断层图像处理和转化以提取其边缘轮廓线的繁琐过程。尽可能减少了在反复操作过程中主客观因素造成的数据和信息的丢失，提高了模型的精度，简化了有限元模型的建立过程。实验应用Mimics软件快速、精确的建立人体下颌骨的三维有限元模型，由于下颌骨的解剖结构复杂，几何形态不规则，而且在临床上个体局部骨质情况存在差异，但该研究在设定边界约束做了简化，一定程度上影响到分析结果的可靠性和准确性。
3.2 下颌骨生物力学性质：下颌骨不同部位受力对髁突的应力变化分析下颌骨位于面下1/3，是颅面部唯一活动的骨骼，对于正常咀嚼起到非常重要的作用，下颌骨生物力学研究的主要目的是对下颌骨骨折的治疗进行指导。下颌骨骨折部位多位于受力集中且骨质薄弱的部位，或发生在变形较大的部位，从临床上看，下颌骨骨折多发生在髁颈部、颏联合处、下颌角区、颏孔区。在临床试验中髁颈部的研究越来越受到重视，其中已经有许多学者对正常人颞下颌关节应力分布特点变化规律等进行了研究报道。研究认为应力集中区多位于髁突前斜面[19]，胡凯等[20]对正常人颞下颌关节研究结果认为，正中咬合时髁突位移最大，表明作用于下颌骨的肌力或外力对髁突的影响最为明显。颞下颌关节内各结构的拉压应力由其相互接触面传递，分散至关节内各组织，其作用部位主要集中在关节前、内侧。在各种应力分布中，髁突的力值均大于关节盘，进一步说明髁突是受力的关键部位。孙健等[21]研究结果显示，髁突颈部为应力集中区。
本研究首次利用有限元分析对下颌骨进行了受力分析试验，得到了加力作用下下颌骨的应力分布情况：①当加一定力时，常规会认为被加力部位应力较大此部位容易发生骨折，实验分别从下颌骨的颏部、下颌体部、下颌角及髁突4个部位加力，反而出现了髁突应力最大。从结果可以看出应力值最大的部位均出现在髁突，充分说明了髁突发生骨折的危险性。颏部加力结果也验证了白乐康等的下颌骨的应力集中区在髁突前斜面[19]。外力的作用于颏部时，双侧髁突前斜面遭受到最大应力，其次是下颌颏部受力部位，这也充分验证日常生活中，由于车祸、撞击伤及训练时颏部受力后，如出现颏部骨折，一般都会伴有双侧髁突骨折。这对下颌骨髁突的临床损伤情况可以提供一定的伤情判断依据，即可以根据外力作用部位考虑髁突骨折类型。从理论上也证实了髁突骨折很少是由于外力直接作用于局部所致[22]。②从模拟受力考虑在实际的撞击中，随着外力的增大，在撞击部位出现折裂或骨折，当骨折发生后，应力出现部分传导中断，骨折的发生可以保护后部的深层组织，减轻深部组织的损伤，加之肌肉组织的衬垫作用，使撞击接触时间变长，明显减小了撞击的力量。
在一定的外界载荷作用的生物力学研究主要是探讨其损伤机制，分析受力过程中的生物学响应，确定组织或系统的耐受限度，提出模拟外界载荷作用时人体响应的试验装置和计算机模型，为临床医生和工程设计提供临床救治和防护依据。目前只在很小的领域内通过研究有了部分的了解。由于个人采用的建模方法，简化方法及约束设置等不同，结果可能存在差异。同时，由于个体局部骨质情况差异，咀嚼肌作用下的模型验证相当困难等因素，使其数值的精度与实际情况有一定的差距，要结合临床检查才能得出较合理的结论。
本研究应用有限元方法对下颌骨受力损伤的初步模拟分析，有限元模型对客观受力状态进行了部分简化，实际客观受力状态十分复杂，有待于进一步研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程