人颞下颌关节区易遭受损伤。尤其在现代社会,虽然和平年代来自战争的威胁越来越少,但由于社会的不断进步,我们人类在日常生活中难免接触到一些无法避免的灾害。其中交通事故尤为常见,由撞击造成的外伤都是发生在瞬间且很少能够提前预知,因此发生撞击的时候,人们无法取得自我保护的措施。颞下颌关节位于特殊位置,且其在受到外力作用下容易受到损伤。例如,摔倒或者受到撞击都会对颞下颌关节造成较大的损伤,因此在生活中,当人类遭遇交通事故等灾害时,其颞下颌关节受到撞击损伤的几率较大,且其所处部位容易引发其他多部位受到联合损伤。因此,在临床中,医生如何充分了解颞下颌关节在受到外力撞击时的损伤机制、损伤特点以及预防和救治要点已显得至关重要。有限元法(The Finite Element Method,FEM)经历这么多年的持续发展,已经在生物力学领域展现了其愈来愈重要的位置。有限元是基于计算机系统,利用数值计算分析一些工程力学问题。在生物力学领域,其优势主要是可以通过将研究对象一步步地细化,最终实现精确模拟人体结构的各个复杂部位。因此该方法能够将人体各部位简化成一个数量有限、具备简单形状的几何单元。这样对人体复杂结构的研究就可以简化成对各个简化单元的研究。在过去的几十年间,有限元方法已在口腔医学、骨科、康复科等领域得到迅速发展,尤其随着计算机技术的愈发成熟,各类有限元分析软件的开发及优化已经让仿真计算结果越来越接近实际情况。本课题组在利用有限元仿真模拟研究生物力学方面已经积攒大量的实践经验,尤其是各类型颌面部损伤,我们同时利用动物实验等方法对仿真结果也进行了验证,并得到积极的反馈。在研究颞下颌关节受到外力撞击引发的损伤等问题时,有限元法具有可操控性、可重复性等优势。而且仿真实验通过对不同撞击工况进行模拟从而得到其损伤机制,这样可以保证实验的安全性。因此,本论文工作在课题组前期工作基础上拟通过建立人颅颌面部三维有限元模型,并模拟颏部、下颌骨体、下颌角撞击情况下,分析下颌骨、髁突、关节盘以及咬肌等关键部位的受力分布,从而了解其损伤情况。本论文的研究结果为外科医生了解颞下颌关节在遭受不同撞击时,其骨骼肌肉系统可能受到的损伤提供理论依据。方法:1.首先联系具有代表性的中国汉族成年男性作为志愿者,通过计算机扫描(Computed tomography,CT)及(Magnetic resonance,MRI)获取志愿者的头部CT及MRI图像数据。然后通过MIMICS软件分离出属于下颌骨的骨组织以及肌肉组织像素,获得下颌骨三维标准模版库(Standard Template Library,STL)几何模型,进一步通过Geomagic Studio软件进行曲线曲面的非均匀有理B样条(Non-uniform rational B-spline for curved surfaces,NURBS)曲面拟合,最终得到TMJ系统的三维几何实体。最后利用Hypermesh软件对TMJ系统进行网格划分,完成三维模型的构建。2.通过LS-Pre Post进行有限元后处理,获得下颌骨、关节盘、颞下颌关节窝、咬肌等组织的Von Mises应力云图和下颌骨骨折动态图。结果:1.通过采集的人颌面部CT、MRI数据,完成TMJ各结构三维数字图像重建以及面网格模型处理。2.成功建立了人下颌骨撞击伤三维有限元模型,包含了材料参数、TMJ系统各结构之间的相互作用、边界条件等参数设置。3.在本研究模型中,下颌骨正中处受撞击后,率先骨折的部位为右侧髁突颈部,随后左侧髁突颈部和碰撞点陆续骨折;下颌骨体受撞击后,率先骨折的部位为碰撞对侧髁突颈部,随后碰撞侧髁突颈部和碰撞点陆续骨折;下颌角受撞击后,率先骨折的部位为碰撞侧髁突颈部,随后碰撞对侧髁突颈部和碰撞点陆续骨折。下颌骨受撞击后易致伤骨折部位主要是两侧髁突颈部以及受撞击处,但存在下颌骨多处骨折时,不同撞击部位所引起的骨折发生点先后次序并不相同。4.下颌骨受撞击能量不同,引发骨折情况存在差异。撞击下颌骨正中处时,产生一处或三处骨折的临界速度在2.78~8.33m/s之间。撞击下颌骨体或下颌角时,产生一处骨折的临界速度在2.78~8.33m/s之间;产生两处或三处骨折的临界速度在8.33~9.72m/s之间。5.下颌骨的应力云图显示尽管高应力区较易出现在髁突颈部,但由于关节盘、关节囊等特殊结构的存在,两侧髁突的外表面一直处于一个较低的应力水平,同时对来自髁突颈部的高应力起到了很好的缓冲,从而使得关节盘两侧骨组织上的应力分布出现了“断层”,传递到关节窝及颅底部的应力明显低于下颌骨髁突颈部的应力,从而避免了对颅脑的损伤。应力强度超过关节盘等软组织最大形变性能时,关节盘缓冲作用削弱,关节窝应力水平较高,此时发生关节盘挫伤、穿孔以及颅底损伤的可能性会增加。6.咬肌受力产生形变,并将载荷传递到下颌骨上。在相对较低速撞击下,本实验各组中并未产生撕裂现象,只是存在较大变形,受到的损伤主要为挫伤。结论:1.成功建立TMJ系统撞击伤生物力学有限元模型,完成下颌骨在不同部位不同速度撞击下的力学响应分析,关于下颌骨的骨折规律基本符合基础实验和临床现象。2.在应力由髁突向颞下颌关节窝传递的过程中,出现了“阶梯式”下降,这对颅骨和颅脑具有一定的保护作用。在下颌骨受冲击时,关节盘在TMJ系统中扮演着良好的缓冲角色。诊治过程需重视关节盘挫伤、穿孔以及颅底损伤的检查。3.本研究在模拟TMJ和骨组织生物力学响应的同时,对肌肉组织的力学响应也作了初步探索,可用于更细节更准确的损伤预测,并且指导临床防护。在下颌角受到撞击时,咬肌能起到较好的缓冲作用,使骨组织受到的应力有所下降,从而能在一定程度上减缓受到伤害的程度。在某一特定的撞击速度范围内,咬肌等软组织的损伤程度与撞击速度呈正相关。