颞下颌关节各结构的三维有限元法建模*

马　文　侯　敏

1　天津医科大学，天津市　300070；　2　天津市口腔医院

综述与进展

颞下颌关节各结构的三维有限元法建模*

马文1侯敏2

1天津医科大学，天津市300070；2天津市口腔医院

摘要颞下颌关节生物力学的研究有多种方法，随着科技的进步，学科间联系越来越紧密，三维有限元法建立颞下颌关节是研究颞下颌关节生物力学的基础，本文回顾相关文献，对颞下颌关节各结构的三维有限元建模作一综述。

关键词三维有限元颞下颌关节

有限元法(FEM)是一种随着计算机技术的发展并与之结合的研究力学应力的分析法，该方法有诸多优点。1973 年Farah首先将有限元法应用于口腔医学，运用此方法进行生物力学的实验研究，不仅可以模拟各种复杂的情况，也节省了大量时间，对对象模型无损坏并且可重复性较好，这样就使得之前复杂而繁琐的动物实验有了更简便的实验方法，弥补了动物试验的各种缺陷[1]。在有限元分析中，模型的建立对整个实验是至关重要的，主要包括两个方面：几何相似性和力学相似性[2]。

颞下颌关节是人体中最为复杂的滑膜关节之一，为负重关节，是具有转动和滑动的双重关节，担负着言语、咀嚼、吞咽等功能[3]。此关节由关节窝、髁突及软骨、关节盘、关节囊以及韧带构成，其结构复杂，形态精细并且不规则，组织之间性质不同，在关节运动时，不同的结构应力不同，这些因素使得建立高质量的颞下颌关节模型更加困难，故对颞下颌关节的每一个细微结构的模拟显得尤其重要，国内外专家也一直寻求高效、准确的建模方法。本文对关于颞下颌关节每一结构的建模进行回顾。

1下颌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，三维测量法，CT图像处理法，CT、MRI图像联合处理法，DICOM数据建模法，数字化虚拟人建模法。

1.1磨片、切片法通过实体模型磨切的方法，扫描每一断层，获得相应的图像信息后，再将图像的顺序叠加，最后建立三维模型。此方法属于破坏性建模，误差较大；仅适用于离体的模型；颞下颌关节结构比较复杂，现已很少适用此方法建模。Tanaka[4]在研究紧咬牙时颞下颌关节不同区域的应力分布时用到此方法。

1.2三维测量法用接触或非接触方法进行测量，把数据输入计算机，建立三维牙颌模型。高勃等[5]用此方法进行牙冠表面测量。但由于此方法不能反映模型内部情况，故不适用于颞下颌关节的建模。

1.3CT图像处理法目前研究口腔生物力学较常用的方法，对志愿者进行CT扫描，获得原始二维数据，将数据输入计算机，获得二维图像，运用图像分析软件获取图像的边界数据，最终将获得的数据输入三维有限元分析软件中进行处理，获得三维有限元模型。

1.3.1髁突表面软骨层的模拟：髁突覆盖着一层纤维软骨，在前斜面较厚，区别于透明软骨，它具有缓冲、分散关节的载荷，润滑关节、减小摩擦和磨损的作用。国内大多数专家建立髁突软骨的厚度为0.2mm，源自Pullinger[6]所做的研究数据。胡凯等[7, 8]在研究咬合时颞下颌关节应力分布时，建立的模型中，关节软骨的厚度为0.2mm；孔亮等[9]建立5种不同张口位颞下颌关节模型时，模拟的关节软骨厚度为0.2mm；杨辉、周学军、胡林华等[10~12]根据关节软骨的解剖特征，所建立的模型中其厚度为前份0.8mm,后份1.0mm，这比全部厚度都为0.2mm更为精确；刘展[13]在模拟颞下颌关节内软组织时，关节功能区(髁突前斜面和关节结节后斜面) 的软骨层最厚，采用0.5mm; 髁突和关节窝顶部最薄，采用0.2mm。

1.3.2下颌骨材料属性的选择：材料参数的选择很多，Nagahara[14]在用成年干颅骨研究紧咬牙时颞下颌关节位移和应力分布时，所用的材料属性见表1。

表1　模型不同部分的材料常数

1.3.3模型网格化：在建模时，适当的网格划分可以使操作简化，网格分割越细，模型的几何形态越接近原物，就能得到越来越接近精确的结果[15]。在模型网格化,划分单元时,单元的类型选择也很重要。一般应选择实体单元,而且尽量少用不稳定的四面体单元。六面体单元最为合适[16]。

1.4MRI图像处理法MRI图像可直观地显示颞下颌关节区软组织(如关节盘和盘附着)结构的形态和位置[17]。可以根据扫描模型获得的信息建模，弥补了CT扫描显示关节软骨不佳的缺陷，提高了颞下颌关节模型的几何相似性；MRI具有软组织对比度分辨力高的特点,对骨组织形态显示较好,因此可以此为数据建立包括髁突、关节盘、关节窝在内的TMJ三维有限元模型[18]。

1.5DICOM数据建模法患者完成CT扫描后,不必生成胶片,大量的数据信息可依照DICOM标准存盘或传输。运用相应的软件，如Mimics等，输入CT或MRI扫描的数据，进行图像的分割，阈值的设定图像增强等处理，直接建立三维模型，再使用Geomagic逆向工程软件,对模型进行修饰、剪裁、光顺等后处理操作，使模型达到科研要求，再导入到有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS，进行相关的数据分析。 此方法比CT建模简单，省略了用图形处理软件对数据进行边界提取、二次处理等大量的工作[19]。

1.6数字化虚拟人的建模方法数字化虚拟人是现代计算机信息技术与医学等学科相互结合的成果[20]。以人体组织连续断面构成数据集合，可以逼真地建立骨骼、肌肉、血管等器官组织的数字化模型。

2关节盘及关节窝的模拟

在模拟介于关节窝和髁突之间的关节盘时，国内外学者所模拟的厚度有所不同。大部分学者模拟的关节盘的厚度为2mm，数据源自Hansson[21]所做的研究。Nagahara等[14]所建的模型中，关节盘前、中、后带均为2mm；Tanaka等[4]建模研究紧咬牙时，颞下颌关节不同区域的应力分布时，所模拟关节盘厚度为2mm；Cheng等[22]研究颞下颌关节紊乱的患者时所见模型关节盘厚度为2mm；Groning等[23]建立的模型，颞下颌关节软组织的厚度选择为3mm；胡凯等[7]建模时，关节盘厚度也为2mm；安虹等[24]在构建功能状态下无牙颌下颌骨及颞下颌关节三维有限元模型时，关节盘厚度也为2mm；周祺[25]在研究下颌升支矢状劈开后退术对颞下颌关节影响时建立的颞下颌关节也选择平均厚约2mm的关节盘以及长方体结构模拟颞下颌关节窝的皮质骨、松质骨等部分，从而建立完整的颞下颌关节的三维有限元模型；刘展等[13]认为关节盘位于髁突和颞骨之间，除了具有关节软骨层的作用外，还能保持与髁突、颞骨的接触，协调关节的运动，是维持 TMJ 稳定的重要因素，根据其解剖特征和关节表面形状建立关节盘的实体模型，前、中、后带的厚度分别为 2、1、2.7mm；周学军等[26]建模时，模拟的关节盘中带1.2mm,关节盘后带2.0mm，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；胡林华等[10]建立的颞下颌关节-下颌骨-Herbst矫治器系统三维有限元模型，模拟的关节盘厚度中带、后带分别为：1.2、2.0mm。

3肌肉及韧带的模拟

史真等[28]建立下颌骨牵张成骨三维有限元模型，对咀嚼肌、下颌韧带采用杆单元模拟其约束，杆单元材料定义为只受拉不受压的非线性材料，单元横截面积与各自模拟的肌肉和韧带截面积相同；周学军等[11]模拟咀嚼肌被动受张作用下颌骨时，采用缆索元即无间隙的受拉单元于附着中心模拟肌肉、韧带的约束，更接近实体状况。

4关节盘与髁突、颞骨之间的模拟

一些研究者用受压间隙元来模拟TMJ内各结构的相互作用[11,26,28]。但是间隙元不抗弯曲，也不能承受拉力，受拉产生间隙，在受压时产生轴向力阻止两个体的接近，间隙元能模拟两接触面之间的挤压和分离，但不能模拟它们之间的滑动与摩擦[29]。Tanake等[30]根据生理解剖，关节盘与关节窝和髁突之间有空腔填充滑液，起到润滑的作用，因此，关节盘与髁突、关节窝之间摩擦系数很小，设为 0.001；Cheng 等[22]把关节间的摩擦系数设为0.01；刘展等[13]采用接触单元来模拟关节盘和髁突软骨层、颞软骨层之间的相互作用，摩擦系数也采用0.001；胡凯等[31]研究计算并分析了0、0.05、0.10、0.15四种大小的摩擦系数对TMJ应力分布状况的影响，认为极小的摩擦(0~0.15)以及无摩擦接触、刚性接触和弹性接触三种盘-突接触方式对三维非线性模拟TMJ内关节盘和髁突表面接触应力的分布范围和大小基本无影响。运用有限元法建立高水平的颞下颌关节模型用于研究已成为一种趋势，但是仍有许多方面需要改进，比如：获取数据的精确性，这就需要先进的设备支持(CT机、数字化仪、扫描仪等)，数据越精确，建立的模型就更接近实体；建模方法的进一步改进与简化；分析数据时生物力学的深入研究以及研究结果怎样更好的指导临床等。这些问题需要我们在今后的工作中进一步完善。

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(编辑雅文)

收稿日期2015-06-04

*基金项目：天津市卫生局基金资助项目(2013KR11)。通讯作者：侯敏

中图分类号：R782.6

文献标识码：A

文章编号：1001-7585(2015)23-3196-03