骨性患者下頜力學分析

1、骨性患者下頜力學分析     本文作者：倪峰 丁寅 劉瑩 柏全民 孫伯陽 單位：第四軍醫(yī)大學口腔醫(yī)學院正畸科 西安交通大學 解放軍南京軍區(qū)機關(guān)醫(yī)院骨性偏頜畸形是由于上下頜骨左右不對稱形成的顏面部畸形，以上下頜側(cè)方關(guān)系不調(diào)，牙中線不一致，頦部偏斜為主要臨床特征的一類復雜畸形。它嚴重影響患者容貌、咀嚼、發(fā)音功能，給患者生理及心理造成巨大的壓力，而且常造成患者雙側(cè)顏面不對稱及關(guān)系紊亂1。顳下頜關(guān)節(jié)(temporomandibularjoint，TMJ)是人體最復雜的關(guān)節(jié)之一，對它的研究一直是口腔醫(yī)學專業(yè)的熱點。由于研究方法和手段的限制，對TMJ生物力學行為的認

2、識一直未取得令人滿意的成果。隨著有限元理論分析方法在這一領域的應用，對TMJ的應力分布及其變化規(guī)律有了初步認識。然而，至今尚未見到有關(guān)于骨性偏頜患者顳下頜關(guān)節(jié)力學分析的報道。本研究利用三維有限元模型進行了骨性偏頜患者顳下頜關(guān)節(jié)生物力學的分析。1材料和方法11實驗對象和三維影像的獲取選取臨床1例因偏頜求治的女性患者，21歲?；颊邿o頜面部外傷史，無系統(tǒng)疾病史，無正畸史。面部不對稱，頦部偏右約3mm。拍攝頭顱后前位片和側(cè)位片，以及進一步的三維計算機斷層掃描重建(圖1)，發(fā)現(xiàn)患者右側(cè)升支相對左側(cè)較短;上頜平面和下頜平面圍繞矢狀軸旋轉(zhuǎn)，導致平面傾斜(左低右高)。對患者進行CT和MRI檢查，獲取三維影像。

3、通過螺旋CT掃描裝置(SiemensSomatomPlus2，SiemensAG，Munich，Germany;120kV，175mA)獲取患者CT數(shù)據(jù)。CT掃描間的距離為060mm，平面分辨率032mm/像素，總共得到了219層圖像。通過15特斯拉的磁共振成像掃描儀(SiemensMagnetomVisionPlus，Germany)獲取患者的MRI數(shù)據(jù)。MRI掃描的參數(shù)是T1加權(quán)自旋回波序列、800ms的重復時間，層面厚度為4mm，而且層面間沒有間距。12建立包含顳骨、下頜骨和關(guān)節(jié)盤三維有限元模型將CT的數(shù)據(jù)通過Mimics軟件中進行組織分離，得到各層影像上頜骨和下頜骨包括牙齒的基本輪廓，

4、并生成相關(guān)的stl格式的點云文件。采用達索公司生產(chǎn)的CADTIA軟件，運用逆向工程的方法，擬合出實體的三維結(jié)構(gòu)模型，并確定坐標軸(圖2)。將模型導入Ansysworkbench軟件中，網(wǎng)格劃分得到有限元模型。髁突模型表面向外擴展用來填充髁突的邊緣和靠髁突的顳窩區(qū)域的邊緣的間隙，通過模型間布爾運算的方法，得到關(guān)節(jié)盤模型。這樣就得到了包括顳骨、下頜骨和關(guān)節(jié)盤的有限元模型，模型的基本信息為節(jié)點總數(shù)165050，單元總數(shù)102342，單元類型是四面體單元(圖3)。13咀嚼肌的生物力學模型將MRI檢測數(shù)據(jù)導入Mimics參照Koolstra2的方法，以人工勾畫的方式提取出感興趣區(qū)肌肉的外形輪廓。從頭部M

5、RI影像中提取出咀嚼肌的斷層形態(tài)，按其坐標在空間疊加，可以得到肌肉的形態(tài)。將頜骨模型和MRI得到咀嚼肌模型進行疊加和擬合，這樣就可以得到主要咀嚼肌在下頜骨的附著面和各個肌肉橫截面積及兩側(cè)比值。通過肌肉的起止點的中心，并參考肌肉形態(tài)，定出肌肉的作用方向的坐標3。14材料特性選取下頜骨的外層單元作為皮質(zhì)骨，內(nèi)層單元作為松質(zhì)骨。將關(guān)節(jié)窩幾何形狀稍作簡化，均作為皮質(zhì)骨處理。皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)盤等材料常數(shù)參照Tanaka等4的數(shù)值(表1)。模型各部分為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的線彈性材料。15邊界條件對于該有限元模型的邊界條件，所有方向的運動被位于顳骨后緣頂部的節(jié)點所限制，而所有位于顳骨頂部的節(jié)點限制了垂

6、直方向的運動。矢狀向的運動被顴弓和顳骨后部分的節(jié)點所限制。最后，冠狀向的運動被顳骨中部的節(jié)點所限制。咬合面視為只能壓不能拉。2結(jié)果在這個模型中，通過模擬牙尖交錯位來計算加載的方案。咬肌肌力參考Koolstra5和Korioth6研究。偏斜對側(cè)咬肌肌力的最大值定為100N3，其他肌肉的力值通過肌肉橫截面積測量轉(zhuǎn)換得出(表2)。在模擬肌肉負載狀況下，可以觀察到偏斜對側(cè)和偏斜側(cè)的關(guān)節(jié)盤處于不同的受力模式。偏斜對側(cè)的受力部位靠內(nèi)側(cè)，是一種集中的方式;然而偏斜側(cè)的受力部位靠外側(cè)，是一種分散的方式(圖4)。在關(guān)節(jié)窩區(qū)也出現(xiàn)類似的結(jié)果(圖5)?？梢园l(fā)現(xiàn)移到偏斜對側(cè)顳骨的應力集中在顳窩前部和內(nèi)側(cè)，而轉(zhuǎn)移到偏斜

7、側(cè)顳骨的應力分散到顳窩的外側(cè)。這種不同的負荷轉(zhuǎn)移，既反映了非對稱加載，也反映了偏頜患者兩側(cè)髁突的形態(tài)變化。在冠狀面方向的斷面圖中，可以觀察到偏斜側(cè)關(guān)節(jié)窩外側(cè)(顳骨鼓室部分)受力大，偏斜對側(cè)關(guān)節(jié)窩內(nèi)側(cè)受力較大(圖6)。在矢狀面方向的圖中可以看到受力部位均靠前，而且偏斜對側(cè)較偏斜側(cè)集中(圖7)。通過觀察關(guān)節(jié)盤中心區(qū)域的斷面圖，可見其應力變化和在關(guān)節(jié)窩區(qū)出現(xiàn)的結(jié)果類似(圖89)。兩側(cè)關(guān)節(jié)盤的受力和各個方向的分力見表3。3討論本研究發(fā)現(xiàn)，骨性偏頜患者偏斜對側(cè)關(guān)節(jié)盤的受力部位為內(nèi)側(cè)略偏前，偏斜側(cè)關(guān)節(jié)盤的受力部位靠外側(cè)。這與夏碧清等7和BuranastidpornB8在多例偏頜患者MRI中觀察到中度到重度

8、偏頜患者偏斜側(cè)關(guān)節(jié)盤傾向于向外側(cè)移位、偏斜對側(cè)關(guān)節(jié)盤傾向于向內(nèi)側(cè)移位的結(jié)果是一致的。顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病(temporomandibulardisorders，TMD)在牙頜畸形的人群中多發(fā)，很多錯患者存在關(guān)節(jié)盤移位現(xiàn)象。偏頜畸形是頜骨畸形中比較常見的類型，研究表明關(guān)節(jié)盤移位在偏頜患者中發(fā)病率較高，偏頜患者較無偏斜類患者多發(fā)TMD，Ueki等9報告偏頜患者關(guān)節(jié)盤移位的發(fā)病率為568%，而無偏頜的類患者關(guān)節(jié)盤移位發(fā)病率僅為182%。研究發(fā)現(xiàn)，在一般顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)紊亂(temporomandibularjointinternalderangement，TMJID)患者中，關(guān)節(jié)盤內(nèi)外側(cè)移位較少見，但在偏

9、頜患者中卻較為常見10。關(guān)節(jié)盤和關(guān)節(jié)窩的受力，都有偏斜對側(cè)偏內(nèi)和偏斜側(cè)偏外的趨勢，這與兩側(cè)不對稱的咀嚼力通過不對稱的下頜骨傳導至顳下頜關(guān)節(jié)有關(guān)。適當?shù)年P(guān)節(jié)負荷有利于建立和維護關(guān)節(jié)各部分正常的結(jié)構(gòu)和功能，但負荷過大以及由此造成的生物力學不平衡被看作關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)破壞和蛻變的主要因素11。這是導致偏頜患者顳下頜關(guān)節(jié)疾病的生物力學因素。但是偏頜畸形與TMJID的因果關(guān)系尚無定論。有些學者認為TMJID可能是引起髁突生長改變和偏頜畸形的原因之一1213。而有些學者則認為TMJID繼發(fā)于下頜骨不對稱畸形14，面部不對稱會引起TMJ問題。Schellhas等15回顧性調(diào)查了100例偏頜患者的X線片、CT及MRI

10、檢查，發(fā)現(xiàn)患者頦點總是偏向下頜髁突較小或TMD嚴重側(cè)，認為TMJID和退行性關(guān)節(jié)病可能是兒童或青少年下頜骨生長缺陷導致輕度到中度下頜骨不對稱畸形的主要原因。Nakagaw等16發(fā)現(xiàn)青春期女性的下頜骨偏斜與關(guān)節(jié)盤移位相關(guān)，關(guān)節(jié)盤移位會影響下頜骨的生長方向，造成雙側(cè)下頜骨的不對稱改變，包括水平向與垂直向的不對稱畸形。在動物實驗中也證實TMD與偏頜有關(guān)17，Legrell等18通過開放性手術(shù)建立生長期兔單側(cè)不可復性關(guān)節(jié)盤移位的模型，3個月后(生長期結(jié)束之前)發(fā)現(xiàn)該側(cè)下頜骨長度較對側(cè)小，而致頦點偏向患側(cè)。導致TMD的病因很多，但如果偏頜是導致TMD的一個重要原因，那么早期糾正偏頜畸形，使TMJ關(guān)系穩(wěn)定協(xié)調(diào)，即糾正偏頜的各種治療方法包括正畸正頜治療等對TMD將大有幫助。骨性偏頜患者通過正頜手術(shù)，使兩側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)的應力模式發(fā)生改變，趨于平衡，有利于顳下頜關(guān)節(jié)疾病的治療。這可能在ICP緊咬期間提供更均勻的接觸，兩側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)受力趨于