CN1527255A

CN1527255A - 人体下颌骨生物力学模型

Info

Publication number: CN1527255A
Application number: CNA021338493A
Authority: CN
Inventors: 田卫东; 王杭; 陈孟诗; 李声伟; 刘磊
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: CN1219278C

Abstract

本发明涉及口腔颌面外科学中一种人体下颌骨的生物力学模型。旨在建立一种尽可能接近于功能状态下的人体下颌骨生物力学实验模型。包括下颌骨、上颌模型、颞下颌关节模型、咬合平台、加载肌力和加载装置。通过在下颌骨上同时模拟咬肌、颞肌、翼内肌和翼外肌作用，克服了以往实验简化建模的缺陷。本发明首次利用机械力学模型比较准确、客观、完整地模拟了功能状态下的下颌骨，为进一步深入研究下颌骨的应力分布等生物力学特性奠定了实验室基础。同时，下颌骨的生物力学特性研究对颌面部创伤，颌面部牙畸形等领域的致病机制，诊疗方法，及预后评价具有重要的实践意义。

Description

人体下颌骨生物力学模型

一、技术领域

本发明涉及口腔颌面外科学中的一种实验模型。特别是涉及一种功能状态下的人体下颌骨的生物力学实验模型。

二、背景技术

下颌骨是面下部形状不规则的活动骨块，参与语言及咀嚼等重要的生理功能，是咀嚼肌肉收缩及咬合负载的主要承担者。当下颌骨受到外力作用时，将引起骨内应力和自身形变。下颌骨的应力分布和形变状态受到骨骼本身的几何形状、力学性能、颞下颌关节结构、肌肉加载方式及咬合部位等因素的影响，这些因素将影响到骨的改建、骨折的愈合等。因此，建立一尽可能接近于功能状态下的人体下颌骨生物力学模型是非常重要的。

在以往的下颌骨力学模型中，常常忽略了关节盘的存在。但是因为髁状突是应力集中的区域，因此模型中关节结构对实验结果影响较大。

下颌骨在进行咀嚼功能活动时，主要受到升颌肌群的力量，它们主要来自咬肌、颞肌、翼内肌和翼外肌。从Champy M开始(Champy M，Wilk A，Schnebelen JM.Treatment of mandibular fractures osteosythesis without intermaxillary by means ofimmobilization according to F.X.Michelet’s technic.Zahn Mund Kieferheiked Zentrallo.1975，63：339-441)，到近年来国内外学者在下颌骨生物力学研究中，建立的下颌骨机械力学模型大多采用简化加力的方法，主要包括咬合加力及单一的下颌角区域加力(B.H.Choi，J.H.Yoo，K.N.Kim：Stability testing of a two miniplate fixation technique formandibular angle fractures.An in vitro study.Journal of Cranio-facial Surgery(1995)23，122-125)或喙突区域加力(Frans H.M.Kroon，Mark Mathisson，Jacques R.Curdey：The useof miniplate in mandibular fractures.Cranio-Max-Fac，Surg.19(1991)：199-204)，相当于咬肌或颞肌的作用。而下颌骨在行使正常功能运动时，翼内肌和翼外肌也发挥着很大的作用。虽然它们的肌力不如咬肌和颞肌那么强大，但是它们的作用方向及附着部位与咬肌和颞肌完全不同。因此在这样复杂的受力情况下，建立准确、客观和完整的功能状态下的下颌骨生物力学实验模型，是下颌骨生物力学研究的基础。同时，下颌骨的生物力学研究对颌面部创伤，颌面部牙畸形等领域的致病机制，诊疗方法，及预后评价具有重要的实践意义。

目前，国内在该领域的研究中，多采用计算机条件下的下颌骨数学模型，即二维或三维有限元模型。例如中华口腔医学杂志[1995.03.25；30(2)：95-98]，口腔颌面外科杂志[1995.02.15；5(1)：23-26]。但是由于下颌骨由密质骨和松质骨组成，而非均质材料，这一点在计算机上很难模拟。数学模型的应力计算虽然非常精确，但是不同的下颌骨外形，咬合状态，加载条件，及不同的病理状态(如骨折)的模型均需单独建模，且工作量非常大。

三、发明内容

本发明的目的正是为了克服以往下颌骨实验模型对下颌骨的生物力学研究所存在的缺陷，旨在建立一种模拟功能状态下的人体下颌骨生物力学实验模型。

本发明采用真实下颌骨及其对应并相匹配的上颌模型，颞下颌关节模型，通过模拟咬合平台及选择四组咀嚼肌同时加载来实现其目的。

本发明功能状态下的人体下颌骨生物力学实验模型，包括下颌骨、上颌模型、加载肌力和加载装置，其特征是下颌骨采用真实有牙的成人干燥下颌骨，建立有与下颌骨相对应的颞下颌关节模型，选择下颌3个部位的咬合，分别模拟前牙及双侧后牙的咬合状态以模拟咬合平台，下颌骨上选择的加载肌力为与闭口及咬合运动有关的左右侧各四组咀嚼肌共八个肌向量，四组咀嚼肌分别是咬肌(M)、翼内肌(MP)、颞肌(T)和翼外肌(LP)，并在四组肌肉的附着中心点同时加载。

上述的下颌骨生物力学实验模型的建立

上颌模型的建立。将实验所用真实成人干燥下颌骨对应的上颌及部分颅骨添倒凹后取印模，用自凝塑胶制模，以保证模型的上颌的接触面及关节窝部分与真实完全相同，从而得到用自凝塑胶制作的与下颌骨所对应的上颌模型。

颞下颌关节模型的制备。将硅橡胶灌入关节窝并包绕髁突头至髁突颈，来模拟关节盘、髁突软骨、关节囊等结构，从而得到用硅橡胶制作的颞下颌关节模型。

咬合平台的建立。选择下颌共3个部位的咬合，分别模拟前牙、右侧后牙、左侧后牙的咬合状态，使其力通过该咬合平台相传递。

肌肉的加载

最大咀嚼肌力的确定。

最大咀嚼肌力的大小由如下公式计算得出：

F_i，max＝P·A_i

其中，P——内在强度系数，(P＝0.37×10⁶NM^-2)；

A_i——为第i块咀嚼肌的生理横截面积；

F_i——为第i块咀嚼肌的最大肌力。

本发明中采用的咬肌(M)、翼内肌(MP)、颞肌(T)和翼外肌(LP)生理横截面积及肌力向量参考Weijs和Van spronsen等人的研究，如表1-1。

表1-1 咀嚼肌的横截面积及肌力

横截面积(CM²)

肌肉 Weijs Van Spronsen 肌力(N)

咬肌(M) 5.33 4.75 180

翼内肌(MP) 3.70 3.20 130

颞肌(T) 5.21 5.15 190

翼外肌(LP) 1.21 1.12 40

肌力加载的方向。

肌力的方向根据各肌肉在功能状态下的收缩方向确定，咬肌(M)附着于下颌角区域外侧骨板，向上，向前；翼内肌(MP)附着于下颌角区域内侧骨板，向上，向内；颞肌(T)附着于喙突区域，向上；翼外肌(LP)附着于髁突颈，向前。

肌力加载方式。

对四组咀嚼肌分别于肌肉附着中心点同时进行加载，加载装置由支架、滑轮机构和砝码组成，下颌骨、上颌模型、颞下颌关节模型的组合体固定在支架上，滑轮机构的数量与下颌骨上所选择的加载肌力的数量相匹配，其滑轮主体安装在支架上，其拉索的一端与下颌骨上肌肉加载点连接，另一端放置砝码。

本发明人体下颌骨生物力学模型具有如下特点：

1、本发明首次利用机械力学实验模型比较真实地模拟了功能状态下的下颌骨的受力情况，为下颌骨在各种生理和病理状态下的生物力学的研究创造了条件。

2、本实验模型在真实成人干燥下颌骨上模拟了颞下颌关节的结构及咬肌、翼内肌、颞肌、翼外肌四组咀嚼肌作用，克服了以往实验模型简化加载建模的缺陷。

3、本实验模型的建立，实现了从理论到实践的过渡，可以将下颌骨的应力状态很直观、客观地反映出来，在此模型的基础上进行的一系列关于下颌骨骨折及坚强内固定的实验研究必将为临床诊治提供有益的指导。

四、附图说明

图1是本发明的一种人体下颌骨生物力学实验模型的正、侧面观结构示意图。

图2是本发明实验模型的咬合部位的示意图。

图3是本发明实验模型的肌力加载点及方向的示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图并用实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

本发明的一种人体下颌骨生物力学实验模型，如附图所示。

本模型下颌骨1采用真实有牙的成人干燥下颌骨。

下颌骨机械性能试验数据很难从活体标本中获得，离体骨组织是获得数据的主要标本。然而，试验受到标本强度、性别、年龄、试验环境、试验条件等多种因素的影响，所得数据有一定差别。Graing报告下颌骨的弹性模量13.6GPa，陈新民等采用应变电测技术测定了三种不同状态骨沿长轴方向拉伸性能，结果为新鲜骨弹性模量12.58GPa，泊松比0.2；干燥骨弹性模量13.97GPa，泊松比0.23。因此我们认为干燥下颌骨与新鲜下颌骨的弹性模量与泊松比相近，且其外形基本一致。因此本模型用干燥下颌骨来替代。

本模型中上颌模型采用与所用真实成人干燥下颌骨相匹配的上颌及部分颅骨，进行添倒凹后取印模，用自凝塑胶制模，以保证模型的上颌接触面及关节窝部分与真实的完全相同，从而得到与下颌骨所对应的上颌模型2。

颞下颌关节包括关节盘、髁突软骨及关节囊等结构。颞下颌关节模型3的制备是将平均厚度约为2毫米厚的硅橡胶灌入关节窝并包绕髁突头至髁突颈，以模拟关节盘、髁突软骨及关节囊等结构，从而得到硅橡胶模拟的与下颌骨相匹配的颞下颌关节模型3。

本模型中，咬合平台4的咬合部位如图2所示，选择下颌共3个部位的咬合，它们是下颌双侧中、侧切牙C1、C2和D1、D2，右侧第一、第二磨牙C6和C7，左侧第一、第二磨牙D6和D7的咬合，分别模拟前牙、右侧后牙、左侧后牙的咬合状态，使其力通过咬合平台相传递。

本模型中，对四组咀嚼肌肉咬肌(M)、翼内肌(MP)、颞肌(T)和翼外肌(LP)同时进行加载。而咀嚼肌的最大肌力根据肌肉的横截面积由已有的数据和公式计算得到，见表1-1。咀嚼肌的肌力加载点和方向如图3所示。咬肌(M)附着于下颌角区域外侧骨板，向上，向前；翼内肌(MP)附着于下颌骨区域内侧骨板，向上，向内；颞肌(T)附着于喙突区域，向上；翼外肌(LP)附着于髁突颈，向前。

本模型中，肌力加载的具体操作是，将下颌骨1、上颌模型2、颞下颌关节模型3的组合体固定在装置中支架8上，滑轮机构6安装在支架8上，在各肌肉附着中心加载点5通过钢丝穿过骨质制成挂钩，并通过丝线使用砝码7通过滑轮机构6进行加载，使用时，滑轮主体安装在支架上，其拉索的一端与肌肉附着中心点的挂钩连接，另一端放置砝码，各砝码重量与对应的肌肉的肌力相匹配，咬肌(M)、翼内肌(MP)、颞肌(T)和翼外肌(LP)使用砝码7通过滑轮机构6同时进行加载。本模型中的四组肌力亦可使用弹簧秤直接加载，将弹簧秤一端与肌肉加载点连接，另一端用拉索拉着，弹簧称读数与对应肌肉的肌力匹配。本模型中，加载肌力大小为咬肌(M)180牛顿、翼内肌(MP)190牛顿、颞肌(T)130牛顿、翼外肌(LP)40牛顿。

在此模型的基础上，采用粘贴电阻应变片的测量方法，进一步证明了四组肌肉同时加载时与各组肌肉单独加载时下颌骨的应力分布是有显著性差异的。同样咬合部位对下颌骨应力分布的影响也是非常大的，如单侧后牙咬合时，该侧下颌骨区域的应力性质发生了改变；进一步对下颌骨骨折后的固定方法进行了生物力学评价，对在简化模型(Champy)基础上得到的仅在下颌骨上缘固定一个小型接骨板就可达到稳定的理论提出质疑，说明需在下颌骨下缘附加一小型接骨板才可以提供足够的稳定，从而进一步说明了建立功能状态下下颌骨模型的重要性。

Claims

1、一种人体下颌骨生物力学实验模型，包括下颌骨(1)、上颌模型(2)、加载肌力和加载装置，其特征是下颌骨(1)采用真实有牙的成人干燥下颌骨，建立有与下颌骨相对应的颞下颌关节模型(3)，选择下颌3个部位的咬合，分别模拟前牙及双侧后牙的咬合状态以模拟咬合平台(4)，下颌骨上选择的加载肌力为与闭口及咬合运动有关的左右侧各四组咀嚼肌共八个肌向量，四组咀嚼肌分别是咬肌(M)、翼内肌(MP)、颞肌(T)和翼外肌(LP)，并在四组肌肉的附着中心点同时加载。

2、按照权利要求1所述的人体下颌骨生物力学实验模型，其特征是上颌模型(2)是采用自凝塑胶制作的与下颌骨相对应的模型。

3、按照权利要求1或2所述的人体下颌骨生物力学实验模型，其特征是颞下颌关节模型(3)是采用平均厚度约为2毫米的硅橡胶制作的模型。

4、按照权利要求1或2所述的人体下颌骨生物力学实验模型，其特征是模拟前牙及双侧后牙咬合状态的咬合平台(4)选择下颌双侧中、侧切牙(C1)、(C2)和(D1)、(D2)，右侧第一、第二磨牙(C6)和(C7)，左侧第一、第二磨牙(D6)和(D7)的咬合。

5、按照权利要求3所述的人体下颌骨生物力学实验模型，其特征是模拟前牙及双侧后牙咬合状态的咬合平台(4)选择下颌双侧中、侧切牙(C1)、(C2)和(D1)、(D2)，右侧第一、第二磨牙(C6)和(C7)，左侧第一、第二磨牙(D6)和(D7)的咬合。

6、按照权利要求1所述的人体下颌骨生物力学实验模型，其特征是加载装置由支架(8)、滑轮机构(6)和砝码(7)组成，下颌骨、上颌模型、颞下颌关节模型的组合体固定在支架上，滑轮机构的数量与下颌骨上所选择的加载肌力的数量相匹配，其滑轮主体安装在支架上，其拉索的一端与下颌骨上肌肉加载中心点连接，另一端放置砝码，各砝码的重量(N)与对应的肌肉的肌力相匹配。