不同位置、不同长度微型钢板固定髁下骨折的生物力学分析

背景

临床上应用多种类型的钛板治疗髁下骨折。然而，在不同种植体位置和不同骨板长度的固定效果还没有被深入研究。因此，本研究的主要目的是利用有限元分析(FEA)分析不同位置和长度的微型钢板固定髁下骨折的生物力学效应，以便临床医生找到更好的固定策略，提高治疗效果和疗效。

方法

使用CAD软件将下颌骨、微型钢板和螺钉结合起来，创建7个不同的有限元计算机模型。髁下骨折模型分别在不同位置、不同长度的微型钢板固定。采用右单侧磨牙咬合模式。观察指标为颞下颌关节处的反作用力、下颌骨、微型钢板和螺钉的von Mises应力、下颌骨髁突处骨折部位斜面上的滑动距离。

结果

结果表明，使用两块迷你钢板固定效果优于只使用一块迷你钢板。此外，使用较长的迷你钢板固定效果优于较短的迷你钢板。在髁下区后部固定迷你钢板(5.46 ~ 5.76 μm)比在髁下区前外侧固定迷你钢板(6.10 ~ 7.00 μm)有更好的固定效果和更小的滑动距离。

结论

迷你钢板固定更靠近后缘，可以有效减少骨折部位的滑动距离，从而获得更好的稳定性。此外，在前缘放置额外的微型钢板可提高固定效率。我们的研究表明，在后表面放置微型钢板和附加钢板可以有效提高稳定性。

下颌骨骨折是一种常见的面部骨折形式，由交通事故、摔倒和身体暴力对面部区域造成的创伤引起[1］．髁突骨折约占下颌骨骨折总数的18-42%，髁下骨折约占所有髁突骨折的一半[1，2，3.］．如果髁下骨折涉及移位，咬合关系可能发生变化;通常建议手术来减轻骨折。髁下骨折的治疗包括闭合复位和切开复位，以及内固定。闭合复位采用上颌间固定减少下颌骨体和髁突骨折碎片的移位，以达到更好的骨整合。在切开复位内固定中，内窥镜经臼齿后入路经口腔进入髁下骨折区以复位骨折。另一种切开复位内固定的方法是经口外入路复位。此外，骨折部位采用钛板内固定，达到治疗目的，实现骨整合[4］．接受切开复位内固定的患者表现出更好的手术效果，包括更大的最大开口和更好的颌间关系[5，6，7］．

i型钛骨板具有较高的柔韧性和延展性，可被动适应骨折表面，临床上常用于固定[8］．但由于植入条件不同，临床使用的骨板也不同;因此，临床医生可能会选择不同长度或数量的钢板。虽然骨钢板固定可以帮助患者获得更好的骨整合和预后，但目前尚无关于骨钢板植入数量、位置、长度的差异及其生物力学评价的文献。

一些研究人员先前旨在评估骨钢板植入和生物力学分析的效果，以开发更有效的骨钢板固定策略[9，10，11，12］．Marwan等人的临床研究[9]显示，使用两块骨板固定髁下骨折比使用单一骨板预后更好，并发症更少。西门等人[10]通过生物力学评价分析了单钛和双钛微型钢板植入后的效果，发现双钛微型钢板植入的稳定性更好。使用有限元分析(FEA)已被证明是研究下颌骨微型钢板植入效果的合适方法。Hijazi等人。[13]通过有限元分析评估了不同咬合条件，如咬合咬合、尖间咬合、咬合咬合和群功能在双钛微型钢板植入过程中的影响。值得注意的是，在对侧咬合任务中，较高的对侧咬合应力被诱导，对侧骨折和骨板上有较高的应力。Aquilina等人。[14]并利用有限元分析评价不同类型骨板(直板、矩形板、方形板、X板)植入后的差异，并通过骨移位程度评价植入后的稳定性。

基于文献，我们已经评估了不同数量骨板的效果，但没有评估不同植入位置和骨板长度的效果。因此，本研究的主要目的是利用有限元分析研究不同位置和长度的微型钢板固定髁下骨折的生物力学效应。该研究结果将为临床医生治疗髁下骨折和选择接骨板提供生物力学依据，进而提高治疗成功率和预后。

构建一个仿真几何模型

在本研究中，开发了一个有限元计算机模型来研究使用不同位置和长度的迷你钢板固定髁下骨折的生物力学。本文使用的计算机模型包括四种主要结构:下颌骨皮质骨、下颌骨小梁骨、微型钢板和螺钉。下颌骨模型是使用美国国立卫生研究院可视人体项目的CT图像建立的。医学图像重建软件(Mimics Medical 20.0, Materialise, Leuven, Belgium)使用CT图像重建人类下颌骨的分割。利用医学图像重建软件对CT图像进行处理，将灰度值的阈值设置在226 ~ 3071 HU之间，得到下颌骨轮廓。在这个过程中，还出现了一些人工制品。接下来，伪影被移除，小梁骨的区域被手动切片指定。采用三维计算机辅助设计(CAD)软件(Solidworks 2016，达索系统Solidworks Corp, Waltham, MA, USA)构建微型板模型;迷你板有两种类型:长迷你板(四个孔)和短迷你板(两个孔)。此外，使用CAD软件在下颌骨髁上创建一个斜骨折部位，并进行复位(图2)。1)．

在本研究中，不同的微型钢板种植位置-在下颌骨髁突前外侧表面(图2)。1位置1)，髁下区后外侧表面(图。1位置2)和髁下区后表面(图。1位置3)-使用了两种不同的迷你板长度。骨折线位于乙状状切迹的中下部，并延伸至下颌骨的后缘。CAD软件将下颌骨、微型钢板和螺钉结合起来，创建了7个不同的有限元计算机模型(图2)。2)为第1组。2组患者为左侧髁下骨折，髁下区后外侧使用长微型钢板内固定;同时，第3组包括左侧髁下骨折，在髁下区后表面使用长微型钢板内固定。4组采用长微型钢板在髁下区前外侧和后外侧进行内固定。5组采用长微型钢板在髁下区前外侧和后表面进行内固定。6组采用短微型钢板在髁下区前外侧和后外侧进行内固定。最后，7组患者发生左侧髁下骨折，在髁下前外侧和后表面使用短微型钢板内固定。将七个组导入有限元分析软件(ANSYS Workbench 18.0, ANSYS, Inc.， Canonsburg, PA)进行分析。

加载条件和边界条件

这项研究主要基于以前的研究。对侧咬合任务具有相对较高的对侧咬合应力[11];因此，本文采用右单侧磨牙咬合(RMOL)咬合模式。加载条件分别为浅咬肌(SM)、深咬肌(DM)、翼状内侧肌(MP)、颞前肌(AT)、颞中肌(MT)和颞后肌(PT)所施加的外力(图。3.）;这些外力的大小和方向见表1［15，16］．以颞下颌髁为固定端设置边界条件，该部位的X、Y、z轴位移均设为0。固定右侧磨牙位置，模拟RMOL时牙齿的情况，模拟与右侧(单侧)后牙的接触(图。4)．此外，对于微板与螺钉的接触，将微板与下颌骨的接触设置为“不分离”，模拟不分离且只允许少量无摩擦滑动时的表面[17］．下颌髁斜骨折部位的接触设置为摩擦接触;摩擦系数设置为0.45 [18］．

模型的材质属性

该模型由皮质骨、小梁骨、迷你钢板和螺钉四部分组成。在这个模拟中使用的材料属性，列在表中2，均来自现有文献[19］．假定所有材料均质、各向同性和线弹性;因此，两个独立的参数——杨氏模量(E)和泊松比(ν)——被用来表示材料的性质。本研究螺钉材料为钛合金，微型钢板材料为纯钛，均与临床相同(表2)2)．此外，有限元计算机模型采用0.5 mm四面体网格，如图所示。5．在对网格进行收敛性测试后，所有模型均达到本次测试的5%停止标准[20.］．表格3.显示每个组中的节点和元素的数量。

在有限元分析中，观察指标为颞下颌关节(TMJ)处的反作用力和下颌骨、微型钢板、螺钉的von Mises应力，以及颌骨髁突处骨折部位斜面上的最大滑动距离。滑动距离定义为两个断裂碎片表面之间的位移。即滑动距离越大，脱粘的分层程度越高。本研究利用ANSYS Workbench提供的内置计算工具，求解髁突断裂碎片两面之间的滑动距离。

利用有限元分析得到了整体结构中的von Mises应力分布、颞下颌关节左右固定端反作用力以及下颌骨髁突骨折部位斜面上的滑动距离。

数字6为髁下骨折固定后对TMJ的反作用力的大小和方向。咬合侧对侧颞下颌关节受到较大外力的影响。咬合侧也受到对侧微型钢板固定的影响，其反作用力高于完整的下颌结构。2 ~ 7组颞下颌关节右侧反作用力均超过190.00 N，而1组仅为165.60 N。

表格4为各组左右TMJ上反作用力的分力及沿各轴所施加的力。反应力左侧高于右侧，1组为287.66 N，右侧为165.63 N。在所有髁突骨折采用内固定的实验组中，这一趋势仍然存在。此外，在所有实验组中，与对照组相比，右侧反作用力的增加量远远大于左侧(如组2与组1相比，右侧增加了26.67 N，左侧增加了0.67 N)。

数字7为各组小板和螺钉上的von Mises应力分布。结果表明，靠近骨折部位斜面处的微型钢板具有较高的应力。此外，当两个迷你板组(4、5、6、7组)进行测试时，靠近后方的迷你板的应力分布更高。(分别是23.07 MPa比21.43 MPa, 31.98 MPa比22.38 MPa, 20.08 MPa比13.28 MPa, 25.84Mpa比13.46 MPa)。

数字8为髁下骨折固定后各组的von Mises应力分布。在完整的下颌结构(组1)中，RMOL咬合模式对咬合下颌髁的应力较大。此外，在其他组的测试中，当使用微型钢板固定髁下骨折时，下颌髁对侧的咬合应力相对较高;但是，各组应力分布的差异很小。

数字9显示髁下骨折用微型钢板固定后，髁突骨折部位斜面的最大滑动距离。从图中可以看出，第2组、第4组在断口斜面上滑动距离较大，特别是第6组(分别为6.24µm、6.09µm、7.00µm)。第3组、第5组、第7组断口斜面滑动距离相对较小(分别为5.46、5.43、5.76)。

小型钢板固定治疗髁下骨折已成为临床常用的治疗方法，且疗效良好[21］．虽然一些医生和研究人员对微型钢板固定的疗效进行了研究，但现有的大多数力学研究都没有考虑不同位置和不同长度使用微型钢板固定的影响。此外，这种固定的力学分析更加复杂。因此，在本研究中，我们成功地将有限元分析用于不同位置和长度的微型钢板固定的生物力学分析。因此，该结果可以使医生和研究人员了解这种固定的效果。

在有限元分析中，根据所选择的边界条件，观察了颞下颌关节固定端部的反作用力。当下颌骨不受髁下骨折影响时，下颌骨受到RMOL时，对侧TMJ产生相对较大的反作用力。因此，本研究探讨不同微型钢板内固定对侧髁下骨折的效果。值得注意的是，在使用迷你钢板固定单侧髁下骨折时，在对侧磨牙咬合期间，髁下骨折(迷你钢板固定的一侧)的反作用力并没有显著增加。相反，咬合侧颞下颌关节的反作用力从165.63 N增加到193.12 N，在第2组至第7组中，右侧分别观察到沿X-、Y-、z轴向内、前、下方向的作用力增加(例如，第2组向内、前、下方向的作用力分别比第1组增加4.88 N、9.25 N、23.42 N)。另一方面，左边的反作用力变化很小。(如2组的反作用力较1组增加0.67 N)4)提示下颌骨未受影响侧应力分布的变化更为显著。

在此，我们选择对侧髁下骨折的RMOL闭塞情况，评估在不同位置和不同长度使用微型钢板固定的效果。髁下骨折固定中下颌骨的应力分布差异不大。然而，在咬合对侧的下颌髁上存在较大的应力，这与Hijazi等人的结论一致，即在对侧咬合任务中诱导了较高的对侧咬合应力，对侧骨折和骨板上的应力较高[13］．观察下颌骨体的von Mises应力分布。在无下颌骨骨折的情况下，应力主要集中在冠突附近。髁下骨折和微型钢板固定后，应力分布的变化集中在髁下骨折区和前髁头;整体分布比无骨折更不均匀。此外，在不同的微型钢板固定策略中，下颌骨体的应力分布差异不大。

观察各组微板的应力分布，高应力区域集中在断裂线上，微板下半部分(图2)。7)．此外，当使用两块微型钢板固定骨折区域时，后外侧表面的微型钢板(图。1位置2)或髁下区后表面(图。1位置3)的应力分布高于前外侧微板(图3)。1位置1)(图7)．(组4 23.07 MPa比组4 21.43 MPa，组5 31.98 MPa比组5 22.38 MPa，组6 20.084 MPa比组6 13.28 MPa，组7 25.84Mpa比组7 13.46 MPa)，与图一致。10，两处骨折碎片之间的间隙在后侧大于前侧。结果表明，微型钢板后侧固定位置受拉力作用，而微型钢板前侧固定位置(辅助固定位置)受压力作用，微型钢板后侧承受较大应力。

此外，使用迷你钢板固定髁下骨折后，骨折侧的骨应力扰动更高(8.62-9.26 Mpa, 6.72 Mpa)。(无花果。8)该情况与现实世界中下颌骨的功能一致，提示不愈合的骨折可能会导致骨折线周围有较大的应力扰动，影响愈合过程，应避免咀嚼。

为了评价不同固定策略的稳定性，观察了下颌骨髁突骨折部位斜面滑动距离。当微型钢板植入距离髁下区后部较近时，微型钢板固定距离后表面较近时滑动距离较小。组3 (5.46 μm)高于组2 (6.24 μm);组5 (5.43 μm)小于组4 (6.10 μm);组7 (5.76 μm)小于组6 (7.00 μm)。这是由于后微板固定在拉力较大的区域。数字10显示了在施加咬合力后两节段如何移位。后侧间隔大于前侧间隔。提示后侧受力为拉力。根据Champy之前的研究[22]时，理想的内固定位置为拉力分布处。因此，微型钢板离后表面越近，固定效果越好，滑动距离越小。

与仅使用一块迷你钢板相比，使用两块迷你钢板固定可提高结构稳定性。因此，骨折部位斜面滑动距离略有减小。在本研究中，增加髁下区前外侧表面的迷你钢板数量(图2)。1位置1)使第4组(6.10 μm)的断口斜面滑动距离小于第2组(6.24 μm)。第5组(5.43 μm)的滑动距离小于第3组(5.46 μm)。这些结果与先前的研究一致[9，21，23，24]，在使用较小的迷你钢板固定时，其稳定性较差。之前的体外研究也发现了这一结果[25，26]，表明髁下骨折用两块微型钢板固定的稳定性更好。此外，使用较长的微型钢板固定可使组4 (6.10 μm)骨折部位斜面滑动距离小于组6 (7.00 μm)。第5组(5.43 μm)的滑动距离小于第7组(5.76 μm)。

然而，这项研究有一些局限性。在有限元分析中，所有材料的性质均为均质、各向同性和线弹性，以简化本研究的模拟，便于结果的比较[27］．因此，使用这些材料属性设置不会影响结果的总体趋势，即使研究结果与实际情况略有不同。此外，本研究的计算机模型进行了一些简化，包括仅构建模型，由于牙齿结构和形状的差异而不包括牙齿。由于本研究的主要观察部位是颞下颌关节，因此牙齿不属于这一主要观察部位;因此，省略它们可以简化计算。假定这些简化不会对结果产生严重影响，尽管与实际情况有一些差异。此外，本研究的模型也通过尸体研究得到验证[28]，比较结果也显示出类似的趋势。

本研究采用有限元分析方法研究不同位置、不同长度的微型钢板固定髁下骨折的效果。结果表明，后下颌骨微型钢板内固定导致骨折部位斜面出现少量滑动运动。虽然本研究分析的数值与实际临床情况略有不同，但结果为临床医生和研究人员提供了力学参考。未来，本研究结果可用于进一步开展与微型钢板放置相关的力学研究，降低手术失败率，为患者带来更好的治疗效果。

本研究通过有限元分析，采用符合临床需要的骨钢板，开发了适合髁下骨折、便于切开复位的小型钢板固定策略。结果表明，微型钢板放置更靠近后表面，可以有效减少骨折部位的滑动量，从而获得更优异的稳定性。在前缘附加微型钢板固定也提高了固定效率。研究结果旨在为临床医生在微型钢板植入过程中定位和选择微型钢板长度提供生物力学依据。在可行的情况下(如有足够的手术野，足够的支撑骨以固定额外的迷你钢板)，术者应始终考虑使用两个四孔迷你钢板进行内固定，而不是一个。后微型钢板的理想位置是在下颌骨的后表面。

在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

作者承认美国国家医学图书馆(NLM)和可见人体项目作为本研究中建立有限元模型的图像来源。我们也要感谢3D打印研发小组，台中退伍军人总医院和医院计划(TCVGH-1097318C和TCVGH-1107315C)帮助我们建立本研究的模拟计算机模型。作者黄朝敏(Chao-Min Huang)和陈万毅(Man-Yee Chan)对这项工作做出了同样的贡献。

作者声明他们没有收到任何研究经费来源。

作者指出

1. 黄朝敏(Chao-Min Huang)和陈万仪(Man-Yee Chan)对这项工作做出了同样的贡献

从属关系

1. 台中退伍军人总医院口腔科，台中，407

   Chao-Min黄

2. 台中慈济医院，佛教慈济医学基金会，台湾台中，427

   Man-Yee陈

3. 中山医科大学口腔医学院牙科学院，台中402

   Man-Yee陈

4. 中国医科大学牙科学院，台中，404，台湾

   Jui-Ting许

5. 台中退伍军人总医院医学研究部，台中407

   Kuo-Chih苏

6. 鸿矿大学生物医学工程系，台中，433，台湾

   Kuo-Chih苏

7. 东海大学化学与材料工程系，台湾台中407

   Kuo-Chih苏

贡献

CMH和MYC构想并设计了这项研究。JTH和KCS进行了有限元分析。CMH和KCS撰写了这篇论文。CMH和KCS对手稿进行了审阅和编辑。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应到Kuo-Chih苏．

伦理批准并同意参与

不适用。

发表同意书

不适用。

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

出版商的注意

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