有限元法分析常用咬合板對顳下頜關節應力影響

樓 婷，夏衣旦·艾合買提江，馬家平，劉紀元，王星,2

（1.新疆醫科大學第一附屬醫院 附屬口腔醫院 口腔修復科，新疆維吾爾自治區，烏魯木齊市，830000；2.新疆維吾爾自治區口腔醫學研究所，新疆維吾爾自治區，烏魯木齊市，830000）

顳下頜關節病是臨床上常見病癥且發病率呈現出逐年上升之勢，引起了醫學界的高度重視。且該病癥可以發生于任何年齡段，以成年人多見，總體發病率達到了5%～30%[1]。顳下頜紊亂病由多因素引起且發病機制復雜，可由多因素引起。有學者認為在眾多發病機制中生物力學環境因素為其重要的角色之一。絕大多數患者以張口受限、疼痛及關節彈響為主要癥狀表現，影響對咀嚼以及睡眠帶來不利影響，生活質量明顯急劇下降[2]。近年來20 歲～40 歲人群的顳下頜關節病發病率快速增長，使得臨床治療面臨的形勢越發嚴峻[3]。雖然顳下頜關節紊亂病具有自限性的特點[4]，但仍有約3.6%-7.0%的人癥狀較重需要尋求醫療幫助。目前臨床中，顳下頜關節的治療以保守為主，其中包括患者的自我護理、認知行為療法、藥物治療、物理治療和咬合裝置來有效的緩解顳下頜關節的癥狀[5]。咬合裝置為保守治療中的主要方法和工具，也是常用的物理療法。該方法通過增高咬合高度來改變髁突、關節盤與顳骨關節面之間的間隙并在肌肉、韌帶、關節和神經的協同作用下引導下頜骨至治療頜位，從而促進咀嚼系統的恢復。對于改善顳下頜關節功能起到了重要的緩解作用，同時患者的咀嚼功能也得到了顯著的改善[6]。

有限元分析已經成為口腔醫學的重要助力，通過力學研究能夠更好地開展口腔疾病的治療，為取得預期治療效果提供有力的保障[7]。因此在顳下頜關節病中有限元分析能夠全方位的獲取口腔結構和形態、應力分布情況以及頜關節負荷，從而形成更為精確的三維模型，并且每個部位均可以單獨計算所得，在計算機技術輔助下迅速得出客觀的、較為真實的結果，以更好的指導臨床治療工作[8]。

本研究旨在利用三維有限元分析方法探索不同咬合板對顳下頜關節的應力分布影響。我們將比較模擬未使用咬合板、模擬使用穩定型咬合板、模擬使用松弛型咬合板及模擬使用樞軸型咬合板時顳下頜關節髁突、關節盤和顳骨關節面上的應力大小變化。這些研究結果將有助于更好地理解不同咬合板對顳下頜關節穩定性和功能的影響，為顳下頜關節疾病的治療提供科學的依據。

1 研究與方法

1.1 研究對象

本研究選擇一名咬合關系正常，面部對稱，牙列完整，磨牙中性關系，顳下頜關節無癥狀，髁突無吸收的16 歲女性，拍攝CBCT。在CBCT檢查時叮囑其取站立位，通過大視野（16 cm×8 cm）獲取數據信息，標準模式下拍攝，正中線與其面部正中相對應，側面中心線則處于第一磨牙附近，下頜不低于下邊緣線，同時上邊緣保證成像區域能覆蓋上頜牙齒的牙根。采集相應的參數后以DICOM格式保存在儀器存儲模塊之中，傳輸至計算機后自動處理。

1.2 試驗方法

通過CBCT獲取受試者影像學資料后構建三維有限元模型。將CBCT檢查結果以及獲取的參數信息以DICOM格式導入Mimics后建立三維有限元模型（見圖1）。利用Geomagic Studio 12 對形成的三維有限元模型進行修復并實體化處理。通過Hypermesh軟件構建三維有限元網格模型后于髁突表面處進行處理，模擬增加2mm的關節盤，并模擬生成三種咬合板并設計工況（見圖2），工況1：不帶咬合板；工況2：穩定型咬合板（Stabilization occlusal splint）：上頜全牙列咬合板；工況3：松弛型咬合板（relaxation splint）：前牙平面咬合板；工況4：樞軸型咬合板（pivot splint）：第二磨牙（樞軸點）上有接觸關系，并配合頦兜產生牽引力，在前牙咬合時令髁突向下方旋轉。載荷邊界條件是將上頜骨約束住6個方向自由度，包括三個方向平移和三個方向轉動，工況1-工況3時在下頜骨前牙至磨牙段加載平行與牙長軸方向100N的力，工況4時在下頜骨前牙段加載平行與牙長軸方向100N的力（模擬頦兜），采用Abaqus進行進一步的分析。

圖1 模型建立

圖2 模擬咬合板

實驗材料生物力學參數[9-12]：骨骼，彈性模量13700 Mpa，泊松比0.3；關節盤，彈性模量44.1 Mpa，泊松比0.4；咬合墊，彈性模量18.0 Mpa，泊松比0.3。

1.3 主要觀察指標

利用軟件在工況1-4時加載一定大小及方向的力后分別對比不戴咬合板、穩定型咬合板、松弛型咬合板以及樞軸型咬合板這四種工況下關節盤、髁突、顳骨關節面的受力的應力變化，同時與既往文獻做相關對比分析。

2 結果

2.1 應力及位移數值表（表1-3）及云圖（圖3-5）

表1 關節盤應力及位移數值表

表2 髁突應力及位移數值表

表3 顳骨關節面應力及位移數值表

圖3 關節盤云圖

圖4 髁突云圖

2.2 應力變化規律分析

如表1-3示，工況1至工況4在應力變化規律方面，表面應力分布趨勢大致相同，僅應力大小有區別。從各種加載的工況分析中可以看出，工況2、3、4時關節盤應力（Von Mises）分別為0.0385841MPa；0.0417407 MPa；0.0376532 MPa、髁突表面的應力（Von Mises）分別為0.166961 MPa；0.199464 MPa；0.122539 MPa，顳骨關節面的表面應力（Von Mises）分別為0.166961 MPa；0.279022 MPa；0.132624 MPa均較工況1關節盤表面應力（Von Mises）0.0458677 MPa；髁突的應力（Von Mises）0.214859 MPa；顳骨關節面的表面應力（Von Mises）0.344884 MPa均所有減小，其中關節盤應力（Von Mises）分別減小15.9%；10.7%；17.9%，髁突表面應力（Von Mises）分別減小27.7%；7.2%；42.9%，顳骨關節面表面應力（Von Mises）分別減小51.6%；19%；61.5%。

2.3 位移變化規律分析

如表1-3 示，工況1-工況4 位移的變化和應變變化規律類似，通過模擬不同類型咬合板的工況條件下，工況2、3、4 時關節盤位移（U U3）分別為：-0.0125476mm、-0.193314mm、-0.231424 mm，髁突位移（U U 3）分別為：-0.00579231mm；-0.00655021mm；-0.27414145mm；顳骨關節面位移（U U3）分別為：-1.25542mm；-1.05053mm；-2.80067mm均較工況1關節盤位移（U U3):5.57897mm；髁突位移(U U3):0.00220801mm；顳骨關節面位移(U U3)1.17161mm;關節盤位移(U U3)分別減小:5.5915176mm;5.772284mm;5.810394mm，髁突位移(U U3)分別減小0.00800032mm；0.0875822mm；0.27634946mm，顳骨關節盤位移(U U3)分別減小：2.42703mm；2.22214mm；3.97228mm。

3 討論

3.1 有限元分析的局限性

三維有限元能夠通過對復雜的機械性能進行探查，將獲得的數據信息進行數學轉化，最終獲取較為精確的計算結果。同樣人體骨骼所具有的機械性能亦無法通過體內檢查做出定性與定量的分析，因此學者們認為三維有限元分析非常適用于醫學領域[13]。通過本文中的位移數據得出:位移變形最大的為關節盤,顳骨關節面次之,髁突最小。而以往研究表明顳下頜關節中髁突的形變最大，關節盤次之，顳骨關節面最小[14]。與本研究結果不同，考慮可能與以下幾方面因素有關：關節盤厚度設定參數差異。既往研究[15]通過MR所得出的數據中關節盤的厚度在2.1～2.2mm之間，而本報告中則設定為2mm，沒有真實的、客觀的、完整性的還原出關節盤各部分厚度導致髁突位移受限，由此使得髁突位移變化更小。三維有限元分析是對個體化生物學參數的仿真模擬計算，并不能夠百分之百的還原出各項參數信息，其所得出的計算結果雖然與實際高度接近，但依然無法全面的呈現出TMD結構真實情況，還需結合體內外實驗，力學與理論數學模型計算結果相互印證以檢驗結果的可靠性。既往研究[16]三維有限元的資料來源于一名患顳下頜關節紊亂病的患者。分別拍攝戴咬合板治療前及治療三個月后的雙源CT來建立三維有限元模型進行研究并根據其得出的參數構建三維有限元模型，數值的變化具有階段性、動態性特點。本試驗則是選擇顳下頜關節健康的受試者，通過軟件模擬不同咬合板，探究三種咬合板對顳下頜關節的生物力學環境因素的影響，此種方法可以排除了其他干擾因素，且在研究過程中不會與患者進行直接接觸，避免對患者本身造成影響[17]。此外三維有限元可以很好還原組織的部分非線性和各向異性特點，數據結果具有良好的準確和可靠性[18]。

3.2 各類咬合板在顳下頜關節紊亂病中的應用

穩定型咬合板在臨床中十分常用，覆蓋全牙列，上頜與下頜均可以佩戴，與對頜牙呈均勻點狀接觸，無尖窩交錯關系，前牙為輕咬合。常用于肌功能亢進、肌痙攣以及頜位關系異常等，該咬合板也可以用于夜磨牙及緊咬牙[19]。

松弛型咬合在上頜腭側形成一個平面使下前牙能夠與咬合板點狀接觸，上下頜后牙無接觸且分離約2mm，避開咬合干擾，并阻斷牙周組織感受器獲得的異常信號傳入，松弛神經網以及咬合肌肌力水平，重新調整下頜位置，常用于咀嚼肌功能紊亂以及頜位的不穩定的治療。

樞軸型咬合板也是覆蓋整個牙列，但與穩定型咬合板不同的是佩戴時需要在咬合板上加高第二磨牙區的厚度，保證全口只有第二磨牙能夠和對頜牙形成穩定的尖窩接觸關系，而其他牙齒均處于分離狀態。多被用于不可復性關節盤移位的治療。

3.3 臨床指導意義

本報告構建三維有限元模型后發現佩戴穩定型咬合板、松弛型咬合板、樞軸型咬合板后均有助于降低顳下頜關節的應力水平，但不同咬合板的應力改善效果卻不盡相同，其中樞軸型咬合板的應力改變更為明顯，短時間內即可以恢復正常的下頜關節活動度并可有效地消除疼痛[20]。松弛型咬合板的作用效果明顯優于穩定性咬合板[21]。究其原因在于松弛型咬合板可以有效避開咬合干擾，增加張口反射，松弛升頜肌并活躍降頜肌，故咀嚼肌緊張患者更為適用于該咬合板[22]。

3.4 結論

綜上所述，在構建顳下頜關節的三維有限元模型以及模擬佩戴穩定型咬合板、松弛型咬合板、樞軸型咬合板后對比應力改善效果，發現三者均可以取得較好的效果，模型驗證結果與以往文獻報道基本相吻合，但是在具體的數值上存在差異性。在明確三種咬合板對顳下頜關節應力改善效果后可以豐富現有研究體系內容，并為今后臨床治療提供有力的指導。