牙合垫治疗对深覆牙合的TMD患者颞下颌关节应力分布影响的有限元分析

1、牙合垫治疗对深覆牙合的 TMD患者颞下颌关节应力分布影响的有限元分析研究背景颞下颌关节紊乱病 (temporomandibular joint disorders, TMD) 是口腔颌面部常见的疾病之一。颞下颌关节紊乱病的病因非常复杂 , 咬合异常病 因学说在颞下颌关节紊乱病中占有非常重要的地位。许多异常的咬合因素 , 比如深覆牙合、第三磨牙过长、部分后牙的反牙合、 牙合干扰等等都曾经被报道过与颞下颌关节紊乱病的病因有关。 其中深覆牙合能 够影响咀嚼运动和肌电活动 , 与颞下颌关节紊乱病的发生密切相关 ,有研究显示 深覆牙合的患者出现颞下颌关节紊乱病的几率是正常人的 13.2 倍。颞下颌关节紊

2、乱病的治疗方法很多 ,如各种药物治疗 ,各种物理治疗 ,各种牙 合治疗包括各种牙合垫等。 颞下颌关节紊乱病的治疗原则是首选可逆性的治疗方 法, 比如说通过牙合垫来做牙合间矫治。随着近些年来各个学科之间交流的日益广泛 , 在力学研究中应用的有限元分 析方法 (Finite Element Method, FEM) 已经被广泛应用到了医学领域。 Friedenberg 在 1969 年第一次将有限元分析方法应用于医学领域。Thresher 和 Farah 于 1973 年将二维有限元分析方法引入到了口腔医学领域。 目前有限元分析方法应用的范围已经涉及到口腔医学的各个领域。三维有限元法已被广泛应用到

3、单个牙齿、牙周膜、牙槽骨、桩核冠、可摘局 部义齿、固定义齿、种植义齿、全口义齿及颞下颌关节的应力分析。但是 , 对于 深覆牙合的颞下颌关节紊乱病患者 , 运用三维有限元分析方法对其进行牙合治疗 前后的的颞下颌关节进行受力分析 , 还未见相关报道。研究目的本研究就是通过建立深覆牙合颞下颌关节紊乱病患者的颞下颌关 节以及下颌骨的三维有限元模型 , 分别在牙合垫治疗前牙合垫治疗后进行加载并 分析颞下颌关节以及下颌骨的应力分布情况 , 以便更好地深入研究颞下颌关节紊 乱病患者的髁状突、关节窝和关节盘以及与下颌骨之间的生物力学关系 , 为临床 设计提供生物力学参考依据。材料与方法 1 颞下颌关节以及下颌

4、骨的三维 CAD （Computer Aided Design, 计算机辅助设计 ） 模型的建立和处理 1.1 建模素材选择 一名 24岁的深覆牙合颞下颌关节紊乱病患者作为志愿者 , 通过戴用牙合来治疗 颞下颌关节紊乱病。治疗前后分别行双源CT扫描,获得颞下颌关节区的影像资料。1.2双源CT 扫描扫描的范围自颅骨上方至下颌骨下缘 ,根据需要选择性重建薄层图像 ,扫描 参数为扫描层厚0.6mm,重建间隔0.3mm,窗宽1500,窗位450,球管电压为120kv。扫描完成后将获得的扫描影像数据以 DICOM格式存储。1.3图像处理将上述 文件导入软件Mimics当中,利用其中的分割工具将需要的目标

5、区域边界提取出 来, 完成几何模型的建立。1.4颞下颌关节盘CAD模型的提取借助Magics12.0软件,从下颌骨髁状突的 关节面选取与关节盘匹配的位置区域生成厚度约为2.0mm厚的关节盘原始形状，将原始形状的关节盘与下颌骨模型进行布尔运算 , 即可得到颞下颌关节盘的 CAD 模型。 2 颞下颌关节以及下颌骨的三维有限元模型的建立和处理 2.1 三维有限元 模型的生成采用软件MSC.Marc2005中Mentat的CAD接口读入上面步骤中建好的 几何模型 , 划分网格后完成三维有限元模型的建立。2.2 分析条件假设模型材料和组织假设为连续、均质、各向同性的线弹性材 料。由于人体骨骼是一种各向异

6、性的生物体材料 , 而且各向异性的弹性常数太多 ,因此一般将其简化为正交各向异性 , 同时由于骨骼各向异性较弱 , 故再进一步简 化为各向同性。材料受力变形为小变形。 3三维有限元模型的运行分析对于载荷的加载 , 选 择牙位施加 , 利用软件测算出接触部位面积 ,换算成面压力来施加。参考国内王景杰等实验测定的各个牙位的加载力值,利用MSC.MAR的面积计算功能 , 将力转化为加载于面上的压应力 , 实现对本实验志愿者治疗前、 治疗后 的前牙咬合、正中咬合和单侧磨牙咬合等六种工况下的加载。 4 结果分析测量牙 合垫治疗前、牙合治疗后等六种工况下颞下颌关节各个部位的最大和最小 Von Mises

7、应力及位移变形情况 , 观察分析其应力及位移的变化趋势。由于多数学者认为在正常情况下 ,两侧颞下颌关节及其 Von Mises 应力分布 基本对称 , 因此本研究只观察单侧颞下颌关节的 Von Mises 应力变化情况。结果 1通过双源CT扫描仪联合应用Mimics软件、Magics软件和有限元分析软件 MSC.Marc无创伤建立活体组织结构的三维有限元模型。本实验我们成功建立了深覆牙合的颞下颌关节紊乱病患者牙合治疗前和牙 合垫治疗后的颞下颌关节以及下颌骨的三维有限元模型。 2 本实验通过对深覆牙 合颞下颌关节紊乱病患者牙合治疗前和牙合治疗后的前牙咬合、 正中咬合和单侧 磨牙咬合等六种工况进行

8、加载 , 获得了颞下颌关节各个部位的 Von Mises 应力和 位移变形云图等有限元应力分析资料。3 应力变化规律分析从各种加载工况分析可以看出 , 在应力变化规律方面 , 不同加载工况下 , 各部位应力分布趋势大致相同 , 应力分布云图类似 , 只是力的大 小不同, 说明颞下颌关节关节接触面上规律分布的抗力 （应力）能够将不同加载点 及加载位置的外力抵抗吸收；单侧磨牙咬合工况时模型接触部位应力最大 , 其次 为正中咬合工况 ,前牙咬合工况时对应的应力最小： 各种工况下,髁状突颈部、 髁状突顶部、颞骨关节面、 关节盘腹面到背面区域的应力逐渐减小； 在同样的咬合 方式下,牙合垫治疗后的各个模型

9、的应力均小于牙合垫治疗前, 牙合垫治疗后的应力较牙合垫治疗前降低 15%至 40%；对于深覆牙合的颞下颌关节紊乱病患者 , 佩戴牙合垫治疗后其颞下颌关节及下颌骨的应力分布较治疗前更合理。 4 位移变 化规律分析从位移变化规律来说 , 与应力分布规律类似 , 单侧磨牙咬合工况时有 限元模型产生的位移变形最大 , 其次是在正中咬合工况时 , 前牙咬合工况下的位 移变形最小。通过牙合垫进行治疗后 , 各种工况的位移变形较治疗前减小。颞下颌关节区 域内,髁状突位移变形最大 ,关节盘次之 ,而与颅骨相连的颞骨关节面位移变形最 小。结论1.联合应用双源CT扫描仪、Mimics软件、Magics软件和有限元分析 软件MSC.Marc是一种能够快速、精确的建立颞下颌关节及下颌骨三维有限元模 型的方法 , 值得推广应用