咬合抬高对颞下颌关节区应力分布及位移影响的有限元研究

花金龙，赵 东

（1.宝鸡市口腔医院新福园院区，陕西 宝鸡 721000；2.西安未央海涛口腔门诊部，陕西 西安 710000）

颞下颌关节（temporomandibular joint）的生长和重建与其所受的应力有关，耠力在齿槽接触面上的传递和分解，最后传递到颞下颌关节，所以颞下颌关节的应力变化与咬合接触有直接的联系。本研究通过建立反映啮合接触的三维有限元模型来模拟正常拾与单侧后牙反拾的咬合接触，比较正常和单侧后牙反拾咬合接触对应力分布的影响，现报道如下。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选取2022年4月宝鸡市口腔医院的4例正常志愿者，其中男2例，女2例；年龄30～40岁，平均年龄（34.52±2.73）岁。所有研究对象均有良好的健康状况，安氏Ⅰ型咬合，牙列完整，尖牙、磨牙Ⅰ型，覆拾覆盖良好，口腔检查无任何干涉，仅有第三磨牙，其他牙排列正常，下牙较小，排除牙体、牙周疾病者。本研究对象均知情同意并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 数据采集 ①CT：通过CT（120 KV，175 mA，Siemens Somatom Plus 2，SiemensAG，德国）获取全部头颅资料；CT扫描参数：扫描间隔1.25 mm，重构厚度0.3 mm，分辨率512像素；在扫描时，受试者将牙尖交叉移位（ICP）取出；②锥形束CT：通过锥形CT（加利利欧，西罗纳系统，德国，21 mA)，获取双侧髁突关节窝和下颌牙列的资料。锥形束CT扫描参数：扫描间隔0.25 mm，重构厚度0.25 mm，分辨率640×640像素；③三维建模：通过模型三维扫描（3ShapeR700 Scanner，Denmark，3 Shape Corporate）获取下颌牙列超硬石膏模型的三维曲面资料；④MRI：利用MRI（MR7503.0T，USA），采集全部头部的三维图像，采用T1加权回声序列，重复次数800 ms，厚度0.5 mm，不存在平面间隔，分辨率392×512像素；⑤T-Scan I咬合试验：通过T-Scan容器（T-Scan I，Tekscan，USA）获取受试者ICP下最大力量的一帧应力曲线，并以JPEG格式存储。将初步构建的3D模型引导人Geomagicstudio（美国3D Studio 2013，USA)，牙根向外侧移动0.2 mm，下颌骨向内侧移动1.5 mm，髁突和关节窝0.2 mm。将重构后的各个部件的模型引入NX（Unigraphics NX8.5，Siemens，Germany），以确定各个部件之间的位置关系。在该模型中，使用一个完整的头部三维模型来决定肌肉的力量方向，而工作模式则包含了下颌骨、下牙列、牙周膜、关节窝和关节盘。

1.2.2 确定咬合接触的个人化 用单反照相机（EOS 70 D，Canon，日本）照相，在Pholoshop软件（PhotoshopCS2，Adobe，USA）中，基于下中切齿和下领第二磨牙远中的咬合接触点位置相重叠，从而将咬合接触的初始恢复到拾平面上。再用咬合纸对受测者口腔进行进一步观察，并参照石膏模型咬合接触点的磨损表面，逐步确定每个咬合点的位置和范围。本步骤由一名有多年临床调节性手术经验的颞下颌关节病外科医生执行，以保证在齿面上咬合接触点的精确程度。为了模拟单侧后牙反拉咬合的接触，根据牙体学和排牙试验的结果，将左下后牙（4567）的咬合接触点移动到舌前颊斜面。

1.2.3 有限元模型 在Ansys软件（Ansys workbench 13，USA）中对网格进行分割，获得包含下颌骨、下牙列、牙周膜、关节窝和关节盘的有限元模型。

1.3 观察指标 根据4对咀嚼肌与下颌的连接部位的几何中心连线，将其与下颌的粘合范围视为肌力。根据公式F=K×PCSA，得到肌力，其中PCSA是肌肉组织的横截面面积，K是肌肉组织的横截面面积，其数值是37 N/m/m/m，肌肉的横截面面积和肌力。统计颞下颌关节有限元模型各部位应力（包括VON MISES应力、最大应力、最小应力）。应力计算公式是σ=W/A（kg/mm），其中W是拉伸或压缩载荷（kg）；A是截面积（mm）。

2 结果

单侧后颞下颌关节顶部及正常、单侧颞下颌关节表面的最大主应力为正值，最小主应力为负值，且正常、单侧颞下颌关节表面的VON MISES应力、最大应力、最小应力无差异，见表1。

表1 颞下颌关节有限元模型各部位应力比较（n，MPa）

3 讨论

颞下颌关节具有复杂的几何形态，存在材料性能力和力学环境的不确定性，颞下颌关节的负荷对其正常的生理功能以及相关疾病的形成具有一定的意义。当下，临床上关于颞下颌关节的空间接触方式尚不明确，而研究颞下颌关节的应力变化对于探索相关应力变化和了解颞下颌关节的力学环境具有重要意义。而相关研究显示，颞下颌关节的应力变化与咬合接触存在密切的联系。

本研究结果显示，单侧后颞下颌关节顶部及正常、单侧颞下颌关节表面的最大主应力为正值，最小主应力为负值，表明其处于压应力和拉应力的中间。关节前斜面、关节后斜面和关节盘带的关节内均存在较大的应力集中，提示与正常人比较，单侧后牙反拾侧的应力值无显著性差异，而反侧应力显著增加。此外，本研究结果发现，正常牙和单侧后牙的应力分布规律基本一致，而单侧后牙的应力分布更为不规则。张渊研究表明，关节窝边界被固定，相应于真实咬合接触区的抓面上表面被固定，以模拟啮合接触状态。正常情况下，只有左下后牙的约束位置不同，与单侧后牙的反咬力有很大的区别。颞下颌关节的内应力从下往下逐渐降低，这与压力在颞下颌关节内的传导有关。髁突前部是一个总是受压的区，其承受的压力最大，而髁突后斜是一个总是受拉区，其应力值比前部显著降低；上部和两侧的应力性质介于压应力和拉应力之间，应力性质从前面到后面从压应力到拉应力。

综上所述，基于个体化咬合接触的颞下颌关节三维有限元模型，其应力分布对咬合接触变化具有较高的敏感性，而单侧后牙反张引起的不正常咬合接触会引起较大的应力集。