三维有限元法对单纯颧骨骨折坚强内固定的生物力学研究

陈虹瑜 代燕 曲竹丽 赵华强

在颌面部外伤中，颧骨复合体骨折较多见，约占面部损伤的19%～40%[1]。颧骨为连接上颌骨与脑颅骨之间的主要支柱，近似四边形，与上颌骨、额骨、蝶骨和颞骨相连接。颧骨骨折严重影响患者的面部外形和功能。颧骨骨折后的固定部位和放置钛板的数目仍存在争议。

本实验旨在通过三维有限元模型，模拟一点（颧牙槽嵴）钛板内固定、三点（颧牙槽嵴、颧额缝、眶下缘）钛板内固定，并进行生物力学分析，为单纯颧骨骨折固定方式的选择提供理论依据；模拟颧牙槽嵴一点固定方式下钛板固定与可吸收板固定，进行生物力学分析，为单纯颧骨骨折固定材料的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 对象

1.2 设备及软件

钛板、钛钉（慈溪市慈北口腔医疗器械有限公司）；可吸收接骨板（日本Gunze公司）。

电子计算机（英特尔奔腾双核处理器2.8G CPU，Windows XP 系统）；Sensation 16层螺旋 CT（德国SIEMENS公司），扫描层厚0.75 mm。

Mimics软件（比利时 Materialise公司）；MSC.Marc有限元软件（美国MSC公司）；UGNX6.0软件。

1.3 单纯颧骨骨折坚强内固定的三维有限元模型

将颧上颌骨原始CT图像以Dicom 3.0格式导入Mimics软件中，通过三维重建，生成颧上颌骨的三维模型。遵循封闭和单独个体的原则，由mask创建颧骨模型后，利用Mimics对该模型进行简单的修改和优化。

根据研究需要，应用UGNX6.0等软件将已构建好的内固定系统三维模型装配到颧上颌骨模型上（左侧），固定方式有三种：颧牙槽嵴一点L型钛板内固定、三点钛板内固定（颧牙槽嵴处采用左侧L型钛板，颧额缝处采用四孔钛板，眶下缘处采用四孔微型钛板）和颧牙槽嵴一点可吸收板固定。利用Mimics、MSC.Marc等软件对颧骨、内固定系统的表面模型进行网格划分及处理，同时考虑皮质骨、松质骨、钛板和可吸收板各材料的弹性模量和泊松比（表1）。

表1 模型各部位的弹性模量与泊松比[2-3]Table 1 Modulus of elasticity and Poisson ratio of different parts

最终生成具有材料属性的颧骨骨折坚强内固定三维有限元模型（图1-3）。一点钛板固定三维有限元模型由21339个节点和85720个单元组成；三点钛板固定三维有限元模型由28613个节点和113655个单元组成；一点可吸收板固定三维有限元模型由32837个节点和129206个单元组成。模型材料的力学特性为均质、连续和各向同性，各单元有足够的稳定性。

图1 一点L形钛板固定三维有限元模型Fig.1 Three-dimensional finite element model of one point L-type titanium plate fixation

图2 三点钛板固定三维有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model of three points titanium plate fixation

图3 一点可吸收板固定三维有限元模型Fig.3 Three-dimensional finite element model of one point absorbable plate fixation

1.4 一点与三点钛板固定单纯颧骨骨折的三维有限元分析

1.4.1 工况设定

1.4.2 边界条件

设定坐标系：水平自右向左为X轴正向，水平自后向前为Y轴正向，垂直自下向上为Z轴正向。对咬肌附着骨面进行约束，在X、Y、Z轴三个方向上的位移均设为0（刚性约束）。

1.4.3 载荷设定

咬肌浅层起自上颌骨颧突和颧弓下缘的前2/3，根据实际解剖位置，在模型上确定咬肌附着的节点位置。具体形式为将肌力设定为集中力的形式，分解为X、Y、Z轴向力。肌力大小与肌肉的横截面积有关，根据公式 Mir=Xmi×K×EMGmi[4-5]，得到各个肌力的最大值。加载力值为正常咀嚼活动时使用的力量，约为最大肌力的一半。

1.5 一点式与可吸收板一点固定单纯颧骨骨折的有限元分析

选用已建立的一点钛板单纯颧骨骨折内固定系统三维有限元模型和一点可吸收板内固定系统三维有限元模型，在MSC.Marc软件中进行力学分析。约束条件、加载方式同1.4部分。

2 结果

2.1 判定标准

当骨折断端相对位移不超过0.15 mm时，才可能保证骨折愈合[6]。在比较不同固定方式时，选取左侧颧骨下端与上颌骨连接处、左侧眶下缘和左侧眶外侧缘3个标志点的总位移最大值，作为衡量位移的主要指标。

von Mises应力是一种基于剪切应变能力的等效应力，可以体现钛板在受力时发生的形变。在比较不同固定方式和不同咬状态时，选取von Mises等效应力作为衡量应力水平的主要指标。

2.2 不同固定方式模型的位移分布

一点颧牙槽嵴固定时，剪切向位移距离最大为0.121 mm（LMOL）；三点板固定时，剪切向位移距离最大为 0.061 mm（ICP）。

2.3 不同固定方式模型的应力分布

图4 一点L形钛板固定时的应力分布（ICP）Fig.4 Stress distribution of one point L-type titanium plate fixation

图5 三点钛板固定时的应力分布（ICP）Fig.5 Stress distribution of three points titanium plate fixation

2.4 两种不同材料模型的位移分布

一点钛板固定的位移结果同2.2；一点可吸收板的剪切向最大位移距离0.0926 mm（LMOL）。

2.5 两种不同材料模型的应力分布

一点颧牙槽嵴钛板固定的应力分布结果同2.3（图6）；一点可吸收板固定时，钛板上最大应力位于上缘钛板中部，分别为 23.51 MPa（INC），93.97 MPa（ICP），56.69 MPa（LMOL）和 60.56 MPa（RMOL）。

图6 一点可吸收板固定时的应力分布（ICP）Fig.6 Stress distribution of one point absorbable plate fixation

3 讨论

颧骨骨折治疗成功的标准包括准确的骨折复位和可靠的内固定。在颧骨骨折复位后实施坚强内固定治疗的必要性已经得到公认，但是固定的部位及数量一直存在争议，从复位后一点固定到三点固定均有报道。Eisele等[7]认为一点固定就足以获得稳定的固位。Rinehart等[8]在8例离体标本上人为制作单纯颧骨骨折模型，观察发现颧骨骨折一点固定并不能获得稳定的固位效果，但是颧额缝和颧上颌缝两点固定，固定效果可靠。徐兵等[9]认为颧牙槽嵴、眶下缘和颧额缝三点小钛板固定，可从垂直向、水平向、斜向三个方向上抵消影响骨质在解剖位置上愈合可能产生的作用力，从而使被固定的骨折块在原来的解剖部位达到一期愈合。

本实验发现，颧牙槽嵴一点钛板固定后，颧骨的最大位移是0.121 mm；颧牙槽嵴、颧额缝、眶下缘三点固定中，骨折断端的最大位移仅为0.061 mm。说明两种固定方式均可达到固位要求。颧骨骨折手术复位固定部位的选择，应遵循安全可靠且创伤最小的原则，有待于在临床中进一步探讨。

随着材料科学的发展，可吸收内固定材料已逐渐应用于临床。可吸收内固定材料均为高分子量聚合物，目前常用的有聚乳酸（Polylactic acid，PLA）等。这类材料可随着骨折的愈合，在生物体内自动降解吸收。Eppley等[10]的研究表明，可吸收固定系统在实验模型上约1年后能够完全被吸收。但是，可吸收板也有其缺点，如机械强度稍差，降解速度不理想，而且在材料的降解过程中可能产生异物反应。但Cohen等[11]认为这种反应轻微，多为一过性，无需特殊处理。

本实验结果显示，采用颧牙槽嵴一点可吸收板固定后，骨折断端最大位移0.0926 mm，说明此种固定方式可满足单纯颧骨骨折固定强度的要求，值得临床推广应用。相信随着材料技术的发展，机械强度适宜、降解速率理想、价格适中的可吸收内固定材料将被会更多地应用于临床。

综上所述，颧牙槽嵴一点钛板固定的稳定性不如颧牙槽嵴、颧额缝、眶下缘三点固定。但是，一点固定法只需在口内做切口，避免了头皮半冠状切口及眉弓切口引起的皮肤瘢痕等缺点。近年来，内镜技术已用于颧骨骨折的治疗，而且粉碎性颧弓、颧骨骨折也可以在内镜下获得有效的复位固定[12-13]。同时，随着可吸收材料性能的不断提高，内镜下结合可吸收板复位固定颧骨颧弓，将成为今后颧骨复合体骨折的常规治疗手段。

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