有限元分析在正颌手术对颞下颌关节的影响的应用研究进展

雷济菘，高 翔，王 涛

（1.重庆医科大学附属口腔医院，重庆，401120；2.口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室，重庆，401120；3.重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室，重庆，401120）

正颌外科手术被广泛用于治疗牙颌面畸形以改善患者的颌面部外貌及功能[1]。根据不同类型的颌面部畸形，正颌外科采用不同的手术方式，包括下颌升支矢状劈开术（SSRO）、上颌骨LeFort I型截骨术、节段截骨术、颏成型术等等。LeFort I型截骨术通常与SSRO联合使用，是目前最常使用的矫正牙颌面畸形的手术方法。然而，手术通过改变颌骨位置关系、改善外形功能的同时，也对颞下颌关节结构产生一定的影响。颞下颌关节(TMJ)作为人体唯一的双侧联动关节，颞下颌关节具有复杂的解剖结构，与相关肌肉协同工作，每天进行超过2000次的口腔功能性运动[2]。由于其复杂的解剖结构和运动方式，颞下颌关节极其容易受到损伤或导致紊乱疾病，其主要的症状表现为关节的疼痛，弹响及运动功能障碍[3]。目前对颞下颌关节紊乱病展开了诸多研究[4-7]，关于正颌外科手术对颞下颌关节的影响存在着不同的观点；一些学者认为，即使在设计手术时并未考虑颞下颌关节的形态学改变，正颌手术依旧可以通过恢复上下颌骨的正常生理关系，有效改善或缓解颞下颌关节紊乱的症状[8,9]。W.B.Kretschmer等人的一项回顾性研究也指出：正颌外科手术有助于改善颞下颌关节紊乱的症状，但仍存在少部分患者术后反而出现了TMD[10]。正如另一部分学者认为，正颌外科手术能导致关节盘的位置形态发生改变，反而增加了颞下颌关节区的负荷，从而继发颞下颌关节紊乱、损伤等并发症[11,12]。也有报道认为正颌外科对颞下颌关节的症状的改善并不明显[13]。尽管存在较大的争议，但随着越来越多的患者追求正颌外科手术改善外貌及功能，该研究仍备受关注。Bingmei Shao等人通过对TMD患者的颞下颌关节的有限元分析，研究初步揭示了颞下颌关节紊乱病与应力分布之间的关系，当颞下颌关节区域应力分布异常时，可能导致关节盘的缓冲能力下降，进而引发TMD[14]。从生物力学的角度来看，颞下颌关节处的应力集中导致的超负荷是导致颞下颌关节紊乱病的主要原因。但是由于研究方法的局限性及道德伦理问题，直接在活体上进行研究其应力的大小与分布十分困难，目前较为广泛使用的方法为有限元分析法。有限元分析法的出现使得学者们于正颌外科手术对颞下颌关节的影响的探究更加深入。

1 三维有限元分析简介

1.1 基本原理和方法

三维有限元分析（three-dimensional finite element analysis）简称有限元分析（FEA），是一种计算机模拟技术，用于研究复杂结构系统的力学行为。它基于有限元法的基本原理和方法，通过将结构离散为有限数量的单元，建立数学模型，并解析求解得到结构的应力、应变和位移等信息。是一种灵活、准确的工程分析方法，可以应用于各种结构的力学行为研究和设计优化。它在航空航天、汽车工程、建筑工程等领域有着广泛的应用。

1.2 在医学领域的应用概述

自1969年Friedenberg首次将有限元分析应用于医学领域后[15]。Thresher于1973年将有限元分析引入口腔生物力学[16]，现已被广泛应用并证实为一种可靠的研究方法[17,18]。有限元分析（FEA）可以预测复杂的生物结构在口腔领域(如颞下颌关节、颌骨、种植体、正畸等)中复杂结构的力学行为，并已广泛应用于虚拟颞下颌关节的生物力学的条件。口腔生物力学是专门研究口腔颌面部生理、病理及矫治修复变化运动修复规律的一门学科[19]。

1.3 模型构建和分析

现目前主流的的方法为利用患者的术前术后的CT或MRI数据建模，并借助一系列软件如mimics，geomagics，ansys，solidworks，abaqus等。通过对上下颌骨、牙齿、关节盘等各解剖结构的重建、细节处理、网格划分、装配，得到其三维有限元模型，赋予模型各个材料的参数以及个结构之间的接触关系，设置力学条件如力值的数量、大小、方向等，然后固定边界，最后进行力学计算分析。

2 有限元分析在正颌手术对TMJ 的影响的应用研究

2.1 手术方式

研究不同的正颌手术对颞下颌关节的影响，可以为医生选择合适的手术方式提供参考与指导，从而减少了正颌外科手术并发症的发生，并提升治疗效果。Haotian Luo、Haidong Teng等人探究了不同的正颌手术术式对颞下颌关节区生物力学环境的影响，他们利用24名牙颌面畸形的患者的术前术后CT（其中10名患者行双侧下颌升支矢状劈开手术，14名患者行双侧下颌升支矢状劈开术+上颌骨LeFort I型截骨术），并与另外14名正常的对照组进行了有限元分析，研究得出以下结论：首先，与以往的研究一致，牙颌面畸形的患者的颞下颌关节区存在易产生退行性变的高应力的区域；其次，该此实验的实验对象术前术后的关节盘的应力无明显增加，但颞骨处的生物力学环境得到了改善，可促进颞下颌关节区的稳定性。最后，该研究表明双颌手术使得双侧关节盘之间的接触更加平衡，改善了双侧关节盘的不对称应力分布。这一结果证实了与单颌手术相比，双颌手术更有利于维持双侧颞下颌关节区的平衡与稳定的生物力学环境[20]。另外，Bingmei Shao,Annan Li等人同样通过有限元分析研究了单颌手术与双颌手术的患者术前术后颞下颌关节区的应力分析，他们的实验结果显示，虽然颌面部畸形得到了显著改善，但并不一定能改善颞下颌关节紊乱病的症状。部分患者术后双侧颞下颌区域的生物力学环境仍并不平衡，这与正颌手术后颞下颌关节的位置关系变化密切相关[21]。此外H.Li,N.Zhou等人通过有限元分析研究单侧下颌升支矢状劈开（USSRO）与双侧下颌升支矢状劈开（BSSRO）治疗下颌前突伴偏颌的牙颌面畸形对颞下颌关节的影响，研究结果表明下颌前突伴偏颌畸形的患者双侧颞下颌关节区在术前存在明显的应力不平衡，而相比于BSSRO，USSRO在减少了患者的手术创伤的同时，同样能有效改善术前颞下颌关节区域的应力失衡[22]。

2.2 咬合方式

由于牙颌面畸形患者通常存在偏侧咀嚼的习惯，因此研究其术前术后单侧咬合相比之下显得更有临床参考价值。Jingheng Shu等人通过有限元分析研究了下颌不对称患者术前术后的单侧咬合时颞下颌关节的应力状态，他们认为：下颌不对称的咬合会导致单侧咬合时颞下颌关节的应力异常分布和应力增加，并可伴有颞下颌关节紊乱病的症状；而通过双侧下颌升支矢状劈开术（BSSRO）可改善术后单侧咬合时颞下颌关节的应力分布。与此不同的是，Haidong Teng等人通过有限元分析对下颌后缩患者在双颌手术后单侧磨牙咬合（UMC）时颞下颌关节（TMJ）应力分布的研究，他们的研究结果显示：正颌术后关节盘应力明显高于术前，且单侧咬合对颞下颌关节有不利影响[23]。他们研究结论的不一致可能是因为不同类型牙颌面畸形的患者在正颌外科手术后其颞下颌关节区的环境变化不一致，例如下颌前突的患者在下颌后退后，其关节间隙可能会增大，从而导致其应力减少；反之下颌后缩畸形的患者，在其行正颌外科手术将下颌前移后，其关节间隙可能会变窄，从而导致其应力增大。不过，以上学者在单侧咀嚼方面的研究结果均与之前Haotian Luo等人的研究一致，单侧咀嚼时关节区的最大应力较双侧咀嚼时较大，所以倡导尽可能地双侧咀嚼以减轻颞下颌关节的负荷[20]。

2.3 TMJ 稳定性的预测与评估

有限元分析不仅是一种研究方式，还可以作为手术效果预测和评估的工具。有学者通过有限元分析研究正颌手术对骨性下颌后缩的治疗对颞下颌关节的影响：通过三维重建数据模拟下颌升支矢状劈开术，并将下颌骨前徙距离分别设置为4，8，10mm，经过有限元分析后，得出了以下结论：在一定范围内，随着下颌前徙的距离的增加，其髁突前斜面应力不断减少，但同时关节窝的应力有明显的增加[24]。Jingheng Shu等人通过一例下颌前突患者术前术后的CT建立有限元模型，通过与数字化虚拟改良手术后建立的有限元模型进行评估发现：对于下颌前突的牙颌面畸形患者，BSSRO手术能有效降低颞下颌关节区处的应力；此外，与术前术后的颞下颌关节应力分析相比之下，数字化模拟改良手术中的颞下颌关节区应力分布更均匀，无明显应力集中现象[25]。Ma H等人通过有限元法对下颌前突畸形的治疗的研究，认为颞下颌关节紊乱病症状的发生可能与两侧颞下颌关节之间的不对称的应力有关。SSRO已被证明能够改善颞下颌关节的应力分布，并在一定程度上缓解颞下颌关节紊乱病的症状。但是对于治疗下颌前突患者颞下颌关节紊乱病症状SSRO的效果有限的[26]，可能是因为其颞下颌关节已经因为长期的应力分布异常引发了退行性变。

3 有限元分析在正颌手术对颞下颌关节影响研究中的优劣与展望

有限元分析在于在难以进行活体研究的当下具有一定的优势。学者可以通过有限元分析研究正颌手术对颞下颌关节的影响的趋势，在考虑多个变量因素的时候，研究者可以通过调整参数和自由的修改实验设计来评估多种解决方案，并可以进行多次重复的实验，以获得最佳结果。这种方法促进了医工结合，提升了患者的治疗，减少了手术风险，真正实现了科研向临床的转化，这是大多单一临床试验都无法做到的。

然而，有限元分析也存在一定的缺点。目前学术界未能制定一套有限元分析的标准方法，其原因可能是不同学者使用用建模方法与思路并不相同，不同扫描仪器的扫描精度也不同，因此难以形成统一的有效性验证方法和标准。另外，人体拥有复杂且精细的解剖结构，各个结构之间的接触关系也复杂多变，这也导致了有限元分析与实际情况上产生了差异。此外，过去的口腔颌面部有限元的研究大多基于模型为线性、均质、各向同性材料的设定，然而实际上都为非线性、各向异性的物质，这也使得有限元法的研究未能准确反映物理相似性，不过Tamura、Fujii等人将CT数据集的每个像素从Grey单位转换为Hounsfield单位，并使用专门用于该对象的方程，根据获得的骨密度计算杨氏模量，这种方法使研究人员能够区分颌面部骨骼的更强和更弱的结构，从而创建更逼真的模型[27,28]。

尽管在当下利用有限元分析颞下颌关节这个复杂的结构仍然存在许多困难，其研究结果难以充分证明其准确性，只能作为一种趋势预测，拥有一定的理论价值，结论只能给临床提供参考。但是随着计算机新技术与医学技术的发展，有充分的理由相信有限元法的发展在未来会有更大的变革与突破，在正颌外科与颞下颌关系中的探究与应用将会越来越广泛。