髁突矢状骨折坚固内固定后骨折愈合进程的生物力学分析.pdf

1 6 4 上海 口腔 医学2 0 1 5年 2月 第 2 4卷第 2期 S h a n g h a i J o u r n a l o f S t o ma t o l o g y Vo 1 2 4 No 2 A p r i l，2 0 1 5 文章编号 1 0 0 6 7 2 4 8(2 0 1 5)0 2 0 1 6 4 0 6 髁突矢状骨折坚固内固定后骨折愈合进程的生物力学分析 景捷，曲爱 丽。，丁晓梅。，黑玉娜。(1 宁夏 医科大 学 总医 院E l 腔 颌面 外科，宁夏 银 川7 5 0 0 0 4；2 宁夏 大 学机械 工程 学 院，宁夏 银川7 5 0 0 2 1；3 宁 夏医科 大学 研究 生 院，宁夏 银 川7 5 0 0 0 4)【摘要】目的：从生物力学角度分析髁突矢状骨折(s a g i t t a l f r a c t u r e o f t h e m a n d i b u l a r c o n d y l e，S F MC)坚固内固定术后的 骨折愈合进程，为治疗 S F MC提供依据。方法：以三维有 限元法(t h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 3 D F E A)构 建 包含双侧髁突的下颌骨模型；设 右侧髁突为骨折侧，模 拟以 4孔微型接骨板坚 固内固定治疗法，设计术后 0、4、8、1 2周为 S F MC 骨折愈合进程 中的观测点，测算髁突应力分布变化，骨折断端位移、微接骨板受力、应力遮挡状况。结 果：正常髁突最大等效应 力位 于髁颈部，分布于髁颈 中 1 3的片状区域。术后 0周，患侧髁突最大等效应力 为正常值 的 2 3倍，位于近骨折线 中下 1 3的髁 突残端 和近骨折线 的螺钉固定处的接骨板上 呈 点状分布：髁突及接骨板 的其 余部分几乎不受应力作用。术后 4 1 2周，患侧髁 突的最 大等效应力趋于平稳，但仍为正常值的 6倍左 右。位于近髁 突残端的镙钉固位处与髁颈 中外 1，3处的点状区域，其余部分几乎不受应力作用。髁突总位移及总转 角在 骨折愈合 进程 中增加 0 5 7 0 7 5 m m及 0 0 1 0 0 9 o。髁突残端术后 0周的最大等效应力是术后 4 l 2周的 5 6倍。髁突游离端 在骨折愈合进程 中的最大等效应力、总位移及总转角值均无显著变化 接 骨板术后 0周最大等效应力 为术后 4 l 2 周 的 7-9倍 结论：S F MC愈合进程 中，髁 突承载应力及应变改变、接骨板 的应力遮挡可能与髁 突吸收、改建有关。内 固定 4周内，接骨板、髁突残端承载 的最 大等效应力、髁 突总位移 与总转角明显增大，可弹性颌 间牵引 以减少髁突 总位移及 总转角：流质饮食 可减少髁突等效应力，利 于骨折 愈合。内固定 4周后 下颌骨及髁 突已能承载正常负荷 可行康 复训 练，以尽早恢复 T M J的正常功能。关键词】髁 突矢状骨折；坚固内固定；三维有限元；生物力学 f 中图分类号1 R 7 8 2 4 f 文献标志码1 A Bi o me c h a n i c a l a n a l y s i s o n h e a l i n g p r o c e s s o f s a g i t t a l f r a c t u r e o f t h e ma n d i b u l a r c o n d y l e a f t e r r i g i d fix a t i o n J I NG J i e ，Q U A i l i ，D I N G X i a o-m e i ，H E I Y u n a。r，D e p a r t me n t o f O r al a n d Ma x i l l o f a c i a l S u r g e r y,G e n e r a l H o s p i t al of N i n g x i a Me d i c o l U n i v e r s i t y Y i neh u a n 7 5 0 0 0 4；2 Me c h a n i c al E n g i n e e d n g S c h o o l o f N i n g x i a U n i v e r s i t y Y i n c h u a n 7 5 0 0 2 1；3 G r a d u a t e S c h o o l of Ni n g x i a Me d i c al U n i v e r s i t y Y i n c h u a n 7 5 0 0 0 4，N i n g x i a Hu i A u t o n o m o u s R e#o n，C h i n a)AB S T R AC T】P UR P OS E：T o a n a l y z e t h e b i o me c h a n i c a l h e a l i n g p r o c e s s o n r i g i d fi x a t i o n o f s a g i t t a l f r a c t u r e o f t h e m a n d i b u l a r c o n d y l e(S F MC)，a n d t o p r o v i d e g u i d e l i n e s f o r s u r g i c a l t r e a t me n t ME T HO DS：T h r e e-d i me n s i o n a l fi n i t e e l e m e n t mo d e l f 3 D F E A M)o f ma n d i b l e a n d c o n d y l e w a s e s t a b l i s h e d T h e r i g h t c o n d y l e w a s s i m u l a t e d a s S F MC w i t h 0 1 mm s p a c e a c r o s s t h e c o n d y l e l e n g t h wa y s T h e 3 D F E AM o f r i g i d f i x a t i o n w a s e s t a b l i s h e d T h e b i o me c h a n i c a l f a c t o r s s u c h a s s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f c o n d y l a r s u r f a c e，d i s p l a c e me n t a r o u n d f r a c t u r e，s t r e s s o n t h e p l a t e a n d s t r e s s s h i e l d i n g we r e c a l c u l a t e d d u r i n g 0 4 8 a n d 1 2 一 we e k a f t e r ri g i d fi x a t i o n RES ULTS：T h e ma x i mu m e q u i v a l e n t s t r e s s o f n o r ma l c o n d y l e wa s l o c a t e d a t t h e a r e a o f mi d d l e 1 3 o f c o n d y l a r n e c k T h e ma x i mu m e q u i v a l e n t s t r e s s a t 0 一 we e k a f t e r fi x a t i o n w a s 2 3 t i me s t h a n t h a t o n n o r ma l c o n d y l e Th e y we r e l o c a t e d a t t h e c o n d y l a r s t u mp a n d t h e p l a t e n e a r i n f e r i o r p u n c t u a l a r e a s o f f r a c t u r e l i n e T h e r e we r e l i t t l e s t r e s s o n t h e o t h e r a r e a s T h e ma x i mu m e q u i v a l e n t s t r e s s a t 4，8 a n d 1 2一 w e e k wa s a p p r o x i ma t e l y 6 t i me s t h a n t h a t o n n o r ma l c o n d y l e T h e y w e r e l o c a t e d a t t h e a r e a s s a me a s t h e a r e a a t 0一 we e k T h e r e w e r e l i t t l e s t r e s s o n t h e o t h e r a r e a s a t t h e c o n d y l e T h e ma x i mu m t o t a l d i s p l a c e me n t a n d ma x i mu m t o t a l c o me r we r e 【收稿日期】2 0 1 4 0 7 0 7；【修回 日期】2 0 1 4 0 9 1 1；基金项 目】宁夏 回族 自治 区科技攻关计划项 目(2 0 1 1 年度)【作者简介1景捷(1 9 6 5 一)，博士研究生，教授、主任医师，硕士研 究生导 师【通信作者】景捷，E m a i l：j j d r e a me r 1 6 3 c o n l 2 0 1 5年版权归 上海 口腔 医学 编辑部所有 景捷 等 髁突矢状骨折坚 固内固定后骨折愈合进程的生物力学分析 J I NG J i e e t a 1 B i o me c h a n i c a l a n a l y s i s o n h e a l i n g p r o c e s s o f s a g i t t a l f r a c t u r e o f t h e ma n d i b u l a r c o n d y l e a f t e r ri g i d fi x a t i o n 。1 65 i n c r e a s e d O 5 7 0 7 5 mm a n d 0 0 1 0 0 9。r e s p e c t i v e l y d u rin g h e a l i n g p r o c e s s T h e ma x i mu m e q u i v ale n t s t r e s s a t 0-we e k o n t h e c o n d y l a r t r u mp w a s 5 6 t i me s c o mp a r e d wi t h t h a t a t 4，8，a n d 1 2-we e k T h e max i mu m e q u i v a l e n t s t r e s s，ma x i mu m t o t al d i s p l a c e me n t a n d ma x i mu m t o t a l c o me r o n t h e f r a c t u r e d f r a g me n t we r e n o t c h a n g e d s i g n i f i c a n t l y d u rin g h e ali n g p r o c e s s T h e ma x i mu m e q u i v a l e n t s t r e s s a t 0一 we e k o n t h e p l a t e wa s 7 9 t i me s c o mp a r e d w i t h t h a t a t 4，8，1 2一 w e e k CONCLUS I ONS：T h e s t r e s s o f t h e c o n d y l e a n d s t r e s s s h i e l d i n g o f t h e p l a t e ma y b e t h e r e a s o n s o f a b s o r b i n g a n d r e b u i l d i n g o n t h e c o n d y l e i n h e ali n g p r o c e s s o f S F MC T h e b i o me c h a n i c al p a r a me t e r s i n c r e a s e o b v i o u s l y a t 4-we e k a f t e r fi x a t i o n E l a s t i c i n t e r ma x i l l a r y t r a c t i o n i s n e c e s s a r y t o d e c r e a s e t o t al d i s p l a c e me n t a n d t o t a l c o m e r o f t h e c o n d y l e，a n d l i q u i d d i e t i s n e c e s s a ry t o d e c r e a s e e q u i v a l e n t s t r e s s w i t h i n 4 we e k s R e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n g s h o u l d b e u s e d t o r e c o v e r T MJ f u n c t i o n s aft e r 4 w e e k s b e c a u s e t h e c o n d y l e a n d ma n d i b l e h a v e t h e a b i l i t y t o c a r r y o u t n o r ma l f u n c t i o n s S u p p o r t e d b y S c i e n t i fi c a n d T e c h n o l o g i c al P r o j e c t o f N i n g x i a H u i A u t o n o m o u s R e g i o n(2 0 1 1)【Ke y wo r d s】S a g i t t al f r a c t u r e o f t h e m a n d i b u l a r c o n d y l e(S F MC)；R i g i d f i x a t i o n；T h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e m e n t a naly s i s；Bi o me c han i e s S h a n g h a i J S t o ma t o l，2 0 1 5，2 4(2)：1 6 4-1 6 9 髁突矢状骨折(s a g i t t a l f r a c t u r e o f t h e ma n d i b u l a r c o n d y l e，S F MC)是 一 种 累 及 颞 下 颌 关 节(t e m p o r a l m a n d i b u l a r i o i n t，T MJ)的髁突、关节盘、关节面、关节 腔及关节囊 的特殊类型骨折 其骨折线 由髁突顶部 关节面开始 至髁颈 内侧翼肌窝下缘。由于骨折受力 特点及翼外肌的牵拉作用 往往造成骨折断端明显 移位及患侧 T MJ 损伤。S F MC手术治疗 以解剖复位髁突残片、骨折断 端坚 固内固定为主 术后多数患者 T MJ 形态及功能 良好；但有少数患者出现髁突改建、髁突畸形、开 口 受限、T MJ功能障碍，甚至出现关节强直。严重影响 患者的身心健康f I J 骨折愈合过程 中除要达到软硬组织的解剖复 位、骨折断端的坚 固内固定、骨折周围良好的血运 外，生物力学相关 因素在骨折愈合期 间的骨质修复 及功能改建 中也起着非常重要的作用嘲 目前。三维 有限元法被用于从生物力学角度研究下颌骨骨折坚 固内固定的接骨板固定部位 以达到骨折固定的稳 定性：分析造成下颌骨及髁突骨折时生物力学应力 的大 小及方 向 3-4 但 未见 以三维 有 限元法 研究 S F MC生物力学特点，以及微型接骨板坚 固内固定 术后骨折愈合进程 中生 物力学指标变化 的相关报 道。T MJ是一个重要 的功能系统 S F MC的愈合过 程及预后与其所处应力环境密切相关 S F MC通常 会 改变骨 的受力状态和应力分 布 使手术重建 的 T MJ 系 统偏 离手 术初 期设 定 的理 想 状态 从 而 引起 远期 T M J的形态或功能发生变化 影响其预后 为 了明确应力遮挡对 S F MC预后 的影 响本研 究以三维有限元法(t h r e e d i m e n s i o n a l fi n i t e e l e m e n t，T D F E)构建 S F MC坚 固内固定模 型 模拟骨折愈合 进程，并对其生物力学指标进行分析，为临床治疗 S F MC提供 理论 基 础。1材 料与 方 法 1 1 建立含双侧髁突的正常下颌骨 T D F E模型 经宁夏医科大学总医院伦理委员会批准 选择 磨牙中性袷关系；前牙覆耠、覆盖关系正常；无正颌、正畸病史：无颞下颌关节紊乱症状，男性青年志愿者 1 名 采用美国 P i c k e r 公司 P Q 6 0 0 0型螺旋 C T行下 颌骨无间隙容积扫描 扫描范 围为髁突顶上方至颏 部下方 所得图像 以 D i c o m格式保存。以 Mi m i c s 1 3 0软件提取并分割下颌 骨皮质骨、松质骨、牙列等组织，3 D计算(3 D e a l c u l a t e)重建下 颌骨、髁突及牙列的三维形态。修整点云。行平滑处 理：再排序点云 计算点云之间的距离来确定点与点 之间的几何关系 将每层的点整合成 曲线并行平滑 处理。将曲线网格划分，分别建立下颌骨皮质骨、松 质骨和牙列的有限元模型 1 2 建立 S F MC坚 固内固定愈合进 程 的 T D F E模 型 设右侧髁突为骨折侧 模拟临床“M”型 S F MC 5 J 的骨折线部位 左侧髁突为对照 骨折线 由髁突关节 面开始。经髁突后斜面纵行 向下 止于髁颈 内侧。以 四面体进行划分 将髁突颈部 以上所有节 点限制 x 方向与 z 方 向的位移与转动，保 留 Y方向的 自由度 以模拟下颌关节运动 同时在下颌角内侧与外侧 限 制所有 自由度，以限制下颌骨的刚性转动。为了模拟 景捷 等 髁突矢状骨折坚 固内固定后骨折愈合进程的生物力学分析 J I N G J i e e t a1 B i o m e c h a n i c a l a n a l y s i s o n h e a l i n g p r o c e s s o f s a g i t t a l f r a c t u r e o f t h e ma n d i b u l a r c o n d y l e a f t e r r i g i d f i x a t i o n 1 6 9 部承载的等效应力值及 区域已趋于正常 从下 颌骨及髁 突位 移及转 角 的角度 来看 在 S F MC愈合进程 的不同时期 下颌骨总位移增加 了 O 1 8 0 2 1 n l m 患侧髁突总位移增加了 0 5 7 0 7 5 m l n，髁突总转角增加了 0 0 l 0 0 9 o S F MC坚固内固定后 下颌骨及髁突位移空间改变不 明显 临床上不必考虑 上述因素对 S F MC愈合进程的影响。从髁突残端来看，术后当天最大等效应力达到 1 6 8 0 MP a 术后第 4 l 2周为 2 7 5 5 5 8 3 1 7 0 2 8 MP a，是术后 4 l 2周的 5 6 倍 说 明术后当天。骨折尚未 开始愈合 髁突的等效应力几乎全部由髁突残端及 接骨板承载 术后 4周 髁 突残端所承载的等效应力 下降至稳定水平 从髁 突游离端来看 术后 0 1 2周 最大等效应 力、总位移及总转角值均无 明显变化。说明 S F MC骨 折坚固内固定术后的骨折愈合进程 中髁突游离端 的最大等效应力、总位移及总转角等指标相对恒定 从接 骨板来 看 术 后 当 天最 大 等效 应 力 为 2 2 9 7 MP a 术后 4周下降至 2 3 9 6 3 1 3 3 1 6 3 9 MP a 术后 当天为术后 4 1 2周 的 7 9倍。说明术后当天 骨折 尚未愈合 接骨板承载了固定后髁突的应力 4 周后，接骨板最大等效应力相对平稳，说 明术后 4周 内，接骨板是承载应力 的主要因素 正常髁突的应力主要集中于髁突颈部 以髁颈 1，3中份 为 主。由于 S F MC骨折 线 累及髁 突颈 部 骨 折形成的髁 突部分断离及接骨板 固定后 势必对髁 突应力产生影响。S F MC的髁 突游离端通过接骨板 坚 固内固定于髁突残端后 随着骨折断端 的愈合 髁 突游离端所承受的应力也由开始 的全部 由接骨板承 载，逐渐过渡到由已形成骨愈合 的髁突游离端来承 载。在 这一 过程 中，会发 生 载荷及 应力、应 变 的重 新 整合。S F MC中，接骨板 的弹性模量远高于皮质骨及 松质，因此 高弹性模量的接骨板通过应力与应变的 遮 挡 形 成 遮 挡 效 应 _ 1 3 接 骨 板 对 应 力 及 应 变 的遮 挡，使骨折断端及骨折游离端丧失正常的应力刺激 从 而导致骨折游离端及骨折断端的吸收和改建 这 可能就是 S F MC坚固内固定后 患侧髁突出现吸收、改 建，从 而导 致髁 突形 态及 功能 异 4】的主要 原 因 通过模拟 S F MC的骨折愈合周期 测算 S F MC 接骨板坚固内固定术后，下颌骨、髁突、髁 突残端、髁 突游离端在骨折愈合 阶段的生物力学指标 分析各 指标的变化规律 有利于在 S F MC骨折愈合进程 中 的不 同时期 采取 相应 的 临床措 施。从 而 避免 并发 症 的发生 使 T M J 形态及功能得以最大限度地恢复。S F MC接骨板 内固定术后 4周内可 以弹性颌间 牵引 减少髁突运动所造成的患侧髁突总位移及总 转角：同时配以流质饮食，减少袷力给患侧髁突形成 的等效应力 有利于骨折愈合。S F MC接骨板内固定术后 4周时 下颌骨及髁 突已能承载正常功能 可行康复训练，以便尽早恢复 T M J的正常功能。利益冲突声明：无。参考文献】1 L u o S，L i B，L o n g X，e t a 1 S u r g i c a l t r e a t me n t o f s a g i t t a l f r a c t u r e o f ma n d i b u l a r c o n d y l e u s i n g l o n g-s c r e w o s t e o s y n t h e s i s J J _ J O r a l Ma x i l l o f a c S u r g，2 0 1 1，6 9(7)：1 9 8 8 1 9 9 4 2 1 谭远超周 纪平，闰虎，等 动态应力钢板与 AO钢板对羊股骨干骨 折愈合的影响J 1 中国组织工程研究，2 0 1 2，1 6(5 2)：9 7 4 4-9 7 4 9 3 代 燕，张超，赵华强 三维有 限元 法对下颌角 骨折 内固定 的生 物力学分析 J _ 组织工程与重建外科杂志，2 0 1 1,7(6)：3 3 0 3 3 2 4 1 张海钟，马春生，侯敏，等 以三维有 限元法分 析髁 突横断骨折 和纵 行骨折的生物学应力 J 1 _ 中国组织工程研究与 临床康 复，2 0 0 8，1 2(3 0)：5 8 2 9-5 8 3 2 5 J i n g J，Ha u Y，S o n g Y，e t a 1 S u r g i c a l t r e a t me n t O i l d i s p l a c e d a n d d i s l o c a t e d s t t a l f r a c t u r e s o f t h e m a n d i b u l ar c o n d y l e J O r a l S u r g O r a l Me d oral P a tho l O r a l R a d i al E n d o d，2 0 1 1,1 1 1(6)：6 9 3-6 9 9 6 1 张 渊，王 美青，凌伟 不同牙位加 载对 颞下颌关节应 力分布 影 响的有限元分析 J 口腔 医学研究，2 0 0 4，2 O(4)：2 6 9 2 7 1 7 P e g o r e t t i A，F a mb r i L，Z a p p i n i G，e t a 1 F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f a g l a s s fi b r e r e i n f o r c e d c o m p o s i t e e n d o d o n t i c p o s t J 1 B i o ma t e r i als，2 0 0 2，2 3(1 3)：2 6 6 7-2 6 8 2 【8】B o c c a c c i o A，C o z z a n i M，P a p p a l e t t e r e C A n a l y s i s of t h e p e rfo r ma n c e o f d i f f e r e n t o r t h o d o n t i c d e v i c e s f o r ma n d i b u l ar s y m p h y s e a l d i s t r a c t i o n o s t e o g e n e s i s J E u r J Or t h o d，2 0 1 1，3 3(2)：1 1 3 1 2 0 【9 H a r t RT，He n n e b e l VV，T h o n g p r e d a N，e t a 1 Mo d e l i n g t h e b i o me c h a n i c s o f t h e ma n d i b l e：a t h r e e d i me n s i o n al f i n i t e e l e me n t s t u d y【J J J B i o me c h，1 9 9 2，2 5(3)：2 6 1 2 8 6 1 O】杨壮群，虎小毅，王正辉，等 模拟下颌骨骨折 内固定 以及骨折 愈合进程 的三维有 限元模型的建立叨 中国口腔颌 面外科 杂 志，2 0 0 4，2(1)：4 8 5 1 1 1 刘珉 懿，张劲 两种下 颌骨三维有 限元建模方法 的对 比研 究 J 第三军 医大学学报 2 0 1 3，3 5 f 6 1：5 3 2 5 3 5 1 2 李鹏，梁瑞，申龙朵，等 应用 Mi mi c s 和 A N S YS软件建立下颌 骨 三维 有 限元模 型 的方法 学 研究 J 实 用 口腔 医学 杂 志，2 0 1 2，2 8 f 6)：7 0 9 7 1 3 1 3 周伟，孙庚林，周健，等 下颌 角骨折坚强 内固定后应力 遮挡效应 的三维有限元 分析f J 1 实用 口腔 医学杂 志，2 0 1 1,2 7(3)：3 2 0 3 2 4 1 4】许凯，郝艳梅，马佳，等 微型接 骨板 治疗髁 突矢状 骨折 2 3例 疗效 观察叨 现代 口腔 医学杂志，2 0 1 1，2 5(5)：3 3 7 3 4 1