下颌骨骨折坚强内固定的生物力学特性及理论基础

下颌骨骨折坚强内固定的生物力学特性及理论基础
四川大学生物力学教研室罗小惠
摘要：本文针对临床上下颌骨骨折内固定这一治疗方法，结合弹性力学的理论依据以及坚强内固定技术稳定性的临床作用，分析了下颌骨骨折的生物力学机理。

提出了用计算机模拟技术分析个体患者下颌骨骨折内固定治疗疗效，以次制定最佳固定方案，为临床提供参考。

关键词：下颌骨骨折坚强内固定生物力学计算机模拟
The Biomechanical Properties of the Rigid Internal Fixation
of Mandibular Fractures and its Theoretic Base
abstract: Combined the basis of elasticity mechanics and stability of rigid internal fixation, the biomechanical mechanism of mandibular fractures was analyzed according to the method of rigid internal fixation of mandibular fractures in the clinics. The idea of applying the computer simulation to study the effect of internal fixation of mandibular fractures in individuals and the best treatment method is established. According to it, the reference is put forward.
key words: mandibular fracture rigid internal fixation biomechanics computer simulation
伴随着我国现代化进程，交通及工业事故逐年增多，创伤已经日趋严重地威胁到人们的健康。

下颌骨由于位置突出，发生骨折的几率大，据统计，下颌骨发生骨折的几率是上颌骨的2倍，占了所有颌面部骨折的20%[1]。

而颌面部直接影响患者的面部形态、咀嚼等口腔功能活动、心理健康和正常的社交活动。

由于临床上骨折愈合所需要的时间长，因此，加速颌面部骨折愈合具有重要的临床和社会意义。

目前，坚强内固定技术应用于治疗颌面部骨折已经得到了广泛的认可，它可以使骨断端获得一定的稳定性，缩短颌间固定的时间。

1、下颌骨骨折坚强内固定的原则和影响稳定的因素
尽管坚强内固定技术在下颌骨骨折的应用已经相当广泛，但是临床上术后感染、错合以及伤口延迟愈合等并发症并不少见，而这些都与固定的稳定性不足有关。

根据AO/ASIF[2]（Association for the study of internal fixation）提出的四项基本原则，解剖复位是稳定固定的前提，而“稳定固定”又是早期功能活动的前提。

由于颌骨参与了说话、咀嚼等功能活动，因此早期的功能活动更为重要。

近年来国内外学者对下颌骨骨折内固定稳定性的研究做了很多工作。

但是是否所有的坚强内固定都可以获得充分的稳定性并取得良好的疗效还有一些争议。

Mosbah[3]的临床研究发现坚强内固定术后10%的小夹板出现松动。

小型接骨板固定的稳定性主要取决于以下四个方面：固定的方法、固定的材料、小型接骨板的类型以及术者的操作。

由于固定器械的小型化，要求固定材料的机械强度应具备足够的抗拉、抗弯和抗扭转能力。

钛合金接骨板生物相容性好、生物退变性低、耐腐蚀性强且无毒性，常被用于临床治疗中。

2、下颌骨骨折及其坚强内固定的生物力学特性
下颌骨在功能负载活动时受到升颌肌群、降颌肌群、咬合力及颞下颌关节区反应力等综合作用，下颌骨内呈现特定的应力传导和分布状态。

下颌骨主要通过骨内主应力轨迹抵抗和传递功能负载，骨折后骨连续性破坏可以视为主应力轨迹中断。

骨因此失去抗力结构和承
载功能。

骨的生物力学特性和骨的连续结构遭到破坏，骨折后破坏了其本身的力学平衡，使得骨折后的受力情况更加复杂。

通过坚强内固定技术的目的就是以固定结构代替中断的骨抗力结构。

在骨折愈合期内重新建立主应力轨迹以中和功能负载。

因此，对各种骨折状况下的下颌骨及其固定体进行应力分布规律的分析和研究有利于指导临床对下颌骨骨折的治疗，以恢复下颌骨本身的承载应力轨迹。

所以，对骨折的研究不再局限于下颌骨或者是医学解剖本身，而是引入了工程力学的一些观点，从生物力学的角度来考虑坚强内固定系统的应力应变分析，以此来评价内固定的生物力学特性，以指导临床应用。

对治疗过程中骨的机械性能、生理结构、几何解剖、功能应力、骨折固定稳定性、固定应力分析、固定板以及螺钉的刚度、强度、可塑性和固定对愈合的改建等都需要明确以便提高治疗效果。

目前，在坚强内固定治疗下颌骨骨折的研究中，主要集中于单一下颌骨骨折的研究，如下颌角骨折[4][5][6]和髁状突骨折[7]。

所有这些研究的目的都在于探讨骨折固定的稳定性以及治疗后下颌骨的应力轨迹线的恢复程度。

在这两方面的理论依据分别是Champy（图1）[8]提出的“张力带理论”和Seipel 的“下颌骨应力轨迹系统”（图2）[9]。

尽管Champy的理论在下颌骨骨折的临床治疗上有一定的指导意义，但是这种方法在临床上没有得到广泛的认可。

张益[10]通过临床研究发现，下颌角骨折采用小型接骨板安张力带固定稳定性不足，只适用于有利型骨折，因此，需要增加下缘固定。

图
1 下颌骨理想固定线（下颌骨
上缘为张力带，颏部为张力和压力并存的区域）
图2 下颌骨应力轨迹（Seipel）A. 下颌下缘压力轨迹 B. 内外斜嵴
张力诡计 C. 颞肌附着区轨迹 D.两突联合轨迹E。

牙槽突咬合力传递轨迹
3、下颌骨骨折坚强内固定生物力学分析的理论基础
对下颌骨生物力学的研究包括了实验法和有限单元法。

其中实验法包括了人体测量学法[11]、口内仪器、和全息照相术[12]。

这些研究的不足在于不能计算指定点处的应力状态而且对于表面变形、应力应变的测量都有一定的局限性。

而且，实验法采用与骨机械性能相似的材料制作下颌模型，如采用高分子材料，根据人的下颌骨形状来模拟下颌以及骨折模型，然后采用应变片测量下颌骨各功能下的力学行为，该种方法的局限是：模型制作困难；各组模型几何形态及其材料特性等的差异较大，对后期分析结果影响大。

有研究[13][14][15]对有限元这种数值方法和实验方法进行了比较得出了有限元法在计算下颌骨的应力应变情况下的精确性。

有限元法在生物力学的研究中广泛使用，模型的建立是有限元法的一个关键。

有限元法是应用了数值分析的原理，把一个整体的物体离散成众多的点，再借助弹性力学的理论来计算的方法。

该方法的好处在于：采用计算机模拟技术，数值化建模，模型的几何精确性高，能够模拟复杂骨折状态，通过定义不同的固定材料可分析比较不同部位骨折、不同固定类型情况下的固定技术的可靠性。

其弹性力学的理论基础如下：
A +f 0()......(1)()......(2)()......(3)(......(4)......(5)u V Lu V D V T T S S σσεσε⎫=⎪=⎪⎪=⎬⎪=⎪⎪⎭
v 在内在内在内在上）U=（U 在上）其中A ，L 为微分算子，f u v 为体积力向量，,σε分
别为应力和应变，D 表示材料属性；式（1）（2）（3）分别为在三维体积域内的平衡方程、几何方程和物理方程；式（4）（5）分别为满足力和位移的边界条件。

4、下颌骨骨折坚强内固定生物力学评价方法的展望
近年来由于计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术大量用于生物医学口腔医学领域。

有限元法作为一种计算机分析手段被广泛应用于口腔生物力学的研究。

大量的下颌骨骨折坚强内固定的研究[16][17][18]采用三维有限元的方法分析。

得出了钛板力学特性优于可降解板，稳定特性好。

尽管在这方面的工作很多，但是模型的建立都相对粗糙。

要获得精确的有限元研究结果，模型的建立是一个关键的环节。

可以针对临床上不同的下颌骨骨折患者提供个体CT 扫描图片，在此基础上提取各患者骨折CT 图片的三维数据建立骨折模型。

再根据临床常用接骨板系统建立接骨板模型，通过计算机数值化模拟骨折的治疗效果，为患者提供最佳的治疗方案，以提高临床的治疗效果。

为了简化这种过程，还可以根据各不同患者的情况建立不同骨折模型的数据库以及接骨板固定体的数据库，在临床治疗之前针对各自的骨折特点调用模型以便计算分析，找到最佳的治疗方案，以提高临床治疗的疗效。

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