有限元模拟下颌骨正中骨折的个性化钛板设计分析

刘璐; 王琦; 王怀升; 程亚男; 庄妍; 陈贺; 王心彧

doi:10.12307/2026.080

摘要：背景:个性化钛板治疗颌面部骨折不仅可以缩短手术时间,还能提高患者满意度.然而,关于个性化钛板最优形状设计及其对骨折愈合的影响目前仍缺乏系统研究. 目的:利用有限元对下颌骨正中骨折的个性化钛板进行优化设计. 方法:将初始钛板及颌骨模型导入软件中进行静力学分析,依据静力学分析结果进行拓扑优化.基于拓扑优化结果设计个性化钛板的基本形状.将个性化钛板、平行双板钛板、垂直双板钛板分别在双侧切牙咬合(工况1)、右侧磨牙咬合(工况2)、右侧切牙咬合(工况3)3种工况下进行有限元分析,筛选出在下颌骨正中骨折固定中力学性能最优的钛板.根据分析结果对个性化钛板进一步优化设计,设计直线型、上弯型、下弯型3种形态,通过有限元分析择出最优形态.以1 mm厚的上弯型个性化钛板为基础,设计梁(横梁和斜梁)分别为0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 mm宽度的钛板,通过有限元分析确定合适的梁宽度,完成个性化钛板的优化设计. 结果与结论:①依据拓扑优化结果设计了一款"8"字型个性化钛板.有限元分析结果显示,在工况1中,平行双板钛板组钛板最大等效应力值最小,垂直双板钛板组骨断端最大位移值最小;在工况2和工况3中,个性化钛板组钛板最大等效应力值和骨断端最大位移值均最小,力学性能更优.②在3种工况下,直线型个性化钛板组、上弯型个性化钛板组与下弯型个性化钛板组的钛板最大等效应力值和骨断端最大位移值差异较小,但上弯型个性化钛板组钛板应力分布更均匀.③对于1 mm厚的上弯型个性化钛板,当梁宽度≥1.6 mm时,钛板最大等效应力和骨断端最大位移值较为稳定;当梁宽度<1 mm时,骨断端最大位移值超出骨折初期愈合的范围,不利于愈合.④在下颌骨正中骨折有限元分析中,"8"字型结构个性化钛板较"一"字型具有应力分布更均匀、固定更稳固的优势,最终确定1 mm梁宽、1 mm厚的上弯型个性化钛板为下颌骨正中骨折的个性化钛板最优设计方案.