研究背景颞下颌关节是人体内最为复杂的关节之一,是具有转动和滑动运动的左右联动关节。其解剖结构的稳定和灵活决定了该关节具有重要的生理功能,其中包括参与咀嚼、言语、吞咽和面部表情等。颞下颌关节的疾病,如颞颌关节强直、下颌骨的肿瘤累及髁突、髁突骨折后不能复位固定及其他疾病常常需要部分或全部切除髁突,术后很难保持良好的颌关系及下颌功能,造成了患者面部畸形、咬合关系紊乱,严重影响了患者的生活质量。目前,人工颞下颌关节具有能模仿正常的解剖形态、与宿主贴合、不需另行取材、术后能立即进行功能训练、避免骨性粘连等优点,使得人工颞下颌关节进行关节重建成为临床可选择的有效方法之一。但与人工膝关节、髋关节在修复成功率上还存在差距,明显较低。其中多种原因可导致修复失败,如材料导致的炎症反应、假体近钛钉和外形应力集中点断裂、因为钛钉数量不足和关节区受力过大引起的骨连接处骨折等。归其主要原因为在人工颞下颌关节假体修复中不合适的材料和不恰当的固定设计。现阶段大量关于人工颞下颌修复缺损效果的研究主要是通过体外动物实验和对临床病例回顾性的总结,都不能准确说明人工颞下颌关节受力时假体与骨端的应力分布及改变。理想的人工颞下颌关节固定方式及钛钉要求还不确切。因人工颞下颌关节是单端固位方式,人工髁突假体的外形、固位,钛钉的设计、数量、分布将会对其固位和稳定性产生重要影响,而良好的设计和外形与稳定的固位是假体行使功能的必要前提,人工颞下颌关节生物力学研究将应用力学的原理和方法对人工关节中的应力分布及改变进行定量研究,具有良好的发展前景。研究目的本实验利用CT扫描技术,三维重建、逆向及有限元计算工程软件：Free Form、 Mimics、Geomagic、Solid works、ANSYS Workbench等,建立了由单个牙组成完整牙列的下颌骨三维有限元模型,分析在一侧髁突缺损情况下,人工颞下颌关节重建关节后,咀嚼力加载下对下颌骨、人工颞下颌关节、钛钉应力的分布及影响,分析了人工颞下颌关节重建后下颌骨的应力分布及位移趋势；通过建立髁突缺损假体置换三维有限元模型,揭示不同修复方式在重建髁突缺损中的特点与关系,为新型关节假体的研制和临床假体修复应用提供实验室数据支持。材料与方法第一部分人工颞下颌关节重建右侧髁突缺损数字模型的建立1、模型数据来源：根据实验目的和要求,筛选南方医科大学附属南方医院口腔颌面外科一名健康志愿者,26周岁,下颌骨及颞下颌关节无疾病及形态异常,无外伤手术史,牙列完整、咬合关系正常。与志愿者协商同意后行CT扫描。2、数据获取方式：采用SIEMENS公司64层CT进行下颌骨连续水平扫描。扫描参数：层厚1mm,球管电流200mA,电压120kV。扫描范围：上起髁突上缘,下至下颌骨下缘,所得图像数据以DICOM格式保存。3、下颌骨仿真三维有限元模型建立：利用CT扫描头颅图像数据以Dicom格式输入三维重建软件Mimics(比利时Materialise公司)中,以STL格式文件导出并输入到逆向工程软件Geomagic软件中,进行光滑、打磨、去噪等一系列图像处理,生成三维图形IGES文件格式,得到完整正常下颌骨模型。4、右侧下颌骨髁突缺损有限元模型实现：在正常髁突模型的基础上,将下颌骨三维实体模型数据导入ANSYS Workbench(美国ANSYS公司)中,利用ANSYS的实体切割功能,将工作平面调至待切部位进行布尔运算,切除右侧髁突,模拟髁突摘除后缺损(乙状切迹水平)并建立右侧下颌骨髁突缺损三维模型。5、人工颞下颌关节及钛钉的三维实体模型建立：根据临床中使用的人工颞下颌关节建立假体模型,钛钉使用简化模型,采用了圆柱模型,直径分别为2.0mm、2.5mm、3.0mm三种钛钉。利用三维CAD软件Solidwork(法国达索公司)分别进行人工颞下颌关节、钛钉建模。6、三种不同直径钛钉人工颞下颌关节固定模型建立：将人工颞下颌关节、钛钉三维模型数据输入到右侧髁突缺损的下颌骨三维模型中,并根据本实验建立的不同直径钛钉与人工颞下颌关节进行定点装配。方式Ⅰ：2.0mm直径钛钉在人工颞下颌关节关节柄与下颌升支处固定,从髁突缺损处向下相隔相同距离固定3颗；从髁突向下颌骨下缘方向依次为第1颗钛钉、第2颗钛钉、第3颗钛钉。方式Ⅱ：2.5mm直径钛钉于相同位置条件下；方式Ⅲ：3.0mm直径钛钉于相同位置条件下。7、模型三维有限元网格划分：下颌骨模型和固定构件均采用Workbench默认的Solid187实体单元,划分时,下颌骨模型的单元尺寸取2.5mm,人工颞下颌关节模型取lmm。建立人工颞下颌关节重建髁突缺损三种不同直径钛钉固定的三维有限元模型。第二部分人工颞下颌关节重建髁突缺损的生物力学分析1、边界条件：对下颌骨左侧髁突完全固定,右侧固定人工颞下颌关节顶部,前端固定前牙。进行静态力学有限元计算和分析,打开大变形效应,设置模型边界条件。2、接触设置：在Workbench中,设置下颌骨皮质骨与松质骨接触为完全固定。牙齿与皮质骨为Bond(绑定)接触,钛钉打入下颌骨后也设置为Bond接触,设置皮质骨与人工颞下颌关节关节柄之间的摩擦系数为0.42的Frictional接触。3、咬合力的加载及下颌骨生物力学分析：模拟咀嚼肌咬合力方向,在双侧下颌角处加载斜向力200N,对下颌骨及三种不同钛钉人工颞下颌关节重建模型计算分析等效应力及位移,在相同的位点进行对比,分析应用不同钛钉重建下的生物力学特征。4、人工颞下颌关节、钛钉的生物力学分析：在相同咬合力加载下,相同的边界约束和条件下,三种不同固定方式中钛钉应力分布、人工颞下颌关节应力集中部位进行生物力学分析,分析人工颞下颌关节自身应力特点与比较三种不同钛钉下的应力强度及稳定性。第三部分新型人工颞下颌关节设计与生物力学分析1、新型人工颞下颌关节的设计：通过对临床中使用的人工颞下颌关节结合髁突及下颌支的应用解剖,设计新型人工颞下颌关节。新型人工颞下颌关节由三部分组成：旋转片、连接体、连孔假体。2、接触设置：与第二部分相同,下颌骨设置为Bond接触,皮质骨与人工颞下颌关节关节柄之间的摩擦系数为0.42的Frictional接触。3、新型人工颞下颌关节下颌骨生物力学分析：在第二部分中相同条件下,并截取人工颞下颌关节与下颌骨骨接合处相同位点,分析新型人工颞下颌关节下颌骨的生物力学特征。4、新型人工颞下颌关节、钛钉生物力学分析：咬合加载下新型人工颞下颌关节、钛钉应力分布、应力集中情况进行生物力学分析,结合下颌骨的生物力学特点,分析新型人工颞下颌关节的生物力学特性。结果1、利用CT精密扫描采集健康成年志愿者下颌骨数据,通过三维重建软件Mimics等成功建立了正常下颌骨三维实体模型,该模型含完整牙列、松质骨、皮质骨,并具有良好的几何相似性。2、在完整下颌骨三维有限元模型基础上进行右侧髁突缺损模型的建立,并将人工颞下颌关节进行定点装配,建立了三种不同钛钉固定下的髁突缺损人工颞下颌关节重建模型。3、双侧下颌角进行咬合力加载后获得三种不同直径钛钉固定后下颌骨生物力学特征：从下颌骨等效应力分布可知,下颌骨的最大应力集中在与髁突最近的第1颗钛钉钉孔处,从髁突向下第2颗钛钉及第3颗钛钉钉孔处应力明显减小；下颌骨最大等效应力值为：第3颗钉孔区<第2颗钉孔区<第1颗钉孔区；随着钛钉直径的增大,下颌骨最大等效应力值减小；即方式Ⅲ<方式Ⅱ<方式Ⅰ。4、人工颞下颌关节及钛钉应力分析：通过人工颞下颌关节的应力分布发现,最大应力集中部分位于人工颞下颌关节关节头与关节柄交界的部位,为应力薄弱点。钛钉自身最大等效应力分布为：第3颗钛钉<第2颗钛钉<第1颗钛钉。随着钛钉直径的增大最大应力值为：3.0mm直径钛钉<2.5mm直径钛钉<2.0mm直径钛钉。5、新型人工颞下颌关节的生物力学特性：整体等效应力分布：下颌骨整体应力值均较小,均未超出骨质的破坏强度,小于骨皮质区服应力值108Mpa。侧面3个钉孔区从下到上应力峰值：第3钉孔<第2钉孔<第1钉孔。局部等效应力分布：下颌骨升支截断面处有应力增大区,为连接体传导钉孔区。人工颞下颌关节等效应力分布：在关节头与关节柄的连接处出现红色应力较大区域。钛钉等效应力分布：钛钉等效应力分布图可看出,应力峰值为第3颗钛钉<第2颗钛钉<第1颗钉,从上至下依次减小。下颌骨整体形变分布：下颌骨整体形变可见,右侧形变程度在下颌角处最大,整体的变形分布图在下颌骨中基本对称。结论1、CT扫描获取的数据,利用三维重建软件Mimics结合逆向工程软件建立的含完整牙列的下颌骨三维有限元模型,层次清晰,具有极好的几何相似性。逆向工程软件对下颌骨模型进行光滑、打磨、去噪等一系列处理,模型更加接近真实,可分为单个牙齿组成的完整牙列、松质骨及皮质骨；与临床实际相接近,使下颌骨生物力学特点分析更为准确。2、下颌骨的等效应力分析证实,在接近髁突的第1个钉孔区,出现了明显的应力集中现象,过大的应力将导致骨质吸收,从而造成钛钉松动,降低人工颞下颌修复缺损的成功率；随着钛钉直径的增大,下颌骨最大等效应力呈现减小的趋势；提示在临床应用中,需考虑第1个钉孔区的应力集中现象,通过新型人工颞下颌关节的设计或增大钛钉直径使得应力分布接近正常下颌骨受力的生物力学特征,有利于促进术区愈合和提高远期修复成功率。3、人工颞下颌关节及钛钉等效应力分析证实,在关节柄和关节头交界区域为假体的应力薄弱点,人工颞下颌关节的设计应考虑该特点；钛钉在随着直径增大时,钛钉自身的最大等效应力减小,提示适当增大钛钉直径可增加钛钉的稳定性。4、新型人工颢下颌关节的设计使大部分受力能通过连接体传导到髁突断面,减少了侧面钛钉的受力,增加了假体的稳定性；新型假体很好地将力分散至截面,以缓解侧向钛钉的受力,此时3颗钉子的应力分布明显均匀,相差较小,避免了过大应力导致的下颌骨孔区吸收；整体变形也反映了新型人工颞下颌关节可以很好的保证下颌骨受力及变形方式上的对称性。新型人工颞下颌关节具有良好的生物力学特性,为临床改良人工颞下颌关节和重建髁突缺损提供了参考依据。