关节盘前位移颍下颌关节生物力学研究论文

2020年10月28日12:03:02关节盘前位移颍下颌关节生物力学研究论文已关闭评论

关节盘前位移颍下颌关节生物力学研究论文
摘要
颖下颌关节是颅颌面唯一的能动关节。在解剖形态上,課突独特的关节面 形态,非均匀厚度的关节盘及关节窝周围复杂的韧带肌群附着构成稳定而灵活 的颍下颌关节;在生理功能上,颛下颌关节的运动同时兼备转动和滑动功能, 参与咀嚼、语言和表情等颌面部功能运动,同时颛下颌关节也一直被认为是颌 面部重要的负重关节和缓冲结构。颖下颌关节紊乱病是颖下颌关节最常见的疾 病,人群发病率约为20%,临床主要表现为关节区的疼痛,弹响,下颌运动异 常等。关节盘前移位是颍下颌关节紊乱病中最常见的一种类型,主要表现为关 节盘在颛下颌关节运动时,沿关节结节后斜面不同程度的向前偏移。故在关节 运动过程中,出现典型的下颌偏斜,疼痛及弹响等症状,严重时可导致关节盘 的穿孔、驟突形态的改变、关节运动障碍等严重并发症。目前关节盘前移位发 生的病因尚不明确,对于其自愈性及转归也无明确的基础研究及定论。
本课题拟通过CT、MR等影像学手段获取关节盘前移位患者牙关紧闭位及 最大张口位时颖下颌关节影像学数据,通过三维重建软件建立关节盘前移位颖 下颌关节牙关紧闭位及最大张口位的数字化模型。釆用有限元法对关节盘前移 位颖下颌关节位于牙关紧闭位及最大张口位时生物力学分析,获得关节盘、W 突等颛下颌关节各个解剖结构力学分布变化和趋势。通过总结关节盘前位移时 颛下颌关节力学分布特点及规律,研究关节盘前移位时颍下颌关节的力学变化 和运动特点,特别是关节盘前移位等颖下颌关节紊乱病发生发展及其转归中各 个解剖结构形态变化的力学原因和规律,解释关节盘前移位的颛下颌关节病的
病因和转归,指导临床对于关节盘前移位患者的诊断及治疗。
第一部分关节盘前移位颜下颌关节仿真模型的建立
目的
通过筛选额下颌关节盘前移位患者,对其颛下颌关节前移位的关节区行薄 层CT及3D-MRI扫描,获取软硬组织影像学资料,利用Simpleware等三维重 建软件及组织匹配技术,建立含关节窝、关节盘、碟突及软骨层在内的颖下颌 关节盘前移位的颖下颌关节三维仿真模型。
材料与方法
1、 建模数据来源:根据马绪臣颖下颌关节紊乱病分类中关节盘前移位诊断 标准,筛选南方医科大学南方医院一名成年男性右侧颍下颌关节紊乱病患者, 26岁,病史6个月,无外伤手术史,牙列完整,中性粘 无关节疾病系统治疗 史。临床检查示:开口运动初始右侧颛下颌关节弹响,张口度正常,开口型偏 向右侧后恢复正常,关节区轻微压痛。影像学检查符合关节盘前移位标准。
釆用64层CT连续水平扫描患侧颖下颌关节区。扫描参数:层厚0.5mm, 球管电流200mA,电压120KV;采用3D-MR连续斜矢状位扫描患侧颍下颌关 节区。扫描参数:层厚05mm, T1W1序列,层间隔0mmo扫描范围:右侧颅 底至右侧下颌骨最下缘。分别获取232层清晰的骨窗断层和MRI图像,所得 图像以DICOM格式保存。
2、 仿真模型的建立:将所获得的DICOM格式的图像导入Simpleware4.0 进行解剖结构图像分割,进行三维空间的精细化修整,转角部平滑,结构表面 光滑处理。根据已建立的坐标体系,对颛下颌关节软硬组织精确复位匹配。实 现颖下颌关节软硬组织系统的整体重建。
结果
建立的关节盘前移位颖下颌关节的三维仿真模型在包括了关节盘、关节囊、 关节窝、課突皮质骨及松质骨、软骨层等重要解剖结构在内的关节盘前移位颖 下颌关节三维仿真模型,同时还具有牙尖交错位及最大张口位。其中关节盘不 仅重建了中间带,还客观还原了关节盘前后带及与关节窝、課突的附着结构。
绪论
本研究通过筛选颖下颌关节盘前移位患者,并对其颛下颌关节前移位的关 节区行薄层CT及3D-MRI扫描,分别获取关节区的软硬组织影像学资料,利 用Simpleware等三维重建软件及组织匹配技术,建立包括了关节窝、課突骨皮 质与骨松质,关节窝、課突的骨皮质与软骨层,关节盘与软骨层在内的颛下颌 前移位仿真模型。为后续的生物力学分析提供了模型基础。
关键词:关节盘前位移额下颌关节仿真模型
第二部分牙尖交错位时关节盘前移位颖下颌关节的生物力学
研究
目的
本研究利用第一部分已建立的关节盘前移位颖下颌关节仿真模型,模拟咀 嚼运动,通过有限元法分析牙尖交错位的状态下颛下颌关节的生物力学相关参 数,总结关节盘前移位后颖下颌关节各解剖结构生物力学变化对颖下颌关节功 能的影响。
材料与方法
1、采用实验第一部分所建立的牙尖交错位时关节盘前移位颖下颌关节仿真 模型,导入AnsyslLO有限元软件中,输入相关材料和界面参数,对模型进行 整体网格划分,建立牙尖交错位时关节盘前移位颖下颌关节三维有限元模型。
2、约束边界及设置条件:约束边界为关节窝所在颛骨在X轴,Y轴向表 面,设置颛骨颅底侧表面自由度为约束;采用牙尖交错位时咬肌力向量为力学 加载。力学加载点为咬肌附着下颌骨下角处,使用20条肌束模拟咬肌肌纤维形 态,加载方向为咬肌走形方向加载。力学加载大小为200No
3、观察指标:在牙尖交错位时,关节盘前移位后额下颌关节整体应力变化 数据及位移趋势;关节窝、課突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变 化及位移趋势;关节盘前移位后颖下颌关节在多轴截面上整体应力变化数据及 位移趋势;关节窝、髀突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变化及位 移趋势。
结果
1、 建立了包括关节窝、課突的骨皮质及骨松质,关节盘和软骨层在内的 牙尖交错位时关节盘前移位颛下颌关节三维有限元模型,共生成22105个节点 和97983个单元。
2、 在牙尖交错位时,骨皮质整体承受的应力(:=0・78Mpa)与骨松质 (x=0.77Mpa)相似,远大于关节盘(x=0.38Mpa)和软骨层的(x=0.48Mpa),
应力集中均出现于髒突前斜面与关节窝、关节盘相接触的功能面;关节盘的应 力最大值出现在关节盘中间带后部与后带前部交界,与課突功能面想接触的中 外侧区域(x=lMpa),并向外呈现逐步减少的趋势,关节盘后带后部及前带大 部分区域呈现低应力表现(x-0.2Mpa),关节盘在課突的下颌前后附着区也出 现了应力集中区(x=0.37Mpa)。
3、 前后轴向上,关节盘前附着区上下表面的应力分布有明显差异
(t=-2.826, P=0.048);内外轴向上,关节盘功能面上下表面的应力分布有明 显差异(A3.142, P=0.014) a
4、假性关节盘功能面后缘靠外侧区域及双板区为三个轴向上撕裂带的重 叠区域。
结论
1、正常的关节盘中间带向前移位,其与后带前部交界区域代替正常关节 盘功能面结构,形成牲假性关节盘S通过降低了驟突的高度,扩大关节盘功能 面的面积,减少了牙尖交错状态下課突传导牙合力的同时,调节下颌前后附着的 压力,以达到稳定关节盘空间位置,恢复功能运动的作用。
2、假性关节盘功能面后缘靠外侧区域及双板区为重叠集中区域,出现多个 方向上的力学矢量。将导致该区域关节盘内部纤维结构及走形改建,如关节盘 纤维断裂,扭转,增生等病理变化,也正是临床关节盘穿孔的好发区域。在对 于关节盘前移位的治疗过程中,需要重点关注对正常关节盘功能面的恢复,不 仅需要松弛后带与双板区的压力,而且还需要关注下颌前附着的松解。
关键词关节盘前移位额下颌关节牙尖交错位三维有限元应力分析
第三部分最大张口位时关节盘前移位颜下颌关节的生物力学
研究
目的
本研究利用第一部分已建立的关节盘前移位颛下颌关节仿真模型,模拟咀 嚼运动,通过有限元法分析最大张口位的状态下颍下颌关节的生物力学相关参 数变化,说明关节盘前移位后颛下颌关节生物力情况及其对颛下颌关节功能的
影响作用。
材料与方法
1、采用实验第一部分所建立的最大张口位时关节盘前移位颖下颌关节仿真 模型,导入Ansysll.O有限元软件中,输入相关材料和界面参数,对模型进行 整体网格划分,建立最大张口位时关节盘前移位颛下颌关节三维有限元模型。
2、约束边界及设置条件:约束边界为关节窝所在颛骨在X轴,Y轴向表 面,设置颖骨颅底侧表面自由度为约束;采用最大张口位时咬肌力向量为力学 加载。力学加载点为咬肌附着下颌骨下角处,使用20条肌束模拟咬肌肌纤维形 态,加载方向为咬肌走形方向加载。力学加载大小为200N。
3、观察指标:在最大张口位时,关节盘前移位后颖下颌关节整体应力变化 数据及位移趋势;关节窝、課突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变 化及位移趋势;关节盘前移位后颍下颌关节在Z轴截面上整体应力变化数据及 位移趋势;关节窝、課突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变化及位 移趋势。
结果
1、 建立了包括关节窝、課突的骨皮质及骨松质,关节盘和软骨层在内的 最大张口位时关节盘前移位颍下颌关节三维有限元模型,共生成35741个节点 和125467个单元©
2、 在最大张口时,关节盘应力大小在不同解剖结构及不同解剖区域上的分 布差异较大。骨皮质整体承受的应力(x=2.8Mpa)与骨松质(x=2.79Mpa)相 似,远大于关节盘(x=l.llMpa)和软骨层的(x=0.27Mpa),集中出现于課 突顶部及后斜面与关节盘后带的接触区域,呈现明显自下颌角至課突顶部逐渐 均匀减少的趋势和力学轨道。关节盘的应力最大值岀现在关节盘中间带后部, 与髒突顶部及后斜面相接触的中外侧区域(x=2.78Mpa),并向外呈现逐步减 少的趋势,关节盘双板区和后缘韧带区域呈现低应力表现(x=0.5Mpa),关节 盘在关节窝的颖前附着区也出现了应力集中区G=I.67Mpa) o
3、 前后轴向上,在关节盘前附着区上下表面的应力分布有明显差异 (L5.905,片0.004);内外轴向上 在关节盘接触面的上下表面的应力分布无
明显差异(t=-0.526, P=0.613),但外侧缘(t=2.782, P=0.05)和内侧缘(t=3.094, P=0.027)的应力分布有明显差异。
4、 关节盘的颛前附着的外侧缘、额后附着的内侧缘、后带后部与双板区在 X轴、Y轴及Z轴方向上岀现位移撕裂带。
结论
1、課突的主要受力区域从原先的前斜面的功能面改变为課突顶部及后斜 面的接触区域,随着关节上间隙的扩大,也导致关节盘上缘与关节窝接触面积 的缩小。随着主要负重区域面积的缩小和形态的改变,牙合力更加集中于驟突顶 部、后斜面与关节盘后带后部、关节结节的接触区域。
3、关节盘的前后附着区域在关节运动运动过程中起到十分重要的稳定和 限制作用,关节盘颖前附着的外侧缘、颍后附着的内侧缘、后带后部与双板区 同时承受不同方向上的应力矢量,是主要的功能和负重区域。其中双板区容易 出现多个方向上的过度拉伸,内部纤维更容易发生过度拉伸,断裂,穿孔的可 能。在对于关节盘的治疗过程中不但需要对关节盘后带的松解,也需要释放前 带应力同时,更关注关节盘后带在关节运动过程中通过髒突顶部的顺利性。
关键词关节盘前移位额下颌关节最大张口位三维有限元应力分析
Three dimensional finite element researchof
the temporomandibular joint with anterior
disc displacement
NameiLiu Xiao
Supervisor:Prof.Yin Xuemin
ABSTRACT
The temporomandibular joint is the only active joints of the cranial and maxillofacial. On anatomical morphology, the condylar articular surface of the unique shape, non-uniform thickness of the articular disc and complex muscle group around the articular fossa contribute to the stable and flexible ligament temporomandibular joints; On the physiological function, the temporomandibular joint functional movement, both rotating and sliding, participate in maxillofacial functions such as chewing, language and expression, which has always been considered to be an important weight-bearing joints and buffer structure. The temmporomandibular disorders, the most common of the temporomandibular joint disease with the morbidity of about 20%, are clinically characterized by the pain of the joint main region, elastic ring, jaw movement anomaly and so on. The abnormal position and different deviation degree of the disc along the articular tubercle contribute to the temporomandibualr disorder which will aggravate clinical Clinical manifestations, even the serious complications such as disc perforation, condylar morphology change and movement disorders・ There was lack of conclusion aimed at etiology,self-healing and outcome of it.
The finite element analysis technology was used to analysis the mechanical distribution characteristics and laws of the anatomical structures and movement of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on the intercuspal position(ICP) and opening position through the CT and MR imaging and 3 d reconstruction, which will contribute to the disease etiology and outcome of the temmporomandibular disorder with anterior disc displacement and guide diagnosis and treatment in clinical・
Part I Reconstruction of the digital simulation model of the
temporomandibular joint with anterior disc displacement
Objective
In this study, we used CT and MRI scanning , combined with Free Form, Sinpleware and other reverse engineering software, to establish the digital simulation model of the temporomandibular joint with anterior disc displacement・
Materials and Methods
1、According to the diagnostic criteria for temporomandibular disorders, One volunteer with temporomandibular disorder was selected. X・ray and 64-slice CT examination with the slice thickness 0.5mm, ranging from the lower edge of mandibular to the base of skull was performed to exclude mandible diseases and tumors. The anterior disc displacement was diagnosed by oblique sagittal 3-D MRI scanning which showed that the Drace was 12.210 and the plate boundary crossed the joint nodules. 232 clear CT bone window and MRI images was received and fromed to DICOM format.
2、The digital simulation model of temporomandibular joint with anterior disc
displacement was established by Simpleware and Ansys software on the basis of the imaging data obtained form the head spiral CT and 3D-MR scanning.
Results
The digital simulation models of temporomandibular joint with anterior disc displacement on intercuspal position(ICP) and opening position were successfully established, which accurately showed their anatomic structure such as disc, capsule, articular fossa, condylar cortical bone, cancellous bone and cartilage layer. The middle belt of the disc was not only rebuild accurately, but also objectively showed the attachment between articular disc, articular fossa and condylar.
Conclusions
The establishment of the digital simulation model of temporomandibular joint with anterior disc displacement consist of the disc, capsule, articular fossa, condylar cortical bone, cancellous bone and cartilage layer is high precise and verisimilar, which can be widely applied in the biomechanical research.
KEYWORDS : anterior disc displacement ; temporomandibular joint ; digital simulation model
Partll Biomechanical analysis of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on intercuspal position Objective
This step is to simulate and biomechanical analysis of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on intercuspal position by using the digital
simulation model of the part I and to explain the biomechanics pathogenic mechanism law and functional influence of each anatomical structure on the temporomandibular joint
Materials and Methods
1、 The three dimensional finite element model of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on intercuspal position was established by meshing of the Ansys.
2、 Bound borders and set up conditions: The lateral fossa surface closed to the temporal bone and skull base surface in X and Y axis were set as constraint; Using the masseter vector and attachment on the mandibular angle as the mechanical loading. The 20 pairs of masseter muscle bundle, simulated the masseter muscle fiber morphology, was loaded by 200 N following the masseter direction.
3、 Observation indexs: the stress distribution and movement of Structures consist of the disc, capsule, articular fossa, condylar cortical bone, cancellous bone and cartilage layer were observed on overall and three axails・
Results
1、 The three dimensional finite element model of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on intercuspal position was established. The model have geometric similarity, and vivid shape, generating 97,983nodes and 22,105 units.
2、 On intercuspal position, the overall stress of cortical bone (x= 0.78MPa) is similar to that of cancellous bone (x= 0.77MPa) , but is far more than the overall stress of the disc (x=0.38MPa) and cartilage layer 0.48MPa). The region of the highest stresses concentration was occurred in the functional region between the anterior slope of the condyle, articular fossa and disc; The maximum stress region of
the disc was the lateral functional surface region, the contact between the boundary of middle and posterior belt of disc and condyle (x= IMPa) with the tendency of gradually reduce. In contrast to the inferior adherent region (x= 0.37MPa), the most middle and post belt regions of the disc were on the low level (x= 0.2MPa).
3、 There is an significant difference (t= 2826, P= 0.08) of stress distribution between the upper and lower surftce on the anterior adherent of the condyle on the Y axis; The stress distribution difference occurred between the upper and lower surface on the functional region of the disc on the X axis (t=-3.142, P= 0.014).
4、 The posterior-lateral functional and bi laminar region of the pseudo disc was the Overlapping regions of tear tape on the three axis.
Conclusions
1、 Normal disc shift along with the anterior border region, which form a "pseudo disc” instead of normal structure and function of the normal disc. By reducing the height of the condyle, the functional region was enlarged to reduce pressure and adjust the pressure of attachment in order to restore position and function of joint.
2、 The posterior-lateral functional and bilaminar tear tape of the pseudo disc, the same to the disc perforation in clinic, will contribute to the reconstruction of the internal fiber, even the pathological changes such as breakage, reverse and so oil. During the functional treatment of the anterior disc displacement, not only the release of the posterior belt and bilaminar region but also the relax of the anterior adherent of the condyle should be focused.
KEYWORDS: Anterior disc displacement; Temporomandibular joint; Intercuspal position; Three dimensional finite element; Stress anaylsis
Part HI Biomechanical analysis of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on intercuspal position Objective
This step is to simulate and biomechanical analysis of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on opening position by using the digital simulation model of the part I and to explain the biomechanics pathogenic mechanism law and functional influence of each anatomical structure on the temporomandibular joint.
Materials and Methods
1、 The three dimensional finite element model of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on opening position was established by meshing of the Ansys ・
2、 Bound borders and set up conditions: The lateral fossa surface closed to the temporal bone and skull base surface in X and Y axis were set as constraint; Using the masseter vector and attachment on the mandibular angle as the mechanical loading. The 20 pairs of masseter muscle bundle, simulated the masseter muscle fiber morphology, was loaded by 200 N following the masseter direction.
3、 Observation indexs: the stress distribution and movement of Structures consist of the disc, capsule, articular fossa, condylar cortical bone, cancellous bone and cartilage layer were observed on overall and three axails.
Results
1、The three dimensional finite element model of the temporomandibular joint with anterior disc displacement on intercuspal position was established・ The model have geometric similarity, and vivid shape, generating 125,467 nodes and 35,741 units.
2^ On opening position, the stress distribution varies from the different structures. The overall stress of cortical bone (x= 2.8MPa) is similar to that of cancellous bone (x= 0.79MPa) , which are far more than the overall stress of the disc (x= 0.38MPa) and cartilage layer (x= 0.48MPa). The region of the highest stresses concentration was occurred in the contact region between the top and posterior region of the condyle and the posterior blet of disc with the tendency of gradually reduce.; The maximum stress region of the disc was the posterior region ast he whole posterior blet, the contact with the top and posterior region of the condyle (x= 2.78MPa). In contrast to the anterior adherent region of the fossa (x = 1.67MPa) , the posterior belt and bi laminar region were on the low level (x = 0.5MPa).
3、 There is an significant difference (t= 5.905, P= 0.004) of stress distribution between the upper and lower surface on the anterior attachment of the disc on the Y axis; The stress distribution difference occurred between the upper and lower surface on the laterl region of the disc on the X axis (t= 2.782, P= 0.005). So as the medial region(t= 3.094, P= 0.027)
4、 The laterl region of the anterior adherent of the fossa, the medial region of the posterior adherent of the foss, the posterior belt and the bilaminar region were the Overlapping regions of tear tape on the three axis.
Conclusions
1、 The main stress region of the condyle transform from the function region to the top and posterior region of the condyle. With the enlargement of the articular cavity, the reduction and surface change of the contact region results in the stress focused on the contact region between the top and posterior region of the condyle, the posterior belt and the articular tubercle.
2、 The adherent regions of the disc play a very important role in the stability and limit of the movement. The laterl region of the anterior adherent of the fossa, the medial region of the posterior adherent of the fbss, the posterior belt and the bilaminar region are the main stree and function regions, resulting in the reconstruction of the internal fiber of the bilaminar region, even the pathological changes such as breakage, reverse and so on. During the treatment, the posterior belt and bilaminar region should be released. What's more, the smooth movement process of the posterior belt through the top of the condyle should be considered as the key factor.
KEYWORDS: Anterior disc displacement; Temporomandibular joint: Opening position; Three dimensional finite element; Stress anaylsis
前言
颛下颌关节是颅颌面唯一的能动关节。在解剖形态上,課突独特的关节面 形态,非均匀厚度的关节盘及关节窝周围复杂的韧带肌群附着构成稳定而灵活 的颛下颌关节;在生理功能上,颛下颌关节的运动同时兼备转动和滑动功能, 参与咀嚼、语言和表情等颌面部功能运动,同时颛下颌关节也一直被认为是颌 面部重要的负重关节和缓冲结构。颛下颌关节紊乱病是颖下颌关节最常见的疾 病,人群发病率约为20%,临床主要表现为关节区的疼痛,弹响,下颌运动异 常等,关节盘前移位是颛下颌关节紊乱病中最常见的一种类型,主要表现为关 节盘在颖下颌关节运动时,沿关节结节后斜面不同程度的偏移,故在关节运动 过程中,出现典型的下颌偏斜,疼痛及弹响等症状,严重时可导致关节盘的穿 孔、探突形态的改变及关节运动障碍等严重并发症。目前关节盘前移位发生的 病因尚不明确,对于其自愈性及转归也无明确的基础研究及定论。
随着计算机技术与医学相结合,以三维有限元法为代表的数字化技术被逐 步运用于医学研究领域中,尤其在口腔医学各个领域中得到了广泛的认可和应 用。数字化技术能够对不规则几何形态和不同材料性质物体之间进行准确的生 物力学模拟与分析,为颛下颌关节的生物力学提供了一个更简便有效的研究方 法和技术手段。
Mori对加入简化关节盘附着的颖下颌关节有限元分析发现在牙尖交错位的 关节盘近課突面的中后部出现应力集中现象,同时驟突存在最大的位移趋势, 说明髒突和关节盘是颖下颌关节应力传导的重要途径;Tanaka在MRI影像数据 中散点记录颖下颌关节开颌运动轨迹并通过有限元分析后发现,关节盘前后部 都存在应力集中区域,其承受的应力远大于驟突,从而认为关节盘具有缓冲和 再分配跆力的作用O通过对比关节盘移位者颛下颌关节有限元分析结果后证实 关节盘移位者在开颌运动时,关节盘前外侧部是应力集中的主要区域,提示关 节盘移位所导致得关节接触面及摩擦系数改变,以及对周围软组织造成二次损 伤是造成颛下颌关节紊乱的原因之一。
本研究拟通过CT和MR等影像学手段获取关节盘前移位患者牙间交错位 及最大张口位时颛下颌关节影像学数据,通过三维重建软件建立关节盘前移位 颍下颌关节牙尖交错位及最大张口位数字化模型。采用有限元法对关节盘前移 位颛下颌关节位于牙尖交错位及最大张口位时生物力学分析,获得关节盘、W 突等颖下颌关节各个解剖结构力学分布变化和趋势。总结关节盘前位移时颖下 颌关节力学分布特点及规律,研究关节盘前移位时颖下颌关节的力学变化和运 动特点,特别是关节盘前移位等颖下颌关节紊乱病发生发展及其转归中各个解 剖结构形态变化的力学原因和规律,进而解释关节盘前移位的颛下颌关节病的 病因和转归,指导临床对于关节盘前移位患者的诊断及治疗。
第一部分关节盘前移位颖下颌关节仿真模型的建立
既往的体外实验和压力测试都已证明:颛下颌关节是颌面部重要的负重关 节和缓冲结构⑴。其中颖下颌关节的力学稳定是保证关节功能实现的重要因素。 现阶段的颛下颌关节生物力学研究主要针对于正常状况下的颛下颌关节功能 颌位及运动过程【役通过对比不同颌位间及运动过程中硕下颌关节的力学分布, 研究正常颖下颌关节运动过程中的生物力学特征,借此推测病理状况下颛下颌 关节的力学因素。但这些生物力研究结果都缺乏对于针对以关节盘前移位的直 接性研究;既往的颍下颌关节的三维模型多简化关节盘及其周围复杂解剖形 态,将关节盘视作为一单一碟形结构,只重建中间带,而忽略关节盘在上下颌 颌骨的附着,并将重点关注于中间带的应力变化和分布区域,达到理想的几何 形态,方便生物力学分析的目的。临床研究也指出关节盘的附着对于限制关节 盘过度移位有着重要的意义。所以对关节盘前移位的关节盘的生物力学研究更 应关注于关节盘各个部分不同方向应力的相互作用,以及关节盘的附着及周围 肌肉韧带的限制作用对盘一髀关系的维系等综合因素。
本研究通过筛选颛下颌关节盘前移位患者,并对其颖下颌关节前移位的关 节区行薄层CT及3D-MRI扫描,分别获取关节区的软硬组织影像学资料,利 用Simpleware等三维重建软件及组织匹配技术,建立含关节窝、关节盘、課突 及软骨层在内的颛下颌前移位的颛下颌关节三维仿真模型模型。该模型的建立 能够在三维空间中直观准确展示前移位后的关节区解剖结构形态学的变化,同 时对后续的的生物力学分析提供了模型基础,在此基础上可以进一步阐明在关 节盘前移位状态下,关节盘整体等解剖结构的生物力学状态及致病机理,指导 临床对颖下颌关节前移位的诊断和治疗提供科学的评价和依据。
1.1材料与方法
L1.1关节盘前移位诊断标准及临床患者筛选
根据马绪臣颖下颌关节紊乱病分类标准卩间,制定关节盘前移位诊断标准如 下:
(1)临床诊断标准:①牙列完整,磨牙中性粘关系,双侧上下颌第三磨 牙正常萌出或已拔除;②颌面部发育正常,无关节区外伤或手术病史;③无风 湿,类风湿等全身疾病,无瘡症等精神病史;④开口运动初始颛下颌关节区弹 响,可伴有压痛,张口度正常或轻度受限,开口型偏向患侧后恢复正常。
(2)影像学诊断标准:①X线及CT检査排除颌骨疾患及颌面部肿瘤, 颛下颌关节窝,課突形态基本完整;②患侧颍下颌关节MR斜矢状位T1W1扫 描^颛下颌关节盘盘形态基本完整,盘分界角呵向前超过10°,盘前分界超过关 节结节顶点。
同时符合临床诊断标准和影像学诊断标准的患者才能明确诊断为额下颌关 节盘前移位,进入临床患者筛选范围。
在2010年9月至2011年9年间就诊南方医科大学南方医院口腔颌面外科 患者中,筛选南方医科大学南方医院一名成年男性右侧颍下颌关节紊乱病患者, 26岁,病史6个月,无外伤手术史,牙列完整,中性牙合,无关节疾病系统治疗 史。临床检查示:开口运动初始右侧颛下颌关节弹响,张口度正常,开口型偏 向右侧后恢复正常,关节区轻微压痛。X线及CT检査排除颌骨疾患及颌面部 肿瘤,髒突形态完整。右侧颛下颌关节MR斜矢状位T1W1扫描示:右侧颛下 颌关节盘盘形态尚完整,盘分界角向前为12.21°,盘前分界超过关节结节顶点, 符合关节盘前移位诊断标准(图1-1)0

图1-1关节盘前移位颛下颌关节盘MRI表现

Figl-1 The MRI of the temporomandibular joint with anterior disc displacement
(盘前分角12.21°)
1.1.2影像学设备及重建软件
南方医科大学南方医院Brilliance 64层螺旋CT机,由荷兰Philips公司提供;
3T 3D—MRI核磁共振机,由美国GE公司提供;Simpleware4.0图像处理三维 重建软件,由英国Simpleware公司提供;Geomagic StudioV9逆向工程软件, 由美国Rain-Drop公司提供;Ansysl 1.0有限元分析软件,由美国Ansys公司提 供。
1.1.3影像学数据获取与方法
患者基本扫描参数:取仰卧位,眶耳平面与水平面垂直,水平扫描平面基 线平行于眶耳平面,斜矢状位扫描基础线垂直丁槪突内外径长轴。
人体坐标体系:原点:骨性外耳道中点;X轴:止中横轴;Y轴:止中矢 状位;Z轴:正中垂直轴(表1-1)0
患者颌位:①牙尖交错位:上下颌牙牙尖交错,达到最广泛,最紧密接触 时颌位,保持咀嚼肌肉处于紧张状态;②最大张口位:患者保持牙尖交错位后, 所能达到最大张口限度的颌位,采用专业辅助张口扩大器记录并固定颌位。
釆用64层CT连续水平扫描患侧颛下颌关节区。扫描参数:层厚0.5mm, 球管电流200mA,电压120KV;扫描范围:右侧颅底至右侧下颌骨最下缘,共 获取232层清晰的骨窗断层图像,所得图像以D1COM格式保存。
釆用3D-MR连续斜矢状位扫描患侧颛下颌关节区。扫描参数:层厚0.5mm, T1W1序列,层间隔0mm;扫描范围:右侧颅底至右侧下颌骨乙状切迹平面, 得到232层清晰的断层图像,所得图像以DICOM格式保存。
表1-1人体坐标系
Tab 1-1 Universal coordinate system ofhuman body
名称 意义 方向 数值
X轴 正中横轴 原点横切面与正中冠状面 的交线 自右向左 右负左正
Y轴 正中矢状轴 原点横切面与正中矢状面 的交线 自前向后 后负前正
Z轴 正中垂直轴 正中冠状面与正中矢状面 的交线 自下向上 下负上正

1.L4颜下颌关节仿真模型的建立
将CT及MR扫描的影像学数据导入Simpleware4.0三维重建软件,利用软 件自带的图像划分功能根据不同组织的CT及MRI灰度值分别选择骨皮质 (600-1000),骨松质(100-500),软组织(50-70)重建区域数值,初步勾画, 分割颠下颌关节区的解剖解构区域与形态(图1・2)
在ScanIP模块中利用Floodfill (种子填充)分割算法对颛下颌关节实现不 同解剖结构的图像分割,通过图像编辑功能对各个解剖结构边界进行添加或擦 除,精细重建图像,对于不同解剖解构添加不同颜色,形成不同蒙面(Mask)。 使用软件三维重建功能对每一个Mask进行三维重建,通过对三维立体模型及 二维图像的对比修正,初步直观重建岀关节窝、髒突、关节盘及关节囊在内的
颖下颌关节三维几何模型。
将己建立的解剖结构模型导入Geomagic StudioV9逆向工程软件进行三维 空间的精细化修整,转角部平滑,结构表面光滑处理。以STL格式保存导入 Ansys,使用remesh的四面体结构网格划分功能对每一解剖结构进彳亍面网格精 度锐减等网格划分。根据已建立的坐标体系,对颍下颌关节软硬组织精确复位, 对关节盘,关节盘与上下颌骨进行二维及三维空间的相互匹配,实现颖下颌关 节软硬组织系统的整体重建。

图1-2解剖结构区域划分
Fig 1-2 Division of anatomical structures

1.2结果
建立的关节盘前移位颖下颌关节的二维仿真模型在包括了关节盘(图1・3)、 关节囊、关节窝、关节窝和驟突皮质骨及松质骨、软骨层(图1-4)等重要解剖 结构的同时,述具有牙尖交错位(图1-5.图1-6)及最大张口位(图1-7.图 1・8)两种状况。其中关节盘不仅重建了中间带,还客观还原了关节盘前后带及 与关节窝、課突的附着结构,通过对上述解剖结构的匹配,完整建立关节盘前 移位颖下颌关节的三维几何模型,并进行了解剖测量。(表1・2,表1・3)

图1-3关节盘的三维模型(牙尖交错位)
Figure 1 ・3 The three-dimensional model of temporomandibular disc (ICP)

(蓝色:关节盘;棕色:上下颌骨骨皮质)图14软骨层的三维模型
Figure 1-4 The three-dimensional model of cartilage layer
(绿色:关节窟软骨层;棕色:上卜•颌骨骨皮质)

图1-5额下颌关节仿真模型(牙尖交错位)
Figure 1-5 The three-dimensional model of temporomandibular joint (ICP)
(蓝色:关节盘;棕色:上下颌骨骨皮质;白色:下颌骨松质骨)图1-6颍下颌关节仿真模型(牙尖交错位x轴截面)
Figure 1-6 The three-dimensional model of temporomandibular joint (ICP for X axis)
(粉色:关节盘;棕色:上下颌骨骨皮质;白色:下颌骨松质骨;绿色:软骨层)

图1-7颛下颌关节仿真模型(最大开口位)
Figure 1-7 The three-dimensional model of temporomandibular joint (opening)
(粉色:关节盘;棕色:上下颌骨骨皮质;白色:下颌骨松质骨;绿色:软骨层)

图1-8颍F颌关节仿真模型(最大开口位X轴截而)
Figure 1-8 The three-dimensional model of temporomandibular joint (Opening for X axis)
(粉色:关节盘;棕色:匕下颌骨骨皮质;白色:下颌骨松质骨;绿色:软骨层)

表1-2牙间交错位颛下颌关节仿真模型解剖测量参数
Tab 1-2 Anatomy data of temporomandibular joint (ICP)
多边面 多边面节点 体积(mm3) 表面积(mm2)
关节窝骨皮质 81784 40884 1732 2482
髒究骨皮质 74500 37250 1425 1684
課突骨松质 26680 13342 585.8 602.3
关节窝软骨层 32940 16472 187.8 691.3
餵突软骨层 32352 16178 190.8 690.1
关节盘 65612 32808 1943 1384
整体 392436 196234 7302

表最大张口位颍下颌关节仿真模型解剖测量参数
Tab 1-2 Anatomy data of temporomandibular joint (opening)
多边面 多边面节点 体积(mm3) 表面积(mm2)
关节窝骨皮质 81784 40884 1732 2482
課突骨皮质 74500 37250 1425 1684
課突骨松质 26680 13342 585.8 602.3
关节窝软骨层 32940 16472 187.8 691.3
髒突软骨层 32352 16178 190.8 690.1
关节盘 65612 32808 1702 1556
整体 392436 196234 7302
1.3讨论 13.1关节盘前移位的诊断标准
关节盘前移位的临床诊断主要有临床检查和影像学检查两种主要手段。临 床诊断主要参照马绪臣颛下颌关节综合征分类标准,一般表现为关节开口运动 前中期出现明显弹响,开口型先偏向患侧后恢复正常,可伴有关节区压痛。但 单纯的临床在明确关节盘真实位置及功能运动方面有一定的局限性【忙MRI是目 前诊断关节盘移位与变形的最有效的影像学手段之一⑺。Drace标准最为常用, 盘分界角为闭口位斜矢状面T1WI上,关节盘后带和双板区之间有明显的分界线, 与課突12点位垂线所形成的夹角。其在前后10度之内,定义为正常盘突关系, 向前超过盘分界角10度定义为关节盘前移;同时盘前分界法即在闭口位斜矢状 面T1WI上,关节盘前缘超过关节结节顶点,定义为关节盘前移。故关节盘前移 位的诊断需要完善的临床检查和MR影像学检査国。
1.3.2三维有限元法在颜下颌关节领域中的应用
随着计算机技术与医学相结合,以三维有限元法为代表并广泛应用于工程 技术领域的数字化技术因能够对不规则几何形态和不同材料性质物体之间进行 准确的数字化生物力学模拟与分析,为颖下颌关节运动的生物力学研究提供了 一个更简便有效的研究方法和技术手段。
国内外学者通过三维有限法对正常的颛下颌关节运动的机制进行了初步研 究。Tanaka^ 101在记录额下颌关节开颌运动轨迹后通过有限元分析后发现,关 节盘前后部都存在应力集中区域,认为关节盘具有缓冲和再分配舲力的作用, 通过对比关节盘移位后证实关节盘移位者在开颌运动时,关节盘前外侧部是应 力集中的主要区域,提示关节盘移位所导致得关节接触面及摩擦系数改变,以 及对周围软组织造成二次损伤是造成颖下颌关节紊乱的原因之一;Donzelli等 ⑴]采用MRI影像数据和激光定位技术获取颛下颌关节运动轨迹的方式研究关 节盘在开颌运动中的力学分布时发现在小开颌运动时,关节盘出现应力分布不 均匀现象,关节盘横向由外侧向内侧出现拉应力和剪切力逐步增大,并随着开 颌时间的延长而趋向明显,提示关节盘的力学分布与关节盘穿孔部位有直接的 关联.
目前的额下颌关节生物力学研究还是主要针对于正常状况下,颛下颌关节 在功能颌位及运动过程中,通过对比颌位间及运动过程中颛下颌关节各个解剖 结构间力学分布变化和趋势,研究正常颍下颌关节运动过程中的生物力学特征, 借此推测病理状况下颖下颌关节解剖结构发生病变的力学因素。但这些生物力 研究结果都缺乏对于病理状况下,尤其是以关节盘前位时的关节盘生物力的直 接性研究。
1.33关节盘前位移颍下颌关节三维模型的意义
既往的颖下颌关节的三维模型多简化关节盘及其周围复杂解剖形态,将关 节盘视作为一单一碟形结构,只重建中间带,而忽略关节盘在上下颌颌骨的附 着,并将重点关注于中间带的应力变化和分布区域,达到理想的几何形态,方 便生物力学分析的目的。但在临床研究中都指出,关节盘前移位的关节盘整体 出现了包括双板区的拉伸折叠,前带的压缩扭曲,细胞结构上的改变【⑴以及課 突解剖结构和力学参数上【⑶的适应性变化,而关节盘穿孔更多出现双板区而非 中间带网;同时Mori[l5]通过加入简化关节盘附着的额下颌关节有限元分析发 现:关节盘近髒突面的中后部出现应力集中现象,同时課突存在位移趋势,提 示关节盘的附着对于限制关节盘过度移位有着重要的意义。所以对关节盘前移 位的关节盘的生物力学研究更应关注于关节盘各个部分不同方向应力的相互作 用,以及关节盘的附着及周围肌肉韧带的限制导致关节盘相对髒突、关节窝的 不同位移的综合因素。
本文所建立的颖下颌关节模型中完整重建了关节盘的整体形态,包括了关 节盘在三维空间中的前后附着及关节囊结构,从而达到真实还原关节盘形态。 这种对关节盘整体的重建方法不但能够更加准确分析关节盘的空间形态,能够 在满足对关节盘,如中间带、前后附着、双板区及关节囊的不同部位的应力分 析的条件下,进一步分析关节盘整体,不同部位间在不同方向上的的位移差别
对颛下颌关节的影响和关节盘的附着在颛下颌关节中所起到的作用。
1.4小结
本研究通过筛选额下颌关节盘前移位患者,并对其颛下颌关节前移位的关 节区行薄层CT及3D-MRI扫描,分别获取关节区的软硬组织影像学资料,利 用Simpleware等三维重建软件及组织匹配技术,建立关节盘前移位颛下颌关节 三维仿真模型模型。
所建立包括了关节窝、課突,软骨层及关节盘在内的颛下颌前移位模型能 够在三维空间中直观准确展示在牙尖交错位和最大张口位2种不同颌位状态 下,前移位后的关节区解剖结构形态学的变化,同时对后续的的生物力学分析 提供了模型基础。在此基础上可以进一步阐明在关节盘前移位状态下,关节盘 整体等解剖结构的生物力学状态及致病机理,指导临床对颛下颌关节前移位的 诊断和治疗提供科学的评价和依据。
1.5不足与展望
本模型数据采集时所采用的3D-MR扫描层厚为0.5mm,虽然在临床应用中 对于关节盘前位移的临床诊断较为准确,但由于关节盘在三维空间上的厚薄不 一,重建后的模型还原度上还有一定提高的空间,随着扫描技术和扫描精度还 可提高,还能建立精度更高的模型。该模型对颖下颌关节的形态重建效果精确, 但额下颌关节的活动受到韧带的限制,这些解剖结构在影像学上的辨识还原度 上还尚有一定的技术局限,其对颛下颌关节病理生理状态下的生物力学影响也 尚无文献报道,故这些解剖结构也应考虑为颖下颌关节模型的一个必要组成部 分。
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第二部分 牙尖交错位时关节盘前移鲫下颌关节的生物
力学研究
在正常的牙尖交错位时,課突处于关节窝中间位置,关节盘中间带与关节 结节后斜面.髒突前斜面三者紧密接触,口颌肌群收缩对称,有力,作用协调, 具有良好的可重复性,也是临床常作为检查,诊断和治疗的基准颌位。在此颌 位状态下的颛下颌关节,尤其关节盘的生物力学力学环境等都对颛下颌关节的 功能运动和关节盘前移位等疾病的形成、转归有着十分重要的作用。
颛下颌关节盘前移位发生的原因和进程与颛下颌关节的机械运动,尤其是 关节内部的生物力学环境的改变息息相关。髒突及上颌结节功能面的光滑程度, 骨质质量,关节盘形态大小,内部纤维走形及关节韧带附着的强度改变都能造 成关节内部生物力学条件的变化,导致关节盘前移位的发生和加重,岀现典型 的下颌偏斜,疼痛及弹响等症状,严重时可导致关节盘的穿孔,傑突形态上的 改变甚至吸收而导致关节运动障碍等严重并发症。
目前,关节盘前移位的研究主要集中于对于关节盘前移位的诊断,检测和 治疗上面。通过MRI,造影等方法对于关节盘的前移位程度,损害和功能进行 评价;分子生物学的角度探讨关节盘内在因子的变化对病理过程的调节作用。 针对关节盘前移位等病理状态下的生物力学研究并不多见。
牙间交错状态下的颍下颌关节受力方向相对集中单一,便于生物力学模拟 加载和分析,是颖下颌关节数字化生物力学分析的基础,也是研究比较成熟的 领域。现有研究提示在牙尖交错颌位时,颛下颌关节受力受多种因素的影响, 課突和关节盘是舲力分散的主要结构,咬合条件对颖下颌关节受力有着直接影 响。但咬合力在关节盘位置变化后,颖下颌关节各个部位间如何传导,关节盘 在关节受力过程中的作用仍然存在不少争议,需进一步的研究。
本研究利用第一部分已建立的关节盘前移位颖下颌关节仿真模型基础上, 模拟咀嚼运动,通过有限元法分析牙尖交错位的状态下颛下颌关节的生物力学 相关参数变化,说明关节盘前移位在颛下颌关节生物力学上的致病机理,发展 规律及各解剖结构应力变化对颛下颌关节功能的影响作用,为关节盘前移位的 颛下颌关节紊乱病的研究提供基础。
2.1材粘方法
2.1.1牙尖交错位时关节盘前移位颖下颌关节三维有限元模型的建立
采用实验第一部分所建立的牙尖交错位时关节盘前移位额下颌关节仿真模 型以STL格式导入Ansysll.O有限元软件中,使用remesh网格划分功能依次对 关节盘、关节窝、課突骨皮质与骨松质及软骨层等颛下颌关节解剖结构重画功 能进行面网格精度锐减和质量优化,将不规则三角片网格转化成近似于等边三 角形网格,对模型进行整体网格划分。
根据现有文献及国际学者制定的标准,依次输入关节窝、課突的骨皮质山2】 及骨松质⑶,关节盘件5,软骨层“祸的材料性质及材料参数(表2-1),材料属性 为各向同性、均质连续的线弹性材料,符合小变形条件。
根据Tanaka等【9M的研究标准,依次设定課突骨皮质与骨松质、骨皮质与 软骨层、关节盘与软骨层之间接触界面类型与摩擦参数(表2-2);所有解剖结 构接触状态属于状态改变的非线性问题,模拟额下颌关节内各结构之间的位置 关系和相互作用。
2.1.2力学边界约束和力学加载设定
关节窝所在颖骨在X轴,Y轴向表面设定力学约束边界,设计颖骨颅底侧 表面自由度为约束。模拟正常牙尖交错状态,正中咬合时双侧繰突位于中央位 置。課突关节前斜面,关节盘中间带,关节结节后斜面三者紧密接触。
采用牙尖交错牙合时咬肌力向量为力学加载。力学加载点为咬肌附着下颌骨 下角处,使用20条肌朿模拟咬肌肌纤维形态,加载方向为咬肌走形方向加载。 力学加载大小为200No
2.1.3观察指标
在牙尖交错位时,关节盘前移位后颖下颌关节整体应力变化数据及位移趋 势;关节窝、課突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变化及位移趋势; 关节盘前移位后颛下颌关节在Z轴截面上整体应力变化数据及位移趋势,关节 窝、髒突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变化及位移趋势。
表2・1额下颌关节材料参数
Tab 2-1 The material properties of temporomandibular joint
解剖结构 CT值 弹性模量(MPa) 泊松比(V)
課突松质骨 100-500 7930 0.3
課突皮质骨 600-1000 13700 0.3
課突软骨层(0.5mm) 70-100 0.79 0.49
关节盘 50-70 10 0.4
关节窝软骨层(0.5mm) 70-100 0.79 0.49
关节窝 6004000 13700 0.3

表2・2颖下颌关节内部结构界面参数
Tab 2-2 The interface parameters of temporomandibular joint
界面名称 接触类型 界面类型 界面意义 摩擦参数
面■面接触 绑定 连接一体内部无摩
骨皮质与骨松质 单元对 (Bonded) 擦及活动 无
面■面接触 不分离 允许两者间无或有
骨皮质与软骨层 单元对 (NoSeparation) 极小无摩擦的滑动 无
面•面接触 有摩擦(Frictional) 因摩擦系数而产生
关节盘与软骨 0.001
单元对 剪切等作用力

3D面•面 有摩擦(Frictional) 因摩擦系数而产生
关节盘与傑突 接触 剪切等作用力 0.001

关节盘与关节窝 3D面•面接 有摩擦(Frictional) 因摩擦系数而产生 0.001
触 剪切等作用力

2.2结果
2.2.1生物力学模型的建立
建立了包括关节窝(图2・1)、課突的骨皮质(图2・2)及骨松质(图2-3), 关节盘(图2・4),软骨层(图2・5、图2-6)在内的牙尖交错位时关节盘前移位 颛下颌关节三维有限元模型(图2-7),共生成32410个节点和110911个单元: 其中髒突骨松质生成2401个节点和8278个单元;髒突骨皮质生成6379个节点 和22060个单元;課突软骨层生成3077个节点和9184个单元;关节盘(含关 节囊)生成5039个节点和16597个单元;关节窝软骨层生成5033个节点和14709 个单元;关节窝生成10841个节点和40083个单元(表2-3).
表2・3牙尖交错位时关节盘前移位颍下颌关节三维有限元划分
Tab 2-3 The data of three-dimensional model
部件 单元数 节点数
課突松质骨 8278 2401
課突皮质骨 22060 6379
髒突软骨 9184 3077
关节盘 16597 5039
关节窝软骨 14709 5033
关节窝 40083 10841
整体 110911 32410

图2-6踝突软骨层三维有限元模型
Fig 2-6 Three-dimensional model of the condyle cartilage

图2-7颛下颌关节三维冇限元模型
Fig 2-7 Three-dimensional model of the temporomandibular joint

2.2.2牙尖交错位时关节盘前移位额下颌关节整体应力分布
在牙尖交错吋,关节盘整体应力大小波动于0-65mpa之间,平均大小为 0.78Mpa (表2・4、图2-8)。骨皮质整体承受的应力(x=0.78Mpa)与骨松质
(x=0.77Mpa)相似,远大于关节盘(x=0.38Mpa)和软骨层的(兀=0.48 Mpa) □ 課突骨皮质(图2・9)及骨松质(图2・10)、软骨层(图2-1 k图2-12)和关节窝
(图2-13)的应力集中均出现于課突前斜面与关节窝、关节盘相接触的功能面。 探突主要集中于下颌处与咬肌肉附着区域(力学加载区)与課突颈部。颈部靠 内侧缘的骨皮质与骨松质也出现了应力集中现象,并呈现明显自下颌角至驟突 顶部逐渐均匀减少的力学轨道。前移位后的关节盘的应力最大值出现在关节盘 中间带后部与后带前部交界,与髒突功能面想接触的中外侧区域Mpa), 并向外呈现逐步减少的趋势,关节盘后带后部及前带大部分区域呈现低应力表
现(图2・14、x-0.2 Mpa),关节盘在髒突的下颌前后附着区也出现了应力集
中区(x =0.37Mpa) o

图2・8颛下颌关节整体应力分布
Fig 2-8 The Von Mises stress distribution of the temporom an di b u I ar j o i nt

表2・4额卞颌关节的应力分布
Tab 2-4 The The U)n Mises stress distribution
部位 应力最大值 应力最小值 平均值
(Mpa) (Mpa) (Mpa)
关节窝 15.95 0.0017 0.028
关节窝软骨 0.27 0.0016 0.21
关节盘 1.9 0.02 0.38
課突软骨层 0.3 0.012 0.48
碟突骨皮质(整体) 65 0.003 0.78
操突骨皮质(功能面) 5.5 0.003 2.4
課突骨松质(整体) 8.33 0.005 0.77
髒突骨松质(功能而) 3.71 0.005 1.85

图2-9課突骨皮质应力分布
Fig 2-9 The Von Mises stress distribution of the cortical bone

图2・10牒突骨松质应力分布
Fig 2・10 The Von Mises stress distribution of the cancellous boneSTEFFI
W
C-:: =.239405
S4J =. •
SZ: =.272727
图2-11关节窝软骨层应力分布
Fig 2-11 The Von Mises stress distribution of the fossa cartilage

1.13333
图2-14关节盘应力分布
Fig 2-14 The Von Mises stress distribution of the disc 223牙尖交错位时关节盘前移位颖下颌关节轴截面应力分布
在Y轴截面上,关节盘前移位后的颛下颌关节应力分布与整体相似,課突 前斜面与关节窝、关节盘相接触的功能面为主要的应力集中区域。課突骨皮质 与骨松质承受的应力大于关节窝,課突软骨层相对关节窝软骨层在应力集中方 面更加明显。关节盘上下缘应力分布大致相似,关盘中间后部与后带交界区域 出现明显应力集中和扩散现象,而关节盘在課突的前后附着处则出现相似表现。
Y轴截面,在关节盘上表面沿Y轴方向由前向后取20个应力观察点的应 力数值(0.6±0・45Mpa),编号1-20,其中1・5代表关节盘前附着区 (0.19±0.09Mpa) , 6・14代表功能面(1.01±0.31Mpa) , 15-20代表关节盘后附 着区(0.32±0」4Mpa);对应取20个应力观察点的关节盘下表面应力数值 (0・66±0.44Mpa),编号1-20,其中1-5代表关节盘前附着区(0.38±0.13Mpa), 6-14代表功能面(l・08±0.29Mpa), 15-20代表关节盘后附着区(0.25±0.13Mpa)。 经配对t检验后,关节盘整体上下表面间整体应力分布无明显差异(t=1.184, P=0.251),在关节盘前附着区的上下表面的应力分布有明显差异(t-2.826, F=0.048),在功能面区(t=0.115, P=0.911)和后附着区(t=0.677, P=0.528) 的应力分布无差异。多样本非参数检验后,关节盘上表面在不同部位间应力分 布有明显差异(亡=14.65, P=0.01),其中功能面应力最大,其次是后附着区, 前附着区最小;关节盘下表面在不同部位间应力分布有明显差异&2=15・19, P=0.01),其中功能面应力最大,其次是前附着区,后附着区最小 俵25图 2-15) «
X轴截面上,对关节盘上表面沿X轴方向由右向左取20个应力观察点的 应力数值(0.95±0.32Mpa),编号1-20,其中1-5代表关节盘外侧缘区 (0・76±0.26Mpa) , 6・14代表功能面(1.17±0.18Mpa) , 15-20代表关节盘内侧 缘(0.77±0.34Mpa);对应取20个应力观察点的关节盘下表面应力数值 (0・94±0・42Mpa),编号1・20,其中1・5代表关节盘外侧缘(0.72±0.36Mpa), 6-14代表功能面(1.28±0.I4Mpa), 15-20代表关节盘后内侧缘(0.63±0.39Mpa)。 经配对t检验后,关节盘整体上下表面间整体应力分布无明显差异(t=0.099, F=0.992),在关节盘功能面的上下表面的应力分布有明显差异(t=-3.142, *0.014),在外侧缘 00.481, *0.656)和内侧缘 01.83, P=0.127)的应 力分布无差异。多样本非参数检验后,关节盘上表面在不同部位间应力分布有 明显差异(x2=8.42,宀0.015),其中功能面应力最大,其次是内侧缘,外侧缘 最小;关节盘下表面在不同部位间应力分布有明显差异(x^ll.95,尸=0.03), 其中功能面应力最大,其次是外侧缘,内侧缘最小(表2-6,图2-16) o
表2-5 Y轴截面应力分布
Tab 2-5 The Von Mises stress of Y axis
编号 部位 上表面应力(Mpa)下表面应力(Mpa) t P
1-5 前附着区 0」9±0.09 0.38±0」3 •2.826 0.048
6-14 功能面 1.01 ±0.31 1,08±0.29 0.115 0.911
15-20 后附着区 0.32±0」4 0.25±0.13 0.677 0.528
整体 0.6±0.45 0.66±0.44 1.184 0.251
x2 14.65 15.19
P 0.01 0.01

表2・6X轴截面应力分布
Tab 2-6 The Von Mises stress of X axis
编号 部位 上表面应力
(Mpa) 下表面应力
t
(Mpa) P
1-5 外侧缘 0.76±0.26 0.72±0.36 0.481 0.656
6-14 功能面 1.17±0.18 1.28±0.14 -3.142 0.014
15-20 内侧缘 0.77±0.34 0.63±0.39 1.83 0.127
整体 0.95±0.32 0.94±0.42 0.099 0.992
x2 8.42 11.95
P 0.015 0.03

图2-16 X轴截面应力分布图
Fig 2-16 The Vbn Mises stress distribution ofX axis
224牙尖交错位时关节盘前移位颖下颌关节整体位移趋势
牙尖交错位时,额下颌关节整体向前上方移动,并由关节窝向下颌角方向 上逐步增大(表2・7,图2-17),課突骨皮质(图2-18)和骨松质(图2-19) 与整体有着相同的位移趋势;关节窝软骨层位移趋势较小(Max=0.2I),分布 较为平均(图2・20),髒突软骨层与其相比整体位移趋势较大小(Max=0.48), 且分布不均匀,最大位移趋势位于課突颈部与关节盘相连的下颌前后附着区域
(图2-21);关节盘整体功保持三维空间平稳状态(Max=0.1),无明显偏斜 移动趋势,其在課突颈部与关节盘相连的下颌前后附着区域出现明显的抗位移 表现(Max=0.38),以下颌后附着更为明显(图2-22) o
关节盘内部的大部分区域在X轴向上偏向内侧缘(Max=0・3),但在关节 盘功能面,及前移位后的关节盘中间带与后代接触区域的中外侧区域,出现了 向外侧缘移动的现象(Max二0.1),并在该处形成了明显的X轴向撕裂带(图 2-23):在Y轴方向上,前移位的关节盘后带整体出现向前方运动现象
(Max=0.12),与关节盘整体位移方向相反(Max二04),在关节盘后带与中 间带交界区(功能面)和其与双板区的交界区域形成环状位移撕裂带(图2-24) o 在Y轴截面上,该撕裂带的前界位于关节盘功能面,后界在双板区(图2-25), 并同时在关节窝,髒突的软骨层相应区域也出现相应的位移撕裂带;在Z轴方 向上,前移位的关节盘变现出与Y轴大致相同的位移撕裂带,位于关节盘后带 与中间带交界区(功能面)和其与双板区的交界区域(图2-26) o后带整体出 现向上方运动现象(Max=0・22),与关节盘整体位移方向相反(Max=-0.1) 0 在Y轴截面上,该撕裂带的前界位于关节盘功能面前缘(图127),同时在关 节窝,髒突的软骨层的相应区域也岀现相应的位移撕裂带。

花2-7 ®卜•颌关节位移趋势数值
Tab 2-7 The displacement data of the temporomandibular joint
部位 关节 关节盘 关节窝 課突 髒突 課突骨
整体 软骨层 软骨层 骨皮质 松质
整体位移 最大值 0.79 0.38 0.21 0.48 0.79 0.78
整体位移 最小值 0.001 0.01 0 0.05 0.29 0.31
X轴 最大值 - 03 0.15 0.29 - -
X轴 最小值 - -0.06 -0.06 -0.06 - -
Y轴 最大值 - 0」2 0」2 0」 - -
Y轴 最小值 - -036 -0.16 -0.4 - -
Z轴
最大值 - 0.22 0.09 0.1 - -
Z轴 最小值 - -0.11 -0.11 -0.4 - -
图2・17颛下颌关节位移趋势图
Fig 2-17 The displacement of the temporomandibular joint

图2・18髒突骨皮质位移趋势图

Fig 2-17 The displacement of the cortical bone

「上—丄巴:L—=匚二二—
图2・19課突骨松质位移趋势图
Fig 2-19 The displacement of the cancellous bone

图2-20关节窝软骨层位移趋势图
Fig 2-20 The displacement of the fossa cartilage

12试临7 .21 口口 丄.295556 二引'"
图厶21課突软骨层位移趋势图
Fig 2-21 The displacement of the condyle cartilage

图2-22关节盘位移趋势图
Fig 2-22 The displacement of the disc
图2-23关节盘X轴位移趋势图
Fig 2-23 The displacement of the disc ofX axis

图2-24关节盘Y轴位移趋势图
Fig 2-24 The displacement of the disc ofY axis
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图2-25关节盘及软骨层Y轴位移趋势图(Y轴截面)
Fig 2-25 The displacement of the disc and cartilage ofY axis (Y plane)

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图2・26关节盘Z轴位移趋势图
Fig 2-26 The displacement of the disc ofZ axis
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图2-27关节盘及软骨层Z轴位移趋势图(Y轴截面)
23讨论 2.3.1关节盘前移位后颖下颌关节力学结构的变化
在正常的闭口位时,关节盘与关节窝、驟突三者紧密接触,颗下颌关节受 力方向相对集中单一,便于生物力学模拟加载和分析,是颖下颌关节数字化生 物力学分析的基础,也是研究比较成熟的领域。Kai⑴]对闭口位时关节盘、課突 和关节结节前中后、内外侧五个方位的三维有限元分析中加入餵突软骨因素后 发现髀突软骨比关节盘吸收更多应力。去除软骨因素后,繰突位移趋势比关节 盘和关节结节显著增大,提示髀突可能是颖下颌关节应力分散的主要结构,而 非传统认为的关节盘。Mori[12]对加入关节盘附着因素的颛下颌关节有限元分析 发现在牙关紧闭的状态下,关节盘近課突面的中后部出现应力集现象,同时課 突存在最大的位移趋势,说明課突和关节盘是颛下颌关节应力传导的重要途径。 陈新等[囚则通过单侧咬合情况下颖下颌关节有限元分析后发现工作侧髒突承受 远大于非工作侧的拉应力,压应力则相反,由此推测颖下颌关节单侧受力导致課 突及周围软组织受力不均可能是造成颍下颌关节紊乱的原因之一。
本研究成果显示关节盘前移位后的颖下颌关节整体力学状态与文献报道 的正常颛下颌关节大致相同。礫突骨皮质和骨松质能够有效地吸收并传导牙合 力,是颖下颌关节主要的应力分散的主要结构,同时也提示髒突骨皮质与骨松 质的构成比例也是影响颖下颌关节功能运动的重要条件之一;关节窝及髒突软 骨层相对骨皮质和骨松质而言,其吸收牙合力的作用微乎其微,软骨层的主要功 能表现在于通过扩大受力的表面积以达到缓冲牙合力,避免应力过于集中的作 用。软骨层在缓冲关节盘和骨性组织之间的摩擦力,避免软硬组织过度位移作 用方面尤为重要。完整的软骨层结构能够有效缓冲关节盘前位移后关节盘与骨 性结构间的摩擦作用,减缓关节盘前位移的程度上有着重要的意义。
2.3.2关节盘前移位后颖下颌关节盘形态及力学分布的变化
正常状态下,关节盘的中间带与关节结节后斜面、課突前斜面形成颛下颌
关节功能面,关节盘的后带并不参与功能面的构成,同时后带的厚度(3mm) 高于中间带的厚度(lmm)。在关节盘前移位时,正常的关节盘中间带结构向前 移位,其与后带前部交界区不同程度随之向前移位,形成“假性关节盘”。“假性 关节盘叫弋替正常关节盘功能面结构的同时,变相拉伸了后带的长度,加重后带 与双板区的负担,虽然其最大应力集中值相对Abe[91所报道的正常值 (Max=4.913)减轻了很多,但相对应力集中范围有所扩大。究其原因,假性 关节盘后带与原有中间带的厚度差距,在一定程度上降低了課突的高度,同时 通过扩大关节盘与課突、软骨层的接触面积,从而减少了牙尖交错状态下課突 传导牙合力的压力,达到恢复正常颍下颌关节功能的目的。假性关节盘在中间带 与后带交界区域的应力集中有助于后带的组织改建,形成相宜厚度的关节盘中 间带形态,达到恢复正常关节盘形态的作用。这种“假性关节盘"的形成在一定 程度上应考虑为关节盘自身功能恢复的适应性改变,通过调整关节盘的结构和 力学分布,达到稳定和恢复颍下颌关节功能的作用。
2.3.3关节盘前移位后颗下颌关节盘内部力学环境的变化及彩响
关节盘前移位后所形成的假性关节盘通过关节韧带及前后附着的调节作 用,稳定关节盘在关节窝空间结构内的相对空间位置,保持关节盘在整体空间 结构内的稳定性,满足关节的功能运动。但在关节盘内部的不同方向上均出现 了不同程度的撕裂带的形成,提示关节盘内部纤维走形出现了明显的变化和改 建。
在关节盘的前附着区域,上下表面在Y轴向上的应力分布出现了明显的差 异,但在X轴向却大致相同,提示关节盘前移位后,关节盘的下颌前附着承受 了更大的应力,来对抗髒突的适应性向下移位,稳定髒突位置,避免由于課突 移位所导致的关节盘前移位程度增加,同时这种作用也表现在关节盘整体在Z 轴平面上出现明显的上下错位的撕裂带。
在关节盘的功能面区域,上下表面在X轴向上的应力分布出现了明显的差 异,在Y轴上大致相同,结合关节盘在X轴向上出现的位移撕裂带,提示关节 盘在下表面吸收髒突传导的牙合力后通过扩大接触面积达到减轻局部应力集中 的作用。但X轴向上驟突外斜面与内斜面的面积和斜度均不一致,导致課突的 外斜面起到主要的分散作用,而关节盘内后缘附着翼外肌,牙尖交错位时翼外 肌处于收缩状态,变形加重了关节盘内部纤维在X轴向上的分离作用。
假性关节盘的形成导致原关节盘后带前部参与形成关节盘功能面,后带被 拉伸延长,关节盘在Y轴向的撕裂带也处于后带前部及后带双板区域。无论是 X轴还是Y轴方向上的应力在后带前部的撕裂带都出现明显差异,提示在替代 原先中间带的关节盘后带前部区域出现方向不同,大小不一的力学矢量,而这 种力学矢量将导致该区域纤维走形的变化,出现断裂,扭转,增生等病理变化 的可能。
结合关节盘在X轴、Y轴及Z轴方向位移撕裂带及应力分布的不同,可以 发现假性关节盘功能面后缘靠外侧区域及双板区域为三个轴向的重叠区域。该 区域内部出现多个方向上的力学矢量,纤维走形的变化,出现断裂,扭转,增 生等病理变化的可能性比较其他区域的更高。同时该区域正是临床关节盘穿孔 的好发区域。
2.4小结
本研究通过有限元软件Ansys成功建立了包括关节窝、驟突的骨皮质及骨 松质,关节盘和软骨层在内的牙尖交错位时关节盘前移位颍下颌关节三维有限 元模型,共生成22105个节点和97983个单元,具有有较好的几何相似性。
对该模型进行模拟咬合加载后发现:正常的关节盘中间带结构向前移位, 其与后带前部交界区域根据前移位的程度向前移位,形成“假性关节盘3代替 正常关节盘功能面结构,通过降低了傑突的高度,同时通过扩大关节盘与髒突、 软骨层的接触面积,从而减少了牙尖交错状态下課突传导牙合力的压力的同时, 调节下颌前后附着的压力,以达到稳定关节盘空间位置,恢复功能运动的作用。
前移位的关节盘在X轴、Y轴及Z轴方向上出现了位移撕裂带及应力分布 的不同,假性关节盘功能面后缘靠外侧区域及双板区域为重叠集中区域,出现 多个方向上的力学矢量。将导致该区域关节盘内部纤维结构及走形改建。一旦 这种改建超过了生理范围,就有可能出现关节盘纤维断裂,扭转,增生等病理 变化的可能性比较其他区域的更高,正是临床关节盘穿孔的好发区域。在对于 关节盘前移位的治疗过程中,恢复正常关节盘功能面的同时,不仅需要松弛后 带与双板区的压力,而且还需要关注下颌前附着的松解。
2.5不足与展望
翼外肌在关节盘运动过程中起到十分重要的作用,但其在生物力学参数等 数据还缺乏实验支持。在完善相关实验参数的情况下,将翼外肌考虑入关节盘 的生物力学体系中将能够更加精确还原颛下颌关节的真实情况。
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第三部分 最大张口位时关节盘前移位额下颌关节的生物
力学研究
在正常的张口运动过程中,关节盘后带的后缘位于髒突横悄的上方或者稍 后方,形成正常的关节盘•髒突关系。张口时,探突在关节盘下做单纯转动运动, 相对运动速度较快,出现課突顶部与关节盘中间带相对,或課突后斜面对着关 节盘中、后带区域的情况。
颛下颌关节因为咀嚼肌肉疲劳、颌稳定性差和持续性差等因素常常导致最 大张口位难以多次重现,其受力条件也复杂多变,不利于生物力学模拟加载和 分析。但该颌位是颖下颌关节向下边缘运动的极限,表了了下颌运动功能的潜 力大小,是判断口颌功能状态的重要指标之一,更是颍下颌关节数字化生物力 学分析的难点和热点。现有研究提示在最大张口位时,关节盘出现应力分布不 均匀现象,关节盘横向由外侧向内侧岀现拉应力和剪切力逐步增大,受力面积 出现逐步扩大,伴有不同程度的形变趋势。
颍下颌关节的开颌功能运动主要表现为机械摩擦运动,尤其是关节盘•髀突 关系的维持和调节作用。关节盘前移位后,髀突的横悄可能会出现撞击关节盘 后带的现象,并迫使关节盘自身的调节作用,从而恢复正常的关节盘•課突结构 关系。这些都与关节内部的生物力学环境的改变息息相关:課突及上颌结节功 能面的光滑程度,骨质质量,关节盘形态大小,内部纤维走形及关节韧带附着 的强度改变都能造成关节内部生物力学条件的变化,导致前移位的关节盘过度 的挤压变形,严重时可导致关节盘的穿孔,髒突形态上的改变甚至吸收而导致 关节运动障碍等严重并发症。
本研究利用第一部分已建立的关节盘前移位颖下颌关节仿真模型基础上, 模拟咀嚼运动,通过有限元法分析最大张口位的状态下颛下颌关节的生物力学 相关参数变化,说明关节盘前移位后颖下颌关节生物力学上的基本情况及各解 剖结构应力变化对颛下颌关节功能的影响作用,为关节盘前移位的颛下颌关节 紊乱病的研究提供基础。
3.1材料与方法
3丄1最大张口位时关节盘前移位颖下颌关节三维有限元模型的建立
采用实验第一部分所建立的最大张口位时关节盘前移位颖下颌关节仿真模 型(图3・1)以STL格式导入Ansysll.O有限元软件中,使用remesh网格划分 功能依次对关节盘、关节囊、关节窝、髀突骨皮质与骨松质及软骨层等颖下颌 关节解剖结构重画功能进行面网格精度锐减和质量优化,将不规则三角片网格 转化成近似于等边三角形网格,对模型进行整体网格划分。
根据现有文献及国际学者制定的标准,依次输入关节窝、課突的骨皮质[切 及骨松质叫关节盘"I,软骨层【"的材料性质及材料参数(表2・1),材料属性 为各向同性、均质连续的线弹性材料,符合小变形条件。
根据Tanaka等I?®的研究标准,依次设定关节窝、課突骨皮质与骨松质, 关节窝、繰突的骨皮质与软骨层,关节盘与软骨层之间接触界面类型与摩擦参 数(表2-2);关节盘与課突,关节盘与关节窝设定为3D面■面接触。所有解剖 结构接触状态属于状态改变的非线性问题,模拟额下颌关节内各结构之间的位 置关系和相互作用。
表2・1额下颌关节材料参数
Tab 2-1 The material properties of temporomandibular joint
解剖结构 CT值 弹性模量(Mpa) 泊松比(V)
髀突松质骨 100-500 7930 03
髀突皮质骨 600-1000 13700 0.3
課突软骨层(0.5mm) 70-100 0.79 0.49
关节盘 50-70 10 0.4
关节窝软骨层(0.5mm) 70-100 0.79 049
关节窝皮质骨 600-1000 13700 0.3

表2・2额下颌关节内部结构界面参数
Tab 2-2 The interfece parameters of temporomandibular joint
界面名称 接触类型 界面类型 界面意义 摩擦参数
面-面接触 绑定 连接一体内部无
骨皮质与骨松质 单元对 (Bonded) 摩擦及活动 无
允许两者间无或
面■面接触 不分离
骨皮质与软骨层 有极小无摩擦的 无
单元对 (NoSeparation) 滑动
面■面接触 有摩擦 因摩擦系数而产
关节盘与软骨 单元对 (Frictional) 生剪切等作用力 0.001
3D面•面 有摩擦 因摩擦系数而产
关节盘与繰突 接触 (Frictional) 生剪切等作用力 0.001
3D面■面接 有摩擦 因摩擦系数而产
关节盘与关节窝 触 (Frictional) 生剪切等作用力 0.001

3.1.2力学边界约束和力学加载设定
关节窝所在颖骨在X轴,Y轴向表面设定力学约束边界,设置额骨颅底侧 表面自由度为约束。采用最大张口位时咬肌力向量为力学加载。力学加载点为 咬肌附着下颌骨下角处,使用20条肌束模拟咬肌肌纤维形态,加载方向为咬肌 走形方向加载。力学加载大小为200No
1J观察指标
在最大张口位时,关节盘前移位后颛下颌关节整体应力变化数据及位移趋 势;关节窝、課突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变化及位移趋势; 关节盘前移位后颛下颌关节在Z轴截面上整体应力变化数据及位移趋势,关节 窝、髒突的骨皮质及骨松质,关节盘,软骨层的应力变化及位移趋势。
3.2结果
3.2.1生物力学模型的建立
建立了包括关节窝、課突的骨皮质及骨松质、软骨层(同第二部分)和关 节盘(图3・2)在内的最大张口位时关节盘前移位额下颌关节三维有限元模型(图 3-3),共生成35741个节点和125467个单元:其中課突骨松质生成2401个节 点和8278个单元;課突骨皮质生成6379个节点和22060个单元;髒突软骨层 生成3077个节点和9184个单元 关节盘(含关节囊)生成8370个节点和31153 个单元;关节窝软骨层生成5033个节点和14709个单元;关节窝生成10841个 节点和40083个单元(表3・3)
表3・3最大张口位时关节盘前移位颖下颌关节三维有限元划分
Tab 3-3 The data of Three-dimensional model
部件 单元数 节点数
課突松质骨 8278 2401
課突皮质骨 22060 6379
傑突软骨 9184 3077
关节盘 31153 8370
关节窝软骨 14709 5033
关节窝 40083 10841
整体 125467 35741

图3・1最大张口位关节盘■傑突关系
Fig 3-1 The relationship between the disc and condyle when opening
ANSYS
JUL 20 2012 15:03:02 PLOT NO. 1
Ansys export fro ScanIP+IE
图3-2关节盘三维有限元模型
Fig 3-2 Three-dimensional model of the disc

图3-3颍下颌关节三维有限元模型

Fig 3-3 Three-dimensional model of the temporomandibular joint
3.2.2最大张口位时关节盘前移位颛下颌关节整体应力分布
在最大张口时,关节整体应力人小波动于0-65Mpa之间,平均大小为 2.22Mpa (农3・4、图3・4)。但不同解剖结构及不同解剖区域上的应力分布差 异较大。骨皮质整体承受的应力(x=2.8Mpa)与骨松质(x=2.79Mpa)相似, 但在課突顶部及后斜面与关节盘后带后部差显较大,远大于关节盘
(x = l.llMpa)和软骨层的(x=0.27Mpa) 0髒突骨皮质(图3・5)及骨松质(图 3-6)、软骨层(图3・7、图3-8)和关节窝(图3-9)的应力集中均出现于繰突 顶部及后斜面与关节盘后带的接触区域。踝突主要集中于下颌角与咬肌肉附着 区域(力学加载区),課突颈部靠内侧缘的骨皮质与骨松质也岀现了应力集屮 现象,并呈现明显自下颌角至髒突顶部逐渐均匀减少的趋势和力学轨道。前移 位后的关节盘的应力最大值出现在关节盘中间带后部,与11突顶部及后斜面相 接触的中外侧区域(:=2.78Mpa),并向外呈现逐步减少的趋势,关节盘双板
区和后缘韧带区域呈现低应力表现(图3-10. x=0.5Mpa),关节盘在关节窝的 颍前附着区也出现了应力集中区(兀=l・67Mpa)。
表3・4额下颌关节的应力分布
Tab 3-4 The The Vbn Mises stress distribution
部位 应力最大值
(Mpa) 应力最小值
(Mpa) 平均值
(Mpa)
关节窝 15 0.009 6.67
关节窝软骨 1.09 0.0012 0」7
关节盘 16.49 0.073 1.11
課突软骨层 0.54 0.053 0.27
課突骨皮质(整体) 129 0.009 2.8
髒突骨皮质(接触区) 20 0.009 4.62
課突骨松质(整体) 6.29 0.0015 2.79
髒突骨松质(接触区) 3.49 0.0015 2.10

图3・4额下颌关节整体应力分布
Fig 3-4 The Von Mises stress distribution of the temporomandibular joint

0 2.88659 5.77芍g 3.66667 ' 11.5556
- 1.44444 4,33333 7.22222 10.1■口1 :3
图3・5課突骨皮质应力分布

图3-6驟突骨松质应力分布
Fig 3-6 The Von Mises stress distribution of the cancellous bone

图3-7关节窝软骨层应力分布

图3-8探突软骨层应力分布
Fig 3-8 The Von Mises stress distribution of the condyle cartilage

图3-9关节窝应力分布ICDAL scuria-i
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图3・10关节盘应力分布
Fig 3-10 The Von Mises stress distribution of the disc
323最大张口位时关节盘前移位颖下颌关节轴截面应力分布
在Y轴截面上,关节盘前移位后的颛下颌关节应力分布与整体情况相似, 課突顶及后斜面与关节窝、关节盘相接触面为主要的应力集中区域。髒突骨皮 质与骨松质承受的应力较大。关节窝在关节结节顶处出现向接触面应力逐步加 强的趋势;課突软骨层和关节窝软骨层在前附着区域比后附着区域的应力集中 方面更加明显;关节盘上下缘应力分布相似,关盘中间后带后部出现明显应力 集中和扩散现象,而关节盘在关节结节前的颖前附着处则出现明显的应力集中 (图 3-11) o
Y轴截面,在关节盘上表面沿Y轴方向由前向后取20个应力观察点应力 数值(1.63±l・205Mpa),编号1-20,其中1・5代表关节盘前附着区
(1.84±0.35Mpa) , 6・14 代表功能面(2.28±1.311Mpa) , 15-20 代表关节盘后 附着区(0.48±0.49Mpa);对应取20个应力观察点的关节盘下表面应力数值 (1.53±l・30Mpa),编号1-20,其中1・5代表关节盘前附着区(0・59±0・23Mpa), 6-14代表功能面(2・58±l・39Mpa), 15-20代表关节盘后附着区(0.73±0.25Mpa) □ 经配对t检验后,关节盘整体上下表面间整体应力分布无明显差异(t=0.347, P=0.733),在关节盘前附着区的上下表面的应力分布有明显差异(怜5・905, P=0.004),在功能面区(t=-0.59& P=0.572)和后附着区(t=・l・005, P=0.361) 的应力分布无差异。多样本非参数检验后,关节盘上表面在不同部位间应力分 布有明显差异(x2=9.970, P=0.007),其中功能面应力最大,其次是前附着区, 后附着区最小;关节盘下表面在不同部位间应力分布有明显差异(X-13.183, P=0.001),其中功能面应力最大,其次是后附着区,前附着区最小(表3・5, 图 3-12) o
X轴截面,对关节盘上表面沿X轴方向由右向左取20个应力观察点的应 力数值(2J5±1.31Mpa),编号1・20,其中1・5代表关节盘外侧缘区 (1.32±0・99MpG , 6・14代表接触面(3.36±0.49Mpa) , 15-20代表关节盘内侧 缘(l・03±0.75Mpa);对取20个应力观察点的关节盘下表面应力数值 (l・94±1.59Mpa),编号1・20,其中1・5代表关节盘外侧缘(0.56±0.40Mpa), 6-14代表接触面(3・51±0・86Mpa), 15-20代表关节盘后内侧缘(0.75±0・54Mpa)。 经配对t检验后,关节盘整体上下表面间整体应力分布无明显差异(t=l・241, P=0.230),在关节盘接触面的上下表面的应力分布无明显差异(t=・0.526, P=0.613),在外侧缘 02.782, P=0.05)和内侧缘(t=3.094, P=0.027)的应 力分布有明显差异。多样本非参数检验后,关节盘上表面在不同部位间应力分 布有明显差异(宀13.069, P=0・001),其中功能面应力最大,其次是外侧缘, 内侧缘最小;关节盘下表面在不同部位间应力分布有明显差异&2=14.310, P=0.001),其中功能面应力最大,其次是内侧缘,外侧缘最小(表3・6,图3-13)-

图3・11关节盘应力分布(Y轴截面)
Fig 3-11 The Von Mises stress distribution of the disc (Y axis)
表3-5 Y轴截面应力分布
Tab 3-5 The Von Mises stress of Y axis
编号 部位 上表面应力 (Mpa) 下表面应力
(Mpa) t P
1-5 前附着区 1.84±0・35 0.59±0.23 5.905 0.004
6-14 接触区 2.28±1.31 2.58±1.39 -0.598 0.572
15-20 后附着区 0.48±0.49 0.73±0.25 -1.005 0.361
整体 1.63±1.20 1.53±1.30 0.347 0.733
x2 9.970 13.183
P 0.007 0.001

图3-12 Y轴截面应力分布图

Fig 3-12 The Von Mises stress distribution ofY axis
表3・6X轴截面应力分布
Tab 3-6 The Von Mises stress of X axis
编号 部位 上表面应力
(Mpa) 下表面应力
(Mpa) t P
1-5 外侧缘 1.32±0.99 0.56±0.40 2.782 0.05
6-14 接触区 3.358±0.49 3.5H0.86 -0.526 0.613
15-20 内侧缘 1.03±0.75 0.75±0.54 3.094 0.027
整体 2.15±1.31 1.94±1.59 1.241 0.230
x2 13.069 14.310
P 0.001 0.001Fig 3-13 The Vbn Mises stress distribution ofX axis

3.2.4最大张口位时关节盘前移位额下颌关节整体位移趋势
最大张口位时,颍下颌关节保持空间位置的相对稳定,整体向前上方转动 的表现,并下颌角方向关节窝方向上逐步减少(表3・7,图3-14),最大位移 处位于下颌角咬肌附着处,关节韧带下颌附着处位移大于颖骨附着。驟突骨皮 质(图3・15)和骨松质0 3-16)有相同的位移趋势,并与整体保持相同向前 上方转动表现;关节窝软骨层位移趋势较小(Max=l・31),但分布不均,集中 于关节结节前后缘处及颛前附着处(图3-17) o課突软骨层与其相比整体位移 趋势较大小(Max=3.01),且分布与髒突保持一致,最大位移趋势位于課突颈 部与关节盘相连的下颌前附着区域(图3・18),而接触区的位移很小;关节盘 整体功保持三维空间平稳状态(Max=2.98),保持与課突运动方向一致性,其 在髒突颈部与关节盘相连的下颌前附着区域和颖前附着处出现明显的抗位移表 现(Max=2・988),以下颌前附着更为明显(图3-19) o
最大张口位时,颖下颌关节整体保持X轴向上的平稳,略向内侧偏斜(图 3-20);課突骨皮质与骨送至保持运动方向的一致性,向内侧偏移,其位移程 度沿上颌升支走形逐步减少(图3-21);关节窝软骨层在颛前后附着处出现向 内偏转现象(图3-22),課突软骨则保持与骨皮质的连续一致性(图3・23), 在关节顶点后外侧缘出现轻微的外移位现象;关节盘在X轴向出现二处位移撕 裂带,分别位于颖前附着的外侧缘和颛后附着的内侧缘(图3・24),与整体的 内侧移位相反,起到限制驟突及关节盘内移位的作用,而其相对应的下颌前后 附着则表现出最大的向内移位的趋势(图3-25) o
关节盘在Y轴方向上与其他解剖结构保持相对一致,表现为向前运动表现, 但其内部位移趋势分布并不均匀(图3-26) o关节盘后带后部的接触面、双板 区及颛后附着区的位移趋于最大化,并多集中于关节盘上表面;关节盘下表面 的位移方向和大小与課突软骨层相似,远小于課突骨皮质的位移大小(图3・27)。
关节盘前部大部分区域在Z轴向上移动(Max=l・72),包括了关节盘下颌 前附着、颛前附着和关节盘后带接触面的大部分区域,但在关节盘的双板区, 额后附着及下颌后附着区域,出现了向下远移动的现象(Max=0・4),并在该 处形成了明显的Z轴向撕裂带(图3-28),在Y轴截面上更加明显(图3・29); 其余解剖结构保持一直向前位移。

表3・7额下颌关节位移趋势数值
Tab 3-7 The displacement data of the temporomandibular joint
部位 关节盘 关节窝
软骨层 課突 软骨层 課突 骨皮质 課突骨 松质 关节窝
整体位移 最大值 7.03 2.98 131 3.01 7.03 6.98 0.51
整体位移 最小值 0.001 0.07 0 0.64 1.07 1.18 0
X轴 最大值 1」9 0.66 0.65 0.64 1.19 1.18 0.09
X轴 最小值 -0.27 -0.13 -0.27 -0.06 0」5 0.18 -0.03
Y轴 最大值 0.08 0.004 0.01 -0.29 -0.57 -0.738 0.08
Y轴 最小值 -5.77 -2.58 -1.05 265 -5.77 -5.77 -0.28
Z轴 最大值 3.84 1.72 0.97 1.82 3.84 3.76 0.50
Z轴 最小值 -0.41 -0.40 -0.29 0.12 0」2 0.26 -020

图3“4颖下颌关节位移趋势图Fig 3-14 The displacement of the temporomandibular joint
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4 容/"S.二n-555e图3-16課突骨皮质位移趋势图
Fig 3-16 The displacement of the cancellous bone图3-17关节窝软骨层位移趋势图NZ&L S3JJHCN
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图3・18骰突软骨层位移趋势图
Fig 3-18 The displacement of the condyle cartilage

Fig 3-20 The displacement of the temporomandibluar joint of X axis图3-21髒突X轴位移趋势图
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图3・22关节窝软骨X轴位移趋势图
Fig 3-22 The displacement of the fossa cartilage of X axis
图3・23操突软骨X轴位移趋势图

图3-24关节盘X轴位移趋势图
Fig3・24 The displacement of the disc of X axis
图3・25关节盘下颌附着处X轴位移趋势图

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图3-26关节盘及软骨层Y轴位移趋势图(Y轴截面)
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图3-28关节盘Z轴位移趋势图ig 3-28 The displacement of the disc ofZ axis
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图3-29关节盘及软骨层Z轴位移趋势图(Y轴截面)
3・3讨论
3.3.1关节盘前移位后额下颌关节力学结构的变化
Chen[H]从矢状面采用二维有限元方法分析在颛下颌关节开颌运动时关节 盘与驟突和与关节窝的受力情况,发现开颌运动时,关节盘后部与課突接触区 域是主要的受力区域而非传统认为的关节盘前部,課突承受的应力则集中于骨 皮质和关节软骨上,关节窝与韧带相连处则承受更大的拉应力,由此推断課突 骨皮质和关节软骨是承受和分散粘力的主要区域。而Tanaka[I2J3]在MRI影像数 据中散点记录颖下颌关节开颌运动轨迹并通过有限元分析后发现,关节盘前后 部都存在应力集中区域,其承受的应力远大于傑突,从而认为关节盘具有缓冲 和再分配舲力的作用,通过对比关节盘移位后证实关节盘移位者在开颌骨运动 时,关节盘前外侧部是应力集中的主要区域,提示关节盘移位所导致得关节接 触面及摩擦系数改变,以及对周围软组织造成二次损伤是造成颛下颌关节紊乱 的原因之一。
Donzelli等网釆用MRI影像数据和激光定位技术获取颛下颌关节运动轨迹 的方式研究关节盘在开颌运动中的力学分布时发现在小开颌运动时,关节盘出 现应力分布不均匀现象,关节盘横向由外侧向内侧出现拉应力和剪切力逐步增 大,并随着开颌时间的延长而趋向明显,提示关节盘的力学分布与关节盘穿孔 部位存在有一定联系。但该研究在还原颖下颌关节运动有一定的缺陷,尤其在 对关节窝、关节盘和課突等连接方式和运动摩擦上模拟上仍然采用简化处理; Koolstra问在进一步研究中发现开颌运动时,关节盘受力面积出现逐步扩大,伴 有不同程度的形变趋势,但关节盘承受的应力大小却无明显变化,同时驟突应 力分布区域和大小也未出现明显改变,由此推论在开颌运动过程中,关节盘通 过增大与髒突、关节窝的接触区域以扩大受力面积,从而达到传导分散於力的 作用。
本研究成果显示:在最大张口位时,关节盘前移位后,髒突骨皮质和骨松 质和能够有效地吸收并传导牙合力,是颛下颌关节主要的应力分散的主要结构。 課突的主要受力区域随着課突整体向前向下的运动轨迹变化从原先的前斜面的 功能面改变为課突顶部及后斜面的接触区域,而关节上间隙的扩大,也导致关 节盘上缘与关节窝接触面积的缩小。随着主要负重区域面积的缩小和形态的改 变,牙合力更加集中于課突顶部、后斜面与关节盘后带后部、关节结节的接触区 域,在很大程度上加大了課突骨皮质及骨松质区域性应力集中现象。从而出现 在最大开口位时,颛下颌关节结节解剖结构的最大应力值的普遍提升。关节盘 前移位后,位于关节结节前方的关节盘颛前附着与关节窝软骨层的连接点也承 受了比正常状态下更加集中的应力负担,并通过自身的表面积,均匀缓冲牙合力 对骨质的冲击作用,对于避免过度集中的应力所导致的骨质吸收有很重要的保 护作用。
33.2关节盘前移位后颗下颌关节盘形态及力学分布的变化
最大张口位时,关节盘的中间带、后带、双板区及后附着区被明显拉伸,
以适应盘•課运动。关节盘前移位后的关节盘中间带向前跨过髒突顶,后带大部 分与髒突后斜面相对。被拉伸的关节盘后带替代中间带,与骰突顶及后斜面形 成行的接触区域,加重后带被拉伸的程度,提高了双板区及后附着的应力负担, 在Y轴上出现后附着处的应力集中现象。前移的关节盘中间带随髒突运动一同 向内下方移动,进一步加重关节盘前附着的压力。关节盘在上下面的拉伸程度 也有所差异:Y轴方向上,前附着上缘的压力明显大于下缘压力;X轴方向上, 内外侧缘关节盘的上下压力也不平衡。这些关节盘内部压力的不平衡提示:在 关节盘前移位的状态下,关节盘前附着内外侧缘出现的应力集中将加重前附着 的压力的同时,进一步增加后带、双板区的拉伸程度。由于关节盘接触区域面 积的缩小,在接触区域的应力现象也明显集中,进一步加重关节盘后带整体结 构应力负担。在生理作用下,这种关节盘的适应性调整有助于缓冲牙合力,但后 带的长时间的拉伸以及软硬组织摩擦作用将导致后带纤维的变薄,更是对双板 区组织的慢性刺激,一旦这种改建超过了生理范围,就有出现关节盘穿孔的可 能。
3.33关节盘前移位后颜下颌关节盘内部力学环境的变化及影响
当最大张口位向牙尖交错位运动时,由于咬肌、翼内肌等升颌肌群的共同 作用下,颛下颌关节整体向前,向内,向上运动的的趋势,并下颌角方向关节 窝方向上逐步减少。
关节盘前移位后,关节盘通过关节韧带及前后附着的调节作用,稳定并限 制課突在关节窝空间结构内运动的范围,保持关节盘■課突系统在整体空间结构 内的稳定性,保证关节的功能运动。但在关节盘内部尤其在前后附着区、后带 及双板的不同方向上均出现了不同程度的撕裂带的形成,提示关节盘内部纤维 出现了明显扭曲变形的可能。
在被拉伸接触区的后带及双板区的关节盘上下表面在Y轴向上的位移方向 相同,但位移的程度出现了明显的差异,下表面所构成接触区向前移位的程度 远比被拉伸上表面的程度要大的多。一方面是由于課突的运动速度远大于关节 盘所造成的上下面不同摩擦作用所造成,另一方面也是由于关节盘•課突系统的 适应性调节需要,与后带的拉伸程度也有着直接的关系。这些也提示:关节盘 内部在Y轴的位移程度的不协调性有助于稳定課突,也决定了关节盘后带出现 前后方向穿孔形态的可能性不大。
在关节盘在X轴向上的分布出现了两处明显的位移撕裂带,分布位于颍前 附着的外侧缘和颖后附着的内侧缘。由于課突整体在X轴上呈现向内侧方向上 的移位,关节盘一方面沿着该运动轨迹运动,另一方面在前后附着处起到限制 課突过度位移的作用,出现内外侧不同应力分布和方向的现象。
关节盘前部大部分区域在Z轴向上移动,包括了关节盘下颌前附着、颛前 附着和关节盘后带接触面的大部分区域。原先紧张的关节盘前附着结构逐步放 松,有利于关节盘中间恢复到原先正常位置;但牒突前斜面在沿关节结节后斜 面运动恢复到牙尖交错位时,存在向转动作用,在运动初期会加重关节盘的双 板区,颛后附着及下颌后附着区域的拉伸程度,出现了向下缘移动的现象并导 致在该区域形成了明显的Z轴向撕裂带。而前移位关节盘后带的接触区域能否 顺利跨过課突顶部退缩到正常位置,也决定了关节盘中间带能否回归到正常解 剖位置;一旦关节盘后带无法跨过驟突顶部,双板区及后带需进一步拉伸调整 后附着的程度,协助課突回到正常解剖位置,从而形成在双板区的应力集中和 纤维结构的错位现象。
结合关节盘在X轴、Y轴及Z轴方向位移撕裂带及应力分布的不同,关节 盘的前后附着区域在关节运动运动过程中起到十分重要的稳定和限制作用,关 节盘颖前附着的外侧缘、颛后附着的内侧缘、后带后部与双板区同时承受不同 方向上的应力矢量,是主要的功能和负重区域。其中双板区容易出现多个方向 上的过度拉伸,内部纤维容易发生过度拉伸,断裂,穿孔的可能。
3.4小结
本研究通过有限元软件Ansys成功建立了包括关节窝.課突的骨皮质及骨 松质,关节盘和软骨层在内的最大张口位时关节盘前移位颛下颌关节三维有限 元模型,共生成35741个节点和125467个单元,具有有较好的几何相似性©
对该模型进行模拟咬合加载后发现:髒突的主要受力区域从原先的前斜面 的功能面改变为驟突顶部及后斜面的接触区域,随着关节上间隙的扩大,也导 致关节盘上缘与关节窝接触面积的缩小。随着主要负重区域面积的缩小和形态 的改变,牙合力更加集中于傑突顶部、后斜面与关节盘后带后部、关节结节的 接触区域。
结合关节盘在X轴、Y轴及Z轴方向位移撕裂带及应力分布的不同,关节 盘的前后附着区域在关节运动运动过程中起到十分重要的稳定和限制作用,关 节盘额前附着的外侧缘、颖后附着的内侧缘、后带后部与双板区同时承受不同 方向上的应力矢量,是主要的功能和负重区域。其中双板区容易岀现多个方向 上的过度拉伸,内部纤维容易发生过度拉伸,断裂,穿孔的可能。在对于关节 盘的治疗过程中不但需要对关节盘后带的松解,也需要释放前带应力同时,更 关注关节盘后带在关节运动过程中通过課突顶部的顺利性。
3.5不足与展望
最大张口位在重复性和还原度上存在一定的难度,颌位维持时间也有一定 的局限性。同时如何准确定位关节盘前移位弹响发生的准确颌位也是能够进一 步准确分析关节盘前位移的生物力学状况的重要因素。
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综述
额下颌关节数字化生物力学的研究进展
刘啸,殷学民
颖下颌关节是颅颌面唯一的能动关节。在解剖形态上,課突独特的关节面 形态,非均匀厚度关节盘及关节窝周围复杂的韧带肌群附着构成稳定而灵活的 颖下颌关节⑴;在生理功能上,颍下颌关节的运动同时兼备转动和滑动功能, 参与咀嚼、语言和表情等功能运动,同时颛下颌关节也一直被认为是颌面部重 要的负重关节和缓冲结构⑵。长期以来,学者们对颍下颌关节生物力学的研究 多集中于体外物理实验。Kang等⑶通过扫描电镜观察颖下颌关节盘的微观结构 后发现持续的拉应力和压应力能够显著破坏关节盘中间带和后带的弹性纤维和 胶原蛋白网结构,从而得出机械应力是关节盘破坏的重要原因。但体外物理实 验具有一定的局限性。一方面体外实验多集中于对颖下颌关节解剖结构机械和 力学性能的测量上,另一方面体外环境无法真实还原颖下颌关节在体内运动过 程中生物力学变化。随着计算机技术与医学相结合,以三维有限元法为代表并 广泛应用于工程技术领域的数字化技术被逐步运用于医学研究领域中,尤其在 口腔医学各个领域中得到了广泛的认可和应用。数字生物力学技术能够对不规 则几何形态和不同材料性质物体之间进行准确的数字化生物力学模拟与分析, 为颍下颌关节的生物力学提供了一个更简便有效的研究方法和技术手段。现就 颍下颌关节数字化生物力学研究进展做一综述。
1.颍下颌关节数字化生物力学研究的发展
自Albert于1980年首次提出利用CT等影像学数据建立数字化模型以模拟 人体活动的设想后,随着计算机技术的进步和数字化科学的发展,数字化力学 分析得到了长足的进步和应用⑷。尤其在人体生物力学方面,以有限元技术为 代表的数字虚拟生物力学分析逐步成为医学生物力学研究的首选方法,并广泛
应用在人体生物力学,运动力学等领域。它通过将不规则物体划分为大量小而 简单的几何体并逐一赋予物理性能的方法从而解决了复杂几何形态及不同材质 物体间生物力学分析的难点,为颖下颌关节的生物力学研究提供了一个全新有 效的技术手段和研究平台。Tanaka⑸利用MRI影像数据,采用有限元散点方式 简化分析张口位时颛下颌关节生物力学特性时发现关节盘前部和后部区域存在 应力集中现象,以关节盘与关节窝接触区域的下界尤为明显,从而得出关节盘 通过位移作用协助分散站力。但该实验并不完善,没有将关节盘附着及关节盘 自身物理性能等因素加入生物力学分析。其后不断有学者将颛下颌关节的物理 和机械性能体外实验的研究成果逐步应用于颛下颌关节数字力学分析中【叫 Chirani等⑺提出颛下颌关节有限元改进重建法,认为采用工程杠杆的原理能够 准确简化模拟关节活动机制,为进一步研究关节运动提供了依据;LIU[町对不同 颍下颌关节有限元模型和力学加载方式的比较分析后认为課突和关节盘是额下 颌关节主要承重结构,两者在关节活动中的结合和分离趋势是造成颖下颌关节 应力变化的主要原因,对于課突和关节盘准确的数字化处理是影响颖下颌关节 数字化分析结果的关键因素。其后包括关节盘与課突摩擦系数,关节窝中纤维 附着及韧带牵拉固定等因素逐步被添加入颛下颌关节数字化生物力学分析,进 一步加强数字化生物力学分析的准确性凹l0]o
2.不同颌位时籲下颌关节数字化生物力学研究
不同颌位时,颍下颌关节及其各个组成部分之间具有着不同空间位置,接 触方式和受力关系⑴]。通过数字化方法模拟在不同的颌位时颠下颌关节生物力 学分析,能够对比分析颛下颌关节在不同颌位时生物力学变化趋势,为颖下颌 关节动能分析提供实验支持。
2.1闭口位时额下颌关节生物力学的研究
在正常的闭口位时,关节盘与关节窝、課突三者紧密接触,颍下颌关节受 力方向相对集中单一,便于生物力学模拟加载和分析,是颍下颌关节数字化生 物力学分析的基础,也是研究比较成熟的领域。Kai问对闭口位时关节盘、課突 和关节结节前中后、内外侧五个方位的三维有限元分析中加入操突软骨因素后 发现課突软骨比关节盘吸收更多应力。去除软骨因素后,課突位移趋势比关节 盘和关节结节显著增大,提示課突可能是颛下颌关节应力分散的主要结构,而 非传统认为的关节盘。Mori问对加入关节盘附着因素的颍下颌关节有限元分析 发现在牙关紧闭的状态下,关节盘近課突面的中后部出现应力集现象,同时髒 突存在最大的位移趋势,说明髒突和关节盘是颛下颌关节应力传导的重要途径。 陈新等[闻则通过单侧咬合情况下颍下颌关节有限元分析后发现工作侧髀突承受 远大于非工作侧的拉应力,压应力则相反,由此推测颖下颌关节单侧受力导致驟 突及周围软组织受力不均可能是造成额下颌关节紊乱的原因之一。但韶波等[⑸ 对闭口位时颛下颌关节左侧下颌角受力有限元分析后发现关节盘后带承受最大 应力,其左侧大于右侧,課突受力多集中于前斜面,认为关节盘后带病变及課 突器质性病变可能由下颌骨创伤造成的颠下颌关节间接损伤所引起。更有研究 指出不同咬合关系时不同牙位咬合状况能够影响課突受力区域和应力分布,说 明咬合承载的部位及咬合状况对于課突应力环境有明显的影响〔⑹。现有研究提 示在闭口位时,颛下颌关节受力受多种因素的影响,髒突和关节盘是舲力分散 的主要结构,咬合条件对额下颌关节受力有着直接影响。但咬合应力在颍下颌 关节各个部位间如何传导,关节盘在关节受力过程中的作用仍然存在不少争议, 需进一步的研究。
22下颌前伸位对颖下颌关节生物力学的影响
下颌前伸位时,关节盘与关节窝、髒突三者接触区域更为精密而集中,是 前牙咬切食物时的一个功能颌位。金伶等〔⑺通过有限元分析发现,前伸运动时, 关节盘中间带外侧和課突前斜面是承担应力的重要区域。Gupta等问在颖下颌 关节有限元分析中将課突与关节盘设置为紧密贴合后发现,正常咬合时,課突 后上方存在明显的拉应力集中,而压应力集中于驟突的前上部,这能过解释髒 突的成长规律;下颌前伸时,拉应力向課突更后方集中,颛后附着处出现应力 集中,推论在颠下颌关节重建中增加課突的高度可能会减少颍下颌关节的压力, 从而提高髒突的工作效率[切。Matsumoto等㈤]在加入咀嚼肌等因素后分析后发 现,下颌前伸时,髒突前斜面承受远大于下颌窝前部的应力集中,能够解释临 床上課突前斜面出现骨吸收的现象。
3.颜下颌关节运动的生物力学研究
颛下颌关节的运动极为复杂,通过颛下颌关节滑动和转动的联合得以实现 包括了开闭颌运动,前后运动及侧方运动等生理功能。在这些运动过程中,颍 下颌关节各个部位的受力方式,位移趋势等一直都是颛下颌关节运动生物力学 研究的基础和核心,也是颍下颌关节生物力学研究的热点和难点。
Chen⑵】从矢状面采用二维有限元方法分析在颛下颌关节开颌运动时关节 盘与課突和与关节窝的受力情况,发现开颌运动时,关节盘后部与課突接触区 域是主要的受力区域而非传统认为的关节盘前部,髒突承受的应力则集中于骨 皮质和关节软骨上,关节窝与韧带相连处则承受更大的拉应力,由此推断課突 骨皮质和关节软骨是承受和分散於力的主要区域。而Tanaka15 在MRI影像数 据中散点记录颍下颌关节开颌运动轨迹并通过有限元分析后发现,关节盘前后 部都存在应力集中区域,其承受的应力远大于髒突,从而认为关节盘具有缓冲 和再分配舲力的作用,通过对比关节盘移位后证实关节盘移位者在开颌骨运动 时,关节盘前外侧部是应力集中的主要区域,提示关节盘移位所导致得关节接 触面及摩擦系数改变,以及对周围软组织造成二次损伤是造成颖下颌关节紊乱 的原因之一。
Donzelli等[却采用MRI影像数据和激光定位技术获取颍下颌关节运动轨迹 的方式研究关节盘在开颌运动中的力学分布时发现在小开颌运动时,关节盘出 现应力分布不均匀现象,关节盘横向由外侧向内侧出现拉应力和剪切力逐步增 大,并随着开颌时间的延长而趋向明显,提示关节盘的力学分布与关节盘穿孔 部位存在有一定联系。但该研究在还原颛下颌关节运动有一定的缺陷,尤其在 对关节窝、关节盘和驟突等连接方式和运动摩擦上模拟上仍然采用简化处理。 Koolstra[24]在进一步研究中发现开颌运动时,关节盘受力面积出现逐步扩大,伴 有不同程度的形变趋势,但关节盘承受的应力大小却无明显变化,同时課突应 力分布区域和大小也未出现明显改变,由此推论在开颌运动过程中,关节盘通 过增大与課突、关节窝的接触区域以扩大受力面积,从而达到传导分散跆力的 作用。
Perez[25]在侧方舲运动的有限元分析中加入茎突下颌韧带的约束后发现关 节盘的两侧出现应力集中区,并在横向面有明显形变的趋势,与髒突的接触面 岀现明显压缩趋势,推论下颌横向运动可能导致关节盘外侧部的穿孔和周围软 组织损伤,并与磨牙接触时的磨削力有很大的关系。
现有数字化生物力学分析结果均提示了关节盘在额下颌关节运动过程中具 有明确的承受、分散和缓冲舲力的作用,关节盘受力方式和区域、关节盘形变 的方式都与关节盘破坏有重要联系。颛下颌关节运动由多种形式和方向力相互 结合所产生。关节窝、关节盘及髒突都涉及复杂的韧带肌肉附着牵引,单纯以 关节盘和課突间位移的方式或部分牵引因素的简化加入在一定程度上仍无法完 整还原颖下颌关节运动的真实状况。在颖下颌关节活动时,不同的咬合关系, 咀嚼方式等对关节盘受力变化和其纤维结构适应性改变的影响尚缺乏足够的研 究分析。
4 •展望
额下颌关节各部软硬组织复杂的解剖结构和多样化的运动方式,既能支持 颌面部整体结构,又能发挥咀嚼、吞咽语言等颅颌系统功能的重要原因。同时 额下颌关节紊乱病等颛下颌关节疾病的病因和治疗方法尚缺乏未统一认识。这 些都需要从颛下颌关节的生理基础,生物力学等方面进行系统的研究©数字化 技术能够对颛下颌关节进行准确模拟和力学分析,为颛下颌关节的生物力学研 究提供了直观、便捷、准确的研究工具和技术支持。
但颛下颌关节的数字生物力学研究尚存在一定的缺陷。一方面,关节盘在 不同部位的纤维结构及排列方式均有不同,颖下颌关节各部之间接触面也存在 着复杂的物理性能,现有数字生物力学研究尚采用简化模型的方式需要进一步
的改进和完善。另一方面,诸如牙、咬合、翼外肌、关节韧带等因素和颖下颌 关节的生理及运动功能是不可分割的整体,其对颛下颌关节的影响尚缺乏足够 数字化生物力学中研究和数据支持,需要深入的观察和研究。
随着计算机技术和医学检测设备的提高,诸如数字人技术、micro-CT[绚、 micro-MRl[27]及激光动态捕捉系统等新技术的出现和应用,将能够在纤维结构, 分子水平上等微观的层面上对额下颌关节进行的数字化生物力学分析,真实还 原颖下颌关节运动的生物力学状况及牙合力学传导方式等方面提供新的技术手 段,为颖下颌关节解剖生理、疾病诊断治疗提供更加真实准确的实验室数据支 持。
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攻读硕士学位期间成果
公开发表学术论文:
1.刘啸,殷学民.数字化技术在颛下颌关节生物力学研究中的应用[几解剖与 临床,2012(1):80-83.
2.殷学民,任晓旭,刘啸,等.额上颌骨复合体骨折后眶容积的测量及其临床 意义[几中国临床解剖学杂志,2011 (4):371-374.
3.殷学民,李燕,张美超,任晓旭,刘啸.下颌牙列数字化生物力学模型的建 立[J].解剖与临床,2012(1):32-35.
4.殷学民;刘啸;张君伟;徐国翔.关节盘前移位颍下颌关节仿真模型的建立[J]•口腔 颌面外科杂志,修回.
课题参与情况:
1.南方医科大学南方医院院长基金项目《颌骨放射性骨坏死微血管再生的数 字化构建》(20060034)
2.广东省高等学校自然科学研究重点项目《颌骨缺损的仿真重建及生物力学 研究》(06Z006)
3.广州市科技计划项目基于^中国数字人汁技术口腔正颌外科虚拟手术平台的 建立(12A72121503)
4.广东省自然科学基金面上项目《额上颌骨复合体骨折动态可视化手术的解 剖学基础研究》(S2011010003872 2012)
5.广东省科技计划项目《关节盘前移位时颖下颌关节的生物力学研究》
(2012B031800144)
致谢
经历了求索的艰辛和坎坷,洒下了辛勤耕耘的汗水,在成功的欢乐与挫折 的泪水交错中,3年的硕士研究生学习生活即将结束。3年,在人生的历程中虽 显短暂,但对我来说是何等的不平凡!
我有幸跨入南方医科大学口腔医学院,成为这个优秀团队中的一员。在呈 上硕士论文的同时,首先献上我对恩师殷学民教授的真挚谢意和敬意!本课题 是在导师的悉心指导下完成的,导师崇高的医德,精湛的技艺,缜密的逻辑思 维,严谨科学的治学作风的精神,给我留下了难忘的印象,成为我一生学习的 楷模。导师对我的支持和关怀,令我永远感激,终身不忘!能够得到恩师的谆 谆教导,是我一生的荣幸和骄傲!我的每一点进步都浸透着导师的汗水,每一 点成功都凝结着导师的辛劳。导师的为业之道、为师之道和为人之道,是我获 得的最大的财富。我将永远铭记和珍视它,并努力付诸实践。
感谢南方医科大学口腔医学院这个温暖的集体中的每一位教授和老师,你 们严谨的治学态度,兢兢业业的工作作风,精益求精的科学精神一直激励着我, 感谢各位老师为我们创造的良好的成长环境,有幸在这个集体中成长。再次致 以衷心的感谢。
两年的临床实践,得到了南方医院口腔科所有医护人员的大力支持与无私 帮助,在此表示衷心感谢。
三年的研究生生活结识了许多志同道合的莘莘学子,我们相互扶持*鼓励与帮 助,一起走过风风雨雨的三年,在此感谢我亲爱的同学们。
最后由衷感谢我的父母在这三年里对我的鼓励,是你们的鼓励和艰辛付出 让我克服困难,顺利完成学业。