CC BY
18
УДК 531/534:57+612.7
БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЫЩЕЛКОВ НИЖНЕЙ ЧЕЛЮСТИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ТЯЖЕЛЫХ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЯХ
К. Изуми*, Т. Шимода*, Ш. Сумиоши*, С. Озеки*, С. Цуцуми**
* Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Fukuoka Dental College, Fukuoka, Japan, e-mail: kiwachan@college.fdcnet.ac.jp
** Department of Medical Simulation Engineering, Institute of Frontier Medical Sciences, 53, Kawahara-cho, Shogoin, Sakuo-ku, Kyoto 606-8507, Japan, e-mail: tsutsumi@frontier.kyoto-u.ac.jp
* Стоматологический колледж, кафедра челюстно-лицевой хирургии, г. Фукуока, Япония
** Институт передовых медицинских наук, кафедра медицинского моделирования и инженерии, г. Киото, Япония
Аннотация. Рассмотрены направления переноса нагрузки в мыщелках нижней челюсти при атрофических изменениях, вызванных остеоартритом в последней стадии. Анализируются морфологические изменения мыщелков нижней челюсти человека при регрессивных процессах. Для этой цели четыре мыщелка нижней челюсти человека с морфологическими изменениями (дегенеративные мыщелки) были проанализированы с помощью периферической количественной компьютерной томографии при толщине слоев 110 мм и интервале между слоями 150 мм. Также было измерено распределение плотности. Основываясь на изображениях, полученных методом компьютерной томографии, были изготовлены четыре трехмерных модели. Затем проведен линейный статический анализ на основе метода конечных элементов, что позволило оценить корреляцию между распределением напряжений и минеральной плотностью кости. При сравнении с нормальным мыщелком нижней челюсти было установлено, что объемное содержание спонгиозной ткани было меньше на 10% при умеренных дегенеративных изменениях и примерно на 50% - при тяжелых. Также было замечено, что передне-заднее расстояние было меньше у мыщелков плоского типа в сравнении с мыщелками углового типа. Корреляция между распределением напряжений и объемной минеральной плотностью была высокой в районе от медиальной до центральной области верхней части при умеренно дегенеративных мыщелках и от центральной до латеральной области верхней части при тяжелых дегенеративных поражениях. В заключение отмечается, что при тяжелом дегенеративном поражении мыщелков возникает тяжелая атрофия и зона, воспринимающая нагрузку, включает медиальную, центральную и латеральную области верхней части мыщелка. В противоположность этому при нормальных мыщелках нижней челюсти только центральная часть передней области мыщелка воспринимает нагрузку.
Ключевые слова: мыщелок нижней челюсти человека, морфологическое изучение, периферийная количественная компьютерная томография, метод конечных элементов, анализ напряжений.
© К. Изуми, Т. Шимода, Ш. Сумиоши, С. Озеки, С. Цуцуми, 2004
1. Введение
Известно, что структура и морфология костей рациональны с точки зрения механики [1]. Биомеханические исследования височно-нижнечелюстного сустава показали, что форма мыщелка нижней челюсти в основном зависит от функциональных нагрузок [2 - 4]. Авторы данной работы ранее проводили исследования для определения механических факторов, приводящих к регрессивным изменениям, связанным с остеоартритом нормального мыщелка нижней челюсти человека без морфологических нарушений. Это позволило изучить происхождение и дать прогноз дегенерации мыщелка. В работе [5] проведено биомеханическое изучение нормальных мыщелков нижней челюсти человека без морфологических нарушений. Показано, что зона восприятия нагрузки находится в центральной части мыщелка в соответствии с суставным бугорком. Однако направление передачи силы и область передачи нагрузки атрофических мыщелков нижней челюсти не исследовались. В настоящем исследовании были изготовлены трехмерные модели для нескольких мыщелков нижней челюсти человека с выраженными морфологическими изменениями. Анализ напряжений был проведен методом конечных элементов, что позволило понять важность морфологического строения мыщелков нижней челюсти человека, имеющих изменение формы. Изучена также корреляция между распределением напряжений и минеральной плотностью кости.
2. Материалы и методы
2.1. Материалы. Из 28 мыщелков нижней челюсти у трупов, имевшихся в распоряжении авторов, четыре мыщелка нижней челюсти с выраженными морфологическими изменениями (дегенеративные мыщелки) были использованы для изучения. Для контроля один мыщелок нижней челюсти без морфологических изменений (нормальный мыщелок нижней челюсти) был также проанализирован.
Все дегенеративные мыщелки были атрофированы. Все они были уплощены и вогнуты на поверхности сустава. Были использованы следующие четыре параметра:
1) отношение объема трабекулярной кости к объему всего мыщелка нижней челюсти;
2) горизонтальный угол мыщелка, который представляет собой внутренний угол, образованный горизонтальной длинной осью мыщелка и ветвью нижней челюсти;
3) медио-латеральное расстояние мыщелка; 4) отношение передне-заднего расстояния мыщелка к медио-латеральному расстоянию. Четыре дегенеративных мыщелка были разделены на две группы, основываясь на тяжести морфологических нарушений: группа 1 - умеренная дегенерация и группа 2 - тяжелая дегенерация (табл. 1).
2.2. Изготовление трехмерных моделей. Используя установку для периферической количественной компьютерной томографии (Norland - STRATEG), были сканированы мыщелки нижней челюсти с помощью слоев толщиной 110 мм при расстоянии между слоями 150 мм. Одновременно была измерена минеральная плотность. Затем, используя вычислительную программу пересчета данных компьютерной томографии в данные для компьютерного проекта (Mimics Ver. 7.21, Magics Ver. 7.2, Materialise), были построены контурные линии. После этого была использована вычислительная программа для трехмерного математического моделирования (Rhinoceros Ver. 2.0, Robert McNeel & Accociates), были построены трехмерные модели мыщелков нижней челюсти. Формы кортикальной и трабекулярной костей были точно воспроизведены с помощью трехмерных моделей (рис. 1).
Таблица 1
Морфологическая классификация мыщелков нижней челюсти________________________
Нормальные мыщелки Мыщелки группы
1-А 1-В 2-А 2-В
Отношение объема трабекулярной кости к общему объему мыщелка 0,641 0,553 0,581 0,262 0,351
Горизонтальный угол мыщелка 90? 95? 90? 112? 108?
Медио-латеральное отношение мыщелка 21,60 20,91 22,38 17,35 17,65
Отношение переднезаднего расстояния к медио-латеральному расстоянию 0,53 0,53 0,39 0,44 0,38
Система классификации мыщелка выпуклый угловой плоский угловой плоский
2.3. Конструкция трехмерных конечно-элементных моделей. Вышеописанные трехмерные модели, изготовленные на основе данных компьютерной томографии мыщелков нижней челюсти, были подвергнуты разбиению на конечные элементы с помощью десятиузловых тетраэдральных элементов. Для этой цели была использована вычислительная программа (COSMOS 2003, S.R.A.C.) . Результаты представлены на рис. 2а.
2.4. Материальные константы. В моделях были выделены области кортикальной и трабекулярной кости. Значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона были приняты равными 10000 МПа и 0,3 , соответственно, для кортикальной ткани мыщелков и 500 МПа и 0,3 для трабекулярной костной ткани.
2.5. Анализ условий. Нижняя поверхность моделей была ограничена во всех степенях свободы. Нагружение силой 10 Н проводилось в нормальном направлении на медиальной, центральной и латеральной поверхностях переднего, верхнего и заднего отделов мыщелка нижней челюсти. При расчете проводился линейный статический анализ (рис. 2b).
2.6. Оценка. Для оценки были использованы эквивалентные напряжения Мизеса. Для установления связи между минеральной плотностью и распределением напряжений каждая модель была горизонтально сканирована с интервалом между слоями 660 мм и далее исследована корреляция между минеральной плотностью кости и средним напряжением в каждом слое. Всего 30 слоев было получено из двух мыщелков группы 1 (дегенеративные мыщелки 1А и 1В) и 23 слоя были получены из двух мыщелков группы 2 (дегенеративные мыщелки 2А и 2В). Коэффициент Пуассона был также использован для корреляционного анализа.
передний боковой задний медиальный верхний
Группа 2
Рис. 1. Трехмерная модель мыщелка нижней челюсти. Норма: нормальный мыщелок без морфологических нарушений, классифицируется как мыщелок выпуклого типа. Группа 1: мыщелок с умеренными дегенеративными изменениями, группа 1А - мыщелок углового типа, группа 1В - мыщелок плоского типа. Группа 2: мыщелок с тяжелыми дегенеративными изменениями, группа 2А - мыщелок углового типа, группа 2В - мыщелок
плоского типа
кортикальная кость
трабекулярная кость
задний
т
верхний
4
передний
в
медиальный ^центральный ^ латеральный
Д Д Д Д ограничение
Рис. 2. А: трехмерная конечно-элементная модель мыщелка нижней челюсти содержит кортикальную и трабекулярную ткани; 2В: область нагружения и ограничения.
3. Результаты
3.1. Четыре параметра морфологических изменений.
(1). Отношение объема трабекулярной кости к объему всего мыщелка нижней челюсти. Для нормального мыщелка нижней челюсти это отношение равно 0,641. Для дегенеративных мыщелков 1А и 1В оно меньше, а именно 0,553 и 0,581, соответственно. Для дегенеративных мыщелков 2А и 2В - еще меньше: 0,262 и 0,351, соответственно.
(2). Горизонтальный угол мыщелка в отношении к ветви нижней челюсти. Для нормального мыщелка нижней челюсти этот угол составляет 90?. Для дегенеративных мыщелков 1А и 1В - 95? и 90?, соответственно. Для дегенеративных мыщелков 2А и 2В - еще больше: 112? и 108?, соответственно.
(3). Медио-латеральное расстояние мыщелка. Для нормального мыщелка нижней челюсти это расстояние было равно 21,6 мм. Для дегенеративных мыщелков 1А и 1В оно было сравнимым, а именно 20,91 мм и 22,38 мм, соответственно. Для дегенеративных мыщелков 2А и 2В это расстояние было меньше: 17,35 мм и 17,65 мм, соответственно.
Р-ОСТ снимок
фронтальный снимок в г
Эквивалентные напряжения Мизеса (МПа)
2,0 1,5 1,0 0,5 0
Ь1 ( ш
Рис. 3. Сравнение томографического изображения и распределения напряжений: а, в -распределение напряжений в центральной зоне верхней области; б, г - распределение напряжений в латеральной зоне задней области (на рис. 3а и 3в распределение напряжений подобно изображению и величины напряжений умеренные, на рис. 3б и 3г распределение напряжений не подобно изображению и величины напряжений высокие)
(4). Отношение передне-заднего расстояния мыщелков к медио-латеральному расстоянию. Для нормальных мыщелков нижней челюсти это расстояние было равно
0,53. Для дегенеративных мыщелков 1А и 1В оно составило 0,53 и 0,39, соответственно. Для дегенеративных мыщелков 2А и 2В - 0,44 и 0,38, соответственно.
3.2. Дегенеративные мыщелки 1А и 1В. Что касается соотношения между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в каждом горизонтальном слое, то была выявлена пропорциональность между ними. Также было отмечено, что распределение напряжений в трабекулярной кости в каждом слое имело сходство со структурой кости (рис. 3, 4). В дегенеративном мыщелке 1А средние значения напряжений в медиальной и центральной зонах передней области, в латеральной зоне верхней области и в медиальной, центральной и латеральной зонах задней области было значительно выше, чем значения напряжений в других областях (р<0,01). Исключив эти зоны, можно было заметить высокую степень корреляции между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в медиальной зоне передней области (г=0,908, г2=0,824, ^<0,0001) и центральной зоне верхней области (г=0,901, г2=0,812, ^<0,0001) (см. рис. 5). Кроме того, в дегенеративном мыщелке 1В средние значения напряжений в медиальной зоне передней области и в
Группа 1А Группа 1В Группа 2 А Группа 2В
Группа 1А Группа 1В Группа 2 А Группа 2В
Эквивалентные напряжения Мизеса (МПа)
2,0 1,5 1,0 0,5 0
* I I; I Ш
Рис. 4. Распределение напряжений в дегенеративном мыщелке: а - нагружение в центральной зоне верхней области; б - нагружение в боковой зоне задней области. (Т ак же, как на рис. 3, зона, по оценкам несущая нагрузку (а), показывает допустимые уровни распределения напряжений, но зона, исключенная из нагружения (б), показывает высокий
уровень распределения напряжений)
медиальной, центральной и латеральной зонах задней области были значительно больше, чем значения напряжений в других областях (р<0,01). Исключив эти зоны, можно было заметить высокую степень корреляции между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в медиальной зоне верхней области (р=0,882, г2=0,676, p<0.0001), в центральной зоне верхней области (г=0,799, г2=0,639, p<0,0001) и в центральной зоне передней области (г=0,646, г2=0, 417, p<0,0001) (см. рис. 6).
3.3. Дегенеративные мыщелки 2А и 2В. Относительно соотношения между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в каждом горизонтальной слое было подтверждено наличие пропорциональности, как и ранее в первой группе мыщелков.
В дегенеративном мыщелке 2А средние значения напряжений в медиальной, латеральной и центральной зонах передней области, в медиальной зоне верхней области и в латеральной зоне задней области были значительно больше, чем значения напряжений в других зонах ^<0,01). Исключив эти области, можно было заметить большую степень корреляции между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в центральной зоне верхней области (г=0,804, г2=0,646, p<0,0001), в латеральной зоне верхней области (г=0,661, г2=0,437, p<0,0005), в медиальной зоне задней области (г=0,680, г2=0,462, p<0,0005) и в центральной зоне задней области
Рис. 5. Анализ напряжений дегенеративного мыщелка 1А: а, в, д - соотношение между плотностью материала кости и распределением напряжений для каждого горизонтального снимка; б, г, е - соотношение между распределением напряжений и плотностью материала кости (коэффициенты Пирсона). Минеральная плотность кости (кружки), нагрузка на медиальную (квадратики), центральную (крестики), боковую (треугольники) зоны
(г=0,888, г2=0,789, p<0,0001) (см. рис. 7). Кроме того, в дегенеративном мыщелке 2В средние значения напряжений в медиальной и латеральной зонах передней области, в медиальной зоне верхней области и медиальной, центральной и латеральной зонах задней области были значительно больше, чем значения напряжений в других зонах ^<0,01). Исключив эти зоны, можно было заметить высокую степень корреляции между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в центральной зоне верхней области (г=0,943, г2=0,889, p<0,0001), в латеральной зоне верхней области (г=0,756, г2=0,571, p<0,0001) и в центральной зоне передней области (г=0,839, г2=0,704, p<0,0001) (см. рис. 8).
Рис. 6. Соотношение между плотностью материала кости и распределением напряжений для каждого горизонтального снимка дегенеративного мыщелка 1В. Минеральная плотность кости (кружки), нагрузка на медиальную (квадратики), центральную (крестики), боковую
(треугольники) зоны
Рис. 7. Соотношение между плотностью материала кости и распределением напряжений для каждого горизонтального снимка дегенеративного мыщелка 2А. Минеральная плотность кости (кружки), нагрузка на медиальную (квадратики), центральную (крестики), боковую
(треугольники) зоны
Рис. 8. Соотношение между плотностью материала кости и распределением напряжений для каждого горизонтального снимка дегенеративного мыщелка 2В. Минеральная плотность кости (кружки), нагрузка на медиальную (квадратики), центральную (крестики), боковую
(треугольники) зоны
4. Обсуждение
4.1. Морфологическая классификация мыщелков нижней челюсти. Имеется много исследований по морфологической классификации и анализу регрессивных изменений в мыщелках нижней челюсти, используя фронтальное и горизонтальное изображения [6 - 9]. Согласно исследованию, описанному в работе [6], наиболее часто встречаются мыщелки выпуклого типа [9 - 10]. В некоторых работах есть указания на то, что с возрастом уменьшается количество мыщелков выпуклого типа и увеличивается количество мыщелков плоского типа [6 - 8]. Однако эти исследования не охватывали весь период жизни человека и имели существенные индивидуальные отличия. Поэтому надежность этих наблюдений вызывает сомнения. Другими словами, высказывания о зависящих от возраста регрессивных изменениях в мыщелках нижней челюсти пока в основном носят гипотетический характер.
В течение жизни человека мыщелки нижней челюсти перестраиваются вследствие следующих факторов: изменения положения и подвижности суставного диска, изменения в относительном расположении мыщелка относительно суставной ямки, изменения направления и величины функционального давления. Поэтому такие морфологические типы мыщелка, как круглый, выпуклый, угловой и плоский, дают только макроскопическую классификацию и недостаточны для указания на регрессивные изменения. С учетом сказанного в данной работе вдобавок к указанным макроскопическим параметрам мы используем следующие четыре параметра для оценки регрессивных изменений в мыщелке: 1) отношение объема трабекулярной кости к объему всего мыщелка нижней челюсти; 2) горизонтальный угол мыщелка,
который определяется как внутренний угол, образованный горизонтальной длинной осью мыщелка и ветвью нижней челюсти; 3) медио-латеральное расстояние мыщелка и
4) отношение передне-заднего расстояния мыщелка к медио-латеральному расстоянию.
В соответствии с системой классификации, предложенной в работе [6], дегенеративные мыщелки 1А и 2А были классифицированы как мыщелки углового типа, а дегенеративные мыщелки 1В и 2В были классифицированы как мыщелки плоского типа. В мыщелках углового типа отношение передне-заднего расстояния к медио-латеральному расстоянию было большим, а для мыщелков плоского типа оно было значительно меньше. Поэтому в терминах морфологии степень регрессивных изменений была больше для мыщелков плоского типа с меньшим передне-задним расстоянием [8]. Однако, основываясь на отношении объема трабекулярной кости и горизонтального угла мыщелка, четыре дегенеративных мыщелка были разделены на группы 1 и 2 независимо от морфологии фронтального сечения. В результате медио-латеральное расстояние для мыщелков группы 2 было меньше, чем для мыщелков группы 1. С другой стороны, и медио-латеральное и передне-заднее расстояние были больше у нормальных мыщелков нижней челюсти, что было морфологически классифицировано как мыщелки выпуклого типа.
При сравнении с нормальными мыщелками отношение объема трабекулярной кости у мыщелков группы 1 было меньше на 10%, у мыщелков группы 2 - на 50%. Пока не ясно, является ли уменьшенное объемное содержание трабекулярной кости следствием утолщения кортикальной кости мыщелка нижней челюсти или остеосклероза трабекулярной кости. В любом случае медио-латеральное расстояние фронтального сечения было значительно меньше в мыщелках группы 1, чем в мыщелках группы 2, что сопоставимо с их атрофией. Следовательно, объемное содержание трабекулярной кости было наиболее подходящим указателем регрессивных изменений.
Горизонтальный угол мыщелка часто измерялся относительно линии, соединяющей задний край мыщелка, или линии, соединяющей задний конец левой и правой суставной ямки в верхней кости. Так как эти линии не использовались в данном исследовании, горизонтальный угол мыщелка был измерен относительно ветви нижней челюсти, аналогично было сделано в недавних исследованиях [11 - 12]. Этот угол имеет значения около 90?. В результате из-за того, что ветвь нижней челюсти меньше подвержена морфологическим изменениям в мыщелке, это оказалось полезным индикатором с высоким уровнем воспроизводимости. В работе [14] было указано, что увеличение горизонтального угла мыщелка коррелировало с увеличением регрессивных изменений. Хотя в данной работе использован другой метод измерения горизонтального угла мыщелка, чем в работе [14], этот угол был больше для мыщелков группы 2, чем для мыщелков группы 1, что соответствует тяжести регрессивных изменений.
4.2. Соотношение между минеральной плотностью кости и уровнем напряжений.
Внешняя и внутренняя структура костей соответствует стремлению уменьшить, насколько это возможно, концентрацию напряжений. Однако в данном исследовании обнаружены области со значительно повышенным уровнем напряжений, что не соответствует структуре кости мыщелка нижней челюсти. По этой причине в каждой модели мыщелка области со значительно повышенным уровнем напряжений по сравнению с зонами, воспринимающими нагрузку, были проанализированы по отношению к гипотезе о рациональном нагружении.
В данном исследовании при нормальном мыщелке нижней челюсти центральная зона передней области была единственной зоной, несущей нагрузку. Зоны, несущую нагрузку в группах 1 и 2, были в совершенном другом месте мыщелка. В
дегенеративном мыщелке 1А зона, несущая нагрузку, располагалась в медиальной и центральной зонах верхней области, а в дегенеративном мыщелке 1В эта зона была в медиальной и центральной зонах верхней области. В дегенеративном мыщелке 1А корреляция между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в медиальной и центральной зонах верхней области была г=0,908, г2=0,824, р<0,0001 и г=0,901, г2=0,812, р<0,0001, соответственно. В дегенеративном мыщелке 1В эта корреляция была г=0,882, г2=0,676, р<0,0001 и г=0,779, г2=0,639, р<0,0001, соответственно. Эти наблюдения подтверждают, что в процессе регрессивных изменений в височно-нижнечелюстном суставе, хотя деформация и атрофия мыщелка нижней челюсти нарастают, мыщелок нижней челюсти по-прежнему функционирует и подвержен нагружению в различных направлениях. Поэтому биомеханические наблюдения мыщелка соответствуют анатомическим и морфологическим изменениям.
Основываясь на корреляции между минеральной плотностью кости и распределением напряжений, можно выделить зоны, несущую нагрузку в дегенеративном мыщелке 2А, которыми оказались центральная и латеральная зоны верхней области и медиальная и центральная латеральная зоны задней области. Аналогичными зонами в дегенеративном мыщелке 2В были центральная и латеральная зоны верхней области и центральная зона передней области. В дегенеративном мыщелке 2А коэффициент корреляции был г=0,701 в медиальной зоне верхней области (г2=0,492, р<0,0001), г=0,804 в центральной зоне верхней области (г2=0,646, р<0,0001) и г=0,661 в латеральной зоне верхней области (г2=0,437, р<0,0005). Аналогично в дегенеративном мыщелке 2В коэффициент корреляции был г=0,831 в медиальной зоне передней области (г2=0,691, р<0,0001), г=0,943 в центральной зоне верхней области (г2=0,889, р<0,0001) и г=0,756 в латеральной зоне верхней области (г2=0,571, р<0,0001). Поэтому в мыщелках 2А и 2В имеется высокая степень корреляции в центральной и латеральной зонах верхней области, подтверждая, что эти зоны являются зонами, несущими нагрузку в группе 2 мыщелков.
В сравнении с группой мыщелков 1 толщина кортикальной кости в группе мыщелков 2 была больше во всех направлениях, подтверждая более выраженную атрофию. Эти наблюдения служат доказательством того, что регрессивные изменения были более выраженными в группе мыщелков 2 в сравнении с группой мыщелков 1. Биомеханические наблюдения показывают, что нагрузка от функционального давления перемещается от медиальной к латеральной области верхней области.
В дегенеративных мыщелках 1В и 2В, которые классифицируются как мыщелки плоского типа, была отмечена высокая степень корреляции между минеральной плотностью кости и распределением напряжений в центральных зонах верхней области и в центральной зоне передней области. С другой стороны, в дегенеративных мыщелках 1А и 2А, классифицированных как мыщелки углового типа, центральные зоны передней области обнаруживают ненормально высокий уровень напряжений, хотя они не входили в зоны, несущие нагрузку. Эти особенности связаны с различными характеристиками двух морфологических типов. Вышеуказанные наблюдения показывают, что морфология мыщелка нижней челюсти влияет на расположение зон, несущих нагрузку.
Тем не менее, необходимо в дальнейшем исследовать области со значительными напряжениями, которые были исключены из зон, несущих нагрузку. Медиальная зона передней области была исключена во всех моделях; эта зона соответствует ямке крыловидной мышцы, где латеральная крыловидная мышца прикрепляется, и было замечено, что плотность трабекулярной кости увеличивается в ответ на тянущую нагрузку, создаваемую латеральной крыловидной мышцей [13]. Результаты компьютерной томографии также показывают, что плотность костных трабекул больше
в медиальной зоне передней области, чем в латеральной. Учитывая, что структура трабекул соответствует распределению напряжений, структура кости не могла выдерживать уровень нагрузки, которая была приложена. Поэтому в латеральной зоне задней области, хотя кортикальная кость достаточно толстая, уровень напряжений оказался значительно выше, что привело к структуре кости, отличной от структуры в зоне, несущей нагрузку.
В настоящем исследовании, когда нагрузка была приложена к центральной зоне верхней области (эта область оценивалась как зона, несущая нагрузку), распределение напряжений и плотность кости соответствовали в поперечном сечении трабекулярной кости. Наши выводы совпадают с результатами работы [5], где было исследовано трехмерное распределение напряжений в нормальных мыщелках нижней челюсти. В тех сечениях, где были сконцентрированы напряжения, трабекулярная костная ткань была более плотной, что подтверждает, что эта зона является зоной, несущей нагрузку. Кроме того, была замечена высокая степень корреляции между минеральной плотностью кости и распределением напряжений, подтверждая, что форма и структура мыщелков нижней челюсти являются рациональными с точки зрения биомеханики.
5. Выводы
1. Трехмерные модели мыщелков нижней челюсти были разделены на две группы, основываясь на макроскопических наблюдениях и следующих четырех параметрах: 1) отношение объема трабекулярной костной ткани к объему всего мыщелка нижней челюсти; 2) горизонтальный угол мыщелка, который определяется как внутренний угол, образованный горизонтальной длинной осью мыщелка и ветвью нижней челюсти; 3) медио-латеральное расстояние мыщелка; 4) отношение переднезаднего расстояния мыщелка к медио-латеральному расстоянию. Основываясь на соотношении между минеральной плотностью кости и распределением напряжений, были проанализированы направления действия нагрузки, что дает возможность оценить регрессивные изменения в мыщелке нижней челюсти.
2. В нормальном мыщелке нижней челюсти центральная зона верхней области является единственной зоной, несущей нагрузку, в то время как в дегенеративных мыщелках зона, несущая нагрузку, располагается в различных положениях, в основном в центре верхней области. Кроме того, в сравнении с первой группой мыщелков объемное отношение трабекулярной кости к объему всего мыщелка нижней челюсти было значительно меньше в мыщелках второй группы. Горизонтальный угол мыщелка был больше, что подтверждает более выраженные регрессивные изменения. Затем было отмечено, что зона восприятия нагрузки движется от медиального расположения к латеральному в верхней области мыщелка, что также связано с регрессивными изменениями.
3. В трехмерных моделях для первой и второй групп мыщелков распределение напряжений, возникающих от приложенной нагрузки, оценивает зону восприятия нагрузки в соответствии с толщиной кортикальной кости и распределением трабекулярной кости на изображениях, полученных с помощью компьютерной томографии. Это подтверждает, что трехмерные модели точно воспроизводят морфологию и биомеханику мыщелков нижней челюсти человека.
Список литературы
1. Curry J.D. The adaptation of bones to stress // J. Theor. Biol., 1968. V. 20. P. 91-106.
2. Kimura A. Stress analysis of the temporomandibular joint by finite element method // Jpn. J. Oral Maxillary
Surg. 1990. V. 36. P. 36-52.
3. Sumiyoshi S. Biomechanical simulation of the temporomandibular joint - Effect of lubrication mechanism // Jpn. J. Oral Maxillary Surg. 1996. V. 44. P. 168-182.
4. Mori T., Maeda Y., et al. Biomechanical simulation of the morphological change in the temporomandibular joint. Part II: Shape difference in frontal section // J. Jpn. Soc., T. M. J. 1992. V. 4. P. 230-238.
5. Ohtuka S. Biomechanical analysis for the human temporomandibular joint by three-dimensional finite-
element method // J. Fukuoka Dent. Coll. 2000. V. 27. P. 205-217.
6. Yale S.H., Ceballos M., et al. Some observations on the classification of mandibular condyle types // Oral
Surg. 1963. V. 16. P. 572-577.
7. Kaburagi M. Anatomical studies on the mandibular condyle // The Journal of the Tokyo Dental College Society // 1970. V. 70. P. 1532-1549.
8. Sugisaki M., Suzuki K., et al. Study of temporomandibular joint of Japanese dry skull - Part III: Shape of condylar head // J. Jpn. Stomatol. Soc. 1990. V. 39. P. 539-550.
9. Mongini F. Dental abrasion as a factor in remodeling of the mandibular condyle // Acta Anat. 1975. V. 92.
P. 292-300.
10. Demirjian A. A study of the morphology of the glenoid fossa // Natl. Mus. Canada Bull. 1967. V. 206. P. 125.
11. Du Brul E.L. The craniomandibular articulation / In Oral Anatomy, 7th ed. P. 174-209. The C.V. Mosby Co., St. Louis, Toronto, London. 1980.
12. Dowson P.E. Evaluation, diagnosis, and treatment of occlusal problems, 2nd ed. P. 18-27. The C.V. Mosby Co., St. Louis, 1989.
13. Hongou T. Qualitative and morphological studies on the trabecular bones in the processes condylaris of the Japanese mandibula // The Journal of the Tokyo Dental College Society. 1987. V. 87. P. 1583-1611.
14. Westessen P.L., Bifano J.A. Increased horizontal angle of the mandibular condyle inabnormal temporomandibular joints // Oral Surg. Oral Med. & Oral Path. 1991. V. 72. P. 359-363.
BIOMECHANICAL STUDY ON HUMAN MANDIBULAR CONDYLES WITH SEVERE MORPHOLOGICAL CHANGES
K. Izumi, T. Shimoda, S. Sumiyoshi, S. Ozeki (Fukuoka, Japan),
S. Tsutsumi (Kyoto, Japan)
By ascertaining the directionality of load bearing in mandibular condyles with atrophic changes, the last stage of osteoarthritis was considered. The morphological significance of human mandibular condyles with regressive changes was analyzed. Four human mandibular condyles with morphological changes (degenerative condyles) were analyzed using quantitative computer tomography with a slice thickness of 110 mm and slice interval of 150 mm. Simultaneously the bone mineral density was measured. Based on computed tomography images, four three-dimensional solid models were prepared. Then, linear static analysis was performed by the finite element method to assess correlation between stress distribution and bone mineral density.
Compared to a normal mandibular condyle, the volume ratio of cancellous bone to that of mandibular condyle was 10% lower in mildly degenerative condyles, and about 50% lower in severely degenerative condyles. Also, the anteroposterior distance was shorter for flat-type condyles than for angled-type condyles. The correlation between stress distribution and bone mineral density was high from the medial to central areas of the superior region in the mildly degenerative condyles, and from the central to lateral areas of the superior region in the severely degenerative condyles.
In result, in the severely degenerative condyles, atrophy was severe, and the load-bearing zone involved the medial, central and lateral areas of the superior region. In contrast, in the normal, mandibular condyles, the central area of the anterior region was the only load-bearing zone.
Key words: human mandibular condyle, morphological study, quantitative computed tomography, finite element method, stress analysis.
Получено 10 декабря 2003
