咀嚼時の顎と舌骨のバイオメカニクスの動的モデル

A dynamic model of jaw and hyoid biomechanics during chewing.

抄録

ヒトの顎のバイオメカニクスに関する理解は、計算モデリングによって深まっていますが、咀嚼のダイナミクスを扱った研究は比較的少ないのが現状です。そのため、予測される顎の形状や下顎顆部にかかる力については、あいまいな点が残っています。ここでは、新しいプラットフォームを用いて片側咀嚼のシミュレーションを行いました。このモデルは、以前の研究に基づき、曲線的な関節ガイダンス、可動式舌骨器官、圧縮可能な食物ボーラスを含んでいます。筋肉はヒル型アクチュエータで表現し、駆動プロファイルは目標とする顎と舌の動きを生み出すように調整した。サイクル時間は732ミリ秒であった。最大開口時、下切歯点は、歯と接触した最初の位置から下方に20.1mm、後方に5.8mm、側方に2.3mmの位置にあった。閉口時の作業側への最大側方偏位は6.1mmであり、この時にボーラスが打撃された。開顎終了時までに完了した舌骨の移動は、上方3.4mm、前方1.6mmであった。下顎顆部の動きは非対称的であった。その圧縮荷重は、開口時には低く、ボーラス崩壊時には作業側でわずかに高く、歯が接触するときには両側で最も高くなった。このモデルの動きと顆頭力の方向は実験的観察と一致しており、これまでのシミュレーションの矛盾を解決するものでした。舌骨のダイナミクスを取り入れたことは、咀嚼をモデル化するための一歩である。

Our understanding of human jaw biomechanics has been enhanced by computational modelling, but comparatively few studies have addressed the dynamics of chewing. Consequently, ambiguities remain regarding predicted jaw-gapes and forces on the mandibular condyles. Here, we used a new platform to simulate unilateral chewing. The model, based on a previous study, included curvilinear articular guidance, a mobile hyoid apparatus, and a compressible food bolus. Muscles were represented by Hill-type actuators with drive profiles tuned to produce target jaw and hyoid movements. The cycle duration was 732 ms. At maximum gape, the lower incisor-point was 20.1mm down, 5.8mm posterior, and 2.3mm lateral to its initial, tooth-contact position. Its maximum laterodeviation to the working-side during closing was 6.1mm, at which time the bolus was struck. The hyoid's movement, completed by the end of jaw-opening, was 3.4mm upward and 1.6mm forward. The mandibular condyles moved asymmetrically. Their compressive loads were low during opening, slightly higher on the working-side at bolus-collapse, and highest bilaterally when the teeth contacted. The model's movements and the directions of its condylar forces were consistent with experimental observations, resolving seeming discordances in previous simulations. Its inclusion of hyoid dynamics is a step towards modelling mastication.