颞下颌关节骨骼肌肉系统三维有限元模型的构建

目的探讨基于影像学与解剖学构建颞下颌关节(temporomandibular joint,TMJ)骨骼肌肉系统三维有限元模型的可行性,为TMJ生物力学研究提供建模的新思路。方法采集第2代中国虚拟人男性第23号头颅CT图像、咀嚼肌及TMJ关节盘MRI图像,以DICOM格式导入Mimics软件进行三维重建,再通过Geomagic Studio软件配准模型、优化模型及构建关节软骨和关节囊,最后由ANSYS软件定义各组织的材料属性,建立TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。结果建立了一个包含关节盘、关节软骨、关节囊、上颌骨(包括颧骨及鼻骨)、下颌骨、颞骨(包括部分顶骨)、蝶骨、上牙列、下牙列、颞肌、咬肌、翼内肌、翼外肌、颞下颌韧带、蝶下颌韧带及茎突下颌韧带的TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。结论根据CT、MRI图像和解剖学,利用Mimics、Geomagic Studio及ANSYS可以精确、可行地构建TMJ骨骼肌肉系统的三维有限元模型。模型更加真实还原TMJ的生物力学环境,为TMJ生物力学研究提供新的建模方法,为临床上TMJ疾病的可视化治疗提供仿真平台。     

一种新型人工颞下颌关节的生物力学分析

目的　建立下颌骨髁突缺损有限元模型,研究新型人工颞下颌关节的应力分布及位移改变。 方法　运用Mimics、Geomagic、Solidworks、ANSYS软件建立含完整牙列的下颌骨右侧髁突缺损有限元模型并分析新型人工颞下颌关节在模拟咬合力加载的情况下假体及下颌骨硬组织的应力分布和位移情况。 结果　下颌骨整体等效应力值均低于20 MPa,最大形变值不超过0.05 mm。 结论　新型人工颞下颌关节能避免过大应力导致的假体断裂和骨质吸收,具有良好的生物力学特性。     

颞下颌关节三维动态磁共振成像研究及生物力学分析

目的通过在多层面二维动态MR成像上获取颞下颌关节组织的运动数据,构建颞下颌关节的三维动态模型,并进行初步生物力学分析。方法 MRI检查采用GE Signa 1.5T TwinSpeed超导型磁共振扫描仪。选取2例无症状男性志愿者行颞下颌关节MRI检查,将图像数据导入Mimics软件,构建颞下颌关节的三维模型,动态分析张口幅度和关节盘横径的量化关系。结果建立的颞下颌关节三维动态模型清晰显示三维动态盘髁关系及关节盘在动态过程中的形态变化;志愿者1张口/关节盘横径拟合直线为:y=-0.03x+14.44,相关系数R2=0.591,志愿者2相关拟合直线为:y=-0.061x+13.48,相关系数R2=0.306,志愿者张口位置与关节盘横径变化具有直线趋势,关节盘横径随着张口幅度的加大而呈现减小的趋势,颞下颌关节盘对于髁突的包绕程度与张口幅度呈反比。颞下颌关节盘纵径厚度在张口活动中后带外份及中带内份的变化幅度最大。结论通过颞下颌关节二维动态MR成像数据可构建三维动态模型立体动态地观察颞下颌关节运动,可直观、准确显示颞下颌关节盘髁关系,可作为颞下颌关节二维静态MR成像的有益补充,弥补常规MRI检查的局限。     

正畸减数患者后牙前移对颞下颌关节应力影响的三维有限元分析

背景：颞下颌关节紊乱病与颞下颌关节内有高应力密切相关。减数拔牙后伴随着磨牙位置的改变,建立新的咬合关系往往会导致颞下颌关节内应力环境发生改变。目的：在牙尖交错位时,利用三维有限元模型分析正畸减数拔牙后不同程度磨牙前移下颞下颌关节的应力分布。方法：选择在山东青岛市市立医院口腔正畸科就诊的正常牙合患者1例,收集其锥形束CT和MRI数据,分别建立减数前、减数后上下磨牙前移1/3拔牙间隙(拔除4颗第二前磨牙)及减数后上下磨牙前移2/3拔牙间隙(拔除4颗第二前磨牙)的有限元模型,通过建模软件分析牙尖交错位时颞下颌关节各部位的应力分布。结果与结论：(1)减数前后模型中髁突、关节盘、骨关节窝的受力分布基本一致,髁突的应力主要分布于髁突的前部及顶部,关节盘的应力主要分布于关节盘的中带及外侧,颞骨关节窝的应力主要集中分布在关节窝的前部及顶部。与减数前相比,减数后模型中髁突、关节盘及关节窝的等效应力值减小;正畸减数拔牙后,上下磨牙前移1/3拔牙间隙模型中髁突及关节盘的等效应力值小于上下磨牙前移2/3拔牙间隙模型。(2)从生物力学角度上讲,正畸减数拔牙可以降低颞下颌关节的应力,进而提供良好的生物力学环境。     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

咬合接触对颞下颌关节生物力学影响的有限元研究

目的建立用于研究咬合接触与颞下颌关节生物力学关系的三维有限元模型,并设计不同的工况来分析不同咬合接触情况下颞下颌关节应力的变化规律。方法尸体头颅1具,平行于眶耳平面作CT扫描;取石膏模型,以三维扫描仪对牙列(牙合)面扫描;将石膏模型扫描参数与CT扫描参数换算到同一坐标系下,在髁突上方设均厚的类关节盘,关节盘顶及下颌角作约束设计,经划分网格生成有限元模型。工况一:左侧下颌不同牙位咬合接触面加载;工况二:在包括左侧下颌第二磨牙的颞下颌关节三维有限元模型上,设计下颌第二磨牙牙尖交错(牙合)、远中方向和颊侧方向三种加载部位的工况,研究不同工况下双侧髁突处应力分布变化的规律。结果(1)建立了包括双侧髁突、类关节盘及下颌牙列在内的用于分析咬合与颞下颌关节关系的三维有限元模型。(2)咬合加载牙位不同,双侧髁突应力效应不同,髁突外、中、前、顶等处为承受较高压强的区域。(3)咬合加载部位牙面承载形态不同,双侧髁突应力效应也不同,其变化包括应力性质和应力的分布特点等方面,远中加载和颊侧加载时分别可致加载侧髁突内极和加载对侧髁突内极应力集中。结论咬合接触部位及方向变化可影响髁突应力分布。     

三维有限元分析下颌骨不同部位受力髁突的力学应变

背景：髁突骨折可以发生在直接及间接外力作用下,其危险性与撞击作用部位有着何种相关关系,目前报道较少。 目的：快速建立正常下颌骨的三维有限元模型,采用有限元方法分析下颌骨不同部位受力对髁突力学应变情况。 方法：以颌骨发育正常,无任何口腔疾患的青年志愿者1例进行多层螺旋CT扫描,利用医学逆向工程软件Mimics和大型有限元软件MSC.Patran建立下颌骨三维有限元模型并对下颌骨体部、颏部、下颌角部及髁突等部位进行数值撞击试验,对所建模型进行可行性验证。 结果与结论：①快速建立下颌骨三维有限元生物力学模型,重现了下颌骨的几何外形,能够得到下颌骨髁突的直观整体印象。建立的几何模型包括80 044节点和18 441单元。②于下颌骨颏部、一侧下颌体部、下颌角及髁突处分别加载100 N压力时,骨皮质中最大等效应力出现在髁突区域,髁突发生骨折的危险性最大。实验结果有助于从力学上对于髁状突骨折类型进行分析及对骨折的程度进行判断。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

用于分析面形态与颞下颌关节生物力学关系的三维有限元模型的建立

目的为研究(牙合)面形态变化对颞下颌关节应力影响的规律,建立包括下颌牙列(牙合)面形态及双侧髁突的三维有限元模型.方法尸头1具,平行于眶耳平面作CT扫描,获取下颌骨几何参数;取石膏模型,以三维扫描仪对牙列(牙合)面扫描(精度0.5mm);将石膏模型参数与CT参数换算到同一坐标系下,在髁突上方设均厚类关节盘,关节盘顶及下颌角作约束设计,经划分网格生成有限元模型.结果建立了包括双侧髁突、类关节盘及下颌牙列在内的用于分析咬合与颞下颌关节关系的三维有限元模型.结论采用本方法可建立研究(牙合)面形态与颞下颌关节应力关系的三维有限元模型.     

颞下颌关节三维有限元建模相关因素分析

颞下颌关节的生物力学研究对理解颞下颌关节病的发生、发展具有重要意义。有限元方法可以分析颞下颌关节各组织受到外力或者发生形变后组织内部的应力和应变情况,但其复杂而且细致的解剖结构导致构建有限元模型的研究总是耗时、昂贵和不可重复。为寻求一种更为快捷、精确的下颌骨三维有限元模型建立方法,提高颞下颌关节有限元建模精度,针对模型与实体几何相似性、生物力学环境仿真模拟等相关因素进行综述。     

建立包含颞下颌关节下颌骨双侧下颌支矢状劈开内固定后的有限元模型

背景：双侧升支矢状劈开截骨已经成为矫正面部畸形的常规方法,运用有限元方法研究双侧下颌支矢状劈开内固定后颞下颌关节及下颌骨的生物力学是一种重要途径。 目的：建立精确、高仿真的双侧下颌支矢状劈开内固定后包含颞下颌关节的下颌骨模型,为研究双侧下颌支矢状劈开内固定后下颌骨及颞下颌关节生物力学提供基础。 方法：螺旋CT扫描后得到DICOM格式数据导入MIMICS软件建立下颌骨三维模型。将三维模型包裹成单一的封闭壳,在ANSYS中进行网格划分及转换,再将模型写入ANSYS软件进行颞下颌关节相应部分的重建并模拟双侧下颌支矢状劈开及术后固定。 结果与结论：运用MIMICS及ANSYS软件建立双侧下颌支矢状劈开内固定后的带有颞下颌关节及下颌骨的三维有限元模型。此模型和人体组织相比,具有生物相似性及几何相似性。双侧下颌支矢状劈开内固定后的模型,可以通过前移、后移、旋转移动远心端,再行各种方式的内固定。所建立的三维有限元模型可以根据实验目的不同,对各个部位施加载荷,用来研究双侧下颌支矢状劈开内固定后不同组织应力及位移的改变,也可以研究不同固定材料对固定后稳定性的影响。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

Temporomandibular Joint: Disorders,Treatments, and Biomechanics

Temporomandibular joint (TMJ) is a complex, sensitive, and highly mobile joint. Millions of people suffer from temporomandibular disorders (TMD) in USA alone. The TMD treatment options need to be looked at more fully to assess possible improvement of the available options and introduction of novel techniques. As reconstruction with either partial or total joint prosthesis is the potential treatment option in certain TMD conditions, it is essential to study outcomes of the FDA approved TMJ implants in a controlled comparative manner. Evaluating the kinetics and kinematics of the TMJ enables the understanding of structure and function of normal and diseased TMJ to predict changes due to alterations, and to propose more efficient methods of treatment. Although many researchers have conducted biomechanical analysis of the TMJ, many of the methods have certain limitations. Therefore, a more comprehensive analysis is necessary for better understanding of different movements and resulting forces and stresses in the joint components. This article provides the results of a state-of-the-art investigation of the TMJ anatomy, TMD, treatment options, a review of the FDA approved TMJ prosthetic devices, and the TMJ biomechanics.     

Aspects of morphology and guidance of the human temporomandibular joint

Examinations of the curvature morphology of the temporomandibular joints (TMJs) in macerated human skulls yielded that in initial protrusive cranial border motion, parts of the condylar articulating surfaces are only functional under force transmission. These areas were found on the lateral-central side of the condyle. In contrast to the Cercopithecus mona, a monkey species, the human TMJ apparently possesses a distinctly higher spatial performance range.     

Biomechanical Tissue Characterization of the Superior Joint Space of the Porcine Temporomandibular Joint

The objective of this study was to characterize the biomechanical properties of articular cartilage in the superior joint space of the porcine temporomadibular joint (TMJ). These properties and thickness of the disk and fossa cartilage were obtained from eight joints using creep indentation. Five sites per surface were tested to obtain the aggregate modulus, Poisson's ratio, permeability, creep, recovery percentage, and cartilage thickness. Histology was also performed to characterize the orientation of the collagen fibers and the proteoglycan content. It was found that the temporal fossa cartilage was 57% thinner and 50% stiffer than the disk. The aggregate modulus of the porcine TMJ disk and fossa was much smaller, but the permeability of the TMJ disk and fossa was much higher than those of articular cartilage in other joints. It was also noted that the TMJ disk did not fully recover following indentation testing unlike the articular cartilage in other joints. The biomechanical properties of the TMJ disk and temporal fossa obtained in this study are significantly different from those of cartilage present in other diarthrodial joints. This suggests that the function of the fibrocartilage in the superior TMJ space is substantially different from that of hyaline cartilage in other joints. © 2003 Biomedical Engineering Society. PAC2003: 8719Rr, 8719Ff     

Effects of Initial Cell Seeding Density for the Tissue Engineering of the Temporomandibular Joint Disc

Tissue engineering may provide a better treatment modality for postoperative discectomy patients. The TMJ disc is an ideal candidate for tissue engineering approaches because of its lack of an intrinsic regenerative ability. Unfortunately, basic knowledge related to TMJ disc tissue engineering is still at an infancy level and not on par to that related to articular cartilage tissue engineering. The objective of this study was to examine the effects of initial cell density of TMJ disc cells seeded in nonwoven poly-glycolic acid (PGA) scaffolds on the biochemical and biomechanical properties of constructs examined at 0, 3, and 6 weeks after seeding. Low, medium, and high seeding densities were chosen to be 15, 30, and 120 million cells per ml of scaffold, which were seeded using a spinner flask. Significant differences were found temporally and as a function of seeding density in morphology, total collagen, GAG content, and permeability of the constructs, but not in aggregate modulus. The high seeding density group outperformed the low and medium groups in collagen and GAG content at all time points measured. The high-density group produced a total of 55.37 ± 3.56 μg of collagen per construct, maintained 15.77 ± 1.86 μg of GAG per construct, and only shrunk to 50% of the original scaffold size. Permeability of the constructs at 6 weeks was decreased by 70% compared to 0 weeks.     

人体颞下颌关节盘后组织生物力学研究

确定了颞下关节盘后组织的生物力学性质,研究其功能机制。对取自８个新鲜关节标本的１３个盘后组织试件进行了软组织单向拉伸应力松驰和破坏实验,结合Ｆｕｎｇ ＹＣ拟线 粘弹性理论对实验结果进行了分析。结果表明：盘后组织的生理二相区在２０％－３０％应变范围内。     

利用CBCT行双侧颞下颌关节对比测量的技术探讨

目的：探讨颞下颌关节（Temporoman DibularJoint,TMJ）的锥形柬计算机体层摄影（Cone-Beam Computed Tomogra-phy,CBCT）成像重建技术和关节结构测量方法,筛选适合TMJ双侧对比研究的指标。方法：选取TMJ需做CBCT影像检查的123例患者,确定标志点,CBCT扫描后对TMJ进行三维成像和重建,观察同一患者两侧TMJ重建后横断面的髁突半径值和水平角：平行于髁突长轴的斜位的关节间隙、髁突长轴径值、髁突垂直角;垂直于髁突长轴的斜位与矢状位的关节结节斜度、关节窝深度和关节间隙,分析每个患者左右两侧TMJ是否均能获得上述各项数据用于对比研究。结果：在矢状位和垂直于髁突长轴斜位的曲面测量关节间隙,当测定经过髁突中心点的30°、150°角分线时的关节间隙,部分病例测不到数值,不适合左右两侧对比研究。其余各项数据均可用于TMJ的左右两侧对比研究。结论：CBCT成像系统可以对颢下颌关节进行多层面重建和测量,适合TMJ双侧对比研究,可为临床诊断和后续研究提供参考。     

Amianthoid Fibres in Muscle Tissue Associated with Tempromandibular Joint Ankylosis

The masseter and temporalis muscles were studied ultrastructurally in 3 patients having extra and intraarticular ankylosis of the TMJ. Amianthoid fibres (thick collagen fibres) varying from 280-430 nm in diameter were found in the connective tissue of both muscles. These fibres appeared to form by fusion of collagen fibrils of normal thickness rather than representing an active dynamic process. The presence of amianthoid fibres in these muscles may account for the restricted mouth opening associated with TMJ ankylosis and could be of some value in future management of this condition.     

上颌扩弓对颞下颌关节应力影响的有限元分析

目的 通过三维有限元法对比扩弓前和放置扩弓器时颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)内部各组织应力分布情况。方法 根据1名上颌牙弓狭窄患者CBCT影像资料,构建扩弓前和包含扩弓器的TMJ三维有限元模型,对模型加载相同的肌力和边界约束,观察TMJ髁突、关节盘、关节窝的等效应力、最大主应力和最小主应力。结果 扩弓前TMJ等效应力主要分布在下颌支前缘、髁突前斜面、关节盘中间带和后带以及关节窝顶部。放置扩弓器时,TMJ应力分布特征与扩弓前基本一致,应力虽然明显增加,但应力分布区域更加均匀;髁突和关节盘应力向前、向外侧移动,髁突后斜面表现出更加均匀的最大主应力分布范围。结论 上颌扩弓器产生的矫形力能够使TMJ应力增加,诱导髁突发生组织改建,协调髁突和关节盘的关系。临床上对于牙弓狭窄的患者应该采用合适的手段进行扩弓矫治。