馬　文　侯　敏

1　天津醫(yī)科大學(xué)，天津市　300070；　2　天津市口腔醫(yī)院

綜述與進(jìn)展

顳下頜關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的三維有限元法建模*

馬文1侯敏2

1天津醫(yī)科大學(xué)，天津市300070；2天津市口腔醫(yī)院

摘要顳下頜關(guān)節(jié)生物力學(xué)的研究有多種方法，隨著科技的進(jìn)步，學(xué)科間聯(lián)系越來(lái)越緊密，三維有限元法建立顳下頜關(guān)節(jié)是研究顳下頜關(guān)節(jié)生物力學(xué)的基礎(chǔ)，本文回顧相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)各結(jié)構(gòu)的三維有限元建模作一綜述。

關(guān)鍵詞三維有限元顳下頜關(guān)節(jié)

有限元法(FEM)是一種隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展并與之結(jié)合的研究力學(xué)應(yīng)力的分析法，該方法有諸多優(yōu)點(diǎn)。1973 年Farah首先將有限元法應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)，運(yùn)用此方法進(jìn)行生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，不僅可以模擬各種復(fù)雜的情況，也節(jié)省了大量時(shí)間，對(duì)對(duì)象模型無(wú)損壞并且可重復(fù)性較好，這樣就使得之前復(fù)雜而繁瑣的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有了更簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)方法，彌補(bǔ)了動(dòng)物試驗(yàn)的各種缺陷[1]。在有限元分析中，模型的建立對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)是至關(guān)重要的，主要包括兩個(gè)方面：幾何相似性和力學(xué)相似性[2]。

顳下頜關(guān)節(jié)是人體中最為復(fù)雜的滑膜關(guān)節(jié)之一，為負(fù)重關(guān)節(jié)，是具有轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)的雙重關(guān)節(jié)，擔(dān)負(fù)著言語(yǔ)、咀嚼、吞咽等功能[3]。此關(guān)節(jié)由關(guān)節(jié)窩、髁突及軟骨、關(guān)節(jié)盤(pán)、關(guān)節(jié)囊以及韌帶構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形態(tài)精細(xì)并且不規(guī)則，組織之間性質(zhì)不同，在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不同，這些因素使得建立高質(zhì)量的顳下頜關(guān)節(jié)模型更加困難，故對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)的每一個(gè)細(xì)微結(jié)構(gòu)的模擬顯得尤其重要，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家也一直尋求高效、準(zhǔn)確的建模方法。本文對(duì)關(guān)于顳下頜關(guān)節(jié)每一結(jié)構(gòu)的建模進(jìn)行回顧。

1下頜骨有限元模型的建立

目前，有限元方法建模主要有：磨片、切片法，三維測(cè)量法，CT圖像處理法，CT、MRI圖像聯(lián)合處理法，DICOM數(shù)據(jù)建模法，數(shù)字化虛擬人建模法。

1.1磨片、切片法通過(guò)實(shí)體模型磨切的方法，掃描每一斷層，獲得相應(yīng)的圖像信息后，再將圖像的順序疊加，最后建立三維模型。此方法屬于破壞性建模，誤差較大；僅適用于離體的模型；顳下頜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，現(xiàn)已很少適用此方法建模。Tanaka[4]在研究緊咬牙時(shí)顳下頜關(guān)節(jié)不同區(qū)域的應(yīng)力分布時(shí)用到此方法。

1.2三維測(cè)量法用接觸或非接觸方法進(jìn)行測(cè)量，把數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，建立三維牙頜模型。高勃等[5]用此方法進(jìn)行牙冠表面測(cè)量。但由于此方法不能反映模型內(nèi)部情況，故不適用于顳下頜關(guān)節(jié)的建模。

1.3CT圖像處理法目前研究口腔生物力學(xué)較常用的方法，對(duì)志愿者進(jìn)行CT掃描，獲得原始二維數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，獲得二維圖像，運(yùn)用圖像分析軟件獲取圖像的邊界數(shù)據(jù)，最終將獲得的數(shù)據(jù)輸入三維有限元分析軟件中進(jìn)行處理，獲得三維有限元模型。

1.3.1髁突表面軟骨層的模擬：髁突覆蓋著一層纖維軟骨，在前斜面較厚，區(qū)別于透明軟骨，它具有緩沖、分散關(guān)節(jié)的載荷，潤(rùn)滑關(guān)節(jié)、減小摩擦和磨損的作用。國(guó)內(nèi)大多數(shù)專(zhuān)家建立髁突軟骨的厚度為0.2mm，源自Pullinger[6]所做的研究數(shù)據(jù)。胡凱等[7, 8]在研究咬合時(shí)顳下頜關(guān)節(jié)應(yīng)力分布時(shí)，建立的模型中，關(guān)節(jié)軟骨的厚度為0.2mm；孔亮等[9]建立5種不同張口位顳下頜關(guān)節(jié)模型時(shí)，模擬的關(guān)節(jié)軟骨厚度為0.2mm；楊輝、周學(xué)軍、胡林華等[10~12]根據(jù)關(guān)節(jié)軟骨的解剖特征，所建立的模型中其厚度為前份0.8mm,后份1.0mm，這比全部厚度都為0.2mm更為精確；劉展[13]在模擬顳下頜關(guān)節(jié)內(nèi)軟組織時(shí)，關(guān)節(jié)功能區(qū)(髁突前斜面和關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)后斜面) 的軟骨層最厚，采用0.5mm; 髁突和關(guān)節(jié)窩頂部最薄，采用0.2mm。

1.3.2下頜骨材料屬性的選擇：材料參數(shù)的選擇很多，Nagahara[14]在用成年干顱骨研究緊咬牙時(shí)顳下頜關(guān)節(jié)位移和應(yīng)力分布時(shí)，所用的材料屬性見(jiàn)表1。

表1　模型不同部分的材料常數(shù)

1.3.3模型網(wǎng)格化：在建模時(shí)，適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分可以使操作簡(jiǎn)化，網(wǎng)格分割越細(xì)，模型的幾何形態(tài)越接近原物，就能得到越來(lái)越接近精確的結(jié)果[15]。在模型網(wǎng)格化,劃分單元時(shí),單元的類(lèi)型選擇也很重要。一般應(yīng)選擇實(shí)體單元,而且盡量少用不穩(wěn)定的四面體單元。六面體單元最為合適[16]。

1.4MRI圖像處理法MRI圖像可直觀地顯示顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)軟組織(如關(guān)節(jié)盤(pán)和盤(pán)附著)結(jié)構(gòu)的形態(tài)和位置[17]。可以根據(jù)掃描模型獲得的信息建模，彌補(bǔ)了CT掃描顯示關(guān)節(jié)軟骨不佳的缺陷，提高了顳下頜關(guān)節(jié)模型的幾何相似性；MRI具有軟組織對(duì)比度分辨力高的特點(diǎn),對(duì)骨組織形態(tài)顯示較好,因此可以此為數(shù)據(jù)建立包括髁突、關(guān)節(jié)盤(pán)、關(guān)節(jié)窩在內(nèi)的TMJ三維有限元模型[18]。

1.5DICOM數(shù)據(jù)建模法患者完成CT掃描后,不必生成膠片,大量的數(shù)據(jù)信息可依照DICOM標(biāo)準(zhǔn)存盤(pán)或傳輸。運(yùn)用相應(yīng)的軟件，如Mimics等，輸入CT或MRI掃描的數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像的分割，閾值的設(shè)定圖像增強(qiáng)等處理，直接建立三維模型，再使用Geomagic逆向工程軟件,對(duì)模型進(jìn)行修飾、剪裁、光順等后處理操作，使模型達(dá)到科研要求，再導(dǎo)入到有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析。 此方法比CT建模簡(jiǎn)單，省略了用圖形處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界提取、二次處理等大量的工作[19]。

1.6數(shù)字化虛擬人的建模方法數(shù)字化虛擬人是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互結(jié)合的成果[20]。以人體組織連續(xù)斷面構(gòu)成數(shù)據(jù)集合，可以逼真地建立骨骼、肌肉、血管等器官組織的數(shù)字化模型。

2關(guān)節(jié)盤(pán)及關(guān)節(jié)窩的模擬

在模擬介于關(guān)節(jié)窩和髁突之間的關(guān)節(jié)盤(pán)時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者所模擬的厚度有所不同。大部分學(xué)者模擬的關(guān)節(jié)盤(pán)的厚度為2mm，數(shù)據(jù)源自Hansson[21]所做的研究。Nagahara等[14]所建的模型中，關(guān)節(jié)盤(pán)前、中、后帶均為2mm；Tanaka等[4]建模研究緊咬牙時(shí)，顳下頜關(guān)節(jié)不同區(qū)域的應(yīng)力分布時(shí)，所模擬關(guān)節(jié)盤(pán)厚度為2mm；Cheng等[22]研究顳下頜關(guān)節(jié)紊亂的患者時(shí)所見(jiàn)模型關(guān)節(jié)盤(pán)厚度為2mm；Groning等[23]建立的模型，顳下頜關(guān)節(jié)軟組織的厚度選擇為3mm；胡凱等[7]建模時(shí)，關(guān)節(jié)盤(pán)厚度也為2mm；安虹等[24]在構(gòu)建功能狀態(tài)下無(wú)牙頜下頜骨及顳下頜關(guān)節(jié)三維有限元模型時(shí)，關(guān)節(jié)盤(pán)厚度也為2mm；周祺[25]在研究下頜升支矢狀劈開(kāi)后退術(shù)對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)影響時(shí)建立的顳下頜關(guān)節(jié)也選擇平均厚約2mm的關(guān)節(jié)盤(pán)以及長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)模擬顳下頜關(guān)節(jié)窩的皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨等部分，從而建立完整的顳下頜關(guān)節(jié)的三維有限元模型；劉展等[13]認(rèn)為關(guān)節(jié)盤(pán)位于髁突和顳骨之間，除了具有關(guān)節(jié)軟骨層的作用外，還能保持與髁突、顳骨的接觸，協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，是維持 TMJ 穩(wěn)定的重要因素，根據(jù)其解剖特征和關(guān)節(jié)表面形狀建立關(guān)節(jié)盤(pán)的實(shí)體模型，前、中、后帶的厚度分別為 2、1、2.7mm；周學(xué)軍等[26]建模時(shí)，模擬的關(guān)節(jié)盤(pán)中帶1.2mm,關(guān)節(jié)盤(pán)后帶2.0mm，于關(guān)節(jié)盤(pán)表面建立帶凹的方塊皮質(zhì)結(jié)構(gòu)代表TMJ的關(guān)節(jié)窩結(jié)構(gòu)；胡林華等[10]建立的顳下頜關(guān)節(jié)-下頜骨-Herbst矯治器系統(tǒng)三維有限元模型，模擬的關(guān)節(jié)盤(pán)厚度中帶、后帶分別為：1.2、2.0mm。

3肌肉及韌帶的模擬

史真等[28]建立下頜骨牽張成骨三維有限元模型，對(duì)咀嚼肌、下頜韌帶采用桿單元模擬其約束，桿單元材料定義為只受拉不受壓的非線性材料，單元橫截面積與各自模擬的肌肉和韌帶截面積相同；周學(xué)軍等[11]模擬咀嚼肌被動(dòng)受張作用下頜骨時(shí)，采用纜索元即無(wú)間隙的受拉單元于附著中心模擬肌肉、韌帶的約束，更接近實(shí)體狀況。

4關(guān)節(jié)盤(pán)與髁突、顳骨之間的模擬

一些研究者用受壓間隙元來(lái)模擬TMJ內(nèi)各結(jié)構(gòu)的相互作用[11,26,28]。但是間隙元不抗彎曲，也不能承受拉力，受拉產(chǎn)生間隙，在受壓時(shí)產(chǎn)生軸向力阻止兩個(gè)體的接近，間隙元能模擬兩接觸面之間的擠壓和分離，但不能模擬它們之間的滑動(dòng)與摩擦[29]。Tanake等[30]根據(jù)生理解剖，關(guān)節(jié)盤(pán)與關(guān)節(jié)窩和髁突之間有空腔填充滑液，起到潤(rùn)滑的作用，因此，關(guān)節(jié)盤(pán)與髁突、關(guān)節(jié)窩之間摩擦系數(shù)很小，設(shè)為 0.001；Cheng 等[22]把關(guān)節(jié)間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.01；劉展等[13]采用接觸單元來(lái)模擬關(guān)節(jié)盤(pán)和髁突軟骨層、顳軟骨層之間的相互作用，摩擦系數(shù)也采用0.001；胡凱等[31]研究計(jì)算并分析了0、0.05、0.10、0.15四種大小的摩擦系數(shù)對(duì)TMJ應(yīng)力分布狀況的影響，認(rèn)為極小的摩擦(0~0.15)以及無(wú)摩擦接觸、剛性接觸和彈性接觸三種盤(pán)-突接觸方式對(duì)三維非線性模擬TMJ內(nèi)關(guān)節(jié)盤(pán)和髁突表面接觸應(yīng)力的分布范圍和大小基本無(wú)影響。運(yùn)用有限元法建立高水平的顳下頜關(guān)節(jié)模型用于研究已成為一種趨勢(shì)，但是仍有許多方面需要改進(jìn)，比如：獲取數(shù)據(jù)的精確性，這就需要先進(jìn)的設(shè)備支持(CT機(jī)、數(shù)字化儀、掃描儀等)，數(shù)據(jù)越精確，建立的模型就更接近實(shí)體；建模方法的進(jìn)一步改進(jìn)與簡(jiǎn)化；分析數(shù)據(jù)時(shí)生物力學(xué)的深入研究以及研究結(jié)果怎樣更好的指導(dǎo)臨床等。這些問(wèn)題需要我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦羞M(jìn)一步完善。

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(編輯雅文)

收稿日期2015-06-04

*基金項(xiàng)目：天津市衛(wèi)生局基金資助項(xiàng)目(2013KR11)。通訊作者：侯敏

中圖分類(lèi)號(hào)：R782.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7585(2015)23-3196-03