Материал и методы исследований

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВИСОЧНО-НИЖНЕЧЕЛЮСТНОГО СУСТАВА С

ПОМОЩЬЮ 3-Д МОДЕЛИРОВАНИЯ (ПРОСТРАНСТВЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ)

Татинцян Людмила Валерьевна Кандидат медицинских наук, доцент Ереванский государственный медицинский университет им.М.Гераци, г.Ереван (Армения)

Аннотация

При функциональной нагрузке нижняя челюсть находится в сложном напряженнодеформированном состоянии (НДС), содержащем деформации сжатия-растяжения, изгиба и сдвига. Зонами максимальной концентрации напряжений при смыкании зубов в состоянии центральной окклюзии являются передний и задний края ветви, наружная косая линия, участок торуса и шейки мыщелкового отростка. Задача специалистов заключается в том, чтобы на высоком современном уровне определить функциональные и морфологические изменения в ВНЧС (височно-нижнечелюстной сустав), нормализовать его работу и предотвратить дальнейшее развитие патологического процесса.

Ключевые слова: нарушение окклюзии, дисфункция височнонижнечелюстного сустава, метод конечных элементов.

Definition of the strained-deformed state of the temporal-mandibular joint with the help of

D modeling (space modelling)

Key words: malocclusion, dysfunction of the temporal-mandibular joint, method of ultimate elements.

In functional exertion the mandible is in a difficult tense-deformed state (TDS), containing deformations of compression-tension, bend and displacement. The zones of maximal concentration of tension in closing teeth in the central occlusion state are the anterior and posterior edges of the branch, the external oblique line, the area of the trunk and the neck of the condylic process. The aim of the specialists is to define the functional and morphological changes of TMJ on a high contemporary level, to normalize its work and prevent further development of any pathological process. The tactics of treating TMJ depends on the cause of the dysfunction, the type of the articular disc displacement, the presence of existing diseases.

Актуальность темы. Все механические действия, ежеминутно совершаемые человеком (речь, жевание, мимика), приводят к колоссальной нагрузке височнонижнечелюстного сустава (ВНЧС), который прикрепляет нижнюю челюсть к черепу [4,6,8,9,10]. Основной причиной дисфункции височно-нижнечелюстного сустава, согласно современным исследованиях в данной области стоматологии связана с психосоциальным фактором [1,10]. При стрессе у человека происходит перенапряжение мышц, вследствии чего происходит плотное сжатие челюстей, скрежетание зубов (бруксизм), особенно по ночам, лишь усиливает негативный эффект. Перенапряжение мышц лицевой области часто приводят к различным проблемам опорно-двигательного аппарата в целом — неправильная осанка, плоскостопие, деформация суставов, укорочение ноги и др [12,13].

Одной из основных стоматологических проблем, такие как неправельный прикус, патологическая стертость зубов может привести к повушению тонуса определенных групп мышц, что вызывает в дальнейшем дискомфорт и лицевые боли.

Прогресс компьютерных технологий существенно расширил возможности диагностики и планирования стоматологических вмешательств при заболеваниях височно-нижнечелюстной сустав [3,11].

В настоящее время значительное внимание ученых и клиницистов привлекает использование новейших методов имитационного компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) биомеханических систем с применением CAD/CAE-технологий, которые нашли широкое и эффективное применение в аэрокосмической отрасли, машиностроении, архитектуре, при создании сложных инженерных конструкций [2,5,7].

Имитационная компьютерная модель (ИКМ) НДС представляет собой математическое описание уравнений механики сплошных сред биомеханической системы и функций ее нагрузки (силы, упругие связки, кинематические ограничения). Современные ИКМ, созданные на основе метода конечных элементов, позволяют с высокой точностью определять распределение локальных напряжений, направление и величину деформаций в отдельных объемах и точках (узлы) модели, запас прочности и особенности ее разрушения при воздействии предельных нагрузок. Анатомическая форма нижней челюсти также претерпевает значительные изменения преимущественно вследствие разрушения и смещения костных структур.

Материал и методы исследований

Рассмотрена задача смоделировать височно-нижнечелюстной сустав (рис.1). Определено напряженно-деформированного состояния сустава методом конечных элементов. Рассмотрены случаи стоматологического вмешательства, когда пломба посажена выше либо ниже нормы зуба, несьемные мостовидные конструкции и т.д, которые влияют на дефрмацию челюсти. Найдены напряжения, возникающие в суставе при различных силах, что обусловленно соответствующей неправильной проведенной стматологических вмешательств. Посчитаны деформации, возникающие в суставе. Проведено численное моделирование височно-нижнечелюстного сустава методом конечных элементов.

В процессе дальнейших численных экспериментов с применением созданных ИКМ НДС установили, что в норме при жевательной нагрузке нижняя челюсть находится в условиях сложного НДС, характеризующегося деформациями растяжениясжатия, изгиба и сдвига. Напряжение при этом распределялось неравномерно (рис. 3), воспринималось и перераспределялось преимущественно за счет кортикального слоя кости.

Определение морфо-функциональных изменений в височно-нижнечелюстном суставах при окклюзионных проблемах требуют дальнейших изысканий в этом направлении, что и явилось темой нашпих исследований.

Наиболее целесообразным и эффективным методом лечения дисфункций в основном является нормализация прикуса. Нормализация прикуса включает в себя также аспект биомеханики. Важным является определение напряжений на зубах и в суставах. Для исследования возникающих в суставе напряжений проводится расчет напряженно-деформированного состояния сустава методом конечных элементов.

В программа 3-D моделирования Solidworks был смоделирован височнонижнечелюстной сустав.

Рис.1. Модель височно-нижнечелюстного сустава

Данная модель была импортированна в расчетную программу ANSYS, где и были проведены расчеты НДС. Расчеты программы ANSYS проводятся на основе метода конечных элементов. Модель выполнена в соответствии с геометрическими размерами, приведенными в анатомических справочниках. Модель состоит из черепной части – 1, сустав– 2, нижней челюсти – 3. были смоделированны также 16 нижних зубов - 4, которые абсолютно идентичны геометрии реальных зубов. Факторами, существенно изменявшими характер распределения напряжений и их абсолютную величину, оказывали следующие: функциональная асимметрия жевательного аппарата, связанная с большей активностью жевательных мышц на стороне привычного жевания; вторичная адентия; изменения архитектоники нижней челюсти, в том числе возрастные. При наличии этих факторов величина напряжений в зонах их локальной концентрации существенно изменялась и на отдельных участках возрастала в 2-2,5 раза, а характер их распределения приобретал черты выраженной асимметрии

Решение и результаты поставленной задачи. В качестве граничных условий принималось, что черепная часть 1 жестко защемлена, а сустав часть 2 имеет шарнирное соединение с черепной частью 1 и челюстью 3. Принимались следующие силы, действующие на зубы: 80 Н - на 8 и 7, 60 Н – 6 и 5, 40 Н -4 и 3, 20 Н – на 2 и 1, и симметрично на противоположную часть (рис.2, рис.3).

Рис.2. Статическая структура нижней челюсти

Рис.3. Статическая структура нижней челюсти с противоположной стороны

Для ввода физико-механических свойств были использованы следующие параметры и их значения (табл.1):

Таблица1.

Физико-механические свойства модели

Создана сетка височно-нижнечелюстного сустава. Она была сгущена в местах контактной зоны между черепной частью и сустав, а также между сустав и нижней челюстью, а также в контактной области зубов. В результате регенерации сетки было получено 69569 элементов и 118295 узлов.

В результате получилось напряженное состояние, приведенное на рис.4.

Максимальное напряжение возникает именно в контактной зоне височно-

нижнечелюстного сустава. На рис.3 представленна та область сустав, где напряжение достигает 2782.5 МПа. В данном случае, когда силы воздействуют симметрично на 8, 7 и т.д. зубах как с правой так и с левой сторон, то и напряжения получаются одинаковыми слева и справа височно-нижнечелюстного сустава.

Рис.4. Напряженное состояние височно-нижнечелюстного сустава:

а) - общий вид, б) область максимальных напряжений

На рис.5 представлена деформация височно-нижнечелюстного сустава, откуда видно, что максимальная деформация составляет 0.0063 мм.

Рис. 5. Деформация височно-нижнечелюстного сустава.

Далее предполагается, что на 8 зуб воздействующая сила увеличивается вследствии стомотологического вмешательства. если завышена окклюзия в области 8 зуба, то нагрузка на челюсть увеличивается, что приводит к деформации челюсти в течении времени (Табл.2).

Таблица 2.