咬合抬高對顳下頜關節區應力分布及位移影響的有限元研究

花金龍，趙 東

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

顳下頜關節（temporomandibular joint）的生長和重建與其所受的應力有關，耠力在齒槽接觸面上的傳遞和分解，最后傳遞到顳下頜關節，所以顳下頜關節的應力變化與咬合接觸有直接的聯系。本研究通過建立反映嚙合接觸的三維有限元模型來模擬正常拾與單側后牙反拾的咬合接觸，比較正常和單側后牙反拾咬合接觸對應力分布的影響，現報道如下。

1 對象與方法

1.1 研究對象 選取2022年4月寶雞市口腔醫院的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。本研究對象均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 數據采集 ①CT：通過CT（120 KV，175 mA，Siemens Somatom Plus 2，SiemensAG，德國）獲取全部頭顱資料；CT掃描參數：掃描間隔1.25 mm，重構厚度0.3 mm，分辨率512像素；在掃描時，受試者將牙尖交叉移位（ICP）取出；②錐形束CT：通過錐形CT（加利利歐，西羅納系統，德國，21 mA)，獲取雙側髁突關節窩和下頜牙列的資料。錐形束CT掃描參數：掃描間隔0.25 mm，重構厚度0.25 mm，分辨率640×640像素；③三維建模：通過模型三維掃描（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加權回聲序列，重復次數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：通過T-Scan容器（T-Scan I，Tekscan，USA）獲取受試者ICP下最大力量的一幀應力曲線，并以JPEG格式存儲。將初步構建的3D模型引導人Geomagicstudio（美國3D Studio 2013，USA)，牙根向外側移動0.2 mm，下頜骨向內側移動1.5 mm，髁突和關節窩0.2 mm。將重構后的各個部件的模型引入NX（Unigraphics NX8.5，Siemens，Germany），以確定各個部件之間的位置關系。在該模型中，使用一個完整的頭部三維模型來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、關節窩和關節盤。

1.2.2 確定咬合接觸的個人化 用單反照相機（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第二磨牙遠中的咬合接觸點位置相重疊，從而將咬合接觸的初始恢復到拾平面上。再用咬合紙對受測者口腔進行進一步觀察，并參照石膏模型咬合接觸點的磨損表面，逐步確定每個咬合點的位置和范圍。本步驟由一名有多年臨床調節性手術經驗的顳下頜關節病外科醫生執行，以保證在齒面上咬合接觸點的精確程度。為了模擬單側后牙反拉咬合的接觸，根據牙體學和排牙試驗的結果，將左下后牙（4567）的咬合接觸點移動到舌前頰斜面。

1.2.3 有限元模型 在Ansys軟件（Ansys workbench 13，USA）中對網格進行分割，獲得包含下頜骨、下牙列、牙周膜、關節窩和關節盤的有限元模型。

1.3 觀察指標 根據4對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，其數值是37 N/m/m/m，肌肉的橫截面面積和肌力。統計顳下頜關節有限元模型各部位應力（包括VON MISES應力、最大應力、最小應力）。應力計算公式是σ=W/A（kg/mm），其中W是拉伸或壓縮載荷（kg）；A是截面積（mm）。

2 結果

單側后顳下頜關節頂部及正常、單側顳下頜關節表面的最大主應力為正值，最小主應力為負值，且正常、單側顳下頜關節表面的VON MISES應力、最大應力、最小應力無差異，見表1。

表1 顳下頜關節有限元模型各部位應力比較（n，MPa）

3 討論

顳下頜關節具有復雜的幾何形態，存在材料性能力和力學環境的不確定性，顳下頜關節的負荷對其正常的生理功能以及相關疾病的形成具有一定的意義。當下，臨床上關于顳下頜關節的空間接觸方式尚不明確，而研究顳下頜關節的應力變化對于探索相關應力變化和了解顳下頜關節的力學環境具有重要意義。而相關研究顯示，顳下頜關節的應力變化與咬合接觸存在密切的聯系。

本研究結果顯示，單側后顳下頜關節頂部及正常、單側顳下頜關節表面的最大主應力為正值，最小主應力為負值，表明其處于壓應力和拉應力的中間。關節前斜面、關節后斜面和關節盤帶的關節內均存在較大的應力集中，提示與正常人比較，單側后牙反拾側的應力值無顯著性差異，而反側應力顯著增加。此外，本研究結果發現，正常牙和單側后牙的應力分布規律基本一致，而單側后牙的應力分布更為不規則。張淵研究表明，關節窩邊界被固定，相應于真實咬合接觸區的抓面上表面被固定，以模擬嚙合接觸狀態。正常情況下，只有左下后牙的約束位置不同，與單側后牙的反咬力有很大的區別。顳下頜關節的內應力從下往下逐漸降低，這與壓力在顳下頜關節內的傳導有關。髁突前部是一個總是受壓的區，其承受的壓力最大，而髁突后斜是一個總是受拉區，其應力值比前部顯著降低；上部和兩側的應力性質介于壓應力和拉應力之間，應力性質從前面到后面從壓應力到拉應力。

綜上所述，基于個體化咬合接觸的顳下頜關節三維有限元模型，其應力分布對咬合接觸變化具有較高的敏感性，而單側后牙反張引起的不正常咬合接觸會引起較大的應力集。