下颌骨与颞下颌关节矫形应力与重建分析

作     者：刘海京 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：严波

授予年度：2003年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 0836[工学-生物工程] 

主      题：下颌骨,颞下颌关节,三维有限元模型,应力分析,法向重建,刚度重建 

摘      要：口腔矫形过程中会导致颞下颌关节产生与应力相关的关节综合症，并会引起关节内部骨组织和下颌骨的重建现象。为了明确这两种现象的形成机理，本文从下颌骨与颞关节系统生理学、解剖学和力学的知识出发，利用数值方法对系统的矫形过程进行了静力分析和重建过程的数值模拟。 本文首先选择下颌发育健康的志愿者，对其下颌进行CT断面扫描，然后将扫描图象输入计算机，并对图片加以处理。然后，根据扫描图片中像素值与下颌实际几何尺寸之间的比例关系，利用图片中像素值确定了实际下颌的几何形状。结合牙合 学和解剖学基本原理，建立了下颌骨与颞下颌关节系统的三维实体的几何模型。 根据用颏兜矫治器矫正下颌发育异常和使用弓丝矫治器矫正牙齿发育异常两种矫形的加载方式，分别建立了对应的载荷模型;针对骨组织和关节盘等软组织的实验数据建立了组织材料的虎克介质模型。然后利用上述的模型，对这两种治疗过程进行静力学有限元分析。根据计算的结果，分析了髁状突表面的冠状和矢状方向应力场的分布，得到髁状突表面前部和内部承受拉伸应力，而外侧和后侧主要承受压应力的结论。另外计算发现下颌角、髁状突以及髁状突与喙突之间这三个区域的应力较大;由此指出了矫形过程中应注意可能产生的矫形损伤问题。 然后将von Mises等效应变作为骨组织重建刺激量，根据Cowin重建方程，以有限元方法为基础，对矫形过程中骨组织表面法向重建提出了可实施的数值算法。根据计算得到的数值结果，分析了重建对骨组织承受载荷能力的影响。得到了表面法向重建有利于降低骨组织的应变，利于改善骨组织的应变的全场分布的结论。 最后，本文对Cowin重建方程加以拓展，并计入重建过程中的各向异性以及重建对组织刚度矩阵的影响。数值结果表明，重建过程中计入各向异性，与忽略各向异性的数值结果相比，在骨组织中得到较低的应变，在表面得到更有利的应变分布。所以得到计入各向异性的重建过程更有利于降低骨组织的应变和改善骨组织的应变的全场分布的结论。