Спосіб визначення пружно-деформованого стану нижньої щелепи при жувальному навантаженні

Спосіб визначення пружно-деформованого стану нижньої щелепи при жувальному навантаженні, що включає створення на основі даних комп'ютерної томографії тривимірної комп'ютерної моделі нижньої щелепи пацієнта, побудову об'ємної скінченноелементної сітки, відтворення структурної неоднорідності кісткової тканини щелепи на основі її рентгенологічної щільності і задання механічних властивостей різних типів кісткової тканини за емпіричними формулами, що пов'язують 3 ня в ділянці фронтальних зубів спрямованою вниз силою, величина якої задається в межах експериментально-визначеного фізіологічного діапазону. Проведення чисельного розрахунку моделі дозволяє визначити величину напружень і деформацій на різних ділянках щелепи. Недоліком цього способу є недостатня точність результатів розрахунку, пов'язана із невідповідністю умов навантаження і контактної взаємодії нижньої щелепи, відтворених в моделі, реальному біологічному об'єкту. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення точності визначення пружнодеформованого стану нижньої щелепи шляхом максимального наближення умов навантаження і контактної взаємодії нижньої щелепи, які задаються в моделі, до реальних характеристик жувального апарата пацієнта, визначених при проведенні комп'ютерної томографії, електроміографії та гнатодинамометрії. Технічний результат, що досягається, буде полягати у підвищенні точності визначення величини діючих напружень і деформацій на різних ділянках нижньої щелепи. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення пружнодеформованого стану нижньої щелепи, що включає створення тривимірної комп'ютерної моделі нижньої щелепи пацієнта на основі даних комп'ютерної томографії, побудову об'ємної скінченноелементної сітки, відтворення структурної неоднорідності кісткової тканини щелепи на основі її рентгенологічної щільності і завдання механічних властивостей різних типів кісткової тканини за емпіричними формулами, що пов'язують механічні константи із рентгенологічною щільністю кісткової тканини, згідно корисної моделі щелепу шарнірно закріплюють в ділянці скронево-нижньощелепних суглобів, блокують вертикальні переміщення в ділянці зубів, що контактують за даних умов оклюзії, а силові навантаження прикладають до поверхневих вузлів моделі, які відповідають місцям прикріплення м'язів, що піднімають нижню щелепу, їх напрямок задають за орієнтацією кожного з м'язів, визначеною по даним комп'ютерної томографії, а механічну силу розраховують відносно сили прикусу, визначеної при гнатодинамометрії, при цьому співвідношення сили окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перетину, а механічну силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії. Відмінною особливістю способу, що заявляється, є те, що для максимального точного відтворення умов механічного навантаження, яке зазнає щелепа пацієнта в процесі жування, в індивідуальній скінченно-елементній моделі нижньої щелепи, навантаження прикладають в ділянці прикріплення м'язів, а їх величину і напрямок завдають за індивідуально визначеними характеристиками жувального апарату пацієнта, визначеними при проведенні електроміографії, комп'ютерної томографії та гнатодинамометрії. 54602 4 За відомими даними літератури такий спосіб визначення механічних характеристик кісткового регенерату при експериментальному переломі нижньої щелепи невідомий. Суть способу полягає в тому, що визначення пружно-деформованого стану нижньої щелепи проводять шляхом створення і розрахунку індивідуальної скінченно-елементної моделі з автоматизовано визначеними топологічними характеристиками, геометрії об'ємів та розподілом механічних властивостей структур неоднорідних матеріалів, в якій умови навантаження задаються на основі параметрів, які зумовлюють величину і напрямок дії сили кожного жувального м'язу та можуть бути визначені індивідуально за даними комп'ютерної томографії пацієнта та функціональних методів дослідження (гнатодинамометрія та електроміографія). При цьому умови навантаження наближаються до природних, крім того, враховуються індивідуальні особливості жувального стереотипу хворого. Отримана при чисельному розрахунку стану статичної рівноваги моделі величина напружень і деформацій наближається до параметрів реального біологічного об'єкта. Спосіб здійснюють наступним чином: Пацієнту проводять комп'ютерну томографію кісток лицевого черепу, гнатодинамометрію, за якою визначають силу прикусу при різних умовах змикання зубів, та електроміографію м'язів, що піднімають нижню щелепу. За допомогою програмних комплексів обробки томографічних зображень, наприклад Mimics або 3D Doctor створюють тривимірну комп'ютерну модель поверхні неоднорідних об'ємів нижньої щелепи пацієнта. Виконують побудову та оптимізацію об'ємної сітки скінченних елементів для розрахункової моделі з дискретними неоднорідними матеріалами. Властивості неоднорідних матеріалів визначають для кожного скінченного елемента за рентгенологічною щільністю кістки, використовуючи емпіричні формули кореляційного зв'язку між механічними константами і рентгенологічною щільністю кісткової тканини [3]. Потім проводять1 аналіз томографічного зображення в режимі візуалізації м'яких тканин і визначають орієнтацію м'язів, що піднімають нижню щелепу (жувальних, скроневих та медіальних криловидних), у фронтальній і сагітальній площині. Для цього визначають центри поперечних перетинів кожного м'язу, апроксимують їх. прямою лінією і визначають кути її нахилу до координатних вісей. Розраховують площу поперечних перетинів м'язів та визначають їх співвідношення. Отриману тривимірну скінченно-елементну модель експортують в програмне середовище, що реалізує метод скінченних елементів. Завдають умови закріплення моделі, що відповідають певним умовам оклюзії. Для цього в ділянці скроневонижньощелепних суглобів проводять шарнірне закріплення, а в ділянці зубів, що контактують за даних умов оклюзії блокують вертикальні переміщення поверхневих вузлів моделі. Навантаження здійснюють, прикладаючи силу до поверхневих вузлів моделі, які відповідають місцям прикріплення м'язів, що піднімають нижню щелепу, їх напрямок завдають за орієнтацією кож 5 54602 ного з м'язів, визначеною по даним комп'ютерної томографії, а силу розраховують відносно сили прикусу, визначеної при гнатодинамометрії, при цьому співвідношення сили окремих м'язів на функціонально активнішій стороні визначають за співвідношенням їх поперечного перетину, а силу м'язів на протилежній стороні визначають за співвідношенням електричної активності однойменних м'язів, визначеної при електроміографії. Це дозволяє врахувати функціональну асиметрію жувального апарату, зумовлену, зокрема рефлекторними впливами. Розрахунок сили кожного окремого жувального м'язу відносно сили прикусу проводять на створеній скінченно-елементній моделі. Для цього силу довільно обраного м'язу приймають рівною одиниці, а силу інших м'язів розраховують за попередньо визначеним співвідношенням. Проводять розрахунок моделі і визначають силу реакції в ділянці зубів, що заблоковані. Ця величина відповідає силі прикусу. Розраховують її співвідношення із силою прикусу, визначеною при гнатодинамометрії, і пропорційно збільшують силу кожного жувального м'язу. Після завдання кінематичних граничних умов, які обумовлюють механічну взаємодію з іншими частинами тіла людини, що не присутні в дослідженні і силових навантажень проводять розрахунок моделі та оцінюють розподіл напружень і деформацій на різних ділянках щелепи. Перевагами запропонованого способу є підвищення точності визначення величини діючих напружень і деформацій на різних ділянках нижньої щелепи за рахунок наближення параметрів моделі до реального біологічного об'єкта. Спосіб враховує індивідуальні особливості жувального апарату пацієнта і дозволяє з високою вірогідністю оцінити вплив різноманітних структурних та функ Комп’ютерна верстка І.Скворцова 6 ціональних порушень на біомеханіку зубощелепної системи. Спосіб успішно апробовано на кафедрі хірургічної стоматології та щелепно-лицевої хірургії Національного медичного університету імені О.О. Богомольця при створенні 15 моделей нижньої щелепи пацієнтів з урахуванням індивідуальних властивостей їх жувального стереотипу. Було визначено характер розподілу напружень на різних ділянках нижньої щелепи. Встановлено, що найбільш напруженими зонами щелепи в усіх випадках були передній край гілки нижньої щелепи і зовнішня коса лінія. Зонами з великими градієнтами напружень також були задній край гілки, ділянка торусу і передня поверхня шийки суглобового паростку. Напруження сприймалися і перерозподілялися головним чином за рахунок кортикального шару кістки. В губчастій речовині вони, як правило, не перевищували 1-3 МПа. Величина і характер розподілу напружень мали певні індивідуальні відмінності, пов'язані, головним чином, з геометрією нижньої щелепи, її архітектонікою, величиною та напрямком дії жувальних м'язів. Література: 1. Vollmer D., Meyer U., Joos U., et al. Experimental and finite element study of a human mandible // J Craniomaxillofac Surg. - 2000. - Vol. 28 (2). - P. 91-96. 2. Clason C, Hinz AM, Schieferstein H. A method for material parameter determination for the human mandible based on simulation and experiment. Comput Methods Biomech Biomed Engin. - 2004. Vol. 7, № 5. - P. 265-276. 3. Rho, J.Y., Hobatho, M.C., Ashman, R.B. Relations of Mechanical Properties to Density and CT Numbers in Human Bone. Medical Engineering and Physics. - 1995. - Vol. 17, № 5. - P. 347-355. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601