ABSTRACT

Background: The structure and dynamic biomechanics of temporomandibular joint are complex. Three-dimensional reconstruction and finite element analysis can help us understand its dynamicstructure and stress distribution, hence providing a new idea for clinical diagnosis and treatment of TMD. Objective: To summarize the research status and progress of three-dimensional reconstruction and finite element analysis for TMJ imaging. Methods: The words “temporomandibular joint, 3D reconstruction, finite element” in Chinese and the words “TMJ, 3D reconstruction, finite element” in English were used as keywords to search relevant literatures from CNKI, Wanfang database, PubMed and Web of Science. 56 articles were obtained in the preliminary examination, and 28 of them were adopted to be analyzed and studied after screening. Results and Conclusion: Under normally and differently dynamic or variously pathological conditions, once different concentrations of stress are shown in the condyle, articular disk or articular fossa of TMJ in the imaging model, it would indicate potential lesions as TMD. The development of TMJ 3d reconstruction model is becoming more and more accurate and true based on the combination of CT and MRI, facilitating a complete illustration for the anatomy and dynamic functional structure of TMJ and related maxillary and mandibular regions.

Keywords:Temporomandibular Joint, Temporomandibular Disorders, Medical Imaging, Three-Dimensional Reconstruction, Finite Element Analysis

TMJ影像学三维重建与有限元应力分析浅述

童思熠¹，何虹^1,2*，王雪婷¹，施洁珺^1,2，马旭东³

¹浙江大学医学院附属口腔医院，浙江 杭州

²浙江省口腔生物医学研究重点实验室，浙江 杭州

³湖州大学，浙江 湖州

收稿日期：2019年11月27日；录用日期：2019年12月10日；发布日期：2019年12月17日

摘 要

背景：颞下颌关节的结构及其动态生物力学复杂，通过影像学三维重建及有限元应力分析可帮助了解其动态结构和应力分布，为TMD的临床诊治提供新的思路。目的：总结TMJ影像学三维重建及有限元应力分析的研究现状及进展。方法：以“颞下颌关节，三维重建，有限元”“TMJ，3D reconstruction，finite element”为关键词，检索CNKI、万方数据库、PubMed、Web of Science数据库的相关文献。初检得到中英文文献56篇，筛选后对其中28篇文献进行分析和学习。结果与结论：在正常不同动态及多种病理情况下，TMJ的髁突、关节盘、关节窝在影像模型中如果出现不同的应力集中区域，预示易发生病变。基于CT和MRI的数字化联合，TMJ三维重建模型的发展，越来越精准和真实，能够完整地再现TMJ及其相关上下颌骨区域的解剖和动态功能性结构。

关键词 :颞下颌关节，颞下颌关节紊乱病，医学影像学，三维重建，有限元分析

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1. 引言

颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)是人体中最复杂的关节之一，其解剖结构包括颞骨关节面(含关节窝和关节结节)、髁突、关节盘、关节囊和关节韧带。TMJ左右联动，行使着咀嚼、吞咽、语言、表情等复杂的生理功能 [1]。

颞下颌关节紊乱病(temporomandibular disorders, TMD)累及颞下颌关节和(或)咀嚼肌系统，并带来相关临床问题(比如疼痛、弹响、开口受限等) [2]。TMD在人群中的患病率约为20%~93% [3]。目前发病原因尚未完全阐明，可能与牙合因素、精神心理因素、创伤因素、自身免疫因素、解剖因素等有关 [4]。TMD可分为结构紊乱疾病、咀嚼肌紊乱疾病、关节炎症性疾病、和骨关节病四类 [5]，其中关节结构紊乱疾病又称关节内紊乱或内错乱症(internal derangement, ID)，是TMD中构成比最高的一类，约占69% [6] [7]。随着医学影像学和计算机技术的不断发展，我们对TMJ的结构和应力分布有了更进一步的认识，为TMD的诊治提供了新的思路。文章将浅述TMJ三维重建的方法及不同状态下TMJ的应力分布。

2. 资料与方法

2.1. 资料选取

以“颞下颌关节，三维重建，有限元”“TMJ，3D reconstruction，finite element”为关键词，中文检索策略：(颞下颌关节) AND (三维重建OR有限元)，英文检索策略：(TMJ) AND (3D reconstruction OR finite element)，检索2000至2018年间CNKI、万方数据库、PubMed数据库以及Web of Science数据库的相关文献。

2.2. 纳入与排除标准

纳入标准：根据文章题目及摘要进行初步筛选，通过文献精读和泛读后提炼出与文章相关的研究原著、综述及论著。

排除标准：研究目的及内容与此研究无关的文献；重复性研究。

2.3. 文献质量评估

根据文献摘要进行初级筛选，初检得到文献56篇，按照选取条件及排除条件进行初筛。排除与此次研究主题无关及重复性研究文献，纳入研究的文献包括临床研究、基础研究、综述等。文献检索流程见图1。最终选择28篇文献纳入综述。

图1. 文献检索流程

3. 结果

3.1. TMJ三维影像有限元建模

医学影像学在多种颞下颌关节疾病的诊断中具有重要的价值 [8]。近年来，随着传统X线检查方法的不断改进，现代医学影像学(CT、MRI等)的迅速发展，TMJ的影像学检查内容得到了极大的丰富 [9]。而基于影像学图像进行的TMJ三维重建，能够帮助我们更好地认识TMJ，研究其运动和生物力学，为临床TMD的诊治提供依据 [10]。

3.1.1. TMD中CT与MRI影像的联合应用

八十年代初CT开始用于TMJ病变的检查，可观察关节结节和关节窝形态、位置及骨质结构改变，髁突骨质形态、边缘、解剖结构和活动范围等，并进行关节间隙、髁状突水平角、垂直倾斜角及内外前后径等的测量 [11]。有研究显示，TMJ的CT影像测量具有和常规测量一样的准确性，且与常规测量结果呈正相关 [12] [13]。磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)技术是目前TMD的首选检查方法之一，也是观察关节盘的金标准 [14]，具有无创、无辐射、对TMJ各解剖结构显示清晰等优点。CT和MRI对于TMJ软硬组织的成像各有优劣，将两者结合可以较好地还原TMJ的真实形态和结构。

3.1.2. 三维影像有限元应力模型

上个世纪八十年代，就有学者开始了TMJ的三维影像重建 [15]。随后有学者在此基础上利用三维有限元法(finite element method, FEM)对TMJ进行生物力学研究。有限元法是指将连续的弹性体分割成有限个单元，以其结合体来替代原弹性体，并逐个地研究每个单元的性质，以获得整个弹性体的力学分析方法 [16]，在生物力学研究中有着广泛的应用。Maure等 [17] 认为：有限元法适用于颌面部骨组织复杂的机械应力分析，既节约时间，又结果可靠。有限元模型建模主要有以下五种方法：一、磨片/切片法；二、三维测量法；三、CT或MRI图像处理法；四、DICOM数据建模法；五、数字化虚拟人的建模方法 [18]。

CT或MRI图像处理法建模过程如下：首先对研究对象进行CT或MRI扫描，获得原始的二维数据；其次将CT或MRI胶片通过扫描、摄像等方法输入计算机，获得二维图像；然后在图像分析软件中获取图像边界数据；最后将获得的数据输入三维有限元分析软件中进行处理，最终获得三维有限元模型。上个世纪九十年代，国内有学者开始了TMJ三维重建的研究。早期的研究多依赖于CT或MRI的单一成像，TMJ的部分结构需要人为地进行模拟，从而影响了模型的真实性 [15] [19] [20] [21]。2008年，林有籁等通过人造球形标记的配准，利用CT和MRI医学图像融合技术，进行了包括关节盘、关节窝、下颌骨和下牙列在内的TMJ的三维重建，所建立的模型具有良好的几何相似性。此后又有学者进行了TMJ三维模型的动态研究，分析其解剖结构、运动规律及形态变化。随着图像采集、分析、处理、配准等技术的发展 [22] [23]，时至今日，基于CT和MRI影像的TMJ三维重建模型已越来越精准、真实，能够完整地再现TMJ及相关上下颌骨区域的解剖结构 [24] [25]。

3.2. TMJ三维有限元病理性应力模型醡

在此基础上，不少学者对正常及多种病理情况下的TMJ进行了应力分析，为临床TMD的发生、诊断、治疗提供了新的思路。

在关于关节盘移位时TMJ的力学研究中，刘啸 [26] 通过建立关节盘前移位、牙关紧闭位及最大张口位的数字化模型，采用有限元法进行生物力学分析，获得关节盘、髁突等TMJ各个解剖结构的力学分布变化和趋势，发现关节盘前移位时正常关节盘中间带向前移位，其与后带前部交界区域代替正常关节盘功能面结构，形成“假性关节盘”，出现应力集中区，为关节盘穿孔的好发部位。赖林锋等 [27] [28] 通过构建单侧不可复性盘前移位患者的TMJ个体化三维数字模型发现正常关节盘的应力集中在中带外侧部，分布较均匀，当关节盘前移位时，中带出现应力集中现象，易引起该部位关节盘变薄或穿孔；正常髁突表面应力主要分布在前斜面，当关节盘前移位时，髁突受力增大，易发生退行性变；且关节紊乱会导致关节摩擦系数增大，而摩擦系数增大又会促进TMD的发展。刘展等 [29] 则模拟关节盘前、后、内、外四种移位的情况，建立了对应的四个模型，发现各种移位都将导致关节盘和关节结节后斜面产生过高应力，且后、内、外移位更危险。

在对偏颌患者TMJ的生物力学分析中，倪峰等 [30] 发现关节盘和关节窝的主要受力在偏斜对侧分布偏内，偏斜侧分布偏外；应力在偏斜对侧是一种集中的方式，偏斜侧是一种分散的方式。偏颌患者偏斜侧关节盘可能倾向于向外侧移位，偏斜对侧关节盘可能倾向于向内侧移位。王政宪 [31] 通过构建TMJ正常生物力学参数数据库和旋转加力–旋转前移加力盘髁关系三维模型数据库及对比分析，得出了相似的结论。

此外还有不少学者通过三维重建和有限元法对大张口 [32] [33]、紧咬牙 [34]、反合 [35] [36] 等多种情况下TMJ的受力和运动情况进行了分析，为TMD的发生和诊治提供新的依据。

4. 展望

TMJ解剖和动态结构复杂，它兼有包括软硬组织，CT和MRI的单一成像难以完整呈现TMJ的三维动态结构，将两者结合则能帮助我们更真实、详尽地还原TMJ的动态结构。TMD在人群中的发病率高，病因尚未完全明确，基于三维模型的有限元分析让我们了解不同状态下TMJ的应力分布，对TMD的发病机制有了更进一步探讨的依仗工具。相信随着医学影像学和计算机技术的不断发展，我们对TMJ会有更深入的认识，对TMD的防治也会有更好的方法。

基金项目

浙江大学医学院教学改革课题yxyb20172030；卫计委省部共建基金WKJ-ZJ-1623；卫计委公益性行业专项基金201502018；国家重点研发计划合作项目2016YFC0902702。

文章引用

童思熠,何 虹,王雪婷,施洁珺,马旭东. TMJ影像学三维重建与有限元应力分析浅述
Three-Dimensional Reconstruction and Finite Element Analysis in TMJ Imaging[J]. 临床医学进展, 2019, 09(12): 1396-1401. https://doi.org/10.12677/ACM.2019.912216

参考文献