Переломы нижней челюсти занимают особое место в челюстно-лицевой хирургии во всех странах мира и являются одним из наиболее распространенных повреждений челюсти [1]. Лечение переломов нижней челюсти должно быть направлено на сохранение целостности анатомической структуры и фиксации костных фрагментов в неподвижном состоянии до их зарастания, сопоставление правильного окклюзионного отношения и сохранение пропорции нижней трети лица.

В последние годы широко применяют хирургическое вмешательство методом фиксации кости с использованием различных видов накостных пластинок. Однако остается дискуссионным вопрос об их жесткости и стабильности, а также о зависимости выбора метода от клинического случая: локализации перелома (в пределах зубного ряда или вне его), степени смещения отломков, тяжести травмы и стоимости лечения [2, 3].

Важным условием оказания квалифицированной медицинской помощи являются уровень подготовки врача и валидные мануальные навыки, которые позволяют правильно позиционировать винты, грамотно подойти к выбору пластины с учетом ресурса тканей и вида повреждения, учитывать клинико-анатомические особенности структур нижней челюсти, включая аномалии. При отсутствии этих факторов создаются опасные прецеденты дефекта оказания медицинской помощи или вреда, которые по локальному законодательству могут быть рассмотрены как уголовно наказуемое деяние.

Так же применяются консервативные методы лечения переломов с помощью межчелюстной фиксации путем назубных шин и эластического натяжения. Данные методики наряду с большим количеством достоинств имеют и ряд недостатков, наиболее существенными из которых являются значительное снижение уровня гигиены полости рта и качества жизни пациента в период фиксации прикуса [4, 5].

Необходимо отметить, что шинирование остается компромиссным методом лечения переломов нижней челюсти в местностях с низкой плотностью населения, а также со сложным географическим ландшафтом. Помимо этого, важную роль в порядке оказания медицинской помощи играют такие факторы, как материально-техническое оснащение клиники, уровень профессиональных навыков медицинского персонала и т. д.

Частота переломов нижней челюсти варьируется от 57 до 82% среди всех повреждений костей лицевого скелета [6]. Согласно крупному эпидемиологическому исследованию, наиболее часто повреждаются тело (16,8%) нижней челюсти [7]. Аналогичные закономерности выявлены и в российской популяции: переломы тела нижней челюсти встречались реже: в области резцов — в 3,9%, клыков и премоляров — в 15,9%, моляров — в 15,3% [8]. Такие переломы существенно снижают качество жизни пациента, в том числе влияют на социализацию и алиментарные привычки, изменение которых может ухудшить процесс комплексной реабилитации. Следует отметить и ухудшение стоматологического здоровья при лечении шинами предыдущих поколений: так, по данным литературы, отмечается прирост кариозных поражений твердых тканей зубов и воспалительных заболеваний тканей пародонта, что связано с затруднением гигиены при использовании классических назубных шин [9, 10].

В связи с этим создание новых способов иммобилизации отломков при переломах нижней челюсти остается актуальной проблемой и требует своего дальнейшего решения, вследствие чего нами был разработан новый cпособ одночелюстного шинирования при переломах нижней челюсти (патент на изобретение РФ No2735258 от 29.10.20).

Для проверки нулевой гипотезы рациональным решением будет математическое моделирование методом конечно-элементного анализа, широко используемого в области физического и математического моделирования. Благодаря такому важному экспериментальному инструменту возможна оценка эффективности планируемой методики лечения. Основным предназначением конечноэлементного анализа в медицине, как и в других сферах, является анализ воздействий силы на определенную структуру, оценка стабильности и резистентности структуры к давлению, силе и прочим внешним воздействиям [11]. Сегодня этот метод позволяет эффективно оценить биомеханическую стабильность, рассчитать напряженность между костными фрагментами костей лицевого отдела черепа и их прочность при фиксации в контексте определенных травм нижней челюсти [12, 13]. Полученные данные, подтверждающие нулевую гипотезу, можно переносить в клиническую практику без опасений нежелательных явлений со стороны биологических тканей, таким образом повышая качество оказания квалифицированной помощи в области челюстно-лицевой хирургии.

Цель исследования — провести конечно-элементный анализ эффективности нового метода фиксации нижней челюсти при переломе.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Данные

Средствами компьютерного моделирования и метода конечных элементов (МКЭ) моделировали напряженнодеформированное состояние (НДС) двух конфигураций нижней челюсти с переломом: с предложенной фиксирующей конструкцией и с классической тактикой лечения методом остеосинтеза, данные которого опубликованы ранее [14]. Челюсть и зубы сегментировали на мультипланарной реконструкции из данных стоматологического КЛКТ-исследования (конусно-лучевой компьютерный томограф KaVo ORTHOPANTOMOGRAPH

OP300 Maxio, 312 срезов, размер пикселя 250 микрометров) добровольца (мужчина, 1989 года рождения) без обнаруженных патологических изменений органов в области нижней челюсти в пробной версии программного обеспечения (Инобитек PRO 2.10, Россия) (рис. 1А).

Для каждой анатомической структуры выполняли рутинную сегментацию в трех проекциях. Из полученных контуров генерировали воксельную модель, которую затем конвертировали в STL-модель (рис. 1Б).

NURBS-моделирование

Обратное проектирование STL-моделей осуществляли в ПО SolidWorks (Dassault Systèmes SE, Vélizy-Vilacuble, Франция). Средствами утилиты ScanTo3D были сгенерированы NURBS-модели (NURBS — Non-uniform rational B-spline) нижней челюсти и зубов (рис. 2A). На STLмодели зубного ряда сегментировали и преобразовывали в NURBS-модель каждый зуб ряда (рис. 2Б). С помощью базовых инструментов SolidWorks моделировали линейную область перелома между 44 и 45 зубами с зазором 0,1 мм, соответствующую простому неосложненному перелому, пару нижнечелюстных суставов, фиксирующую конструкцию и импактор, имитирующий пищу (рис. 2).

Предобработку NURBS-модели для конечноэлементного анализа проводили в ПО HyperMesh (Altair Engineering Inc, Troy, Michigan, USA). Для каждой анатомической структуры (два сегмента нижней челюсти, 15 зубов, два нижнечелюстных сустава), импактора и фиксирующей конструкции генерировали тетраэдрическую сетку, качество сетки контролировали по метрикам Jacobian (пороговое значение ≥ 0,1) и Tetcollapse (пороговое значение ≤ 0,1). Не менее 98% элементов удовлетворяли данным критериям; элементы, не прошедшие контроль, были перестроены вручную. Итоговая сетка содержит 800 604 элемента (рис. 3) [15]. Полученные конечноэлементные модели импортировали как орфанные сетки в ПО Abaqus CAE (Simulia, Johnston, Rhode Island, США) для задания механических свойств материалам и постановки граничных условий для биомеханического анализа модели [16].

Допущения и математическая постановка задачи

С математической точки зрения в каждой из локально однородных подобластей неоднородного функционального элемента модели решалась статическая задача теории упругости о действии на него момента силы для симуляции индентирования зафиксированных сегментов челюсти в упругий импактор. Для связи сегментов челюсти и зубов, суставов и мыщелковых отростков, капы и лигатуры применяли множественный контакт без относительного движения, что является важным допущением в модели. Контакты между сегментами челюсти, зубами и капой, капой и импактором задавали тангенциальным с коэффициентом трения 0,1 и нормальным поведением «жесткий контакт». Верхняя поверхность фиксатора и нижнечелюстных суставов жестко фиксировались (отсутствие степеней свободы для каждого узла на поверхности). Области жевательной бугристости (рис. 4, выделены розовым) кинематически связывались в точке подбородочного выступа (рис. 4, RP-3), к которому прикладывался момент сил, линейно растущий до 500 Н/м. Для всех материалов применяли модель линейноупругого изотропного материала [17, 18]. Механические характеристики заимствованы из литературы и сведены в таблицу (таблица). 

В работе выполняли детерминированный конечноэлементный расчет, статистическую обработку не проводили, так как анализ основан на единственной модели.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методом конечно-элементного расчета получены НДС сегментов нижней челюсти при переломе с фиксирующей конструкцией. Установлено, что относительное смещение в предложенной конфигурации линейно растет при линейно увеличивающейся нагрузке. При нагрузке в 50 Н между отломками достигается относительное смещение в 25 мкм. Результаты сравнивали с методом фиксации отломков двумя фиксирующими пластинами в двух разных конфигурациях [14] (рис. 5). Выбросы на графике ассоциированы с ростом приращения решателя. Контактное давление между отломками представлено на рис. 6A и достигает значения 2 МПа. В деформированной конфигурации пунктиром отмечено относительное смещение.

Максимальные напряжения во всей конфигурации концентрируются на металлической шине (рис. 6Б) и достигают значения 100 МПа. В свою очередь, максимумы напряжений на капе распределены над областью перелома (рис. 6Б), достигая значения в 3 МПа.

Методом конечно-элементного расчета установлено, что предложенный метод фиксации при линейном росте нагрузки импактора (имитирует пищу) до 50 Н показывает удовлетворительное смещение между отломками в районе 25 мкм. Относительное смещение при фиксации предложенным методом сравнимо со смещением, полученным при конечно-элементном расчете для фиксирующей конструкции с двумя титановыми пластинами.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Настоящее исследование имеет ряд ограничений. Во-первых, конечно-элементный анализ проведен на основе данных КТ одного добровольца, чьи клинико-анатомические характеристики удовлетворяли показаниям к использованию разработанного шинирующего устройства, что не позволяет учесть анатомическую вариабельность. Во-вторых, модель не была валидирована в натурном эксперименте, как на синтетических моделях челюсти или биологическом материале. В-третьих, сравнение эффективности разработанной шины проводили с данными литературы по фиксации мыщелкового отростка двумя пластинами [14], что не является прямым аналогом по причине дефицита валидных литературных данных о схожих конструкциях. Для получения более убедительных данных требуется дальнейшее исследование с расширенной выборкой виртуальных моделей и экспериментальной верификацией.

Как ранее было указано в методах моделирования, для одонто-костных структур использовали множественный контакт без относительного движения, что обосновано тактикой равномерного перераспределения нагрузки по всей поверхности шинирующей конструкции и между отломками.

Жесткий контакт зуб–шина (µ = 0,1; без проскальзывания) отражает клиническую стабильность назубного шинирования при множественных опорах (4–6 зубов) у взрослых пациентов, обеспечивающих равномерное перераспределение нагрузки без относительного движения фрагментов [25]. Микросмещения (< 0,1 мм) не превышают физиологическую подвижность пародонта и не влияют на консолидацию перелома.

Любой метод лечения перелома нижней челюсти направлен на фиксацию костных фрагментов до их сращения и восстановления жевательной нагрузки, создаваемой несколькими группами мышц. Из-за сложной анатомии нижней челюсти, обусловленной ее функциями, приложение сил к линии перелома или к выбранной системе фиксации (пластинкам) может неблагоприятно влиять на восстановление физиологической нагрузки. В литературе действительно идут дискуссии относительно выбора наиболее подходящей системы фиксации для каждого конкретного случая. Одни хирурги предпочитают использовать мини-пластинки и винты, другие отдают предпочтение использованию титановых пластин для стабилизации переломов, считая, что такая система обеспечивает достаточную жесткость и минимизирует сопротивление физиологической нагрузке, а кроме того назубные двучелюстные шины могут быть использованы для стабилизации и фиксации перелома во время заживления. Эти шины обладают специальной конструкцией, которая помогает поддерживать правильное положение челюсти и предотвращает нежелательное перемещение или смещение перелома.

Экспериментальные данные, полученные на модели остеотомии плюсневой кости овцы с регулируемым размером щели и интерфрагментарным движением, показывают, что при щели 1–2 мм и интерфрагментарном движении до 0,5 мм (500 мкм) достигается успешное сращение с высокой механической стабильностью (жесткость при изгибе > 20 Нм/мм). Авторы отмечают, что не количество, а качество формирующейся костной мозоли определяет исход заживления. В нашем исследовании интерфрагментарное смещение составило всего 25 мкм, что на порядок ниже значений, при которых в указанной работе наблюдалось стабильное сращение. Таким образом, полученные результаты могут быть экстраполированы на наши данные, так как свидетельствуют о достаточной стабильности разработанной шинирующей конструкции, обеспечивающей консолидацию перелома.

Согласно обобщенным результатам экспериментальных и клинических исследований, при щели между фрагментами кости не более 3 мм оптимальный диапазон интерфрагментарного смещения для стимуляции костного сращения составляет 0,15–0,4 мм, а превышение порога более 1,0 мм связано с риском несращения [26–29]. В нашем исследовании смещение отломков относительно друг друга при нагрузке 50 Н составило всего 0,025 мм (25 мкм), что почти на порядок ниже нижней границы оптимального диапазона.

Исходя из результатов, выбор системы фиксации отломков нижнечелюстной кости должен быть основан на клинической анатомии, характере перелома, состоянии пациента и цели хирургического вмешательства. Важно, чтобы хирург, основываясь на своем опыте и знаниях, выбрал наиболее подходящую систему фиксации, которая обеспечит с одной стороны стабильность отломков, а с другой — не изменит объем физиологической нагрузки на челюсть.

В исследовании использован разработанный нами способ одночелюстного шинирования при переломах нижней челюсти, предназначенный для фиксации переломов в пределах зубного ряда, что представляется оптимальным решением в удаленных регионах и ФАПах, где высокотехнологическая медицинская помощь не всегда доступна в необходимых объемах и срочности.

Показаны пределы силового воздействия на разные области нижней челюсти. Так, в зоне симфиза при закрытом рте показатель составил 82 Мпа и 117 Мпа при открытом, что позволяет прогнозировать положение сомкнутых челюстей более благоприятным в отношении прогноза возникновения перелома [30]. Важное значение придается углу приложения силы. По некоторым данным, распространенными областями перелома являются мыщелковый отросток (при прямой травме тела) или угол челюсти [31].

В литературе можно встретить исследования, посвященные несъемным методам лечения, где среди прочих, можно увидеть выводы о преимуществах шинирующих конструкций для реабилитации пациента с челюстно-лицевой травмой [32–34].

Тем не менее, при хорошем планировании и проработке силовых нагрузок и прогнозировании переломов, в литературе довольно-таки мало сведений о конечном анализе съемной аппаратуры. По нашим результатам, предложенный метод фиксации при линейном росте нагрузки импактора до 50 Н показывает удовлетворительное смещение между отломками в районе 25 мкм, что сравнимо со смещением, полученным при конечно-элементном расчете для фиксирующей конструкции с двумя титановыми пластинами.

Резюмируя и обобщая данные, можно сказать, что разработанная шинирующая конструкция физиологична и сопоставима по своим характеристикам с несъемной аппаратурой.  В пользу предлагаемого нами метода говорят результаты другой работы, где авторы приходят к выводу о травмирующем действии минипластин, изменяющих биомеханику нижней челюсти вплоть до возникновения более сложных переломов [35]. Разработанный метод может быть рассмотрен как перспективная альтернатива существующим способам иммобилизации при условии его дальнейшего клинического изучения.

ВЫВОДЫ

В работе проведен конечно-элементный анализ эффективности нового метода одночелюстного шинирования при переломах нижней челюсти в пределах зубного ряда. При линейном возрастании жевательной нагрузки до 50 Н разработанная шинирующая конструкция обеспечивает относительное смещение костных отломков около 25 мкм, что сопоставимо с фиксацией двумя титановыми пластинами и находится далеко ниже порога, критического для консолидации перелома (150–400 мкм). Максимальные эквивалентные напряжения в металлической шине составляют 100 МПа, в каппе — до 3 МПа, что не превышает предела прочности используемых материалов. Иммобилизация достигается без вовлечения верхней челюсти, что улучшает гигиену полости рта и качество жизни пациента в период лечения. Предложенный метод может служить эффективной и безопасной альтернативой традиционному остеосинтезу, особенно в условиях ограниченного доступа к высокотехнологичной хирургической помощи, а также у пациентов с противопоказаниями к открытой репозиции. Однако необходима валидация результатов в натурных экспериментах на синтетических и биологических моделях, а также клинические исследования с расширенной выборкой для подтверждения долгосрочной стабильности и оптимизации конструкции.