前牵引不同方向颏部反作用力对颞下颌关节影响的三维有限元分析

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骨性Ⅲ类错(?),俗称“地包天”,是口腔临床上常见的发育性畸形之一,这种发育性畸形常常在很早的时候即表现出来,出现乳牙反(?),如不及时治疗,随着生长发育畸形程度会不断加重,出现“月牙”形脸,不仅对患者的咬合功能、容貌外观造成极大的影响,还将严重危害患儿的身心健康,因此骨性Ⅲ类错(?)畸形的早期治疗非常有必要。有研究表明,近一半以上的骨性Ⅲ类错(?)均伴有不同程度的上颌发育不足,因此,促进上颌骨的发育对于上颌骨发育不足的骨性Ⅲ类错(?)畸形即为最佳的矫治方法,通过矫治上颌骨发育不足,可起到改善面型、简化甚至避免成年后正颌外科手术的目的。前牵引矫治器是口腔临床上早期矫治由于上颌骨发育不足或位置后缩造成的骨性Ⅲ类错(?)常用的活动矫治器,其作用机制是通过重力的牵引,影响颅面部骨缝(包括额颌缝、颧颌缝、颧颞缝、翼颌缝)的改建,从而刺激上颌骨矢状向以及垂直向的生长,来达到矫治上颌发育不足的效果。其治疗乳牙期及替牙期前牙反(?)的效果良好,已经得到正畸医生的一致肯定。前牵引矫治器自问世以来,受到了世界各地正畸医师的青睐,得到了广泛地应用。早在1944年,Oppenheim医师首先利用前方牵引器治疗由于上颌发育不足或位置后缩导致的前牙反(?),直至今天,前方牵引器联合快速扩弓治疗上颌后缩和发育不足引起的前牙(?)畸形已有近70年的历史。然而自1988年以来国内外学者对前牵引矫治器的生物力学研究主要集中在颅上颌复合体三维有限元模型建模方法的改进以及牵引力在上颌骨内的应力分布上,而缺乏对前方牵引反作用力的生物力学原理研究。因此,本研究拟采用三维有限元的方法,通过建立包括TMJ的颅颌面模型,模拟前牵引矫治器的加力方式,在颏部直接加载一固定力值,不断改变加载方向,分析以不同方向作用于颏部的反作用力对颌骨特别是颞下颌关节区应力及位移的影响,以期为前牵引矫治器的临床应用、以及探索既能满足上颌骨平行前移又能使TMJ区受力较均匀的符合生物力学要求的加力方式提供参考。目的:运用三维有限元的方法分析前牵引矫治器颏部反作用力对颌骨,尤其是TMJ区域应力及位移的影响,从而为前牵引矫治器的临床应用提供参考依据。方法:选取1名健康男性青年作为研究对象,对其头部行CT扫描,并借助Mimics、Magics、MSC等专用软件,建立包括TMJ在内的完整的颅颌面三维有限元模型。模拟前牵引矫治器反作用力,直接在颏部正中央的最下方施加—5N的载荷,方向与(?)平面成后上22°-49°(每隔3°取1个角度),生成10种工况,测定上下颌骨尤其是TMJ区域(选取5个节点)的应力和位移的变化情况。结果:1.成功建立了包括TMJ在内的颅颌面三维有限元模型。所建立的模型包含了28740个节点及110770个单元。其中上颌由20387个节点和76892个单元组成,而下颌骨包含了8353个节点和33878个单元。该模型结构较完整,网格质量良好,生物实体相似性好。能够任意旋转,任意切割或提取任意部分进行独立研究。2.颌骨应力:从应力分布图可以看出,模型产生较明显应力的部位有:加载部位、上颌顶固定部位以及上下颌接触部位。其中下颌骨的最大应力出现在节点力加载部位即颏部;上颌骨最大应力出现在刚性固定面。上下颌的接触部位应力也较为集中。3.节点应力:在上下颌接触部位,即TMJ区域选取了5个节点,分别为下颌窝前端上部节点(节点7852)、下颌窝前端下部节点(节点8939)、下颌窝后部节点(节点8638)、髁突头横嵴处节点(节点24757)、髁突颈部中央节点(节点24301)。加载角度由22°增大至400时,关节窝内应力逐渐下降,而加载角度由40°增大到49°时,关节窝内应力又略有增大;髁突头部的应力随加载角度增大而减小,髁突颈部应力随加载角度的增大则呈先降后增的趋势。综之,载荷与(?)平面成后上40°时颞下颌关节区域受力最小(0.018~0.327 MPa)。4.颌骨位移:施加节点力后,该模型产生微小的位移变化,其变化范围为:2.47E-5mm-7.24E-2mm。位移最大部位产生在加载部位,下颌骨位移由前部到后部逐渐减小。当加载角度小于40°时,上颌骨位移由下到上逐渐减小;而当加载角度大于等于40°时,上颌骨位移由下到上逐渐增大。5.节点位移:5个节点X轴位移均为正值,并且随加载角度增大而减小;Y轴位移出现了负值,从40°开始变为正值,即加载角度小于40°时下颌骨发生了顺时针旋转。载荷与(?)平面成后上40°时颞下颌关节区位移值较小(0.0005-0.0081mm)。结论:1.利用CT等影像学手段及Mimics、Magics、MSC等专用软件,成功建立起包含颞下颌关节的颅颌面三维有限元模型。该模型精确度高,为本研究(前方牵引矫治器颏部反作用力在颌骨及TMJ区的应力分布和位移状况)奠定了坚实基础。2.前牵引矫治器在牵引上颌骨向前的同时,对颌骨及关节区产生了一定程度的反作用力,如颏部及关节的应力变形、下颌的顺时针旋转等。3.前牵引矫治器作用于颏部的反作用力传导至颞下颌关节区,关节区受力与加载角度密切相关,从应力和位移两方面考虑,在与(?)平面成后上40°时受力比较均匀,更有利于关节组织的健康,这将为前牵引矫治器的临床应用提供一定的参考依据。
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