有限元分析在正頜手術(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)的影響的應(yīng)用研究進(jìn)展

雷濟(jì)菘，高 翔，王 濤

（1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，重慶，401120；2.口腔疾病與生物醫(yī)學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，401120；3.重慶市高校市級口腔生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，401120）

正頜外科手術(shù)被廣泛用于治療牙頜面畸形以改善患者的頜面部外貌及功能[1]。根據(jù)不同類型的頜面部畸形，正頜外科采用不同的手術(shù)方式，包括下頜升支矢狀劈開術(shù)（SSRO）、上頜骨LeFort I型截骨術(shù)、節(jié)段截骨術(shù)、頦成型術(shù)等等。LeFort I型截骨術(shù)通常與SSRO聯(lián)合使用，是目前最常使用的矯正牙頜面畸形的手術(shù)方法。然而，手術(shù)通過改變頜骨位置關(guān)系、改善外形功能的同時，也對顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。顳下頜關(guān)節(jié)(TMJ)作為人體唯一的雙側(cè)聯(lián)動關(guān)節(jié)，顳下頜關(guān)節(jié)具有復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，與相關(guān)肌肉協(xié)同工作，每天進(jìn)行超過2000次的口腔功能性運(yùn)動[2]。由于其復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式，顳下頜關(guān)節(jié)極其容易受到損傷或?qū)е挛蓙y疾病，其主要的癥狀表現(xiàn)為關(guān)節(jié)的疼痛，彈響及運(yùn)動功能障礙[3]。目前對顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病展開了諸多研究[4-7]，關(guān)于正頜外科手術(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)的影響存在著不同的觀點(diǎn)；一些學(xué)者認(rèn)為，即使在設(shè)計手術(shù)時并未考慮顳下頜關(guān)節(jié)的形態(tài)學(xué)改變，正頜手術(shù)依舊可以通過恢復(fù)上下頜骨的正常生理關(guān)系，有效改善或緩解顳下頜關(guān)節(jié)紊亂的癥狀[8,9]。W.B.Kretschmer等人的一項(xiàng)回顧性研究也指出：正頜外科手術(shù)有助于改善顳下頜關(guān)節(jié)紊亂的癥狀，但仍存在少部分患者術(shù)后反而出現(xiàn)了TMD[10]。正如另一部分學(xué)者認(rèn)為，正頜外科手術(shù)能導(dǎo)致關(guān)節(jié)盤的位置形態(tài)發(fā)生改變，反而增加了顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)的負(fù)荷，從而繼發(fā)顳下頜關(guān)節(jié)紊亂、損傷等并發(fā)癥[11,12]。也有報道認(rèn)為正頜外科對顳下頜關(guān)節(jié)的癥狀的改善并不明顯[13]。盡管存在較大的爭議，但隨著越來越多的患者追求正頜外科手術(shù)改善外貌及功能，該研究仍備受關(guān)注。Bingmei Shao等人通過對TMD患者的顳下頜關(guān)節(jié)的有限元分析，研究初步揭示了顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病與應(yīng)力分布之間的關(guān)系，當(dāng)顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)域應(yīng)力分布異常時，可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)盤的緩沖能力下降，進(jìn)而引發(fā)TMD[14]。從生物力學(xué)的角度來看，顳下頜關(guān)節(jié)處的應(yīng)力集中導(dǎo)致的超負(fù)荷是導(dǎo)致顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的主要原因。但是由于研究方法的局限性及道德倫理問題，直接在活體上進(jìn)行研究其應(yīng)力的大小與分布十分困難，目前較為廣泛使用的方法為有限元分析法。有限元分析法的出現(xiàn)使得學(xué)者們于正頜外科手術(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)的影響的探究更加深入。

1 三維有限元分析簡介

1.1 基本原理和方法

三維有限元分析（three-dimensional finite element analysis）簡稱有限元分析（FEA），是一種計算機(jī)模擬技術(shù)，用于研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)行為。它基于有限元法的基本原理和方法，通過將結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)量的單元，建立數(shù)學(xué)模型，并解析求解得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等信息。是一種靈活、準(zhǔn)確的工程分析方法，可以應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究和設(shè)計優(yōu)化。它在航空航天、汽車工程、建筑工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.2 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用概述

自1969年Friedenberg首次將有限元分析應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域后[15]。Thresher于1973年將有限元分析引入口腔生物力學(xué)[16]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用并證實(shí)為一種可靠的研究方法[17,18]。有限元分析（FEA）可以預(yù)測復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)在口腔領(lǐng)域(如顳下頜關(guān)節(jié)、頜骨、種植體、正畸等)中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，并已廣泛應(yīng)用于虛擬顳下頜關(guān)節(jié)的生物力學(xué)的條件?？谇簧锪W(xué)是專門研究口腔頜面部生理、病理及矯治修復(fù)變化運(yùn)動修復(fù)規(guī)律的一門學(xué)科[19]。

1.3 模型構(gòu)建和分析

現(xiàn)目前主流的的方法為利用患者的術(shù)前術(shù)后的CT或MRI數(shù)據(jù)建模，并借助一系列軟件如mimics，geomagics，ansys，solidworks，abaqus等。通過對上下頜骨、牙齒、關(guān)節(jié)盤等各解剖結(jié)構(gòu)的重建、細(xì)節(jié)處理、網(wǎng)格劃分、裝配，得到其三維有限元模型，賦予模型各個材料的參數(shù)以及個結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系，設(shè)置力學(xué)條件如力值的數(shù)量、大小、方向等，然后固定邊界，最后進(jìn)行力學(xué)計算分析。

2 有限元分析在正頜手術(shù)對TMJ 的影響的應(yīng)用研究

2.1 手術(shù)方式

研究不同的正頜手術(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)的影響，可以為醫(yī)生選擇合適的手術(shù)方式提供參考與指導(dǎo)，從而減少了正頜外科手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生，并提升治療效果。Haotian Luo、Haidong Teng等人探究了不同的正頜手術(shù)術(shù)式對顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)生物力學(xué)環(huán)境的影響，他們利用24名牙頜面畸形的患者的術(shù)前術(shù)后CT（其中10名患者行雙側(cè)下頜升支矢狀劈開手術(shù)，14名患者行雙側(cè)下頜升支矢狀劈開術(shù)+上頜骨LeFort I型截骨術(shù)），并與另外14名正常的對照組進(jìn)行了有限元分析，研究得出以下結(jié)論：首先，與以往的研究一致，牙頜面畸形的患者的顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)存在易產(chǎn)生退行性變的高應(yīng)力的區(qū)域；其次，該此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對象術(shù)前術(shù)后的關(guān)節(jié)盤的應(yīng)力無明顯增加，但顳骨處的生物力學(xué)環(huán)境得到了改善，可促進(jìn)顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)的穩(wěn)定性。最后，該研究表明雙頜手術(shù)使得雙側(cè)關(guān)節(jié)盤之間的接觸更加平衡，改善了雙側(cè)關(guān)節(jié)盤的不對稱應(yīng)力分布。這一結(jié)果證實(shí)了與單頜手術(shù)相比，雙頜手術(shù)更有利于維持雙側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)的平衡與穩(wěn)定的生物力學(xué)環(huán)境[20]。另外，Bingmei Shao,Annan Li等人同樣通過有限元分析研究了單頜手術(shù)與雙頜手術(shù)的患者術(shù)前術(shù)后顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)的應(yīng)力分析，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雖然頜面部畸形得到了顯著改善，但并不一定能改善顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的癥狀。部分患者術(shù)后雙側(cè)顳下頜區(qū)域的生物力學(xué)環(huán)境仍并不平衡，這與正頜手術(shù)后顳下頜關(guān)節(jié)的位置關(guān)系變化密切相關(guān)[21]。此外H.Li,N.Zhou等人通過有限元分析研究單側(cè)下頜升支矢狀劈開（USSRO）與雙側(cè)下頜升支矢狀劈開（BSSRO）治療下頜前突伴偏頜的牙頜面畸形對顳下頜關(guān)節(jié)的影響，研究結(jié)果表明下頜前突伴偏頜畸形的患者雙側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)在術(shù)前存在明顯的應(yīng)力不平衡，而相比于BSSRO，USSRO在減少了患者的手術(shù)創(chuàng)傷的同時，同樣能有效改善術(shù)前顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)域的應(yīng)力失衡[22]。

2.2 咬合方式

由于牙頜面畸形患者通常存在偏側(cè)咀嚼的習(xí)慣，因此研究其術(shù)前術(shù)后單側(cè)咬合相比之下顯得更有臨床參考價值。Jingheng Shu等人通過有限元分析研究了下頜不對稱患者術(shù)前術(shù)后的單側(cè)咬合時顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力狀態(tài)，他們認(rèn)為：下頜不對稱的咬合會導(dǎo)致單側(cè)咬合時顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力異常分布和應(yīng)力增加，并可伴有顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的癥狀；而通過雙側(cè)下頜升支矢狀劈開術(shù)（BSSRO）可改善術(shù)后單側(cè)咬合時顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布。與此不同的是，Haidong Teng等人通過有限元分析對下頜后縮患者在雙頜手術(shù)后單側(cè)磨牙咬合（UMC）時顳下頜關(guān)節(jié)（TMJ）應(yīng)力分布的研究，他們的研究結(jié)果顯示：正頜術(shù)后關(guān)節(jié)盤應(yīng)力明顯高于術(shù)前，且單側(cè)咬合對顳下頜關(guān)節(jié)有不利影響[23]。他們研究結(jié)論的不一致可能是因?yàn)椴煌愋脱李M面畸形的患者在正頜外科手術(shù)后其顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)的環(huán)境變化不一致，例如下頜前突的患者在下頜后退后，其關(guān)節(jié)間隙可能會增大，從而導(dǎo)致其應(yīng)力減少；反之下頜后縮畸形的患者，在其行正頜外科手術(shù)將下頜前移后，其關(guān)節(jié)間隙可能會變窄，從而導(dǎo)致其應(yīng)力增大。不過，以上學(xué)者在單側(cè)咀嚼方面的研究結(jié)果均與之前Haotian Luo等人的研究一致，單側(cè)咀嚼時關(guān)節(jié)區(qū)的最大應(yīng)力較雙側(cè)咀嚼時較大，所以倡導(dǎo)盡可能地雙側(cè)咀嚼以減輕顳下頜關(guān)節(jié)的負(fù)荷[20]。

2.3 TMJ 穩(wěn)定性的預(yù)測與評估

有限元分析不僅是一種研究方式，還可以作為手術(shù)效果預(yù)測和評估的工具。有學(xué)者通過有限元分析研究正頜手術(shù)對骨性下頜后縮的治療對顳下頜關(guān)節(jié)的影響：通過三維重建數(shù)據(jù)模擬下頜升支矢狀劈開術(shù)，并將下頜骨前徙距離分別設(shè)置為4，8，10mm，經(jīng)過有限元分析后，得出了以下結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，隨著下頜前徙的距離的增加，其髁突前斜面應(yīng)力不斷減少，但同時關(guān)節(jié)窩的應(yīng)力有明顯的增加[24]。Jingheng Shu等人通過一例下頜前突患者術(shù)前術(shù)后的CT建立有限元模型，通過與數(shù)字化虛擬改良手術(shù)后建立的有限元模型進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)：對于下頜前突的牙頜面畸形患者，BSSRO手術(shù)能有效降低顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)處的應(yīng)力；此外，與術(shù)前術(shù)后的顳下頜關(guān)節(jié)應(yīng)力分析相比之下，數(shù)字化模擬改良手術(shù)中的顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)應(yīng)力分布更均勻，無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象[25]。Ma H等人通過有限元法對下頜前突畸形的治療的研究，認(rèn)為顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病癥狀的發(fā)生可能與兩側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)之間的不對稱的應(yīng)力有關(guān)。SSRO已被證明能夠改善顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布，并在一定程度上緩解顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的癥狀。但是對于治療下頜前突患者顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病癥狀SSRO的效果有限的[26]，可能是因?yàn)槠滹D下頜關(guān)節(jié)已經(jīng)因?yàn)殚L期的應(yīng)力分布異常引發(fā)了退行性變。

3 有限元分析在正頜手術(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)影響研究中的優(yōu)劣與展望

有限元分析在于在難以進(jìn)行活體研究的當(dāng)下具有一定的優(yōu)勢。學(xué)者可以通過有限元分析研究正頜手術(shù)對顳下頜關(guān)節(jié)的影響的趨勢，在考慮多個變量因素的時候，研究者可以通過調(diào)整參數(shù)和自由的修改實(shí)驗(yàn)設(shè)計來評估多種解決方案，并可以進(jìn)行多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，以獲得最佳結(jié)果。這種方法促進(jìn)了醫(yī)工結(jié)合，提升了患者的治療，減少了手術(shù)風(fēng)險，真正實(shí)現(xiàn)了科研向臨床的轉(zhuǎn)化，這是大多單一臨床試驗(yàn)都無法做到的。

然而，有限元分析也存在一定的缺點(diǎn)。目前學(xué)術(shù)界未能制定一套有限元分析的標(biāo)準(zhǔn)方法，其原因可能是不同學(xué)者使用用建模方法與思路并不相同，不同掃描儀器的掃描精度也不同，因此難以形成統(tǒng)一的有效性驗(yàn)證方法和標(biāo)準(zhǔn)。另外，人體擁有復(fù)雜且精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，各個結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系也復(fù)雜多變，這也導(dǎo)致了有限元分析與實(shí)際情況上產(chǎn)生了差異。此外，過去的口腔頜面部有限元的研究大多基于模型為線性、均質(zhì)、各向同性材料的設(shè)定，然而實(shí)際上都為非線性、各向異性的物質(zhì)，這也使得有限元法的研究未能準(zhǔn)確反映物理相似性，不過Tamura、Fujii等人將CT數(shù)據(jù)集的每個像素從Grey單位轉(zhuǎn)換為Hounsfield單位，并使用專門用于該對象的方程，根據(jù)獲得的骨密度計算楊氏模量，這種方法使研究人員能夠區(qū)分頜面部骨骼的更強(qiáng)和更弱的結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)建更逼真的模型[27,28]。

盡管在當(dāng)下利用有限元分析顳下頜關(guān)節(jié)這個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)仍然存在許多困難，其研究結(jié)果難以充分證明其準(zhǔn)確性，只能作為一種趨勢預(yù)測，擁有一定的理論價值，結(jié)論只能給臨床提供參考。但是隨著計算機(jī)新技術(shù)與醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有充分的理由相信有限元法的發(fā)展在未來會有更大的變革與突破，在正頜外科與顳下頜關(guān)系中的探究與應(yīng)用將會越來越廣泛。