正常人牙尖交錯(cuò)位緊咬牙時(shí)顳下頜關(guān)節(jié)無(wú)單元-有限元耦合法二維生物力學(xué)分析.pdf

1、顳下頜關(guān)節(jié)(temporomandibular joint，TMJ)是人體關(guān)節(jié)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)最精細(xì)的關(guān)節(jié)，其中關(guān)節(jié)盤在下頜功能運(yùn)動(dòng)中起著重要而特殊的作用。因此，研究顳下頜關(guān)節(jié)尤其是關(guān)節(jié)盤的生物力學(xué)對(duì)了解顳下頜關(guān)節(jié)的生理病理和顳下頜關(guān)節(jié)疾病的防治有重要意義。由于數(shù)值模擬的簡(jiǎn)便有效性，人們?cè)谘芯匡D下頜關(guān)節(jié)生物力學(xué)時(shí)大量采用了建立顳下頜關(guān)節(jié)有限元數(shù)值模型的方法，但對(duì)于具有復(fù)雜幾何形狀的顳下頜關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)，有限元法(finite element

2、 method，F(xiàn)EM)在網(wǎng)格劃分時(shí)極易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，另外，應(yīng)力分布不均勻需應(yīng)力修勻等后處理措施也降低了其模擬效率。近年來(lái)出現(xiàn)的一種無(wú)單元法(meshless method)，它擺脫了網(wǎng)格的束縛，采用節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行局部離散，由移動(dòng)最小二乘法來(lái)擬合場(chǎng)函數(shù)，其計(jì)算精確度更高、更為簡(jiǎn)便，能處理有限元法許多不能解決的問(wèn)題。為彌補(bǔ)無(wú)單元法不易施加強(qiáng)制邊界條件的不足，本文現(xiàn)將它與有限元法進(jìn)行耦合應(yīng)用于顳下頜關(guān)節(jié)的生物力學(xué)分析，并將所得結(jié)果與有限元法進(jìn)行

3、比較，以探討此法是否優(yōu)于傳統(tǒng)的有限元法，為顳下頜關(guān)節(jié)生物力學(xué)數(shù)值模擬分析引進(jìn)一種更新更有效的方法。 實(shí)驗(yàn)一、顳下頜關(guān)節(jié)二維無(wú)單元一有限元耦合模型的建立 材料和方法：應(yīng)用殷新民課題組所建立的三維有限元模型，此模型包括顳下頜關(guān)節(jié)、咀嚼肌、下頜骨和下牙列，材料分為皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)盤纖維軟骨和髁突關(guān)節(jié)軟骨等。因顳下頜關(guān)節(jié)左右對(duì)稱，因此僅取半側(cè)(右側(cè))模型研究，在MARc2003中沿髁突正中矢狀面截取有限元模型的二維圖像，導(dǎo)入

4、ANSYS8.0中，在外形輪廓不變的情況下重新剖分網(wǎng)格，保存為模型1。在此模型基礎(chǔ)上，下頜升支、髁突、顳骨保留有限元網(wǎng)格，在關(guān)節(jié)盤周邊輪廓保留有限元節(jié)點(diǎn)，去除網(wǎng)格，中間區(qū)域用節(jié)點(diǎn)離散，保存為模型2。 結(jié)果：模型1形成包括下頜升支、髁突、關(guān)節(jié)盤和顳骨在內(nèi)的二維有限元模型，共有1189個(gè)節(jié)點(diǎn)，1059個(gè)單元。模型2形成顳下頜關(guān)節(jié)的二維無(wú)單元一有限元耦合模型。 結(jié)論：在有限元模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用無(wú)單元節(jié)點(diǎn)離散技術(shù)可以建立幾何形態(tài)逼

5、真的顳下頜關(guān)節(jié)正中矢狀面的二維無(wú)單元-有限元耦合模型，為進(jìn)一步進(jìn)行TMJ生物力學(xué)的科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)二、顳下領(lǐng)關(guān)節(jié)無(wú)單元一有限元耦合法生物力學(xué)分析 材料和方法：對(duì)實(shí)驗(yàn)一建立的兩個(gè)模型進(jìn)行加載，分析正常人牙尖交錯(cuò)位緊咬牙時(shí)，顳下頜關(guān)節(jié)內(nèi)正中矢狀面的應(yīng)力分布特征：(1)邊界條件：約束顳骨上部所有節(jié)點(diǎn)自由度。(2)加載情況：通過(guò)髁突幾何中心點(diǎn)沿垂直于關(guān)節(jié)結(jié)節(jié)后斜面即估計(jì)的關(guān)節(jié)凹反作用力方向向前上加載0.2mm位移

6、。二維有限元模型用ANSYS8.0進(jìn)行求解，在后處理器中研究分析應(yīng)力分布。二維無(wú)單元-有限元耦合模型用自行編制的耦合程序(無(wú)單元積分采用二維三角形的Hammer積分，耦合采用配置耦合法)進(jìn)行求解，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入ANSYS8.0中以顯示云圖。 結(jié)果：二個(gè)模型計(jì)算結(jié)果具有較高的相似性，反映了顳下頜關(guān)節(jié)應(yīng)力分布基本相同的特點(diǎn)：髁突表面、關(guān)節(jié)盤腹面、關(guān)節(jié)盤背面、顳骨Von Mises應(yīng)力呈逐漸降低趨勢(shì)，關(guān)節(jié)盤高應(yīng)力區(qū)主要位于中間帶和雙板