骨性患者下頜力學(xué)分析

1、骨性患者下頜力學(xué)分析     本文作者：倪峰 丁寅 劉瑩 柏全民 孫伯陽(yáng) 單位：第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院正畸科 西安交通大學(xué) 解放軍南京軍區(qū)機(jī)關(guān)醫(yī)院骨性偏頜畸形是由于上下頜骨左右不對(duì)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(fù)雜畸形。它嚴(yán)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(duì)稱及關(guān)系紊亂1。顳下頜關(guān)節(jié)(temporomandibularjoint，TMJ)是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，對(duì)它的研究一直是口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)的熱點(diǎn)。由于研究方法和手段的限制，對(duì)TMJ生物力學(xué)行為的認(rèn)

2、識(shí)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(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)TMJ的應(yīng)力分布及其變化規(guī)律有了初步認(rèn)識(shí)。然而，至今尚未見(jiàn)到有關(guān)于骨性偏頜患者顳下頜關(guān)節(jié)力學(xué)分析的報(bào)道。本研究利用三維有限元模型進(jìn)行了骨性偏頜患者顳下頜關(guān)節(jié)生物力學(xué)的分析。1材料和方法11實(shí)驗(yàn)對(duì)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。患者無(wú)頜面部外傷史，無(wú)系統(tǒng)疾病史，無(wú)正畸史。面部不對(duì)稱，頦部偏右約3mm。拍攝頭顱后前位片和側(cè)位片，以及進(jìn)一步的三維計(jì)算機(jī)斷層掃描重建(圖1)，發(fā)現(xiàn)患者右側(cè)升支相對(duì)左側(cè)較短;上頜平面和下頜平面圍繞矢狀軸旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致平面傾斜(左低右高)。對(duì)患者進(jìn)行CT和MRI檢查，獲取三維影像。

3、通過(guò)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(guò)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(fù)時(shí)間，層面厚度為4mm，而且層面間沒(méi)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(guò)Mimics軟件中進(jìn)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(diǎn)云文件。采用達(dá)索公司生產(chǎn)的CADTIA軟件，運(yùn)用逆向工程的方法，擬合出實(shí)體的三維結(jié)構(gòu)模型，并確定坐標(biāo)軸(圖2)。將模型導(dǎo)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(kuò)展用來(lái)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(guò)模型間布爾運(yùn)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(diǎn)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(xué)模型將MRI檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)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(biāo)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(jìn)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(gè)肌肉橫截面積及兩側(cè)比值。通過(guò)肌肉的起止點(diǎn)的中心，并參考肌肉形態(tài)，定出肌肉的作用方向的坐標(biāo)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(jiǎn)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(duì)于該有限元模型的邊界條件，所有方向的運(yùn)動(dòng)被位于顳骨后緣頂部的節(jié)點(diǎn)所限制，而所有位于顳骨頂部的節(jié)點(diǎn)限制了垂

6、直方向的運(yùn)動(dòng)。矢狀向的運(yùn)動(dòng)被顴弓和顳骨后部分的節(jié)點(diǎn)所限制。最后，冠狀向的運(yùn)動(dòng)被顳骨中部的節(jié)點(diǎn)所限制。咬合面視為只能壓不能拉。2結(jié)果在這個(gè)模型中，通過(guò)模擬牙尖交錯(cuò)位來(lái)計(jì)算加載的方案。咬肌肌力參考Koolstra5和Korioth6研究。偏斜對(duì)側(cè)咬肌肌力的最大值定為100N3，其他肌肉的力值通過(guò)肌肉橫截面積測(cè)量轉(zhuǎn)換得出(表2)。在模擬肌肉負(fù)載狀況下，可以觀察到偏斜對(duì)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(duì)側(cè)的受力部位靠?jī)?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(duì)側(cè)顳骨的應(yīng)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(yīng)力分散到顳窩的外側(cè)。這種不同的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，既反映了非對(duì)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(duì)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(duì)側(cè)較偏斜側(cè)集中(圖7)。通過(guò)觀察關(guān)節(jié)盤中心區(qū)域的斷面圖，可見(jiàn)其應(yīng)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(gè)方向的分力見(jiàn)表3。3討論本研究發(fā)現(xiàn)，骨性偏頜患者偏斜對(duì)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M(jìn)RI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(duì)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(cuò)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(jiàn)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(wú)偏斜類患者多發(fā)TMD，Ueki等9報(bào)告偏頜患者關(guān)節(jié)盤移位的發(fā)病率為568%，而無(wú)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(jiàn)，但在偏

9、頜患者中卻較為常見(jiàn)10。關(guān)節(jié)盤和關(guān)節(jié)窩的受力，都有偏斜對(duì)側(cè)偏內(nèi)和偏斜側(cè)偏外的趨勢(shì)，這與兩側(cè)不對(duì)稱的咀嚼力通過(guò)不對(duì)稱的下頜骨傳導(dǎo)至顳下頜關(guān)節(jié)有關(guān)。適當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)負(fù)荷有利于建立和維護(hù)關(guān)節(jié)各部分正常的結(jié)構(gòu)和功能，但負(fù)荷過(guò)大以及由此造成的生物力學(xué)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(dǎo)致偏頜患者顳下頜關(guān)節(jié)疾病的生物力學(xué)因素。但是偏頜畸形與TMJID的因果關(guān)系尚無(wú)定論。有些學(xué)者認(rèn)為TMJID可能是引起髁突生長(zhǎng)改變和偏頜畸形的原因之一1213。而有些學(xué)者則認(rèn)為TMJID繼發(fā)于下頜骨不對(duì)稱畸形14，面部不對(duì)稱會(huì)引起TMJ問(wèn)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(diǎn)總是偏向下頜髁突較小或TMD嚴(yán)重側(cè)，認(rèn)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(zhǎng)缺陷導(dǎo)致輕度到中度下頜骨不對(duì)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(huì)影響下頜骨的生長(zhǎng)方向，造成雙側(cè)下頜骨的不對(duì)稱改變，包括水平向與垂直向的不對(duì)稱畸形。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)TMD與偏頜有關(guān)17，Legrell等18通過(guò)開放性手術(shù)建立生長(zhǎng)期兔單側(cè)不可復(fù)性關(guān)節(jié)盤移位的模型，3個(gè)月后(生長(zhǎng)期結(jié)束之前)發(fā)現(xiàn)該側(cè)下頜骨長(zhǎng)度較對(duì)側(cè)小，而致頦點(diǎn)偏向患側(cè)。導(dǎo)致TMD的病因很多，但如果偏頜是導(dǎo)致TMD的一個(gè)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(duì)TMD將大有幫助。骨性偏頜患者通過(guò)正頜手術(shù)，使兩側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)的應(yīng)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