咬合抬高對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)應(yīng)力分布及位移影響的有限元研究

花金龍，趙 東

（1.寶雞市口腔醫(yī)院新福園院區(qū)，陜西 寶雞 721000；2.西安未央海濤口腔門診部，陜西 西安 710000）

顳下頜關(guān)節(jié)（temporomandibular joint）的生長(zhǎng)和重建與其所受的應(yīng)力有關(guān)，耠力在齒槽接觸面上的傳遞和分解，最后傳遞到顳下頜關(guān)節(jié)，所以顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化與咬合接觸有直接的聯(lián)系。本研究通過(guò)建立反映嚙合接觸的三維有限元模型來(lái)模擬正常拾與單側(cè)后牙反拾的咬合接觸，比較正常和單側(cè)后牙反拾咬合接觸對(duì)應(yīng)力分布的影響，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 選取2022年4月寶雞市口腔醫(yī)院的4例正常志愿者，其中男2例，女2例；年齡30～40歲，平均年齡（34.52±2.73）歲。所有研究對(duì)象均有良好的健康狀況，安氏Ⅰ型咬合，牙列完整，尖牙、磨牙Ⅰ型，覆拾覆蓋良好，口腔檢查無(wú)任何干涉，僅有第三磨牙，其他牙排列正常，下牙較小，排除牙體、牙周疾病者。本研究對(duì)象均知情同意并簽署知情同意書(shū)。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 ①CT：通過(guò)CT（120 KV，175 mA，Siemens Somatom Plus 2，SiemensAG，德國(guó)）獲取全部頭顱資料；CT掃描參數(shù)：掃描間隔1.25 mm，重構(gòu)厚度0.3 mm，分辨率512像素；在掃描時(shí)，受試者將牙尖交叉移位（ICP）取出；②錐形束CT：通過(guò)錐形CT（加利利歐，西羅納系統(tǒng)，德國(guó)，21 mA)，獲取雙側(cè)髁突關(guān)節(jié)窩和下頜牙列的資料。錐形束CT掃描參數(shù)：掃描間隔0.25 mm，重構(gòu)厚度0.25 mm，分辨率640×640像素；③三維建模：通過(guò)模型三維掃描（3ShapeR700 Scanner，Denmark，3 Shape Corporate）獲取下頜牙列超硬石膏模型的三維曲面資料；④MRI：利用MRI（MR7503.0T，USA），采集全部頭部的三維圖像，采用T1加權(quán)回聲序列，重復(fù)次數(shù)800 ms，厚度0.5 mm，不存在平面間隔，分辨率392×512像素；⑤T-Scan I咬合試驗(yàn)：通過(guò)T-Scan容器（T-Scan I，Tekscan，USA）獲取受試者ICP下最大力量的一幀應(yīng)力曲線，并以JPEG格式存儲(chǔ)。將初步構(gòu)建的3D模型引導(dǎo)人Geomagicstudio（美國(guó)3D Studio 2013，USA)，牙根向外側(cè)移動(dòng)0.2 mm，下頜骨向內(nèi)側(cè)移動(dòng)1.5 mm，髁突和關(guān)節(jié)窩0.2 mm。將重構(gòu)后的各個(gè)部件的模型引入NX（Unigraphics NX8.5，Siemens，Germany），以確定各個(gè)部件之間的位置關(guān)系。在該模型中，使用一個(gè)完整的頭部三維模型來(lái)決定肌肉的力量方向，而工作模式則包含了下頜骨、下牙列、牙周膜、關(guān)節(jié)窩和關(guān)節(jié)盤。

1.2.2 確定咬合接觸的個(gè)人化 用單反照相機(jī)（EOS 70 D，Canon，日本）照相，在Pholoshop軟件（PhotoshopCS2，Adobe，USA）中，基于下中切齒和下領(lǐng)第二磨牙遠(yuǎn)中的咬合接觸點(diǎn)位置相重疊，從而將咬合接觸的初始恢復(fù)到拾平面上。再用咬合紙對(duì)受測(cè)者口腔進(jìn)行進(jìn)一步觀察，并參照石膏模型咬合接觸點(diǎn)的磨損表面，逐步確定每個(gè)咬合點(diǎn)的位置和范圍。本步驟由一名有多年臨床調(diào)節(jié)性手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的顳下頜關(guān)節(jié)病外科醫(yī)生執(zhí)行，以保證在齒面上咬合接觸點(diǎn)的精確程度。為了模擬單側(cè)后牙反拉咬合的接觸，根據(jù)牙體學(xué)和排牙試驗(yàn)的結(jié)果，將左下后牙（4567）的咬合接觸點(diǎn)移動(dòng)到舌前頰斜面。

1.2.3 有限元模型 在Ansys軟件（Ansys workbench 13，USA）中對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行分割，獲得包含下頜骨、下牙列、牙周膜、關(guān)節(jié)窩和關(guān)節(jié)盤的有限元模型。

1.3 觀察指標(biāo) 根據(jù)4對(duì)咀嚼肌與下頜的連接部位的幾何中心連線，將其與下頜的粘合范圍視為肌力。根據(jù)公式F=K×PCSA，得到肌力，其中PCSA是肌肉組織的橫截面面積，K是肌肉組織的橫截面面積，其數(shù)值是37 N/m/m/m，肌肉的橫截面面積和肌力。統(tǒng)計(jì)顳下頜關(guān)節(jié)有限元模型各部位應(yīng)力（包括VON MISES應(yīng)力、最大應(yīng)力、最小應(yīng)力）。應(yīng)力計(jì)算公式是σ=W/A（kg/mm），其中W是拉伸或壓縮載荷（kg）；A是截面積（mm）。

2 結(jié)果

單側(cè)后顳下頜關(guān)節(jié)頂部及正常、單側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)表面的最大主應(yīng)力為正值，最小主應(yīng)力為負(fù)值，且正常、單側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)表面的VON MISES應(yīng)力、最大應(yīng)力、最小應(yīng)力無(wú)差異，見(jiàn)表1。

表1 顳下頜關(guān)節(jié)有限元模型各部位應(yīng)力比較（n，MPa）

3 討論

顳下頜關(guān)節(jié)具有復(fù)雜的幾何形態(tài)，存在材料性能力和力學(xué)環(huán)境的不確定性，顳下頜關(guān)節(jié)的負(fù)荷對(duì)其正常的生理功能以及相關(guān)疾病的形成具有一定的意義。當(dāng)下，臨床上關(guān)于顳下頜關(guān)節(jié)的空間接觸方式尚不明確，而研究顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化對(duì)于探索相關(guān)應(yīng)力變化和了解顳下頜關(guān)節(jié)的力學(xué)環(huán)境具有重要意義。而相關(guān)研究顯示，顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化與咬合接觸存在密切的聯(lián)系。

本研究結(jié)果顯示，單側(cè)后顳下頜關(guān)節(jié)頂部及正常、單側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)表面的最大主應(yīng)力為正值，最小主應(yīng)力為負(fù)值，表明其處于壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的中間。關(guān)節(jié)前斜面、關(guān)節(jié)后斜面和關(guān)節(jié)盤帶的關(guān)節(jié)內(nèi)均存在較大的應(yīng)力集中，提示與正常人比較，單側(cè)后牙反拾側(cè)的應(yīng)力值無(wú)顯著性差異，而反側(cè)應(yīng)力顯著增加。此外，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常牙和單側(cè)后牙的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，而單側(cè)后牙的應(yīng)力分布更為不規(guī)則。張淵研究表明，關(guān)節(jié)窩邊界被固定，相應(yīng)于真實(shí)咬合接觸區(qū)的抓面上表面被固定，以模擬嚙合接觸狀態(tài)。正常情況下，只有左下后牙的約束位置不同，與單側(cè)后牙的反咬力有很大的區(qū)別。顳下頜關(guān)節(jié)的內(nèi)應(yīng)力從下往下逐漸降低，這與壓力在顳下頜關(guān)節(jié)內(nèi)的傳導(dǎo)有關(guān)。髁突前部是一個(gè)總是受壓的區(qū)，其承受的壓力最大，而髁突后斜是一個(gè)總是受拉區(qū)，其應(yīng)力值比前部顯著降低；上部和兩側(cè)的應(yīng)力性質(zhì)介于壓應(yīng)力和拉應(yīng)力之間，應(yīng)力性質(zhì)從前面到后面從壓應(yīng)力到拉應(yīng)力。

綜上所述，基于個(gè)體化咬合接觸的顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元模型，其應(yīng)力分布對(duì)咬合接觸變化具有較高的敏感性，而單側(cè)后牙反張引起的不正常咬合接觸會(huì)引起較大的應(yīng)力集。