关键词： 颞下颌关节；有限元法；生物力学

　　【摘要】 目的：建立生物相似性和力学相似性都较高的、包括下颌骨和颞下颌关节(TMJ)的计算机三维有限元模型。方法：以正常咬合、青年尸体头颅为标本，用CT断层和手工断层相结合的方法分别建立下颌骨及TMJ硬、软组织模型，并给髁突赋予实验测得的正交各向异性参数; 以光弹实验测得的咬合力向量进行加载，以二维平衡力系计算结合约束的方法进行边界约束。结果：建立了包括下颌骨、髁突、关节盘、关节软骨的三维有限元模型，并真实再现了同一个体的盘-突关系。结论：本研究可有效地提高下颌骨及TMJ有限元模型的生物及力学相似性，为一系列咬合对TMJ应力影响的生物力学研究奠定基础。

　　中图号：R782.6 文献标识码：A

　　文章编号：1009-3761(2000)04-197-03

Establishment of three-dimensional finite element model of TMJ for relation analysis with occlusion

ZHANG Min，WANG Mei-qing，WANG Jing-jie

　　(Department of Oral Anatomy and Physiology, Stomatological Hospital, Fourth Military Medical University, Xi'an 710032)

　　【Abstract】 Objective: To establish the three-dimensional finite element model of mandible and temporomandibular joint(TMJ),which has higher similarity to the real TMJ in vivo. Methods: A young skull with normal occlusion was adopted for CT scanned transverse section and manual slice section to establish hard and soft tissue of TMJ respectively, in which the condyle was defined as orthotropic material. Contraction and dynamic equilibrium calculation were both used for boundary condition. The whole model was loaded with the occlusal vector resulting from photoelastic analysis. Results: The three-dimensional finite element model including mandible, condyle, disc and articular cartilage was established, in which the normal condyle-disc relationship in real TMJ in vivo was present. Conclusion: The above-mentioned methods could improve the biomechanical similarity of finite element model of mandible and TMJ effectively, which establishes good foundation for a series of biomechanical studies on effects of occlusion to TMJ stress.

　　Key words: Temporomandibular joint; Finite element method; Biomechanics

　　在对颞下颌关节(Temporomandibular joint, TMJ)所承受负荷[1]的研究中，有限元方法已成为TMJ应力分析的重要手段之一。但由于TMJ复杂的几何形态、材料性能和应力环境，使得真实再现、精确分析其所承受的负荷较困难，因此，提高有限元所建模型与实体的几何相似性和所模仿应力环境与实体的生物相似性，成为目前TMJ负荷有限元分析的首要问题。TMJ负荷的最直接来源为咬合力，有实验[2]证实，咬合类型的变化会导致下颌骨上牙根尖应力发生相应改变，探究这种改变对TMJ内应力分布特点和规律的影响如何，对于进一步认识TMJ的改建特点及其与咬合的关系，具有重要意义。目前有关这方面的研究尚较少。本研究即从此点出发，拟从髁突形态、髁突材料参数、关节盘形态、边界约束、咬合加载多个方面提高TMJ模型的生物相似性和力学相似性，为有关咬合类型改变与TMJ负荷之间关系的生物力学系列研究奠定基础。

　　1 材料和方法

　　1.1 标本: 选择牙列完整整齐、咬合关系正常的尸体头颅一具(经牙磨耗鉴定[3]，年龄为30岁左右)。

　　1.2 骨性组织FEM模型的建立

　　以往实验证实[4]，CT扫描断层较之手工切片断层具有精确度高、硬组织丢失量少的特点，故本研究对TMJ硬组织的建模即采用CT扫描断层的方法。以眶耳平面为参照平面，采用 Philip Tomoscan SR 7000型CT扫描机进行TMJ和下颌骨螺旋扫描断层，螺旋层厚2.0mm，床进速度2mm/s，从髁突到颏部连续横断扫描54层，选择骨组织窗观察断层。采用手工描计测量输入，将CT扫描图像转化成计算机数字图像，按照有限元划分的基本原则，选择节点，划分单元，并刻意对应力分析的重点区域—髁突的网格划分较细密，建立下颌骨及TMJ硬组织的三维有限元模型。

1.3 关节盘与关节软骨软组织FEM模型的建立

　　Tanne[5]在TMJ建模时将关节盘模拟为2mm厚的组织覆盖于髁突表面，这与正常关节盘具有厚度不同的三带的形态不相符合。周学军[6]在所建立TMJ模型中将关节盘区分为不同厚度的前、中、后三带，在一定程度上提高了有限元模型与实体的相似性，但由于该关节盘并不是按实体模型离散化后建立，而是人为地加入，这可能会影响关节盘与髁突之间的匹配。本研究针对CT断层无法小间隔(1.5mm以下)断层及不能清晰显示较小的软组织的缺点，采用手工断层描记的方法建立实体关节盘的有限元模型，以求真实再现同一个体的盘--突关系。

　　1.3.1 解剖上述尸体头颅TMJ，在关节盘后带后缘上表面最外份作一定位点，实体测量该点与TMJ CT扫描时在眶耳平面与鼻骨交界处所定的表面标记点之间的三维距离，留待将TMJ硬、软组织模型进行整合时定位之用。

　　1.3.2 在关节盘外侧取三个标志点，形成标志平面，并使之平行于眶耳平面，然后完整取出关节盘，石膏两瓣包埋，石膏结固后打开两瓣，取出关节盘，再将两瓣对合原位。

　　1.3.3 采用带有刻度的精细打磨机，按照与标记平面平行方向，以1mm为间距断层，描记每个断面上关节盘阴模型腔的形状，每个关节盘共断15层。将断面图形数字化，逐层输入计算机，再根据关节盘上标记点与CT扫描的表面标记点间的三维距离，将数字化的三维关节盘图形覆盖于相应的左右髁突之上。在髁突与关节盘之间用2mm单元描述关节软骨。对TMJ关节盘及关节软骨模型选择节点，划分单元。整个模型经Decoder编译和Vizicad检验后，最终形成可供分析使用的TMJ及下颌骨三维有限元模型，共生成8292个单元和10936个节点。