骨性患者下颌力学分析

1、骨性患者下颌力学分析     本文作者：倪峰 丁寅 刘莹 柏全民 孙伯阳 单位：第四军医大学口腔医学院正畸科 西安交通大学 解放军南京军区机关医院骨性偏颌畸形是由于上下颌骨左右不对称形成的颜面部畸形，以上下颌侧方关系不调，牙中线不一致，颏部偏斜为主要临床特征的一类复杂畸形。它严重影响患者容貌、咀嚼、发音功能，给患者生理及心理造成巨大的压力，而且常造成患者双侧颜面不对称及关系紊乱1。颞下颌关节(temporomandibularjoint，TMJ)是人体最复杂的关节之一，对它的研究一直是口腔医学专业的热点。由于研究方法和手段的限制，对TMJ生物力学行为的认

2、识一直未取得令人满意的成果。随着有限元理论分析方法在这一领域的应用，对TMJ的应力分布及其变化规律有了初步认识。然而，至今尚未见到有关于骨性偏颌患者颞下颌关节力学分析的报道。本研究利用三维有限元模型进行了骨性偏颌患者颞下颌关节生物力学的分析。1材料和方法11实验对象和三维影像的获取选取临床1例因偏颌求治的女性患者，21岁。患者无颌面部外伤史，无系统疾病史，无正畸史。面部不对称，颏部偏右约3mm。拍摄头颅后前位片和侧位片，以及进一步的三维计算机断层扫描重建(图1)，发现患者右侧升支相对左侧较短;上颌平面和下颌平面围绕矢状轴旋转，导致平面倾斜(左低右高)。对患者进行CT和MRI检查，获取三维影像。

3、通过螺旋CT扫描装置(SiemensSomatomPlus2，SiemensAG，Munich，Germany;120kV，175mA)获取患者CT数据。CT扫描间的距离为060mm，平面分辨率032mm/像素，总共得到了219层图像。通过15特斯拉的磁共振成像扫描仪(SiemensMagnetomVisionPlus，Germany)获取患者的MRI数据。MRI扫描的参数是T1加权自旋回波序列、800ms的重复时间，层面厚度为4mm，而且层面间没有间距。12建立包含颞骨、下颌骨和关节盘三维有限元模型将CT的数据通过Mimics软件中进行组织分离，得到各层影像上颌骨和下颌骨包括牙齿的基本轮廓，

4、并生成相关的stl格式的点云文件。采用达索公司生产的CADTIA软件，运用逆向工程的方法，拟合出实体的三维结构模型，并确定坐标轴(图2)。将模型导入Ansysworkbench软件中，网格划分得到有限元模型。髁突模型表面向外扩展用来填充髁突的边缘和靠髁突的颞窝区域的边缘的间隙，通过模型间布尔运算的方法，得到关节盘模型。这样就得到了包括颞骨、下颌骨和关节盘的有限元模型，模型的基本信息为节点总数165050，单元总数102342，单元类型是四面体单元(图3)。13咀嚼肌的生物力学模型将MRI检测数据导入Mimics参照Koolstra2的方法，以人工勾画的方式提取出感兴趣区肌肉的外形轮廓。从头部M

5、RI影像中提取出咀嚼肌的断层形态，按其坐标在空间叠加，可以得到肌肉的形态。将颌骨模型和MRI得到咀嚼肌模型进行叠加和拟合，这样就可以得到主要咀嚼肌在下颌骨的附着面和各个肌肉横截面积及两侧比值。通过肌肉的起止点的中心，并参考肌肉形态，定出肌肉的作用方向的坐标3。14材料特性选取下颌骨的外层单元作为皮质骨，内层单元作为松质骨。将关节窝几何形状稍作简化，均作为皮质骨处理。皮质骨、松质骨、关节盘等材料常数参照Tanaka等4的数值(表1)。模型各部分为连续、均质、各向同性的线弹性材料。15边界条件对于该有限元模型的边界条件，所有方向的运动被位于颞骨后缘顶部的节点所限制，而所有位于颞骨顶部的节点限制了垂

6、直方向的运动。矢状向的运动被颧弓和颞骨后部分的节点所限制。最后，冠状向的运动被颞骨中部的节点所限制。咬合面视为只能压不能拉。2结果在这个模型中，通过模拟牙尖交错位来计算加载的方案。咬肌肌力参考Koolstra5和Korioth6研究。偏斜对侧咬肌肌力的最大值定为100N3，其他肌肉的力值通过肌肉横截面积测量转换得出(表2)。在模拟肌肉负载状况下，可以观察到偏斜对侧和偏斜侧的关节盘处于不同的受力模式。偏斜对侧的受力部位靠内侧，是一种集中的方式;然而偏斜侧的受力部位靠外侧，是一种分散的方式(图4)。在关节窝区也出现类似的结果(图5)。可以发现移到偏斜对侧颞骨的应力集中在颞窝前部和内侧，而转移到偏斜

7、侧颞骨的应力分散到颞窝的外侧。这种不同的负荷转移，既反映了非对称加载，也反映了偏颌患者两侧髁突的形态变化。在冠状面方向的断面图中，可以观察到偏斜侧关节窝外侧(颞骨鼓室部分)受力大，偏斜对侧关节窝内侧受力较大(图6)。在矢状面方向的图中可以看到受力部位均靠前，而且偏斜对侧较偏斜侧集中(图7)。通过观察关节盘中心区域的断面图，可见其应力变化和在关节窝区出现的结果类似(图89)。两侧关节盘的受力和各个方向的分力见表3。3讨论本研究发现，骨性偏颌患者偏斜对侧关节盘的受力部位为内侧略偏前，偏斜侧关节盘的受力部位靠外侧。这与夏碧清等7和BuranastidpornB8在多例偏颌患者MRI中观察到中度到重度

8、偏颌患者偏斜侧关节盘倾向于向外侧移位、偏斜对侧关节盘倾向于向内侧移位的结果是一致的。颞下颌关节紊乱病(temporomandibulardisorders，TMD)在牙颌畸形的人群中多发，很多错患者存在关节盘移位现象。偏颌畸形是颌骨畸形中比较常见的类型，研究表明关节盘移位在偏颌患者中发病率较高，偏颌患者较无偏斜类患者多发TMD，Ueki等9报告偏颌患者关节盘移位的发病率为568%，而无偏颌的类患者关节盘移位发病率仅为182%。研究发现，在一般颞下颌关节结构紊乱(temporomandibularjointinternalderangement，TMJID)患者中，关节盘内外侧移位较少见，但在偏

9、颌患者中却较为常见10。关节盘和关节窝的受力，都有偏斜对侧偏内和偏斜侧偏外的趋势，这与两侧不对称的咀嚼力通过不对称的下颌骨传导至颞下颌关节有关。适当的关节负荷有利于建立和维护关节各部分正常的结构和功能，但负荷过大以及由此造成的生物力学不平衡被看作关节结构破坏和蜕变的主要因素11。这是导致偏颌患者颞下颌关节疾病的生物力学因素。但是偏颌畸形与TMJID的因果关系尚无定论。有些学者认为TMJID可能是引起髁突生长改变和偏颌畸形的原因之一1213。而有些学者则认为TMJID继发于下颌骨不对称畸形14，面部不对称会引起TMJ问题。Schellhas等15回顾性调查了100例偏颌患者的X线片、CT及MRI

10、检查，发现患者颏点总是偏向下颌髁突较小或TMD严重侧，认为TMJID和退行性关节病可能是儿童或青少年下颌骨生长缺陷导致轻度到中度下颌骨不对称畸形的主要原因。Nakagaw等16发现青春期女性的下颌骨偏斜与关节盘移位相关，关节盘移位会影响下颌骨的生长方向，造成双侧下颌骨的不对称改变，包括水平向与垂直向的不对称畸形。在动物实验中也证实TMD与偏颌有关17，Legrell等18通过开放性手术建立生长期兔单侧不可复性关节盘移位的模型，3个月后(生长期结束之前)发现该侧下颌骨长度较对侧小，而致颏点偏向患侧。导致TMD的病因很多，但如果偏颌是导致TMD的一个重要原因，那么早期纠正偏颌畸形，使TMJ关系稳定协调，即纠正偏颌的各种治疗方法包括正畸正颌治疗等对TMD将大有帮助。骨性偏颌患者通过正颌手术，使两侧颞下颌关节的应力模式发生改变，趋于平衡，有利于颞下颌关节疾病的治疗。这可能在ICP紧咬期间提供更均匀的接触，两侧颞下颌关节受力趋于