单侧髁突骨折对下颌骨应力分布的影响
作者：胡凯 周继林 刘洪臣 胡敏 荣起国 方竞
单位：胡凯、周继林、刘洪臣、胡敏 100853 北京，解放军总医院口腔科；荣起国、方竞 北京大学力学与工程科学系
关键词：髁突；骨折；颞下颌关节
中华口腔医学杂志990605 【摘要】 目的 探讨单侧髁突骨折对下颌骨应力分布的影响，用以分析颞下颌关节损伤引起颞下颌关节紊乱病的生物力学机制。方法 采用三维有限元应力分析方法，对模拟正中咬合状态下的健康人及右侧髁突颈部骨折、错位愈合所致颞下颌关节紊乱病患者下颌骨的应力分布特征进行对比、定量分析。结果 该患者两侧下颌骨相对应部位最大、最小主应力大小及性质均有差异。骨折侧下颌骨应力明显大于非骨折侧，呈不对称性应力分布，尤以髁突应力异常最为显著；其应力值明显高于正常，应力性质亦有改变。结论 单侧髁突骨折不仅破坏下颌骨结构，而且引起两侧关节力学环境的恶化，髁突为其应力改变的最敏感部位。初步认为损伤引起的应力分布不对称、应力的异常增大以及应力性质的改变是颞下颌关节紊乱病的致病机制之一。
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Effect of unilateral condylar fracture on stress distribution in the mandible
HU Kai*, ZHOU Jilin, LIU Hongchen, et al.*
Department of Stomatology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853
【Abstract】 Objective To investigate the effect of unilateral condylar fracture on stress distribution in the mandible in order to realize primarily the biomechanical mechanism of temporomandibular joint disorders (TMD) resulted in by joint injury. Methods The stress distributions in the mandible of a normal human and a patient with TMD induced by right condylar fracture following malposition healing were analyzed and compared quantitatively during centric occlusion by three-dimensional finite element method. Results The patient contained the unbalanced stress distribution in the mandible, such as different nature and value of stress. The stress in the fractured side was higher than the non-fractured side, in which condyle is more evident. The maximum principal stress and minimum principal stress of each region in his mandible were much higher than that in a normal mandible. Its stress quality changes also. The stress in his mandible was distributed asymmetrically. Conclusion Unilateral condylar fracture not only damaged its structure, but also induced the badness of its biomechanical environment, in which condyle was the most sensitive region during the stresses in the mandible were changed. It was preliminarily thought that unbalanced stress distribution, evidently increased stress and varied stress character were one of biomechanical mechanism of TMD.
, 百拇医药
【Key words】 Condylar Fracture Temporomandibular joint
有限元分析技术作为口腔医学应力研究中的一种先进有效、方便实用的数值分析方法，已显示出极大的优越性。近年来，已有学者将此项技术应用于颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)及下颌骨的应力分析中[1-3]。但对髁突骨折患者下颌骨的应力分布特点，国内外尚未见报道。我们通过对单侧髁突颈部骨折引起颞下颌关节紊乱病(temporomandibular joint disorders，TMD)的患者下颌骨的应力分布特征进行定量的三维有限元分析，以期探讨TMJ损伤导致TMD的生物力学机制。
材料和方法
1. 三维有限元分析：右侧髁突颈部骨折、错位愈合并伴有TMJ弹响、张口偏斜的成年男性TMD患者1例，作为建模素材。健康人及患者一般情况、建模方法、加载方式及有限元分析计算见文献[3]。
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2. 观测分析指标：定量测定左、右侧下颌骨9个部位44个兴趣区的最大主应力和最小主应力；以左、右侧对应区域应力的相对差数百分比(D)作为衡量下颌骨应力分布对称平衡性的定量指标，其部位划分、D值定义及意义同文献[3]。
3. 统计学处理：健康人下颌骨应力对称性分布正常判断标准处理该患者下颌骨D值[3]，并计算出在正常判断标准以内的对称兴趣区的百分比P(对称率)，采用u检验，π＝90%，Sp = [P(1-P)/N]-2 , u＝｜π-P｜/ Sp。
结果
1. 单侧髁突骨折患者下颌骨应力分布：两侧下颌骨应力分布不均衡，各部位最大及最小主应力大小及性质均有异常改变。下颌骨左右侧相对应部位应力大小明显不同，骨折侧应力明显大于非骨折侧，尤以髁突、乙状切迹为甚(图1,2)。
, 百拇医药
图1 单侧髁突骨折患者下颌骨三维有限元最大主应力俯视位分布图
两侧下颌骨应力分布不均衡,呈不对称性分布,骨折侧髁突应力明显增高.
图2 单侧髁突骨折患者不颌骨三维有限元最小主应力俯视位分布图
两侧下颌骨应力分布不均衡,呈不对称性分布,骨折侧髁突应力明显增高.
2. 单侧髁突骨折患者下颌骨应力分布的改变：与健康人下颌骨应力分布相比较，该患者相应部位最大及最小主应力明显增高，骨折侧应力增加明显高于非骨折侧。其应力性质亦发生改变，3种应力分布形式(压应力、拉应力和拉压应力并存)在健康人及髁突骨折患者下颌骨88个兴趣区的分布比例分别为18∶2∶68和10∶9∶69，其中髁突前斜面和嵴顶、髁颈、喙突、升支、下颌体、颏部及咬合面应力性质均有不同程度的改变，髁突、乙状切迹、升支部分区域变化显著，喙突、颏部、咬合面、下颌体等部位变化略小，乙状切迹和下颌角应力无变化(表1，图3～5)
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图3 正常与髁突骨折下颌骨各部位最大主应力比较
图4 正常与髁突骨折下颌骨各部位最小主应力比较
表1 正常与髁突骨折患者下颌骨各部位应力分布情况比较(个) 部位
压应力
拉应力
拉压应力并存
正常
髁突骨折
正常
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髁突骨折
正常
髁突骨折
髁突
6
5
0
2
15
16
髁颈
4
2
0
, 百拇医药
0
8
10
乙状切迹
0
0
0
0
4
4
喙突
2
0
2
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2
8
10
升支
0
0
0
1
12
11
下颌角
0
0
0
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0
4
4
下颌体
2
0
0
2
10
10
颏部
0
0
0
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2
4
2
咬合面
4
3
0
0
2
3
合计
18
10
2
, 百拇医药
9
68
69
图5 正常与髁突骨折下颌骨各部位应力性质变化情况
3. 单侧髁突骨折患者下颌骨应力对称性分布的变化：最大主应力分布对称百分率P＝15.91%，最小主应力P＝9.09%，Sp分别为0.055和0.043，u 分别为13.45和18.816，P均<0.01，提示与正常下颌骨比较应力对称性差异有极显著性(表2)。
表2 单侧髁突骨折患者双侧下颌骨
各部位应力分布对称性情况(个) 主应力
对称区
, 百拇医药
非对称区
合计
对称率(%)
u
最大
7
37
44
15.91*
13.450
最小
4
40
, 百拇医药
44
9.09*
18.816
注：*P<0.01讨论
1. 髁突骨折错位愈合后下颌骨应力分布的特点：TMJ作为承载关节已为广泛共识。但由于影响TMJ及下颌骨受力状况的因素非常复杂，有关这方面的研究受到极大限制。近几年来，一些学者采用有限元应力分析技术研究人下颌骨的应力分布特点，取得了有益的结果[1-3]。但对保守治疗髁突颈部骨折后错位愈合患者TMJ及下颌骨应力分布的特征进行定量分析，目前尚未见报道。
本研究对右髁突颈部骨折、错位愈合并伴有TMJ弹响、张口偏斜的TMD患者下颌骨进行了三维有限元应力分析，发现该患者下颌骨具有如下特点：① 两侧应力分布不均衡，骨折侧应力明显大于非骨折侧，尤以髁突更为显著。这表明TMJ损伤不仅破坏了下颌骨结构，而且影响了咀嚼肌的功能状态，使两侧下颌骨的受力状况发生明显改变，而髁突为应力的最敏感区；② 与健康人相比较应力明显增大，而骨折侧增加又明显高于非骨折侧，且应力性质亦发生改变，其中仅承受拉应力的部位明显增多，仅承受压应力的部位略有降低，而拉压应力并存部位基本相等，但具体部位却有变化。提示髁突骨折错位愈合后应力的异常改变可能与髁突形态变化影响咀嚼肌功能及咬合状态有关；③下颌骨各部位应力呈不对称性分布。可见，应力明显增大、承受拉应力部位的增多、髁突前斜面承载性质的改变以及两侧不对称性的应力分布反映了单侧髁突骨折错位愈合患者下颌骨及TMJ的应力分布特征。
, 百拇医药
2. 单侧髁突骨折错位愈合引起TMD的致病机制：Foreman[4]认为错和继发于牙发育不成熟或深覆的长期微创伤对TMJ关节区疼痛有重要作用。也有学者[5]指出，关节软骨的改建使TMJ形态异常，在髁突运动中形成机械障碍，并可加大髁突关节面，增加关节负荷，使症状迁延。总之，TMJ创伤及负荷过大是导致TMD的病因之一。以往这方面研究多见于临床经验或实验发现的理论推测。借助生物力学方法分析髁突骨折伴错位愈合患者下颌骨及TMJ应力分布状况，对认识TMJ损伤引起TMD的致病机制具有重要意义。
本研究发现，单侧髁突骨折伴错位愈合不仅影响TMJ的平衡稳定性，而且使TMJ及下颌骨的应力分布产生异常改变，尤其髁突表面出现了明显增大的拉应力区域，可能使习惯承受压应力的髁突的适应能力降低。髁突的这种高应力状态和适应应力能力降低的异常应力分布可造成TMJ生物力学环境恶化，引起肌功能不协调和关节创伤而引发TMD症状，进而导致关节退行性改变。初步认为TMJ应力分布不对称、应力的异常增大以及应力性质的改变是TMD的致病机制之一。
, 百拇医药
3.髁突骨折引起下颌骨应力异常改变的临床指导意义：TMJ创伤作为TMD的病因之一已被大多数学者认同。Dahlstrom等[6]认为TMJ有无症状与髁突骨折后髁突是否移位有关，移位的髁突骨折多数出现TMD症状；Monje等[7]指出髁突骨折后TMJ可出现一系列适应性变化，可出现退行性变化。TMJ退行性疾病反映了TMJ对机械压力的适应性反应(改建)和非适应性反应(退变)间的不平衡，实际是对作用于TMJ关节面的机械应力的病理反应[8]。
我们认为，髁突骨折错位愈合直接影响TMJ及下颌骨应力的分布，使其异常增大，分布不平衡。临床采用的保守治疗方法对有移位的髁突骨折难以达到完全解剖复位，常引起错位愈合而导致肌功能不协调和髁突应力分布异常。因此，对确诊已发生移位的髁突骨折应及时治疗，避免发生错位愈合。必要时可采取手术复位，尽量使其恢复原有形态结构，以便预后应力分布合理。从生物力学角度考虑，应该通过必要的临床治疗手段使肌肉、关节和颌位在新的生理环境下重新建立起新的平衡和协调关系以维持TMJ及下颌骨平衡稳定并改善其受力状况。由此可见，TMJ损伤所引起的应力分布特性的改变对临床处理方法和辅助治疗的选择具有重要的指导作用。
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参考文献
1 Korioth TW, Romilly DP, Hannam AG. Three-dimensional finite element stress analysis of the dentate human mandible. Am J Phys Anthropol,1992,88:69-96.
2 Tanne K, Tanaka E, Sakuda M. Stress distribution in the TMJ during clenching in patients with vertical discrepancies of the craniofacial complex. J Orofac Pain,1995,9:153-160.
3 胡凯, 周继林, 胡敏, 等. 夹板治疗作用的生物力学评价. 中华口腔医学杂志, 1998,33:198-200.
, 百拇医药
4 Foreman PA. Temporomandibular joint and myofascial pain dysfunction-Some current concepts: Ⅰ. diagnosis. NZ Dent J,1985,81:47-52.
5 张震康, 傅民魁, 主编. 颞下颌关节病. 第1版. 北京: 人民卫生出版社, 1987.48-55.
6 Dahlstrom L, Kahnberg KE, Lindahl L. 15 years follow-up on condylar fractures. Int J Oral Maxillofac Surg,1989,18:18-23.
7 Monje FM, Delgado E, Navarro MJ, et al. Changes in TMJ after mandibular subcondylar osteotomy: an experimental study in rats. J Oral Maxillofac Surg,1993,51:1221-1234.
8 Kamelchuk LS, Major PW. Degenerative disease of the temporomandibular joint. J Orofac Pain,1995,9:168-180.
(收稿：1998-12-15 修回：1999-08-02), 百拇医药
单位：胡凯、周继林、刘洪臣、胡敏 100853 北京，解放军总医院口腔科；荣起国、方竞 北京大学力学与工程科学系
关键词：髁突；骨折；颞下颌关节
中华口腔医学杂志990605 【摘要】 目的 探讨单侧髁突骨折对下颌骨应力分布的影响，用以分析颞下颌关节损伤引起颞下颌关节紊乱病的生物力学机制。方法 采用三维有限元应力分析方法，对模拟正中咬合状态下的健康人及右侧髁突颈部骨折、错位愈合所致颞下颌关节紊乱病患者下颌骨的应力分布特征进行对比、定量分析。结果 该患者两侧下颌骨相对应部位最大、最小主应力大小及性质均有差异。骨折侧下颌骨应力明显大于非骨折侧，呈不对称性应力分布，尤以髁突应力异常最为显著；其应力值明显高于正常，应力性质亦有改变。结论 单侧髁突骨折不仅破坏下颌骨结构，而且引起两侧关节力学环境的恶化，髁突为其应力改变的最敏感部位。初步认为损伤引起的应力分布不对称、应力的异常增大以及应力性质的改变是颞下颌关节紊乱病的致病机制之一。
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Effect of unilateral condylar fracture on stress distribution in the mandible
HU Kai*, ZHOU Jilin, LIU Hongchen, et al.*
Department of Stomatology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853
【Abstract】 Objective To investigate the effect of unilateral condylar fracture on stress distribution in the mandible in order to realize primarily the biomechanical mechanism of temporomandibular joint disorders (TMD) resulted in by joint injury. Methods The stress distributions in the mandible of a normal human and a patient with TMD induced by right condylar fracture following malposition healing were analyzed and compared quantitatively during centric occlusion by three-dimensional finite element method. Results The patient contained the unbalanced stress distribution in the mandible, such as different nature and value of stress. The stress in the fractured side was higher than the non-fractured side, in which condyle is more evident. The maximum principal stress and minimum principal stress of each region in his mandible were much higher than that in a normal mandible. Its stress quality changes also. The stress in his mandible was distributed asymmetrically. Conclusion Unilateral condylar fracture not only damaged its structure, but also induced the badness of its biomechanical environment, in which condyle was the most sensitive region during the stresses in the mandible were changed. It was preliminarily thought that unbalanced stress distribution, evidently increased stress and varied stress character were one of biomechanical mechanism of TMD.
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【Key words】 Condylar Fracture Temporomandibular joint
有限元分析技术作为口腔医学应力研究中的一种先进有效、方便实用的数值分析方法，已显示出极大的优越性。近年来，已有学者将此项技术应用于颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)及下颌骨的应力分析中[1-3]。但对髁突骨折患者下颌骨的应力分布特点，国内外尚未见报道。我们通过对单侧髁突颈部骨折引起颞下颌关节紊乱病(temporomandibular joint disorders，TMD)的患者下颌骨的应力分布特征进行定量的三维有限元分析，以期探讨TMJ损伤导致TMD的生物力学机制。
材料和方法
1. 三维有限元分析：右侧髁突颈部骨折、错位愈合并伴有TMJ弹响、张口偏斜的成年男性TMD患者1例，作为建模素材。健康人及患者一般情况、建模方法、加载方式及有限元分析计算见文献[3]。
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2. 观测分析指标：定量测定左、右侧下颌骨9个部位44个兴趣区的最大主应力和最小主应力；以左、右侧对应区域应力的相对差数百分比(D)作为衡量下颌骨应力分布对称平衡性的定量指标，其部位划分、D值定义及意义同文献[3]。
3. 统计学处理：健康人下颌骨应力对称性分布正常判断标准处理该患者下颌骨D值[3]，并计算出在正常判断标准以内的对称兴趣区的百分比P(对称率)，采用u检验，π＝90%，Sp = [P(1-P)/N]-2 , u＝｜π-P｜/ Sp。
结果
1. 单侧髁突骨折患者下颌骨应力分布：两侧下颌骨应力分布不均衡，各部位最大及最小主应力大小及性质均有异常改变。下颌骨左右侧相对应部位应力大小明显不同，骨折侧应力明显大于非骨折侧，尤以髁突、乙状切迹为甚(图1,2)。
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图1 单侧髁突骨折患者下颌骨三维有限元最大主应力俯视位分布图
两侧下颌骨应力分布不均衡,呈不对称性分布,骨折侧髁突应力明显增高.
图2 单侧髁突骨折患者不颌骨三维有限元最小主应力俯视位分布图
两侧下颌骨应力分布不均衡,呈不对称性分布,骨折侧髁突应力明显增高.
2. 单侧髁突骨折患者下颌骨应力分布的改变：与健康人下颌骨应力分布相比较，该患者相应部位最大及最小主应力明显增高，骨折侧应力增加明显高于非骨折侧。其应力性质亦发生改变，3种应力分布形式(压应力、拉应力和拉压应力并存)在健康人及髁突骨折患者下颌骨88个兴趣区的分布比例分别为18∶2∶68和10∶9∶69，其中髁突前斜面和嵴顶、髁颈、喙突、升支、下颌体、颏部及咬合面应力性质均有不同程度的改变，髁突、乙状切迹、升支部分区域变化显著，喙突、颏部、咬合面、下颌体等部位变化略小，乙状切迹和下颌角应力无变化(表1，图3～5)
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图3 正常与髁突骨折下颌骨各部位最大主应力比较
图4 正常与髁突骨折下颌骨各部位最小主应力比较
表1 正常与髁突骨折患者下颌骨各部位应力分布情况比较(个) 部位
压应力
拉应力
拉压应力并存
正常
髁突骨折
正常
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髁突骨折
正常
髁突骨折
髁突
6
5
0
2
15
16
髁颈
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2
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乙状切迹
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0
0
0
4
4
喙突
2
0
2
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2
8
10
升支
0
0
0
1
12
11
下颌角
0
0
0
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4
4
下颌体
2
0
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10
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颏部
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咬合面
4
3
0
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2
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合计
18
10
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9
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图5 正常与髁突骨折下颌骨各部位应力性质变化情况
3. 单侧髁突骨折患者下颌骨应力对称性分布的变化：最大主应力分布对称百分率P＝15.91%，最小主应力P＝9.09%，Sp分别为0.055和0.043，u 分别为13.45和18.816，P均<0.01，提示与正常下颌骨比较应力对称性差异有极显著性(表2)。
表2 单侧髁突骨折患者双侧下颌骨
各部位应力分布对称性情况(个) 主应力
对称区
, 百拇医药
非对称区
合计
对称率(%)
u
最大
7
37
44
15.91*
13.450
最小
4
40
, 百拇医药
44
9.09*
18.816
注：*P<0.01讨论
1. 髁突骨折错位愈合后下颌骨应力分布的特点：TMJ作为承载关节已为广泛共识。但由于影响TMJ及下颌骨受力状况的因素非常复杂，有关这方面的研究受到极大限制。近几年来，一些学者采用有限元应力分析技术研究人下颌骨的应力分布特点，取得了有益的结果[1-3]。但对保守治疗髁突颈部骨折后错位愈合患者TMJ及下颌骨应力分布的特征进行定量分析，目前尚未见报道。
本研究对右髁突颈部骨折、错位愈合并伴有TMJ弹响、张口偏斜的TMD患者下颌骨进行了三维有限元应力分析，发现该患者下颌骨具有如下特点：① 两侧应力分布不均衡，骨折侧应力明显大于非骨折侧，尤以髁突更为显著。这表明TMJ损伤不仅破坏了下颌骨结构，而且影响了咀嚼肌的功能状态，使两侧下颌骨的受力状况发生明显改变，而髁突为应力的最敏感区；② 与健康人相比较应力明显增大，而骨折侧增加又明显高于非骨折侧，且应力性质亦发生改变，其中仅承受拉应力的部位明显增多，仅承受压应力的部位略有降低，而拉压应力并存部位基本相等，但具体部位却有变化。提示髁突骨折错位愈合后应力的异常改变可能与髁突形态变化影响咀嚼肌功能及咬合状态有关；③下颌骨各部位应力呈不对称性分布。可见，应力明显增大、承受拉应力部位的增多、髁突前斜面承载性质的改变以及两侧不对称性的应力分布反映了单侧髁突骨折错位愈合患者下颌骨及TMJ的应力分布特征。
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2. 单侧髁突骨折错位愈合引起TMD的致病机制：Foreman[4]认为错和继发于牙发育不成熟或深覆的长期微创伤对TMJ关节区疼痛有重要作用。也有学者[5]指出，关节软骨的改建使TMJ形态异常，在髁突运动中形成机械障碍，并可加大髁突关节面，增加关节负荷，使症状迁延。总之，TMJ创伤及负荷过大是导致TMD的病因之一。以往这方面研究多见于临床经验或实验发现的理论推测。借助生物力学方法分析髁突骨折伴错位愈合患者下颌骨及TMJ应力分布状况，对认识TMJ损伤引起TMD的致病机制具有重要意义。
本研究发现，单侧髁突骨折伴错位愈合不仅影响TMJ的平衡稳定性，而且使TMJ及下颌骨的应力分布产生异常改变，尤其髁突表面出现了明显增大的拉应力区域，可能使习惯承受压应力的髁突的适应能力降低。髁突的这种高应力状态和适应应力能力降低的异常应力分布可造成TMJ生物力学环境恶化，引起肌功能不协调和关节创伤而引发TMD症状，进而导致关节退行性改变。初步认为TMJ应力分布不对称、应力的异常增大以及应力性质的改变是TMD的致病机制之一。
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3.髁突骨折引起下颌骨应力异常改变的临床指导意义：TMJ创伤作为TMD的病因之一已被大多数学者认同。Dahlstrom等[6]认为TMJ有无症状与髁突骨折后髁突是否移位有关，移位的髁突骨折多数出现TMD症状；Monje等[7]指出髁突骨折后TMJ可出现一系列适应性变化，可出现退行性变化。TMJ退行性疾病反映了TMJ对机械压力的适应性反应(改建)和非适应性反应(退变)间的不平衡，实际是对作用于TMJ关节面的机械应力的病理反应[8]。
我们认为，髁突骨折错位愈合直接影响TMJ及下颌骨应力的分布，使其异常增大，分布不平衡。临床采用的保守治疗方法对有移位的髁突骨折难以达到完全解剖复位，常引起错位愈合而导致肌功能不协调和髁突应力分布异常。因此，对确诊已发生移位的髁突骨折应及时治疗，避免发生错位愈合。必要时可采取手术复位，尽量使其恢复原有形态结构，以便预后应力分布合理。从生物力学角度考虑，应该通过必要的临床治疗手段使肌肉、关节和颌位在新的生理环境下重新建立起新的平衡和协调关系以维持TMJ及下颌骨平衡稳定并改善其受力状况。由此可见，TMJ损伤所引起的应力分布特性的改变对临床处理方法和辅助治疗的选择具有重要的指导作用。
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参考文献
1 Korioth TW, Romilly DP, Hannam AG. Three-dimensional finite element stress analysis of the dentate human mandible. Am J Phys Anthropol,1992,88:69-96.
2 Tanne K, Tanaka E, Sakuda M. Stress distribution in the TMJ during clenching in patients with vertical discrepancies of the craniofacial complex. J Orofac Pain,1995,9:153-160.
3 胡凯, 周继林, 胡敏, 等. 夹板治疗作用的生物力学评价. 中华口腔医学杂志, 1998,33:198-200.
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4 Foreman PA. Temporomandibular joint and myofascial pain dysfunction-Some current concepts: Ⅰ. diagnosis. NZ Dent J,1985,81:47-52.
5 张震康, 傅民魁, 主编. 颞下颌关节病. 第1版. 北京: 人民卫生出版社, 1987.48-55.
6 Dahlstrom L, Kahnberg KE, Lindahl L. 15 years follow-up on condylar fractures. Int J Oral Maxillofac Surg,1989,18:18-23.
7 Monje FM, Delgado E, Navarro MJ, et al. Changes in TMJ after mandibular subcondylar osteotomy: an experimental study in rats. J Oral Maxillofac Surg,1993,51:1221-1234.
8 Kamelchuk LS, Major PW. Degenerative disease of the temporomandibular joint. J Orofac Pain,1995,9:168-180.
(收稿：1998-12-15 修回：1999-08-02), 百拇医药