【doc】包括下颌骨的颞下颌关节三维有限元模型的建立

【doc】包括下颌骨的颞下颌关节三维有限元模型的建立 包括下颌骨的颞下颌关节三维有限元模型 的建立 实用口腔医学杂志(JPractStomato1)2000(Jan).16(1) ,7-/7 / 包括下颌骨的颞下颌关节三维有限元模型的建立d 周学军赵志赵美英樊瑜波 ————,———, 摘要]目的:在计算机上建立包括下颌骨及其完整牙列的颞下颌关节(TMJ)三维正交各向异性有限元模型 .方法:采用活体人颅为标本.用CT断层扫描技术,图形数字化等方法在计算机上建模.采用柔索约束,受压 间隙元等形式进行边界约束.结果建立了包括_F颌骨的TMJ有限元模型.颞下颌关节区根据同龄人的结构 形态和力学参数增加了髁突软骨和关节盘结构,同时采用了柔索约束模拟咀嚼肌肉.韧带的约束,在黯面用间 隙元模拟对颌牙的约束结论建立的包括下颌骨及其完整牙列的TMj三维正交各向异性有限元模型,采用 柔索,问脒元为边界条件,将大大提高模型的相似性,为TMJ及其下颌骨的受力奠定基础. 关键词颞下颌关节;下颌骨;生物力学;有限元分析 EstablishmentofTMJmodelincludingmandiblebymeansofthree—dimensionalfiniteele — meritmetbod ZhouXu?un.ZhaoZhihe.ZhaoMelying,eta1.CenterofStomatology,FirstHospital,Anhui . , ViedicaUnivers~y,H~fei.230061 (Abstract]Objective:ToestablishaTMJmodelincludingmandibleandthewholeteethbymeansofthreedi mensionalfiniteelementmethod.Methods1CTscannedtransversesee[ionsofTMJinc]udingmandiblewere takeninyoungpeople.athreedimensionalmodel(3DFEM)ofTMJwasestablishedusingcomputerwith cableelementsandcompressivegapelementsResults:ThemodeloftheTMJincludingmandibleandthe wholeteeth,whoseboundaryconditioniscableandgapdement,wasestablished.TheTMJmodelcomprised condyle.glenoidfossa.articulardiskandcartilaginouslayer.ThearticulardiskandcondylarcartilageCOn struttedaccordingtOtheirnormalshapeandelasticmodulus.Themodelconsistedof1394× 2bricksand2 0】4× 2nodes.Conclusion:Theestablished3DFEMofTMJincludingmandibleandthewholeteethwillim— provethesimilarityofthemodeltothetea[TMJinvivo KeywordsTemporomandibularjoint;~Viandibte;Biomechanics;Finiteelementanosis 中图分类号:R782.6文献标识码:A文献编号:10013733(2000jO1001703 现代观点认为下颌髁突在功能运动中要承受一定 的压力,但不同黯状态(生理性,病理性,侧向,前伸和 ICP等)和不同牙列缺损类型甚至各种矫形力作用时 颞下颌关节(TMJ)内的应力分布特点和规律仍不清 楚,且有关研究较少大多力学模型仅局限于TMJ局 部结构,不能反应TMJ的正常功能.实验结果难以可 靠.因此,建立功能完整的TMJ模型,并在此基础上 进行有关生物力学的系列研究具有重要意义. 有限元法(FEM)是一种与计算机技术相结合的 奉课题为国家自然科学基盒资助项目编号:39300151 作者单位:安徽医科大学附属压院口腔医疗中心【周学军230061J 华西医科大学附属口腔压院正畸科(赵志河赵美英) 四川联音大学土木工程及应用力学系(樊墙渡) 数值应力分析法.具有其它实验应力分析法无可比拟 的优点.已成为口腔正畸学乃至口腔医学的生物力学 主要研究手段之一 本研究根据有限元建模的基本原则,设计建立包 括完整天然牙列及下颌骨的TMJ三维有限元模型. 以提高模型的相似性. l材料和方法 1.1下颔骨硬组织FEM模型的建立 选择患者(生长发育高峰期,恒牙雅,牙齿排列整 齐,牙周健康),以FH为参照平面进行CT断层离散 模型,按有限元划分的基本原则.选择节点.划分单元, 尽量多采用六面体和五面体单元,少用不稳定的四面 体单元;在应力较易集中的髁突和下颌角区域划分较 ? 18?实用口腔医学杂志(JPrattStomato])2C()0(Jan),16(1) 细密,其它区域较疏,节点坐标进行数字化,计算机上 建立下颂骨硬组织的三维FEM模型. 1.2建立TMJ三维有限元模型 在已建的硬组织模型基础上.在SuperSAPdraw 环中于髁突面添加髁突软骨,关节盘,髁突软骨和 关节盘厚度:髁突软骨前份0,8r~Jnl,髁突软骨后份1- 0nlr~J,关节盘中带1.2nlr~J,关节盘后带2.0r~Jnl于 关节盘表面建立带凹的方块皮质结构代表TMJ的关 节窝结构.其后份与髁突软骨表面的间隙所形成单元 为盘后软组织结构.在Edcoder译码器中,对已建立的 三维有限元模型进行编译;在Vizicad环境下对所建 立的模型进行校核检验,最终形成可供分析使用的三 维有限元模型(见图1),共生成1394×2个单元和2 014×2个节点 一图1包括下颌骨的TMJ三维有限元模型网络圈 1.3实验条件假设 下颌骨的皮质骨和松质骨假设为正交各向异性的 均质连续材料,其它组织(牙,髁突软骨,关节盘等)均 假设为各向同性,均匀连续的线弹性材料.有关材料力 学参数如下和表1 皮质骨的力学参数": E—E一13GPa E3=19GPa .一… G,=G!l一59GPa 松质骨的力学参数.. E—E一273MPa E=823MPa (-z=115MPa G2.一GJ一123GPa VL2=V21=0.22 V?_=V32—0.驰 V2一V】3—0.29 V】2=VzJ=019 VL—V】2—0.335 V23:VL3—0.105 1.4模型的边界约束条件 模拟咀嚼肌被动受张作用下颁骨时(矫形力).采 用缆索元(cableelement)即无间隙的受拉单元于附着 中心模拟肌肉,韧带的约束,有关参数见表2;而模拟 咀嚼肌主动作用时(下领运动),可根据有关公式计算 出各肌力值.'.以约束反力形式按咀嚼肌正常方向加 于各附着中心处.在下颌牙列糟面采用无间隙的受压 元约束;在关节窝皮质骨周围节点处采用固定支座约 束,以代表颅底的固定连接,同时也固定了关节的位 置 表1有关材料的力学参数 1.5载荷条件 根据具体研究内容设计 2结果 建立了包括下颌骨的TMJ三维有限元模型,较 真实地摸拟了咀嚼肌,韧带以及对颌牙的约束.为一系 列TMJ及下颌骨的力学研究提供了相似性好的FEM 模型. 表2咀嚼肌及关节韧带的有关参数 注;三维坐标系与车研究模型一致;为与x轴l司角-为与Y 轴间角j7为与z轴间角@由于双倒结构完垒对秫,敲,7两侧完全相 同,a角左,右互补,括号内为左侧,括号外.值为右侧. 3讨论 3.1TMJ模型的建立 在往的研究中,常常忽略了关节盘的存在.,可 能是TMJ复杂的结构或某些研究目的不需要所致, 但这大大影响模型的相似眭是显而易见的近年 Tanaka"":已报道建立包括TMJ的下颌骨三维有限 实用口腔医学杂志cJPractStomato1)2000(Jan),16(1) 元模型.将关节盘模拟为2mm厚的组织覆盖于髁突 表面,较以前的研究有所改进.但仍有欠缺:(1)没有反 应关节盘的正常结构形态;(2)所引力学参数为狗关节 盘的参数,这都将影响模型的相似性 本研究根据最新TMJ组织的生物力学研究结 果.按同龄人的髁突软骨,关节盘结构形态和有关力学 参数建立TMJ三维有限元模型,使模型相似性大大 提高.与实体进一步接近.这在国内外尚未见报道 3.2模型的几何相似性 FEM分析TMJ的受力时,下颌骨及其牙列是不 容忽视的重要因素TMJ属双侧联动关节,即二者互 相影响,只有建立包括下颌骨的双侧TMJ模型才符 合实际情况此外,"黯是颞下颌关节的延伸",故应建 立完整的牙列方能更真实地模拟其约束和载荷.据此. 本研究采用先进的CT断层扫描技术.使实体模型(活 体)离散化,截面几何形状精确,建立了包括下颌骨及 其牙列的双侧TMJ三维有限元模型,较真实地代表 原物的结构形态,几何相似性明显提高,同时为进一步 提高模型的约束相似性,载荷相似性等奠定了基础.与 以往的研究模型明显不同 3.3模型的力学相似性 下颌骨力学性能研究表明":下颌骨最大刚度方 向与其弯曲之抛物线方向呈切线关系.长骨的最大刚 度方向与其长轴方向一致,因此,下颌骨的力学性能分 布可看成弯曲的长骨,其最大刚度方向与其弯曲方向 一 致.下颔骨属各向异性材料,完全各向异性的独立弹 性分量选21个,有关力学参数目前尚无法获取,实际 应用时还很难做到正交各向异性将弹性分量减为9 个,即在一定程度上反应了材料的各向异性特征.又容 易获得材料参数,故本实验采用了正交各向异性处理 下颌骨的力学性能,使模型的力学相似性得到提高髁 突软骨和关节盘的力学参数为同龄人的同种组织参 数,因此.本实验模型的力学相似性将明显提高. 3.4模型的约束相似性 有限元法分析TMJ的受力时,咀嚼肌和关节韧 带是不容忽视的关键因素,将直接影响模型的生物相 似性.本研究根据临床情况和目的需要,参照咀嚼肌肉 的有效生理性截面积,长度和弹性参数,按正常咀嚼肌 三维空间行走方向,以柔索约束形式或约束反力形式 作用于各咀嚼肌的附着中心处.在黯面处的约束采用 受压间隙元形式.较以往的研究更真实模拟了只有在 与对颌牙接触时才受到约束限制的实际情况.这些都 将提高模型的约束,生物相似性,前者在国内外未见报 道 3.5模型的载荷相似性 由于本研究建立了包括下颌骨的TMJ三维有限 元模型.所用载荷可根据需要直接加于下颌骨或牙列 上,与实际情况基本吻合,从而提高模型的载荷相似 性,使实验结果更真实,精确,可靠,与以往的研究明显 不同. 4结论 本研究采用活体人颅为标本.用CT扫描技术离 散模型,在计算机上首次建立包括下领骨的TMJ三 维正交各向异性有限元模型,尤其在颞下颌关节区根 据同龄人的结构形态和力学参数增加了髁突软骨和关 节盘结构,同时采用了与实际肌肉约束相似的柔索或 力约束形式来代之,在聒面利用受压间隙元模拟对颌 牙的约束,载荷更直接,准确,方便.这些设计措施与实 际情况基本一致,将大大提高模型的相似性,为Tb1J 的受力分析奠定了坚固基础,使运算结果更真实,可 靠 参考文献 1HartRT.Hennebe[VV—ThongredaN?,口.Modelingthe hlomechanicsofthemandible:Athreedimensiona?】niteeIe nlentstudy.JBiomech,1992,25(3):261 2MerouchKA,WatanableF,MentagPJFiniteelementreha bilitatedwithan0steolntgracdpartiallyedentulous mandiblerehabi[itatedwithan.steDntegratedcy[indric[aim plant.JImplant一1987t13r2):215 3MeiierHJA,StaimansFJM,SteenWHA.alLocationoi implantsintheinterforminalregionofThemandibleandthe consequencesiorthedesignofthesapersrructure.J(Ira[Re habil.1994.21(1):47 4KoriothTW.Hannat21AG.Deformationofhhuman mandibleduringsimulatedtoothclenchingJDentRest 1994.73(1j:56 5TanneK,LuYCL.TanakaE,et.Biomechanicalchangesof themandlb[efromorthopaedicchincup{orcestudiedina threedimensionalfinitee[ementmodei.EurJOrthod.1993. 15(6):527 6TanneK,TanakaE,SakudaMStressdistrihurioninthe temporomandibuiarjointproducdicbyorthopedicchincup forcesappliedinvaryingdirectionsAthreedimensional?一 lyricapproachwiththefiniteelementmethod.AmJOrthod DentofacOrthop,1996,110(6):502 7ChenJ,XuL.Afiniteelementana[ysis.fthehuman:em poromandlbularjoint.JBiomechEng-1994,116(5):4O1 8CarterR.Theelasticpropertiesofcorticalmandibularbone: (Doctoraldissertation].NewOrIeans:DepartnlenT0fphysics .fTu[aneUniversity1989 (收稿:1998i】l2修回:】99s07j