顎関節の荷重状況に及ぼす頭蓋顎顔面構造因子の影響を効果的に記述するための3次元理論モデル

Three-dimensional theoretical model for effectively describing the effect of craniomaxillofacial structural factors on loading situation in the temporomandibular joint.

抄録

背景:

顎関節（TMJ）の過負荷は、顎関節症（TMD）の主な原因と考えられている。したがって、頭蓋顎顔面の構造パラメータが顎関節の荷重状況に影響を及ぼす。しかし、ヒトの顎関節における荷重変動を定量的に測定する有効な方法は存在しない。大量の臨床データから一般的な法則を導き出す臨床統計学では、頭蓋顎顔面系の根本的な生体力学的メカニズムを探ることはできない。有限要素法(FEM)は、短時間に複数の症例について顎関節にかかる応力や荷重を解析するのに有効なツールであるが、症例ごとに幾何学的特徴や咬合接触が異なるため、異なる症例間の計算によって一般的なパターンを一般化することは困難である。

BACKGROUND: Temporomandibular joint (TMJ) overloading is considered a primary cause of temporomandibular joint disorders (TMD). Accordingly, craniomaxillofacial structural parameters affect the loading situation in the TMJ. However, no effective method exists for quantitatively measuring the loading variation in human TMJs. Clinical statistics, which draws from general rules from large amounts of clinical data, cannot entry for exploring the underlying biomechanical mechanism in craniomaxillofacial system. The finite element method (FEM) is an effective tool for analyze the stress and load on TMJs for several cases in a short period of time; however, it is difficult to generalize general patterns through calculations between different cases due to the different geometric characteristics and occlusal contacts between each case.

方法:

(1)本研究では、咬合平面までの距離の角度(α)を測定するために、88名の被験者、176の片側データを対象とした。骨破壊スコアは臨床統計学的に評価した。潜在的要因の影響を排除し、研究の一般性を確保するため、明らかな骨破壊のない被験者1名を、3次元理論モデルおよびFEMを確立するための標準症例として選択した。(2)3次元理論モデルを構築するために、下顎にかかる咬合力、筋力、関節反力を含む3つの力群を採用した。(3)オリジナルモデルの矢状面αと冠状面の3種類の偏位角(φ)を修正することで、FEM研究のための9つの候補モデルを得た。

METHODS: (1) This study included 88 subjects with 176 unilateral data to measure angle (α) of the distance to the plane of occlusion. The bone destruction score was evaluated for clinical statistics. To rule out effects of the potential factors and ensure the generality of the study, one participant with no obvious bone destruction was selected as the standard case for establishing the three-dimensional (3D) theoretical model and FEM. (2) Three groups of forces, including biting, muscles and joint reaction forces on mandible, were adopted to establish a 3D theoretical model. (3) By modifying the sagittal α and coronal three types of deviation angle (φ) of the original model, nine candidate models were obtained for the FEM studies.

結果:

(1) 静的平衡方程式を用いて、顎関節の荷重を記述するための3次元理論モデルを構築した。(2)顎関節にかかる力はαとともに徐々に減少し、この傾向は臨床統計およびFEMの結果によって検証された。回転咬合力のみを考慮した場合の結果は臨床統計と一致し、αが小さい側ほど顎関節への負荷が大きいことが示された。(4)咬合力と筋力の片側比例係数を変化させると、咬合力よりも筋力の影響が強くなり、正反対の効果が得られた。

RESULTS: (1) The static equilibrium equations, were used to establish a 3D theoretical model for describing the loading of the TMJ. The theoretical model was validated by monotonously modifying the structural parameter in comparison to two-dimensional theoretical models reported previously; (2) The force on the TMJ gradually decreased with α, and this trend was validated by both clinic statistics and FEM results; (3) The effects of the three types of deviation angle were different. The results of the case where only rotating biting forces were considered was consistent with clinical statistics, indicating that the side with lower α experiences higher TMJ load. (4) Changing the unilateral proportionality coefficients of biting and muscle force produced opposite effects, wherein the effects of the muscle force were stronger than those of the biting forces.

結論:

関節荷重とαの間には負の相関が認められた。3種類の非対称変形のうち、咬合偏位は顎関節症の主な要因であった。片側咬合は同側の関節に大きな荷重をもたらす可能性があり、顎関節症に対応する側を使用する場合は避けるべきである。本研究は、顎関節症の生体力学的メカニズムに理論的根拠を与えるとともに、構造的修正により顎関節症の標的緩和と治療を可能にするものである。

CONCLUSIONS: A negative correlation was observed between the joint load and α. Among the three types of asymmetric deformities, occlusal deviations were the primary factors leading to TMD. Unilateral occlusion can result in a greater load on the ipsilateral joint and should be avoided when using the side corresponding to the TMD. This study provides a theoretical basis for the biomechanical mechanism of TMD and also enables the targeted mitigation and treatment of TMD through structural modification.