机械学科前沿讲座课程报告--陈宏

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武汉大学动力与机械学院机械学科前沿讲座课程报告 
下颌骨髁突骨折坚强内固定骨折板的分析与设计方法
陈宏 2014282080107
摘要:髁突是下颌骨骨折容易发生的部位之一,由于髁突的特殊性治疗与固定存 在激烈的讨论。而近年来开放内固定复位术已经得到广泛的认可，骨折固定板的 研究仍然在激烈进行。随着有限元方法的成熟，医学科研学着运用有限元方法来 研究问题也越来越多。本文主要报告近年来髁突骨折坚强内固定骨折板的 3D 设 计与有限元分析方法。 关键词：髁突骨折；三维有限元；坚强内固定
由于摔伤、交通事故等原因，口腔颌面部创伤也呈逐年增多趋势。髁突骨折 占下颌骨骨折的 20% - 50%。20 世纪初，由于颌面部手术有着较高的危及生命 的风险，髁突骨折的治疗一直以非手术治疗为主。二次世界大战后，髁突骨折的 治疗从绝对的保守治疗向外科手术发展。至今，由于没有或在未来相当长的一段 时间内很难取得符合循证医学的前瞻性研究， 髁突骨折治疗方式的争论仍将持续 下去。 大量临床治疗总结常忽略髁突骨折后咀嚼系统强大的适应性改变对治疗结 果的影响，由此产生的大量“错误结论”仍将长期影响下颌骨髁突骨折的治疗。 不可忽视的是一部分髁突骨折在非手术治疗后继发咬合紊乱、开颌、下颌运动受 限、关节疼痛、关节强直、颜面偏斜等并发症。随着髁突骨折分类研究的进展、
图 1 下颌骨容易发生骨折的部位

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各种小型接骨板的出现、坚强内固定技术的成熟应用，手术效果显著提高，比较 手术与非手术治疗下颌骨髁突骨折的文献更倾向于手术复位及坚强内固定术。 髁突骨折主要分为囊内骨折、髁颈骨折、髁突下骨折[1]。骨、骨折及骨折治 疗的生物力学，作为创伤治疗的基础性研究的一个十分重要方面相对薄弱。治疗 的讨论从闭合复位术到开放内固定， 骨折板的讨论从单一微型骨折固定板到特殊 复杂的 3D 骨折固定板。近年来开放内固定复位术已经得到广泛的认可，骨折固 定板的研究仍然在激烈进行[3]。所以很多国内外学者建议研究和应用新型的骨折 固定板，近年来设计出了三角形板、梯形板、人形板、A 形板及最新的 Strut 板 等。有限元法在生物组织的力学研究中应用广泛，利用有限元方法、现代医学影 像技术和国际著名有限元分析软件及高性能电子计算机， 为下颌骨骨折固定板的 生物力学性能研究分析提供了可靠的基础。
1 国内研究现状
国内研究主要是一些医学学者在研究，并且停留在临床研究的范围内，只对 医学范围内的现象做出解释，并没有从力学方面理解骨结构、骨折固定板的生物 力学性能。国内使用有限元方法对下颌骨骨折内固定的研究很少，对于髁突部位 的骨折研究更是稀有。 在临床应用方面，我国目前使用双微型板固定，主要针对不同类型的手术方 法和骨折固定术进行研究比较，而鲜有比较不同骨折固定板的治疗效果，及固定 板的生物力学稳定性。临床治疗没有采用国际上认为更好的其他型板，而致使我 国医学学者在这方面的研究迟钝。在学术研究方面，随着跨学科研究的深入，医 学学者与力学学者共同研究下颌骨骨折随即增多， 有限元方法也随之被引入到下 颌骨骨折的研究过程中。但是在这过程中存在很多问题，有限元模型网格稀疏， 导致数值计算误差比较大，而且没有准确的模拟出下颌骨的形状和组织结构；边 界条件不准确，约束条件和加载条件模糊；材料属性不准确，骨松质、骨密质、 骨痂的材料属性设置不当；评判标准不正确，对于骨质属于脆性材料并不适用于 米塞斯应力准则[4][5][6]。
2 国外研究现状
国外早在上世纪 90 年代就已经使用有限元方法研究下颌骨髁突骨折。在临 床应用方面，已经使用认为生物力学性能更好的人形板、梯形板及 A 形板等，也

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有使用可降解的复合材料的骨折固定板并且考虑到骨折固定板的应力遮挡问题 对骨折恢复的影响。在学术研究方面，有限元方法作为科学的数值计算方法而被 采用，主要利用有限元分析软件研究不同类型的骨折固定板对骨折愈合的影响。 由于对不同类型的骨折固定板激烈的讨论， 不少学者仍然建议设计更好的髁突部 位的骨折固定板[10]。但是，在利用有限元方法方面，依然存在有限元模型不准确 而导致计算误差比较大，边界条件和肌肉力的大小、材料属性的设置、评判标准 依然存在争议 [11][12][13]。
3 模型的建立方法
3.1 建模素材及原始数据的获得 随着医学影像技术的发展，使用 CT 断层扫描仪和核磁共振成像设备辅助治 疗骨折越来越广泛。在临床应用方面，计算机辅助外科已经建立。对患者进行 CT 或者 MRI 扫描，可以获得医学影像数据，并且数据精度受设备仪器的限制。
图 2 髁突骨折 CT 断层扫描图像
3.2 数字数据的获得 从 CT 或者 MRI 获得的数据以 DICOM 格式导入到 Mimics 或者 Simpleware 软 件中，Smooth 重建出三维模型，保存为 STL 格式。然后再把 STL 文件导入

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Rapidform 软件中把三角面片处理为 NURBS 曲面，最后导出 IGS 格式。
图 3 把三角面片处理为 NURBS 曲面
3.3 骨折部位的处理 利用 CAD 软件对下颌骨模型髁突部位进行打断模拟骨折， 或者只是分割出骨 折痕迹， 最后利用有限元前处理软件重新赋予骨痂的材质模拟愈合的骨痂等方法。
图 4 CAD 软件中骨折部位的处理
3.4 下颌骨有限元模型的建立

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利用有限 限元前处理软 软件 Hyperm mesh 或者其 其他软件进 进行有限元网 网格的画分 分。 在 网格 格画分的时 时候很多学者 者采用了线 线性四面体单 单元，该单元 元存在剪力 力自锁现象，并 且在 在网格稀疏 疏的时候计算 算误差比较 较大，应该采 采用二阶的四面体单元 元。材料属性 性的 赋值 值主要参考 考其他学者对 对下颌骨材 材料的研究文 文献，或者 者是参照 CT 值根据经验 验公 式计 计算出各部 部分的材料属 属性，或者 者直接在 Mim mics 中根据 据灰度值和 和经验公式计 计算 出材 材料属性分 分别为每个单 单元赋值材 材料。然后再 再到 Abaqus s 或者 Ansys 等有限元 元软 件中 中设置边界 界条件。约束 束条件的设 设置主要是参 参考其他学 学者对下颌骨 骨咬合状态 态下， 下颌 颌骨髁突及 及冠突部位约 约束情况的 的研究文献。 加载情况的 的设置主要 要参考其他学 学者 对切 切牙咬合、磨 磨牙咬合工 工况下各咬肌肌肉力大 大小、位置、 、生理横截 截面积的研究 究文 献。在不同咬合 合工况下，各咬肌的作 作用方向与 与大小都有所 所区别，所 所以肌肉力的 的准 确设 设置是一个 个非常复杂的 的问题。并且 且很多学者 者把肌肉力考 考虑成约束 束，而在牙齿 齿上 加载 载力，这样 样导致与实际 际情况不符 符而计算误差 差大。 肌肉力的确定以及材 材料属性的 的设置确实是 是下颌骨建 建模的难点， 肌肉力的确 确定 应该 该采用患者 者的 MRI 图像 像，在该图像上准确找 找出肌肉力的位置、方 方向，材料属 属性 的设 设置应该以该患者的扫 扫描的 CT 值作为依据 值 据， 在 Mimics 里对每个 个单元进行材 材料 属性 性的设置，这样的简化 化更符合实 实际情况。
图 5 下颌骨有限元模型
4 分析的评判 分 判标准
评判下颌 颌骨骨折固定板的生物 物力学稳定 定性主要标准 准是螺钉上 上的米塞斯应 应力、 板上 上的米塞斯 斯应力、螺钉 钉周围骨质上 上的米塞斯 斯应力、骨断 断之间的位 位移及应力遮 遮挡