功能状态下无牙颌患者髁状突的应力分布研究

　　作者：安虹，白乐康，高陶磊，王一兵 作者单位：西安交通大学医学院附属口腔医院修复科，陕西西安 710004

　　【摘要】 目的 构建无牙颌包括下颌骨的颞下颌关节(TMJ)三维有限元模型;探讨戴用全口义齿无牙颌患者在牙尖交错位紧咬牙时颞下颌关节髁状突的应力分布特征。方法 以活体人颅为标本，采用螺旋CT断层扫描技术，图像数字化处理等方法在计算机上构建模型，然后在载荷状态下，利用ANSYSV8.0软件进行运算分析。结果 建立了无牙颌下颌骨和颞下颌关节三维有限元模型，并在此模型后牙相应位点加载、运算、分析显示：髁突近颈部应力力值明显大于近顶区;前、后斜面由外向内力值逐渐减小;外、内侧由前向后力值逐渐减小，前斜面、外侧上1/2(近髁突顶)区域压应力占主导地位，下1/2(近颈区)区域以拉应力为主，下外侧为主要应力集中区;后斜面及内侧上1/2以拉应力为主，下1/2以压应力为主。结论 戴用息止间隙为2 mm的全口义齿无牙颌患者，髁状突各区域拉、压应力并存，但每个区域应力分布特征及水平有较大差异;前斜面外侧即关节功能区应力水平明显高于其他区域，符合正常人TMJ功能的特点。

　　【关键词】 无牙颌;全口义齿;颞下颌关节;模型;有限元

　　Three-dimensional finite element stress analysis oftemporomandibular joint of edentulous

　　jawAn Hong, Bai Lekang, Gao Taolei, Wang Yibing

　　1. Department of Prosthetics, the Affiliated Stomatological Hospital, Medical School of

　　Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004;

　　2. Department of Civil Engineering and Mechanics,Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

　　ABSTRACT: Objective To construct a temporomandibular joint (TMJ) model including mandible by means of three-dimensional finite element methods and to investigate the stress distribution of the condyle during clenching of edentulous jaw with complete denture. Methods The three-dimensional model (3-DFEM) of TMJ including mandible of edentulous jaw patient was constructed by helix-CT scanned transverse sections. The stress distribution of the condyle was analyzed under load. Results The three-dimensional finite element model of TMJ including mandible of edentulous jaw was established, then loaded and calculated on the corresponding situs of posterior tooth of the model. Analytic results showed the stress on the neck of condyle obviously surpassed that on the top of condyle. The stress decreased from external to interior on anterior and posterior incline, and decreased from anterior to posterior on interior and external incline of the condyle. Compressive stress was dominant in the anterior incline and upper 1/2 of lateral part (near the top of the condyle), and tensile stress was dominant in the inferior 1/2 (near the neck), so the lateral inferior part was featured by high stress distribution. In the posterior and interior part, tensile stress occupied the upper 1/2 and compressive stress was main in inferior 1/2. Conclusion The edentulous jaw of patients had the compressive stress and tensile stress simultaneously on the whole condyle. But the stress is different in level and feature of distribution. The external anterior incline is featured by the highest stress distribution, and it is consistent with the feature of the TMJ of healthy people.

　　KEY WORDS: edentulous jaw; complete denture; temporomandibular joint; model; finite element

　　颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)结构复杂，髁突在关节凹内的位置随垂直距离的改变而发生变化，并在功能运动中承受的压力大小与位置的改变有关。许多学者对正常人的颞下颌关节进行三维有限元的研究，但对戴用全口义齿的无牙颌患者颞下颌关节内的应力分布特征及规律的研究报道很少。我们采用螺旋CT断层扫描技术及CAD技术，建立无牙颌患者颞下颌关节包括下颌骨的三维有限元模型，分析戴用息止颌间隙为2 mm时下颌关节的应力分布特征，旨在为临床无牙颌垂直距离的确定提供依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料

　　选择本院修复科门诊未曾进行全口义齿修复的无牙颌志愿者。面部外型协调对称，面下1/3高度适中，张闭口运动正常，颌弓大小及牙槽嵴高度宽度适中，颌间关系基本正常。X-ray断层片显示TMJ形态、结构正常。对筛选出的病例常规制取印模，灌注模型。通过模型的测量，筛选出符合统计数据平均值[1]的病例1例，作为理想建模素材研究对象。

　　1.2 方法

　　采取印模，制作模型。测量息止颌间隙面下1/3高度减2 mm拟为正常垂直距离记为H-2行颌位记录，常规方法制作完成全口义齿。无牙颌患者戴用全口义齿，在牙尖交错位紧咬牙时，采用美国Picker公司PQ6000型螺旋CT断层扫描机对患者下颌骨及双侧TMJ进行扫描，患者仰卧位，扫描从TMJ关节窝顶上方1 mm到颏部连续横断63层，层厚1.0 mm。在计算机上利用二值化和边界提取图像处理技术和surfacer, ANSYS 软件构建颞下颌关节包括下颌骨的实体模型和三维有限元模型，共生成142 158个单元和29032个节点。模型中的各种材料均视为各项同性同质连续的线弹性材料，且符合小变形条件[2-3]。在左右侧关节盘上表面和下颌角加固定约束，取全口义齿患者最大力的均值[4]在下颌骨模型双侧后牙相应位点垂直加载。将左右侧髁突分为前斜面、后斜面、外侧和内侧，且分别记为前、后、内、外四个部分[5]，并将各区域再分为上1/2(近髁突顶区)和下1/2(近髁突颈区)进行观察。有限元分析采用ANSYS V8.0软件进行分析运算。

　　2 结果

　　构建了包括皮质骨、松质骨、关节盘在内的无牙颌包括下颌骨和TMJ三维有限元模型。该模型在边界设置、载荷方式以及载荷量方面，真实代表了口内情况，是无牙颌下颌骨及TMJ应力分析研究较理想的三维有限元模型(图1)。

　　采用ANSYS V8.0有限元结构分析程序软件，对观测区域的最大主应力、最小主应力和Von Mises应力进行分析运算(表1-表3)。结果显示：髁状突表面拉、压应力并存。髁突近颈部应力力值明显大于近顶区。前、后斜面由外向内力值逐渐减小;外、内侧由前向后力值逐渐减小。前斜面、外侧上1/2以压应力占主导地位，下1/2以拉应力为主，下外侧为主要应力集中区。后斜面、内侧上1/2以拉应力为主，下1/2以压应力为主，后斜面应力值小于前斜面。表1 牙尖交错位紧咬牙时无牙颌髁状突表面最大主应力的分布(略)表2 牙尖交错位紧咬牙时无牙颌髁状突表面最小主应力的分布(略)表3 牙尖交错位紧咬牙时无牙颌髁状突表面综合应力的分布(略)

　　3 讨 论

　　3.1 TMJ模型的建立

　　有限元最基础而又最关键的工作是有限元模型的建立[5]。为了使研究结果具有广泛的代表性，本研究建模初运用统计学原理，在无牙颌病例筛选方面借鉴了欧阳官等[1]的统计数据。因为采用的统计数据为大样本计算后获得的平均值，在一定可靠系数下可以代表大多数无牙颌人群的解剖形态。避免了在样本选择方面的随意性，以及个体差异对实验结果的影响。因而，所建模型可靠。

　　有限元模型与原物的几何相似性是生物力学研究的基础和重点，建立的有限元模型要求是具有满意的形态还原性。本研究模型来源于活体，采用螺旋CT断层扫描(层厚仅1 mm)和计算机技术，数据采集准确，方法先进，从生成的单元数、节点数可看出所建模型自动网格分化较细，具有良好的实物相似性。所建模型可被任意旋转，在三维空间内可依据需要的任何角度进行观察。模型可自动地移去影像上的某一部分，也可任意删除单元层面或某部分，并以任何需要的方式进行观察。模型可任意切割，可以选择感兴趣的方式去分析观察并直观看到内部应力的分布状况。模型还可按照给定的条件，完成添加单元的要求。可以作为无牙下颌骨及TMJ生物力学分析较为理想的三维有限元模型，为不同垂直距离无牙颌患者TMJ有限元分析奠定了良好的基础。

　　3.2 髁状突表面的应力分析

　　牙列的颌间支持是维持颞下颌关节结构正常的基础，全牙列缺失后直接影响到TMJ的组织健康。全口义齿修复的目的除恢复丧失了的咀嚼功能外，同时还重建了关节内的结构关系，垂直距离的恢复是颌位记录的重要内容之一。垂直距离高度恢复的正确关系，直接影响修复效果。本研究取2 mm息止颌间隙，常规制作全口义齿，经试戴后患者满意舒适。X线显示：髁突在关节凹内基本为居中位置，符合多数学者对正常人下颌骨髁突位置研究的结果。

　　虽然有限元运算方法应用于口腔医学研究中已有多年的历史，其中已经有许多学者对正常人TMJ应力分布特点变化规律等进行了研究报道。研究认为[2]应力集中区多位于髁突前斜面。胡凯等[6]对正常人TMJ研究结果认为，正中咬合时髁突位移最大，表明作用于下颌骨的肌力或外力对髁突的影响最为明显。TMJ内各结构的拉压应力由其相互接触面传递，分散至关节内各组织，其作用部位主要集中在关节前、内侧。在各种应力分布中，髁突的力值均大于关节盘，进一步说明髁突是受力的关键部位。孙健等[7]研究结果显示，髁突颈部为应力集中区。但是，关于模拟正中咬合的载荷对无牙颌TMJ应力影响的研究尚未见到报道。正中咬合是咬合运动的最主要的形式[8]，咀嚼、吞咽等口腔功能活动都与正中咬合密切相关。

　　本实验结果显示：无牙颌患者正中咬合时TMJ内应力分布为髁突各区域拉、压应力并存，其应力类型及值的大小变化与功能载荷下各区解剖形态、力载方向、大小等有关。前斜面压应力占主导地位，前外侧应力高于前内侧，前上应力低于前下，前上部(靠近髁突顶)压应力占主导地位，前下(近髁突颈部)以拉应力为主。后斜面上部拉应力占主导地位，后下主要为受压区，应力值小于前斜面。外侧下部以拉应力为主，外上以压应力占主导地位。内侧前应力高于内后，内上部应力低于内下，内上拉应力占主导地位，内下以压应力为主。髁突总体应力分布趋势为：从外向内应力渐小，从前向后应力渐小，从上向下为增大趋势，即主要应力集中在关节前外侧，也就是通常意义上的关节功能区，符合正常人TMJ功能特点，并与国内外许多学者对正常人TMJ研究的结果一致。因此，研究无牙颌患者H-2位，正中咬合载荷下髁状突表面各区的应力分布状况，对于了解配戴适宜高度全口义齿行使咀嚼功能时，TMJ内特别是髁状突的生物力学特征具有重要意义。

　　【参考文献】

　　[1]欧阳官. 522例无牙颌模型的测量统计与定型 [J]. 临床口腔医学杂志, 1987, 3(2):87-93.

　　[2]白乐康，安虹，杜斌. 无牙颌患者垂直距离对髁状突前斜面应力分布的影响 [J]. 口腔医学, 2007, 27(2):67-69.

　　[3]Tanne K, Tanaka E, Sakuda M. Stress distribution in the temporomandibular joint producdic by orthopedic chin cup forces applied in varying directions. A three dimensional analytic approach with the finite element method [J]. Am J Orthod Dentofacorthop, 1996, 110(6):502-503.

　　[4]王雅北，张桂云，周敬行. 上颌总义齿的力测定及分析 [J]. 实用口腔医学杂志, 1989, 5(2):91-93.

　　[5]赵经文，王宏钰. 结构有限元分析 [M]. 第二版. 北京：科学出版社，2001:1-3.

　　[6]胡凯，张晔缨，柳青明. 模拟功能咬合时人颞下颌关节内的应力分布特征和位移特征 [J]. 解放军医学杂志, 2003, 28(1):63-65.

　　[7]孙健，张富强，王冬梅，等. 三种加载方式下正常人下颌骨三维有限元应力分布分析 [J]. 上海口腔医学, 2004, 13(1):41-43.

　　[8]王美青，张旻，王一兵. 七种不同型对颞下颌关节应力影响的三维有限元分析 [J]. 中华口腔医学杂志, 2004, 39(3):242-244.