髁突手术对其压缩力学性能及骨密度的影响
作者：胡凯 胡敏 方竞 解英俊 李晖 刘洪臣
单位：100853 北京, 解放军总医院口腔科(胡凯、胡敏、刘洪臣)，骨科研究所(解英俊)；北京大学力学与工程科学系(方竞)；中国人民解放军军医进修学院统计学教研室(李晖)
关键词：下颌骨髁状突；骨密度；双能X线吸收法；压缩力学性质
中华口腔医学杂志/990305 【摘要】 目的 探讨不同术式后髁突力学性能的变化及其与材料特性之间的关系。方法 采用压缩力学性能测试技术和双能X线吸收法，定量分析12侧正常、6侧髁突高位切削术及6侧关节重建术的成年杂种犬髁突的压缩力学性能和骨矿含量。结果 髁突的载荷与位移呈非线性关系。其弹性极限负荷及位移、最大负荷及位移以正常组为最高，而刚度及骨矿含量则以切削组为最高，减径组各项指标均最低。3组髁突弹性极限负荷、最大负荷及刚度与骨密度之间均有显著或极显著意义的相关性，相关系数在0.862以上。结论 不同术式造成的髁突形态改变直接影响其力学性能和骨矿含量，髁突压缩力学性能与骨密度之间存在线性正相关关系。
, 百拇医药
Effects of various condylar operations on its compressive mechanical property and bone density HU Kai*, HU Min, FANG Jing, et al.*Department of Stomatology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853
【Abstract】 Objective To investigate the changes and relationship of condylar mechanical properties and its material character after various condylar operations. Methods Condylar compressive mechanical properties and its bone mineral content were analyzed quantitatively by compressive mechanical property measurement technique and dual energy X-ray absorptiometry in 6 and 6 adult dogs undergone either high shaping or reconstruction of condyles respectively, and compared with 12 normals. Results Condylar elastic-limit load and displacement, its largest load and displacement were the highest in control, but stiffness and bone mineral content were the highest in high-shaping group, all data were the lowest in the reconstruction ones. There was marked and extremely marked linear positive relativity among condylar elastic-limit load, largest load, stiffness and bone density, in which all relative coefficients exceeded 0.862. Conclusion The changes of condylar shape induced by various operations directly influence its compressive mechanical properties and bone mineral content. There is linear positive relativity between condylar compressive mechanical properties and its bone mineral density.
, 百拇医药
【Key words】 Mandibular condyle Bone density Compressive mechanical property Dual energy X-ray absorptiometry
目前颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)手术有多种类型，其中Cherry[1]采用的髁突高位切削术和洪民[2]提出的TMJ重建术两种术式的生物学基础、疗效评价以及手术并发症等实验和临床研究已有大量报道[1-4]，但尚未见对术后髁突形态改变引起力学性能变化及其与相关影响因素关系的研究。本研究利用生物力学的手段和方法，定量分析成年杂种犬髁突高位切削和内外减径后的压缩力学性能和骨矿含量，探讨髁突在不同术式后压缩力学性能的变化及其与材料性能之间的关系，以期对TMJ不同术式进行生物力学评价。
材料和方法
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1. 标本选择：本实验选用下颌牙列完整、咬合关系正常、无咬合障碍的健康雄性成年杂种犬12只作为实验对象，年龄在3～5岁之间，体重均在15kg左右，随机分成3组。6只12侧髁突作为正常对照；行洪民提出的关节重建术[2]术后成年杂种犬3只6侧髁突；行Cherry采用的髁突高位切削术[1]，术后成年杂种犬3只6侧髁突(图1)。
图1a 成年杂种犬正常髁突
图1b 髁突内外减径
图1c 髁突高位切削
2. 压缩力学性能测试：采用CSS-1101生物力学试验机测量髁突压缩力学性质。将下颌骨标本固定在用自凝塑料制作的底座上，在-20 ℃冰箱中保存，实验前置室温自然解冻。以垂直于髁突前斜面为加载方向，试验速度5mm/min，当髁突标本某一部位结构破坏时(持续加载下负荷无变化)停机，通过测力盘及计算机采集、输出的负荷-位移曲线读取、记录弹性极限负荷及位移、最大负荷及位移，并计算刚度值(负荷-位移曲线的斜率)。
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3. 骨密度测量：采用DPX-L双能X线骨密度检测仪作下颌骨扫描，使用小动物软件分析测量髁突的骨矿含量( bone mineral content, BMC)和骨密度(bone mineral density, BMD)。将切取的下颌骨标本沿中线锯开，分成左右各12侧，平放于扫描台上。用0.36cm柜图将下颌骨髁突前斜面包括在兴趣区内，重复测量3次，取平均值，记录下BMC及BMD数值。
4. 统计学处理：采用非参数秩和检验对3组数据进行统计学处理。
结果
1. 压缩力学性能的比较：正常组、减径组、切削组成年杂种犬髁突压缩力学性质各项指标经多组秩和检验，χ2值均为19.44，P值均<0.01，3组间差异有显著性。其中弹性极限负荷及位移、最大负荷及位移以正常组为最大，切削组次之，减径组最小，而刚度则切削组>正常组>减径组(表1)。3组负荷位移曲线虽有曲率大小差别，但形状近似，其载荷与位移为非线性关系(图2)。
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表1 成年杂种犬髁突基本力学性质比较(
±s) 组别
n
弹性极限
最大负荷
刚度
(N/mm)
负荷(N)
位移(mm)
负荷(N)
位移(mm)
正常
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12
1 963.33±21.08
0.999±0.007
2 305.63±21.99
1.430±0.010
2.78±0.02
减径
6
576.67±10.54
0.300±0.004
776.02±10.07
0.410±0.010
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2.10±0.03
切削
6
1 270.00±20.33
0.350±0.010
1 406.51±22.77
0.470±0.010
3.55±0.03
三组比较，P值均<0.01
图2 成年杂种犬髁突载荷-位移曲线
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2. 骨矿含量及骨密度的比较：3组髁突BMC及BMD经多组秩和检验，χ2值均为19.44，P值均<0.01，各组间差异具有显著性，BMC及BMD均以切削组为最高，正常组次之，减径组最低(表2)。
表2 成年杂种犬髁突骨密度比较(±s) 组别
n
BMC(g)
BMD(g/cm2)
正常
12
0.319±0.003
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0.887±0.008
减径
6
0.131±0.004
0.365±0.011
切削
6
0.345±0.001
0.959±0.003
3组比较，P值均<0.01
3. 骨密度与力学性质的相关性：3组髁突骨密度与弹性极限负荷、最大负荷及刚度均有显著或极显著意义的相关性，相关系数在0.862～0.975之间，呈线性正相关关系，其相关系数及回归方程见表3。
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表3 不同术式髁突骨密度与压缩力学性能的相关与回归 组别
n
弹性负荷与骨密度
最大负荷与骨密度
刚度与骨密度
r
Y=a+bx
r
Y=a+bx
r
Y=a+bx
正常组
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12
0.942**
Y=2 481.24x-237.95
0.862*
Y=199.01+2 374.36x
0.932**
Y=0.5900+2.463x
减径组
6
0.889*
Y=251.45+891.41x
, 百拇医药
0.975**
Y=435.47+933.43x
0.926**
Y=1.2479+2.3265x
切削组
6
0.888*
Y=5 203.57x-3 721.36
0.903*
Y=5 926.58x-4 279.05
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0.963**
Y=8.4041x-4.5156
*P<0.05；** P<0.01
讨论
1. 不同手术对髁突压缩力学性能和骨矿含量的的影响：一般认为，骨的宏观结构的力学特性依赖于其形状和大小，同时也依赖于其材料的力学特性，而材料特性又依赖于骨的成份和结构。与正常髁突相比，高位切削术中髁突顶部被切除2.0～3.0mm的骨质(包括全部关节软骨)，关节重建术中髁突内外两极被完全切除，术后髁突的几何形状均发生了很大的变化[1,2]。另外，髁突的承载部位亦有所改变，其结构和成份的材料性质也发生了相应的变化。然而，髁突几何形态变化如何影响其力学行为尚未见研究报道。
本研究显示，髁突作为复杂的粘弹性固体材料，载荷与位移呈非线性关系。可见，髁突宏观结构的力学行为不服从虎克定律，表现为粘弹性材料特性。术后髁突结构、形态的变化对其压缩力学性能影响很大，术后髁突抗压强度均低于正常组，说明两种术式所致髁突表面形态的改变使其承受压力的能力降低。而刚度与BMC、BMD以高位切削术为最高，可能由于髁突表面关节软骨等粘弹性材料被切除，其弹性降低，刚性、骨矿含量增加，表明由粘弹性固体基质和不可压缩间隙液组成的二相混合物的TMJ关节软骨的柔性、能屈性和弹性[5]可使髁突刚度和硬度降低。关节重建术缩短了髁突的内外径，使其横切面积和承载体积低于正常及高位切削术髁突，因此其抗压强度、刚度及BMC、BMD均为最低，再次证实了骨的不同几何形状可直接影响骨的力学性能，使其力学性能产生差异。
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2. 髁突形态改变的临床指导意义：两种术式造成的髁突形态变化均使其压缩力学性能发生改变。其中髁突高位切削术去除了髁突顶关节软骨，使髁突丧失了关节软骨的润滑、降低磨损、减少阻力及吸收震荡等功能，同时，该术式破坏了髁突表面结构，使髁突承力区改变，承载面积增大，其刚度的明显增高(刚度与弹性呈反比)，因此，该术式造成了髁突的弹性降低，大大减弱了其抗损伤能力。另外，由于髁突高位切除使升支高度降低，还破坏了TMJ的结构平衡性。关节重建术则缩短了髁突的内外径，虽未完全破坏髁突表面形态，保持了升支高度，未影响TMJ的结构平衡性，但其承力区部位的结构及面积也发生了一定程度地改变，使其压缩力学性能、承载能力和骨密度明显降低，为三者中最小。可见，两种手术术后应该用能够减轻TMJ负荷及维持其平衡稳定的治疗手段保证TMJ受力尽量合理，使其符合生理和生物力学要求，以保护并促进术后愈合。可见，这种术后髁突力学性能的改变对手术方法和术后辅助治疗的选择具有重要的指导意义。
3. 不同术式髁突压缩力学性能与骨密度的关系：以往研究表明，松质骨的压缩力学性能与其表面密度之间具有相关性。Ciarelli等[6]发现松质骨表面密度与力学性能之间存在着线性相关。Hayes等[7]也证实骨的力学强度与其密度呈正相关，特别是松质骨，其压缩特性与表面密度明显相关。表面密度的微小变化导致骨的强度和刚度发生显著变化。还有学者发现，X线片显示骨密度下降30%～50%时，松质骨的强度和弹性模量可发生数量级的下降[8]。由此可见，松质骨的特性与骨密度的关系有重要的生理学和生物力学意义。
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本研究首次报道了成年杂种犬髁突这一特殊骨性结构在不同术式后压缩力学性能与骨密度的相关性，发现：正常、高位切削及内外减径3组髁突的弹性极限负荷、最大负荷及刚度与骨密度之间存在显著或极显著的线性正相关关系。各相关系数在0.862以上。此相关性研究为临床和实验分析中，由一个容易测量的指标(骨密度)推算另一个不易获得的指标(力学性能)提供了一条方便、可行的途径。
参考文献
[1] Cherry CQ ， Frew A Jr. High condylectomy for treatment of arthritis of the temporomandibular joint. J Oral Surg, 1977, 35:285-288.
[2] 洪民, 周继林, 柳春明, 等. 关节重建结合软组织松解术治疗颞颌关节严重器质病变. 口腔颌面外科杂志, 1994, 4:63-69.
, 百拇医药
[3] Nelson CL ，Hutton CE. Condylectomy for temporomandibular joint dysfunction. a survey of seventeen postoperative patients. Oral Surg Oral Med Oral Pathol, 1981, 51:351-354.
[4] 马绪臣 ,邹兆菊 ,张震康 ,等. 颞颌关节紊乱综合征术后X线观察. 中华口腔科杂志, 1983, 18:77-79.
[5] Copray JC, Jansen HW, Duterloo HS. An in-vitro system for studying the effect of oariable compressive forces on the mandibular condylar cartilage of the rat. Arch Oral Biol, 1985, 30:305-311.
, 百拇医药
[6] Ciarelli MJ, Goldstein SA, Kuhn JL, et al. Evaluation of orthogonal machanical properties and dentisty of human trabecular bone from the major metaphyseal regions with materials testing and computed tomography. J Orthop Res, 1991, 9:674-682.
[7] Hayes WC, Piazza SJ, Zysset PK . Biomechanics of fracture risk prediction of the hip and spine by quantitative computed tomography. Radiol Clin North Am, 1991, 29:1-18.
[8] Alho A. Mineral and mechanics of bone fragility fractures： a review of fixation methods. Acta Orthop Scand, 1993, 64:227-232.
(收稿：1998-11-05), http://www.100md.com
单位：100853 北京, 解放军总医院口腔科(胡凯、胡敏、刘洪臣)，骨科研究所(解英俊)；北京大学力学与工程科学系(方竞)；中国人民解放军军医进修学院统计学教研室(李晖)
关键词：下颌骨髁状突；骨密度；双能X线吸收法；压缩力学性质
中华口腔医学杂志/990305 【摘要】 目的 探讨不同术式后髁突力学性能的变化及其与材料特性之间的关系。方法 采用压缩力学性能测试技术和双能X线吸收法，定量分析12侧正常、6侧髁突高位切削术及6侧关节重建术的成年杂种犬髁突的压缩力学性能和骨矿含量。结果 髁突的载荷与位移呈非线性关系。其弹性极限负荷及位移、最大负荷及位移以正常组为最高，而刚度及骨矿含量则以切削组为最高，减径组各项指标均最低。3组髁突弹性极限负荷、最大负荷及刚度与骨密度之间均有显著或极显著意义的相关性，相关系数在0.862以上。结论 不同术式造成的髁突形态改变直接影响其力学性能和骨矿含量，髁突压缩力学性能与骨密度之间存在线性正相关关系。
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Effects of various condylar operations on its compressive mechanical property and bone density HU Kai*, HU Min, FANG Jing, et al.*Department of Stomatology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853
【Abstract】 Objective To investigate the changes and relationship of condylar mechanical properties and its material character after various condylar operations. Methods Condylar compressive mechanical properties and its bone mineral content were analyzed quantitatively by compressive mechanical property measurement technique and dual energy X-ray absorptiometry in 6 and 6 adult dogs undergone either high shaping or reconstruction of condyles respectively, and compared with 12 normals. Results Condylar elastic-limit load and displacement, its largest load and displacement were the highest in control, but stiffness and bone mineral content were the highest in high-shaping group, all data were the lowest in the reconstruction ones. There was marked and extremely marked linear positive relativity among condylar elastic-limit load, largest load, stiffness and bone density, in which all relative coefficients exceeded 0.862. Conclusion The changes of condylar shape induced by various operations directly influence its compressive mechanical properties and bone mineral content. There is linear positive relativity between condylar compressive mechanical properties and its bone mineral density.
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【Key words】 Mandibular condyle Bone density Compressive mechanical property Dual energy X-ray absorptiometry
目前颞下颌关节(temporomandibular joint, TMJ)手术有多种类型，其中Cherry[1]采用的髁突高位切削术和洪民[2]提出的TMJ重建术两种术式的生物学基础、疗效评价以及手术并发症等实验和临床研究已有大量报道[1-4]，但尚未见对术后髁突形态改变引起力学性能变化及其与相关影响因素关系的研究。本研究利用生物力学的手段和方法，定量分析成年杂种犬髁突高位切削和内外减径后的压缩力学性能和骨矿含量，探讨髁突在不同术式后压缩力学性能的变化及其与材料性能之间的关系，以期对TMJ不同术式进行生物力学评价。
材料和方法
, 百拇医药
1. 标本选择：本实验选用下颌牙列完整、咬合关系正常、无咬合障碍的健康雄性成年杂种犬12只作为实验对象，年龄在3～5岁之间，体重均在15kg左右，随机分成3组。6只12侧髁突作为正常对照；行洪民提出的关节重建术[2]术后成年杂种犬3只6侧髁突；行Cherry采用的髁突高位切削术[1]，术后成年杂种犬3只6侧髁突(图1)。
图1a 成年杂种犬正常髁突
图1b 髁突内外减径
图1c 髁突高位切削
2. 压缩力学性能测试：采用CSS-1101生物力学试验机测量髁突压缩力学性质。将下颌骨标本固定在用自凝塑料制作的底座上，在-20 ℃冰箱中保存，实验前置室温自然解冻。以垂直于髁突前斜面为加载方向，试验速度5mm/min，当髁突标本某一部位结构破坏时(持续加载下负荷无变化)停机，通过测力盘及计算机采集、输出的负荷-位移曲线读取、记录弹性极限负荷及位移、最大负荷及位移，并计算刚度值(负荷-位移曲线的斜率)。
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3. 骨密度测量：采用DPX-L双能X线骨密度检测仪作下颌骨扫描，使用小动物软件分析测量髁突的骨矿含量( bone mineral content, BMC)和骨密度(bone mineral density, BMD)。将切取的下颌骨标本沿中线锯开，分成左右各12侧，平放于扫描台上。用0.36cm柜图将下颌骨髁突前斜面包括在兴趣区内，重复测量3次，取平均值，记录下BMC及BMD数值。
4. 统计学处理：采用非参数秩和检验对3组数据进行统计学处理。
结果
1. 压缩力学性能的比较：正常组、减径组、切削组成年杂种犬髁突压缩力学性质各项指标经多组秩和检验，χ2值均为19.44，P值均<0.01，3组间差异有显著性。其中弹性极限负荷及位移、最大负荷及位移以正常组为最大，切削组次之，减径组最小，而刚度则切削组>正常组>减径组(表1)。3组负荷位移曲线虽有曲率大小差别，但形状近似，其载荷与位移为非线性关系(图2)。
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表1 成年杂种犬髁突基本力学性质比较(
±s) 组别n
弹性极限
最大负荷
刚度
(N/mm)
负荷(N)
位移(mm)
负荷(N)
位移(mm)
正常
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12
1 963.33±21.08
0.999±0.007
2 305.63±21.99
1.430±0.010
2.78±0.02
减径
6
576.67±10.54
0.300±0.004
776.02±10.07
0.410±0.010
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2.10±0.03
切削
6
1 270.00±20.33
0.350±0.010
1 406.51±22.77
0.470±0.010
3.55±0.03
三组比较，P值均<0.01
图2 成年杂种犬髁突载荷-位移曲线
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2. 骨矿含量及骨密度的比较：3组髁突BMC及BMD经多组秩和检验，χ2值均为19.44，P值均<0.01，各组间差异具有显著性，BMC及BMD均以切削组为最高，正常组次之，减径组最低(表2)。
表2 成年杂种犬髁突骨密度比较(
±s) 组别n
BMC(g)
BMD(g/cm2)
正常
12
0.319±0.003
, 百拇医药
0.887±0.008
减径
6
0.131±0.004
0.365±0.011
切削
6
0.345±0.001
0.959±0.003
3组比较，P值均<0.01
3. 骨密度与力学性质的相关性：3组髁突骨密度与弹性极限负荷、最大负荷及刚度均有显著或极显著意义的相关性，相关系数在0.862～0.975之间，呈线性正相关关系，其相关系数及回归方程见表3。
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表3 不同术式髁突骨密度与压缩力学性能的相关与回归 组别
n
弹性负荷与骨密度
最大负荷与骨密度
刚度与骨密度
r
Y=a+bx
r
Y=a+bx
r
Y=a+bx
正常组
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12
0.942**
Y=2 481.24x-237.95
0.862*
Y=199.01+2 374.36x
0.932**
Y=0.5900+2.463x
减径组
6
0.889*
Y=251.45+891.41x
, 百拇医药
0.975**
Y=435.47+933.43x
0.926**
Y=1.2479+2.3265x
切削组
6
0.888*
Y=5 203.57x-3 721.36
0.903*
Y=5 926.58x-4 279.05
, 百拇医药
0.963**
Y=8.4041x-4.5156
*P<0.05；** P<0.01
讨论
1. 不同手术对髁突压缩力学性能和骨矿含量的的影响：一般认为，骨的宏观结构的力学特性依赖于其形状和大小，同时也依赖于其材料的力学特性，而材料特性又依赖于骨的成份和结构。与正常髁突相比，高位切削术中髁突顶部被切除2.0～3.0mm的骨质(包括全部关节软骨)，关节重建术中髁突内外两极被完全切除，术后髁突的几何形状均发生了很大的变化[1,2]。另外，髁突的承载部位亦有所改变，其结构和成份的材料性质也发生了相应的变化。然而，髁突几何形态变化如何影响其力学行为尚未见研究报道。
本研究显示，髁突作为复杂的粘弹性固体材料，载荷与位移呈非线性关系。可见，髁突宏观结构的力学行为不服从虎克定律，表现为粘弹性材料特性。术后髁突结构、形态的变化对其压缩力学性能影响很大，术后髁突抗压强度均低于正常组，说明两种术式所致髁突表面形态的改变使其承受压力的能力降低。而刚度与BMC、BMD以高位切削术为最高，可能由于髁突表面关节软骨等粘弹性材料被切除，其弹性降低，刚性、骨矿含量增加，表明由粘弹性固体基质和不可压缩间隙液组成的二相混合物的TMJ关节软骨的柔性、能屈性和弹性[5]可使髁突刚度和硬度降低。关节重建术缩短了髁突的内外径，使其横切面积和承载体积低于正常及高位切削术髁突，因此其抗压强度、刚度及BMC、BMD均为最低，再次证实了骨的不同几何形状可直接影响骨的力学性能，使其力学性能产生差异。
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2. 髁突形态改变的临床指导意义：两种术式造成的髁突形态变化均使其压缩力学性能发生改变。其中髁突高位切削术去除了髁突顶关节软骨，使髁突丧失了关节软骨的润滑、降低磨损、减少阻力及吸收震荡等功能，同时，该术式破坏了髁突表面结构，使髁突承力区改变，承载面积增大，其刚度的明显增高(刚度与弹性呈反比)，因此，该术式造成了髁突的弹性降低，大大减弱了其抗损伤能力。另外，由于髁突高位切除使升支高度降低，还破坏了TMJ的结构平衡性。关节重建术则缩短了髁突的内外径，虽未完全破坏髁突表面形态，保持了升支高度，未影响TMJ的结构平衡性，但其承力区部位的结构及面积也发生了一定程度地改变，使其压缩力学性能、承载能力和骨密度明显降低，为三者中最小。可见，两种手术术后应该用能够减轻TMJ负荷及维持其平衡稳定的治疗手段保证TMJ受力尽量合理，使其符合生理和生物力学要求，以保护并促进术后愈合。可见，这种术后髁突力学性能的改变对手术方法和术后辅助治疗的选择具有重要的指导意义。
3. 不同术式髁突压缩力学性能与骨密度的关系：以往研究表明，松质骨的压缩力学性能与其表面密度之间具有相关性。Ciarelli等[6]发现松质骨表面密度与力学性能之间存在着线性相关。Hayes等[7]也证实骨的力学强度与其密度呈正相关，特别是松质骨，其压缩特性与表面密度明显相关。表面密度的微小变化导致骨的强度和刚度发生显著变化。还有学者发现，X线片显示骨密度下降30%～50%时，松质骨的强度和弹性模量可发生数量级的下降[8]。由此可见，松质骨的特性与骨密度的关系有重要的生理学和生物力学意义。
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本研究首次报道了成年杂种犬髁突这一特殊骨性结构在不同术式后压缩力学性能与骨密度的相关性，发现：正常、高位切削及内外减径3组髁突的弹性极限负荷、最大负荷及刚度与骨密度之间存在显著或极显著的线性正相关关系。各相关系数在0.862以上。此相关性研究为临床和实验分析中，由一个容易测量的指标(骨密度)推算另一个不易获得的指标(力学性能)提供了一条方便、可行的途径。
参考文献
[1] Cherry CQ ， Frew A Jr. High condylectomy for treatment of arthritis of the temporomandibular joint. J Oral Surg, 1977, 35:285-288.
[2] 洪民, 周继林, 柳春明, 等. 关节重建结合软组织松解术治疗颞颌关节严重器质病变. 口腔颌面外科杂志, 1994, 4:63-69.
, 百拇医药
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(收稿：1998-11-05), http://www.100md.com