有限元法分析常用咬合板对颞下颌关节应力影响

楼 婷，夏衣旦·艾合买提江，马家平，刘纪元，王星,2

（1.新疆医科大学第一附属医院 附属口腔医院 口腔修复科，新疆维吾尔自治区，乌鲁木齐市，830000；2.新疆维吾尔自治区口腔医学研究所，新疆维吾尔自治区，乌鲁木齐市，830000）

颞下颌关节病是临床上常见病症且发病率呈现出逐年上升之势，引起了医学界的高度重视。且该病症可以发生于任何年龄段，以成年人多见，总体发病率达到了5%～30%[1]。颞下颌紊乱病由多因素引起且发病机制复杂，可由多因素引起。有学者认为在众多发病机制中生物力学环境因素为其重要的角色之一。绝大多数患者以张口受限、疼痛及关节弹响为主要症状表现，影响对咀嚼以及睡眠带来不利影响，生活质量明显急剧下降[2]。近年来20 岁～40 岁人群的颞下颌关节病发病率快速增长，使得临床治疗面临的形势越发严峻[3]。虽然颞下颌关节紊乱病具有自限性的特点[4]，但仍有约3.6%-7.0%的人症状较重需要寻求医疗帮助。目前临床中，颞下颌关节的治疗以保守为主，其中包括患者的自我护理、认知行为疗法、药物治疗、物理治疗和咬合装置来有效的缓解颞下颌关节的症状[5]。咬合装置为保守治疗中的主要方法和工具，也是常用的物理疗法。该方法通过增高咬合高度来改变髁突、关节盘与颞骨关节面之间的间隙并在肌肉、韧带、关节和神经的协同作用下引导下颌骨至治疗颌位，从而促进咀嚼系统的恢复。对于改善颞下颌关节功能起到了重要的缓解作用，同时患者的咀嚼功能也得到了显著的改善[6]。

有限元分析已经成为口腔医学的重要助力，通过力学研究能够更好地开展口腔疾病的治疗，为取得预期治疗效果提供有力的保障[7]。因此在颞下颌关节病中有限元分析能够全方位的获取口腔结构和形态、应力分布情况以及颌关节负荷，从而形成更为精确的三维模型，并且每个部位均可以单独计算所得，在计算机技术辅助下迅速得出客观的、较为真实的结果，以更好的指导临床治疗工作[8]。

本研究旨在利用三维有限元分析方法探索不同咬合板对颞下颌关节的应力分布影响。我们将比较模拟未使用咬合板、模拟使用稳定型咬合板、模拟使用松弛型咬合板及模拟使用枢轴型咬合板时颞下颌关节髁突、关节盘和颞骨关节面上的应力大小变化。这些研究结果将有助于更好地理解不同咬合板对颞下颌关节稳定性和功能的影响，为颞下颌关节疾病的治疗提供科学的依据。

1 研究与方法

1.1 研究对象

本研究选择一名咬合关系正常，面部对称，牙列完整，磨牙中性关系，颞下颌关节无症状，髁突无吸收的16 岁女性，拍摄CBCT。在CBCT检查时叮嘱其取站立位，通过大视野（16 cm×8 cm）获取数据信息，标准模式下拍摄，正中线与其面部正中相对应，侧面中心线则处于第一磨牙附近，下颌不低于下边缘线，同时上边缘保证成像区域能覆盖上颌牙齿的牙根。采集相应的参数后以DICOM格式保存在仪器存储模块之中，传输至计算机后自动处理。

1.2 试验方法

通过CBCT获取受试者影像学资料后构建三维有限元模型。将CBCT检查结果以及获取的参数信息以DICOM格式导入Mimics后建立三维有限元模型（见图1）。利用Geomagic Studio 12 对形成的三维有限元模型进行修复并实体化处理。通过Hypermesh软件构建三维有限元网格模型后于髁突表面处进行处理，模拟增加2mm的关节盘，并模拟生成三种咬合板并设计工况（见图2），工况1：不带咬合板；工况2：稳定型咬合板（Stabilization occlusal splint）：上颌全牙列咬合板；工况3：松弛型咬合板（relaxation splint）：前牙平面咬合板；工况4：枢轴型咬合板（pivot splint）：第二磨牙（枢轴点）上有接触关系，并配合颏兜产生牵引力，在前牙咬合时令髁突向下方旋转。载荷边界条件是将上颌骨约束住6个方向自由度，包括三个方向平移和三个方向转动，工况1-工况3时在下颌骨前牙至磨牙段加载平行与牙长轴方向100N的力，工况4时在下颌骨前牙段加载平行与牙长轴方向100N的力（模拟颏兜），采用Abaqus进行进一步的分析。

图1 模型建立

图2 模拟咬合板

实验材料生物力学参数[9-12]：骨骼，弹性模量13700 Mpa，泊松比0.3；关节盘，弹性模量44.1 Mpa，泊松比0.4；咬合垫，弹性模量18.0 Mpa，泊松比0.3。

1.3 主要观察指标

利用软件在工况1-4时加载一定大小及方向的力后分别对比不戴咬合板、稳定型咬合板、松弛型咬合板以及枢轴型咬合板这四种工况下关节盘、髁突、颞骨关节面的受力的应力变化，同时与既往文献做相关对比分析。

2 结果

2.1 应力及位移数值表（表1-3）及云图（图3-5）

表1 关节盘应力及位移数值表

表2 髁突应力及位移数值表

表3 颞骨关节面应力及位移数值表

图3 关节盘云图

图4 髁突云图

2.2 应力变化规律分析

如表1-3示，工况1至工况4在应力变化规律方面，表面应力分布趋势大致相同，仅应力大小有区别。从各种加载的工况分析中可以看出，工况2、3、4时关节盘应力（Von Mises）分别为0.0385841MPa；0.0417407 MPa；0.0376532 MPa、髁突表面的应力（Von Mises）分别为0.166961 MPa；0.199464 MPa；0.122539 MPa，颞骨关节面的表面应力（Von Mises）分别为0.166961 MPa；0.279022 MPa；0.132624 MPa均较工况1关节盘表面应力（Von Mises）0.0458677 MPa；髁突的应力（Von Mises）0.214859 MPa；颞骨关节面的表面应力（Von Mises）0.344884 MPa均所有减小，其中关节盘应力（Von Mises）分别减小15.9%；10.7%；17.9%，髁突表面应力（Von Mises）分别减小27.7%；7.2%；42.9%，颞骨关节面表面应力（Von Mises）分别减小51.6%；19%；61.5%。

2.3 位移变化规律分析

如表1-3 示，工况1-工况4 位移的变化和应变变化规律类似，通过模拟不同类型咬合板的工况条件下，工况2、3、4 时关节盘位移（U U3）分别为：-0.0125476mm、-0.193314mm、-0.231424 mm，髁突位移（U U 3）分别为：-0.00579231mm；-0.00655021mm；-0.27414145mm；颞骨关节面位移（U U3）分别为：-1.25542mm；-1.05053mm；-2.80067mm均较工况1关节盘位移（U U3):5.57897mm；髁突位移(U U3):0.00220801mm；颞骨关节面位移(U U3)1.17161mm;关节盘位移(U U3)分别减小:5.5915176mm;5.772284mm;5.810394mm，髁突位移(U U3)分别减小0.00800032mm；0.0875822mm；0.27634946mm，颞骨关节盘位移(U U3)分别减小：2.42703mm；2.22214mm；3.97228mm。

3 讨论

3.1 有限元分析的局限性

三维有限元能够通过对复杂的机械性能进行探查，将获得的数据信息进行数学转化，最终获取较为精确的计算结果。同样人体骨骼所具有的机械性能亦无法通过体内检查做出定性与定量的分析，因此学者们认为三维有限元分析非常适用于医学领域[13]。通过本文中的位移数据得出:位移变形最大的为关节盘,颞骨关节面次之,髁突最小。而以往研究表明颞下颌关节中髁突的形变最大，关节盘次之，颞骨关节面最小[14]。与本研究结果不同，考虑可能与以下几方面因素有关：关节盘厚度设定参数差异。既往研究[15]通过MR所得出的数据中关节盘的厚度在2.1～2.2mm之间，而本报告中则设定为2mm，没有真实的、客观的、完整性的还原出关节盘各部分厚度导致髁突位移受限，由此使得髁突位移变化更小。三维有限元分析是对个体化生物学参数的仿真模拟计算，并不能够百分之百的还原出各项参数信息，其所得出的计算结果虽然与实际高度接近，但依然无法全面的呈现出TMD结构真实情况，还需结合体内外实验，力学与理论数学模型计算结果相互印证以检验结果的可靠性。既往研究[16]三维有限元的资料来源于一名患颞下颌关节紊乱病的患者。分别拍摄戴咬合板治疗前及治疗三个月后的双源CT来建立三维有限元模型进行研究并根据其得出的参数构建三维有限元模型，数值的变化具有阶段性、动态性特点。本试验则是选择颞下颌关节健康的受试者，通过软件模拟不同咬合板，探究三种咬合板对颞下颌关节的生物力学环境因素的影响，此种方法可以排除了其他干扰因素，且在研究过程中不会与患者进行直接接触，避免对患者本身造成影响[17]。此外三维有限元可以很好还原组织的部分非线性和各向异性特点，数据结果具有良好的准确和可靠性[18]。

3.2 各类咬合板在颞下颌关节紊乱病中的应用

稳定型咬合板在临床中十分常用，覆盖全牙列，上颌与下颌均可以佩戴，与对颌牙呈均匀点状接触，无尖窝交错关系，前牙为轻咬合。常用于肌功能亢进、肌痉挛以及颌位关系异常等，该咬合板也可以用于夜磨牙及紧咬牙[19]。

松弛型咬合在上颌腭侧形成一个平面使下前牙能够与咬合板点状接触，上下颌后牙无接触且分离约2mm，避开咬合干扰，并阻断牙周组织感受器获得的异常信号传入，松弛神经网以及咬合肌肌力水平，重新调整下颌位置，常用于咀嚼肌功能紊乱以及颌位的不稳定的治疗。

枢轴型咬合板也是覆盖整个牙列，但与稳定型咬合板不同的是佩戴时需要在咬合板上加高第二磨牙区的厚度，保证全口只有第二磨牙能够和对颌牙形成稳定的尖窝接触关系，而其他牙齿均处于分离状态。多被用于不可复性关节盘移位的治疗。

3.3 临床指导意义

本报告构建三维有限元模型后发现佩戴稳定型咬合板、松弛型咬合板、枢轴型咬合板后均有助于降低颞下颌关节的应力水平，但不同咬合板的应力改善效果却不尽相同，其中枢轴型咬合板的应力改变更为明显，短时间内即可以恢复正常的下颌关节活动度并可有效地消除疼痛[20]。松弛型咬合板的作用效果明显优于稳定性咬合板[21]。究其原因在于松弛型咬合板可以有效避开咬合干扰，增加张口反射，松弛升颌肌并活跃降颌肌，故咀嚼肌紧张患者更为适用于该咬合板[22]。

3.4 结论

综上所述，在构建颞下颌关节的三维有限元模型以及模拟佩戴稳定型咬合板、松弛型咬合板、枢轴型咬合板后对比应力改善效果，发现三者均可以取得较好的效果，模型验证结果与以往文献报道基本相吻合，但是在具体的数值上存在差异性。在明确三种咬合板对颞下颌关节应力改善效果后可以丰富现有研究体系内容，并为今后临床治疗提供有力的指导。