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[摘要]目的：研究小型钛板和拉力螺钉两种不同内固定方式治疗下颌骨髁突囊内骨折时局部的应力分布情况，从理论上探讨髁突囊内骨折最理想的内固定方式。方法：通过建立下颌骨囊内骨折三维有限元模型，并在此模型基础上模拟下颌骨囊内骨折，在同样的约束及载荷条件下分析小型钛板固定及拉力螺钉固定方式下各自的应力分布情况及骨折断端间相对位移情况。结果：小型钛板和拉力螺钉固定方式均可起到稳定骨折断端的作用，但小型钛板固定方式下其自身及固定螺钉均有着明显的应力集中，应力主要集中于骨折断端附近。结论：拉力螺钉内固定方式较小型钛板固定方式更有利于形成可靠的内固定环境，小型钛板内固定时在骨折愈合早期更应注意下颌制动并避免大的咀嚼力量。
[关键词]髁突囊内骨折；内固定；三维有限元；应力分布
[中图分类号]R782 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2013）11-1169-03
下颌骨髁突骨折的治疗是目前颌面部骨折治疗的一个难点，关于这类疾病的理想治疗方案在国内外学者中一直存在众多争议[1-2]，而髁突囊内骨折治疗方式更是如此。争议的内容涉及多个方面，一些学者认为，髁突骨折块小、不易手术复位固定且有面神经损伤风险，建议保守治疗。而主张手术治疗者认为准确的复位及可靠的固定有利于恢复下颌升支高度并有助于降低颞下颌关节紊乱病（Temporomandibular disorders， TMD）发生率。随着CBCT等影像学技术的提高及外科技术的发展，越来越多的学者采用手术治疗髁突囊内骨折，内固定的方式多采用小型钛板或拉力螺钉。由于力学性能的稳定性关乎内固定治疗的可靠性，因此笔者建立了下颌骨髁突囊内骨折的三维有限元模型，模拟了不同的内固定方式，研究分析了在功能性载荷作用下骨折断面和内固定材料的应力分布规律，并分析了骨折断端间的相对位移，以期为临床治疗提供理论参考。
1 材料和方法
1.1下颌骨三维有限元模型的建立及右侧髁突囊内骨折的模拟：选用牙列完整、咬合关系正常、无任何TMD症状和体征的成年健康男性志愿者1例作为建模素材。通过CT扫描获取下颌骨影像学二维数据，将所得数据经Mimics软件（Materialise公司，比利时）转换并形成三维立体模型后导入Geomagic Studio软件（Geomagic公司，美国）中进行进一步精细建模，再将所得模型导入Ansys软件（Ansys公司，美国）中进行髁突囊内骨折的模拟及三维有限元分析。钛板模型在Geomagic Studio软件建立后导入Ansys软件使用。钛钉及拉力螺钉模型在SolidWorks2012软件（Dassault Systèmes公司，美国）中建立后再导入Ansys软件中使用。参考国内学者髁突囊内骨折的分型[2]，笔者模拟的骨折类型为A型，即骨折线经过髁突头的外1/3，下颌支高度降低。所模拟的钛板为下颌骨骨折内固定常用的标准“L”形小型钛板，4颗内固定螺钉大小为2.0mm×6mm，拉力螺钉大小为2.0mm×14mm。
1.2 三维有限元分析的载荷条件及分析工况：对髁突顶部予以约束即以铰链模式模拟颞下颌关节运动，在双侧下颌第一磨牙牙合面予以约束以模拟双侧咀嚼较硬食物的功能状态。分别在双侧咬肌、翼内肌及颞肌附着区加载功能状态下的力量以模拟咀嚼状态。模型材料属性、载荷力量大小及方向等参考前期研究文献[3-5]。笔者分析在相同约束、相同载荷及相同骨折情况下小型钛板固定与拉力螺钉两种内固定方式（即两种工况）下局部应力分布及位移大小。
1.3 观察部位及指标：观察在前述载荷作用下内固定区骨质、内固定钛板钛钉以及拉力螺钉的Von Mises应力值大小及其分布情况，以分析内固定材料使用的合理性，Von Mises应力值较小者更为合理；在骨折断面外周选择间距相等的8个节点，采集其位移值，观察骨折断面的位移情况以分析内固定的稳定性，位移越小者越稳定。
2 结果
小型钛板钛钉固定情况下下颌骨Von Mises应力分布情况如图1，拉力螺钉固定情况下的下颌骨Von Mises应力分布情况如图2，小型钛板及钛钉Von Mises应力分布情况如图3，拉力螺钉Von Mises应力分布情况如图4，两种工况下骨折断面的位移情况如图5。
结果显示，小型钛板内固定时下颌骨最大应力值为84.384Mpa，而拉力螺钉固定时最大下颌骨最大应力值为59.828Mpa，前者约为后者的1.4倍，两种工况下的下颌骨的最大应力值均分布在螺钉周围。小型钛板自身最大应力值为1790Mpa，而拉力螺钉自身的最大应力值为111.661Mpa，前者约为后者的16倍，两种工况下最大应力值均分布在骨折线附近；小型钛钉最大应力值为1167Mpa，约为拉力螺钉的10.5倍，负载最大应力的螺钉为靠近骨折线的螺钉。两种工况下骨折断面的位移情况较为接近，拉力螺钉固定者波动更小。
3 讨论
关于髁突囊内骨折的治疗方法，长期以来一直存在争论。在以往髁突骨折多倾向于保守治疗，髁突囊内骨折更是如此。主要原因在于手术显露范围有限，小的骨块固定困难，而且还存在面神经损伤导致面部畸形的风险。然而，保守治疗存在咬合恢复有限及引起颞下颌关节紊乱病等风险，严重时甚至引起关节强直，需要二次手术治疗[6]。因此，国内外一些学者逐渐转变观念，越来越多的学者倾向于手术治疗髁突囊内骨折。目前有关手术治疗髁突囊内骨折的系统性研究资料有限，有报道统计利用小型钛板行髁突颈部骨折固定时钛板断裂的发生率达20%～25%[7-8]，并考虑这种并发症是的发生与内固定方法不合理而引起的局部应力集中有关[9]。因此，我们不得不关注囊内骨折内固定后局部应力分布情况，以防类似并发症的发生。
目前手术治疗髁突骨折的方法包括小型钛板内固定、拉力螺钉固定及钢丝栓扎等方法，需术者在术中根据骨折的具体情况而定，而髁突头段过于粉碎而无法固定的患者往往需要手术摘除髁突。临床治疗认为小型钛板固定和拉力螺钉固定方式最为稳定可靠。本实验建立了单侧（右侧）髁突囊内骨折模型，并模拟了目前学者常采用的单块“L”型小型钛板固定和单颗拉力螺钉固定两种治疗方式，给予功能载荷后分析局部应力分布情况及骨断端位移情况。根据国内学者的分型和研究，认为A型髁突囊内骨折骨折块较大，复位及固定较为容易，临床治疗多选择手术治疗方式，因此，本研究选择这一型髁突囊内骨折作为研究对象。 在材料力学有限元分析中常选用的一个指标是Von Mises应力，又称等效应力，对于韧性材料（如金属）来说是一个重要参数，用于界定屈服点，一旦达到屈服点，材料将不具有弹性，产生永久变形。本实验发现，小型钛板固定方式下，固定螺钉周围骨组织应力略高于拉力螺钉固定方式，约为后者1.4倍，内固定螺钉周围骨组织过高的应力可能导致骨质吸收，最终导致螺钉松动脱落；本研究还发现功能载荷下小型钛板自身的应力值远远高于拉力螺钉，约为拉力螺钉的16倍，这种过于集中的应力可能导致术后内固定板断裂；另外，小型内固定螺钉的应力值为拉力螺钉的10.5倍，内固定螺钉过于集中的应力亦可能导致术后螺钉松动脱落。关于两种内固定方式应力分布差异研究的文献较少。本实验观察到了两种内固定方式下的最大应力差别达10倍以上，这在临床应用中往往是难以接受的。笔者分析其可能原因如下：①由于拉力螺钉固定是横穿骨断端中央部位而小型钛板则是在骨断端外侧，从结构力学角度来看显然前者更为稳定。有学者对比分析了下颌角骨折应用小型钛板固定和拉力螺钉固定方式的差异。研究发现，拉力螺钉固定方式术后骨断端间间隙更小[10]，这也间接证实两种固定方式间的差异。②受局部解剖因素影响，髁突囊内骨折无法像下颌骨其它部位一样做到两块钛板固定，因而其应力也得不到更好的分散。由于本实验模拟的载荷力量为正常咀嚼力量，笔者推测，如果临床实际中嘱咐患者术后进食流质饮食，避免大的咀嚼力量产生，则有助于降低髁突小型内固定钛板的最大应力值，从而有助于降低小型钛板折断及固定螺钉松动等并发症发生风险。
骨折术后骨断端间的相对位移对骨折愈合有一定影响，通常认为位移超过150μm将不利于骨折愈合[11]。本实验中我们在骨折断面选择8个节点，其间距相等，均匀分布在骨折断面最外周，试图从整体上反应骨折断的相对位移情况。研究发现，两种固定情况下骨折断端间的相对位移均较小，远小于150μm。因此，可以认为，在固定的初期，两种固定方式均可以达到稳定骨折断端的效果。
综上所述，在功能载荷状态下，虽然小型钛板及拉力螺钉固定方式下骨折断端间相对位移很小，但小型钛板固定方式下钛板自身有明显的应力集中。这提示我们，虽然两种内固定方式均可以起到稳定骨折断端的效果，但小型钛板固定方式下应力过于集中可能引起钛板断裂及内固定螺钉松动，最终导致治疗失败。因此，在本研究条件下，笔者认为拉力螺钉固定方式较小型钛板固定方式更为可靠，若采用小型钛板固定，则在骨折愈合的早期更应注意下颌制动，并尽可能采用流质饮食等措施，避免产生过大的咀嚼力量。
[参考文献]
[1]Villarreal P M，Monje F，Junquera L M，et al.Mandibular condyle fractures： determinants of treatment and outcome[J].J Oral Maxillofac Surg，2004，62（2）：155-163.
[2]何冬梅，杨驰.下颌骨髁突骨折的分类及治疗[J].中国实用口腔科杂志，2010，3（4）：200-203.
[3]杨壮群，虎小毅，王正辉.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[J].中国口腔颌面外科杂志，2004，2（1）：48-51.
[4]Korioth TW，hannam AG.Deformation of the human mandible during simulated tooth clenching[J].J Dent Res，1994，73（1）：56.
[5]Langenbach GEJ，Hannam AG.The role of passive muscle tensions in a three-dimensional dynamic model of the human jaw[J].Arch Oral Biol，1999，44（7）：557-573.
[6]Zachariades N，Mezitis M，Mourouzis C，et al.Fractures of the mandibular condyle： a review of 466 cases.Literature review，reflections on treatment and proposals[J].J Craniomaxillofac Surg，2006，34（7）：421-432.
[7]Hammer B，Schier P，Prein J.Osteosynthesis of condylar neck fractures：a review of 30 patients[J].Br J Oral Maxillofac Surg，1997，35（4）：288-291.
[8]Choi BH，Yi DDS，Yoo JH.Clinical evaluation of 3 types of plate osteosynthesis for fixation of condylar neck fractures[J].J Oral Maxillofac Surg，2001，59（7）：734-737.
[9]Wagner A，Krach W，Schicho K，et al.A 3-dimensional finite-element analysis investigating the biomechanical behavior of the mandible and plate osteosynthesis in cases of fractures of the condylar process[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod，2002，94（6）： 678-686.
[10]Schaaf H，Kaubruegge S，Streckbein P，et al.Comparison of miniplate versus lag-screw osteosynthesis for fractures of the mandibular angle[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod，2011，111（1）：34-40.
[11]Tams J，Van Loon JP，Otten B，et al.A computer study of biodegradable plates for internal fixation of mandibular angle fractures[J].J Oral Maxillofac Surg，2001，59（4）：404-407.
[收稿日期]2013-04-23 [修回日期]2013-05- 13
编辑/何志斌
[关键词]髁突囊内骨折；内固定；三维有限元；应力分布
[中图分类号]R782 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2013）11-1169-03
下颌骨髁突骨折的治疗是目前颌面部骨折治疗的一个难点，关于这类疾病的理想治疗方案在国内外学者中一直存在众多争议[1-2]，而髁突囊内骨折治疗方式更是如此。争议的内容涉及多个方面，一些学者认为，髁突骨折块小、不易手术复位固定且有面神经损伤风险，建议保守治疗。而主张手术治疗者认为准确的复位及可靠的固定有利于恢复下颌升支高度并有助于降低颞下颌关节紊乱病（Temporomandibular disorders， TMD）发生率。随着CBCT等影像学技术的提高及外科技术的发展，越来越多的学者采用手术治疗髁突囊内骨折，内固定的方式多采用小型钛板或拉力螺钉。由于力学性能的稳定性关乎内固定治疗的可靠性，因此笔者建立了下颌骨髁突囊内骨折的三维有限元模型，模拟了不同的内固定方式，研究分析了在功能性载荷作用下骨折断面和内固定材料的应力分布规律，并分析了骨折断端间的相对位移，以期为临床治疗提供理论参考。
1 材料和方法
1.1下颌骨三维有限元模型的建立及右侧髁突囊内骨折的模拟：选用牙列完整、咬合关系正常、无任何TMD症状和体征的成年健康男性志愿者1例作为建模素材。通过CT扫描获取下颌骨影像学二维数据，将所得数据经Mimics软件（Materialise公司，比利时）转换并形成三维立体模型后导入Geomagic Studio软件（Geomagic公司，美国）中进行进一步精细建模，再将所得模型导入Ansys软件（Ansys公司，美国）中进行髁突囊内骨折的模拟及三维有限元分析。钛板模型在Geomagic Studio软件建立后导入Ansys软件使用。钛钉及拉力螺钉模型在SolidWorks2012软件（Dassault Systèmes公司，美国）中建立后再导入Ansys软件中使用。参考国内学者髁突囊内骨折的分型[2]，笔者模拟的骨折类型为A型，即骨折线经过髁突头的外1/3，下颌支高度降低。所模拟的钛板为下颌骨骨折内固定常用的标准“L”形小型钛板，4颗内固定螺钉大小为2.0mm×6mm，拉力螺钉大小为2.0mm×14mm。
1.2 三维有限元分析的载荷条件及分析工况：对髁突顶部予以约束即以铰链模式模拟颞下颌关节运动，在双侧下颌第一磨牙牙合面予以约束以模拟双侧咀嚼较硬食物的功能状态。分别在双侧咬肌、翼内肌及颞肌附着区加载功能状态下的力量以模拟咀嚼状态。模型材料属性、载荷力量大小及方向等参考前期研究文献[3-5]。笔者分析在相同约束、相同载荷及相同骨折情况下小型钛板固定与拉力螺钉两种内固定方式（即两种工况）下局部应力分布及位移大小。
1.3 观察部位及指标：观察在前述载荷作用下内固定区骨质、内固定钛板钛钉以及拉力螺钉的Von Mises应力值大小及其分布情况，以分析内固定材料使用的合理性，Von Mises应力值较小者更为合理；在骨折断面外周选择间距相等的8个节点，采集其位移值，观察骨折断面的位移情况以分析内固定的稳定性，位移越小者越稳定。
2 结果
小型钛板钛钉固定情况下下颌骨Von Mises应力分布情况如图1，拉力螺钉固定情况下的下颌骨Von Mises应力分布情况如图2，小型钛板及钛钉Von Mises应力分布情况如图3，拉力螺钉Von Mises应力分布情况如图4，两种工况下骨折断面的位移情况如图5。
结果显示，小型钛板内固定时下颌骨最大应力值为84.384Mpa，而拉力螺钉固定时最大下颌骨最大应力值为59.828Mpa，前者约为后者的1.4倍，两种工况下的下颌骨的最大应力值均分布在螺钉周围。小型钛板自身最大应力值为1790Mpa，而拉力螺钉自身的最大应力值为111.661Mpa，前者约为后者的16倍，两种工况下最大应力值均分布在骨折线附近；小型钛钉最大应力值为1167Mpa，约为拉力螺钉的10.5倍，负载最大应力的螺钉为靠近骨折线的螺钉。两种工况下骨折断面的位移情况较为接近，拉力螺钉固定者波动更小。
3 讨论
关于髁突囊内骨折的治疗方法，长期以来一直存在争论。在以往髁突骨折多倾向于保守治疗，髁突囊内骨折更是如此。主要原因在于手术显露范围有限，小的骨块固定困难，而且还存在面神经损伤导致面部畸形的风险。然而，保守治疗存在咬合恢复有限及引起颞下颌关节紊乱病等风险，严重时甚至引起关节强直，需要二次手术治疗[6]。因此，国内外一些学者逐渐转变观念，越来越多的学者倾向于手术治疗髁突囊内骨折。目前有关手术治疗髁突囊内骨折的系统性研究资料有限，有报道统计利用小型钛板行髁突颈部骨折固定时钛板断裂的发生率达20%～25%[7-8]，并考虑这种并发症是的发生与内固定方法不合理而引起的局部应力集中有关[9]。因此，我们不得不关注囊内骨折内固定后局部应力分布情况，以防类似并发症的发生。
目前手术治疗髁突骨折的方法包括小型钛板内固定、拉力螺钉固定及钢丝栓扎等方法，需术者在术中根据骨折的具体情况而定，而髁突头段过于粉碎而无法固定的患者往往需要手术摘除髁突。临床治疗认为小型钛板固定和拉力螺钉固定方式最为稳定可靠。本实验建立了单侧（右侧）髁突囊内骨折模型，并模拟了目前学者常采用的单块“L”型小型钛板固定和单颗拉力螺钉固定两种治疗方式，给予功能载荷后分析局部应力分布情况及骨断端位移情况。根据国内学者的分型和研究，认为A型髁突囊内骨折骨折块较大，复位及固定较为容易，临床治疗多选择手术治疗方式，因此，本研究选择这一型髁突囊内骨折作为研究对象。 在材料力学有限元分析中常选用的一个指标是Von Mises应力，又称等效应力，对于韧性材料（如金属）来说是一个重要参数，用于界定屈服点，一旦达到屈服点，材料将不具有弹性，产生永久变形。本实验发现，小型钛板固定方式下，固定螺钉周围骨组织应力略高于拉力螺钉固定方式，约为后者1.4倍，内固定螺钉周围骨组织过高的应力可能导致骨质吸收，最终导致螺钉松动脱落；本研究还发现功能载荷下小型钛板自身的应力值远远高于拉力螺钉，约为拉力螺钉的16倍，这种过于集中的应力可能导致术后内固定板断裂；另外，小型内固定螺钉的应力值为拉力螺钉的10.5倍，内固定螺钉过于集中的应力亦可能导致术后螺钉松动脱落。关于两种内固定方式应力分布差异研究的文献较少。本实验观察到了两种内固定方式下的最大应力差别达10倍以上，这在临床应用中往往是难以接受的。笔者分析其可能原因如下：①由于拉力螺钉固定是横穿骨断端中央部位而小型钛板则是在骨断端外侧，从结构力学角度来看显然前者更为稳定。有学者对比分析了下颌角骨折应用小型钛板固定和拉力螺钉固定方式的差异。研究发现，拉力螺钉固定方式术后骨断端间间隙更小[10]，这也间接证实两种固定方式间的差异。②受局部解剖因素影响，髁突囊内骨折无法像下颌骨其它部位一样做到两块钛板固定，因而其应力也得不到更好的分散。由于本实验模拟的载荷力量为正常咀嚼力量，笔者推测，如果临床实际中嘱咐患者术后进食流质饮食，避免大的咀嚼力量产生，则有助于降低髁突小型内固定钛板的最大应力值，从而有助于降低小型钛板折断及固定螺钉松动等并发症发生风险。
骨折术后骨断端间的相对位移对骨折愈合有一定影响，通常认为位移超过150μm将不利于骨折愈合[11]。本实验中我们在骨折断面选择8个节点，其间距相等，均匀分布在骨折断面最外周，试图从整体上反应骨折断的相对位移情况。研究发现，两种固定情况下骨折断端间的相对位移均较小，远小于150μm。因此，可以认为，在固定的初期，两种固定方式均可以达到稳定骨折断端的效果。
综上所述，在功能载荷状态下，虽然小型钛板及拉力螺钉固定方式下骨折断端间相对位移很小，但小型钛板固定方式下钛板自身有明显的应力集中。这提示我们，虽然两种内固定方式均可以起到稳定骨折断端的效果，但小型钛板固定方式下应力过于集中可能引起钛板断裂及内固定螺钉松动，最终导致治疗失败。因此，在本研究条件下，笔者认为拉力螺钉固定方式较小型钛板固定方式更为可靠，若采用小型钛板固定，则在骨折愈合的早期更应注意下颌制动，并尽可能采用流质饮食等措施，避免产生过大的咀嚼力量。
[参考文献]
[1]Villarreal P M，Monje F，Junquera L M，et al.Mandibular condyle fractures： determinants of treatment and outcome[J].J Oral Maxillofac Surg，2004，62（2）：155-163.
[2]何冬梅，杨驰.下颌骨髁突骨折的分类及治疗[J].中国实用口腔科杂志，2010，3（4）：200-203.
[3]杨壮群，虎小毅，王正辉.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[J].中国口腔颌面外科杂志，2004，2（1）：48-51.
[4]Korioth TW，hannam AG.Deformation of the human mandible during simulated tooth clenching[J].J Dent Res，1994，73（1）：56.
[5]Langenbach GEJ，Hannam AG.The role of passive muscle tensions in a three-dimensional dynamic model of the human jaw[J].Arch Oral Biol，1999，44（7）：557-573.
[6]Zachariades N，Mezitis M，Mourouzis C，et al.Fractures of the mandibular condyle： a review of 466 cases.Literature review，reflections on treatment and proposals[J].J Craniomaxillofac Surg，2006，34（7）：421-432.
[7]Hammer B，Schier P，Prein J.Osteosynthesis of condylar neck fractures：a review of 30 patients[J].Br J Oral Maxillofac Surg，1997，35（4）：288-291.
[8]Choi BH，Yi DDS，Yoo JH.Clinical evaluation of 3 types of plate osteosynthesis for fixation of condylar neck fractures[J].J Oral Maxillofac Surg，2001，59（7）：734-737.
[9]Wagner A，Krach W，Schicho K，et al.A 3-dimensional finite-element analysis investigating the biomechanical behavior of the mandible and plate osteosynthesis in cases of fractures of the condylar process[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod，2002，94（6）： 678-686.
[10]Schaaf H，Kaubruegge S，Streckbein P，et al.Comparison of miniplate versus lag-screw osteosynthesis for fractures of the mandibular angle[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod，2011，111（1）：34-40.
[11]Tams J，Van Loon JP，Otten B，et al.A computer study of biodegradable plates for internal fixation of mandibular angle fractures[J].J Oral Maxillofac Surg，2001，59（4）：404-407.
[收稿日期]2013-04-23 [修回日期]2013-05- 13
编辑/何志斌