关键词：颞下颌关节；磁共振成像；图像处理；计算机辅助；三维有限元法；牙应力分析；颏兜；正畸用

　　【摘要】 目的：用三维有限元法观察颏兜力作用下颞下颌关节的受力状况和整个下颌骨的应力分布，探讨颏兜的作用机制及颏兜力作用与TMD的关系。方法：模拟颏兜力的作用，在下颌骨颏点处施加5.88N的力，力的方向为颏点与髁突连线在矢状面上的投影。采用ANSYS有限元结构分析软件在计算机中进行计算和分析。结果：髁突表面最大受力区域位于髁突前斜面。关节盘受拉应力最大的区域位于相当于关节盘中间带的部位，受压最大的区域位于关节盘后带后缘中部。关节窝表面受力最大区域位于关节结节后斜面。下颌骨较大压应力区位于力的作用线周围区域，较大拉应力区位于下颌支后部及下颌角附近区域。结论：颏兜力可对TMJ的应力分布产生影响，但颏兜力作用下是否会造成TMD还有待进一步研究。
　　颏兜是正畸治疗中一种重要的矫形装置，主要用于矫治前牙反下颌前突，已在临床得到广泛应用。研究表明[1-5]，颏兜力作用于下颌可抑制下颌过度生长，这种抑制作用主要通过改变髁突生长方向来达到，下颌长度的变化不明显。Ⅲ类错患者经颏兜治疗后，髁颈变细，髁头前弯，关节窝加深加宽。髁突向前上方向生长，使下颌形状发生了变化，因而有效地补偿了下颌的过度生长。但颏兜矫治反的具体机制尚不完全清楚，在颏兜这种重力的作用下对关节有何影响也还有许多争论。本研究的目的是通过模拟颏兜力，观察颏兜作用下颞下颌关节的受力状况及整个下颌骨的应力分布。

　　1 材料和方法

　　选择牙列完整，咬合关系正常，无任何TMD症状和体征的健康成年女性志愿者一例。采用Signa 1.5T 超导型磁共振机(General Electric Company, Milwaukee, Wisconsin, USA)选择三维快速扰相位梯度回波序列(3D-FSPGR)，对双侧颞下颌关节区进行闭口位扫描,采用自旋回波序列对下颌骨由后向前进行冠状位扫描。对获得的断层影像进行三维重建和显示。

　　用扫描仪(Agfa ArcusⅡ)将MR二维图像扫入计算机,提取出感兴趣区(关节窝，关节盘，下颌骨等)的外形轮廓。将提取出的图形转入Auto-CAD中定出图形中每个点的坐标。将图形转化为数据文件，转入有限元处理程序ANSYS5.3 (SAS IP, Inc, Houston ,Texas, USA)中。在ANSYS中将关节区的系列图形及下颌骨的系列图形按坐标组合起来,获得了关节区和下颌骨的三维空间外形,用ANSYS的前处理程序进行自动网格划分即获得了包括关节区和下颌骨的三维有限元模型。

　　参照Koolstra等[6]的方法，从头部MR影像中定出肌力作用线起止点的坐标。将咀嚼肌用只受拉不受压的杆单元来模拟，与下颌骨连接，约束咀嚼肌杆单元在颅骨附着点的自由度。各咀嚼肌横截面积参照Koolstra等[7-8]的研究如下：嚼肌浅层5.7cm2,嚼肌深层2.3cm2,翼内肌5.4cm2,颞肌前份5.9cm2, 颞肌后份4.9cm2, 翼外肌(下头)2.3cm2。肌肉的弹性模量参照Kuchler等[9]的研究的值，为8.2×102N/cm2,波松比为0.4[10]。假设模型各部分为连续、均质、各向同性的线弹性材料。选取下颌骨的外层单元作为皮质骨，内层单元作为松质骨。将关节窝几何形状稍作简化，均作为皮质骨处理各材料的材料常数见表1。

表1　模型不同部分的材料常数

模型使用的坐标系为Cartsian坐标系。边界条件：约束模型颞骨区上表面全部节点的所有自由度，约束后牙区牙列面节点垂直方向的自由度。加载方式：模拟颏兜力的作用，在下颌骨颏点处加力。力的大小为5.88N，力的方向为颏点与髁突连线在矢状面上的投影。

　　有限元计算和分析:采用ANSYS5.3(SAS IP, Inc, Houston, Texas, USA)有限元结构分析软件在计算机中进行计算。分别观察关节盘、髁突、关节窝的最大主应力、最小主应力及Von Mises应力状况，观察下颌骨的整体受力状况。为便于观察和描述，将关节盘按其解剖形态及结构，参照以往文献

^[11]分为前带、中间带、后带。每一部分又分为内侧区、中间区、外侧区来描述。髁突表面和关节窝表面前后方向分为前、中、后部，内外方向分为内侧区、中间区、外侧区。

　　2 结果

　　2.1　髁突的应力分布 在颏兜力作用下，髁突表面为广泛的拉压应力并存状态。髁突表面前中部，即相当于髁突前斜面的区域，所受拉应力最大，应力值向周围逐渐减小。髁突表面最小主应力分布较均匀，但前中部受压应力稍大，后外侧区受压较小。Von Mises应力的状况为:髁突表面受力最大的区域位于前中部的中间区稍偏外侧，以此向周围方向应力值逐渐减小，髁突表面后部尤其是后外侧区受力较小。髁突表面平均应力分布为内外方向上中间区最大，内侧区稍大于外侧区。前后方向上髁突前中部的应力明显大于后部。

图1　颏兜力作用下髁突表面最大主应力（S1）、

　　最小主应力（S3）、Von Mises应力（SV）分布情况。