Оценка механического исполнения дисков височно-нижнечелюстных суставов и окружающих костей

Понимание темпоромандибулярного сустава

Височно-нижнечелюстный сустав (ТМЖ) является одним из наиболее часто используемых суставов в организме человека, облегчая основные функции, такие как мастикация, речь и выражение лица. Это двусторонний синовиальный сустав, образованный мандибулярной кондиломой и суставной выпуклостью височной кости. Взаимопоставленная между этими костными поверхностями суставная дисковая, плотная фиброкартилагинозная структура, которая разделяет сустав на верхние и нижние отсеки. Этот диск прикреплен к боковой птеригоидной мышце и суставной капсуле, позволяя ей переводить и вращаться во время движений челюсти. Окружающие сустав связки - височно-нижнечелюстные, сфеномандибулярные и стиломандибулярные - обеспечивают пассивную сдержанность и стабильность. Кости, прилегающие к ТМЖ, включают кондилом, гленоидную ямку и суставную выпуклость, каждая из которых состоит из кортикальной и трабекулярной кости

Учитывая сложные модели нагрузки, которые переносит TMJ, начиная от сил низкой интенсивности во время речи до сил высокого сжатия и сдвига во время сжатия или жевания, его механическая целостность имеет решающее значение. Патологии, такие как височно-нижнечелюстные расстройства (TMD), затрагивают до 10-15% взрослых, часто включающие смещение диска, дегенерацию или воспаление. Поэтому оценка механической производительности как диска, так и окружающих костей имеет важное значение для диагностики, планирования лечения и протезирования.

Анатомия и состав суставного диска

Уникальная структура суставного диска, состоящая преимущественно из коллагеновых волокон типа I, расположена в плотной анизотропной сети. В нём фиброхондроциты перемежаются в богатом протеогликанами внеклеточном матриксе. Диск двустворчатой формы, с более тонкой промежуточной зоной и более толстыми передней и задней полосами. Его основными функциями являются распределение нагрузок, уменьшение трения и ослабление шока при совместном движении. В отличие от гиалинового хряща, обнаруженного в других диартродиальных суставах, диск TMJ обладает ограниченной способностью к саморемонту из-за низкой клеточности и васкуляризации.

Биохимический состав и зональные вариации

Механическое поведение диска регулируется его биохимическими составляющими. Коллагеновые фибриллы ориентированы преимущественно в антеропостериорном направлении в промежуточной зоне, при этом они более случайны в полосах. Протеогликаны, такие как аггреканы и лексиканы, привлекают воду, способствуя сжимаемости диска. Содержание воды может достигать 70-80% в здоровых дисках, снижаясь с возрастом или дегенерацией. Соотношение гликозаминогликанов (ГАГ) к коллагену варьируется в разных регионах; задняя полоса содержит более высокое содержание ГАГ, что делает его более устойчивым к сжатию. Эта зональная гетерогенность имеет решающее значение для распределения нагрузки по поверхности сустава.

Вязкоупругие свойства

Биомеханическое тестирование показало, что диск TMJ проявляет выраженную вязкоупругость, то есть его реакция на нагрузку зависит как от скорости деформации, так и от времени. При быстрой нагрузке (например, сжатии) диск ведет себя жестко, чтобы противостоять деформации; при медленной нагрузке (например, жевание более мягких продуктов) он течет более легко. Это поведение объясняется движением воды через коллаген-протеогликановую матрицу. Тесты на расслабление и ползучесть показывают, что диск может рассеивать энергию, защищая подхондральную кость от усталости. Упругий модуль здорового диска колеблется от 10 до 40 МПа при сжатии, в то время как модуль сдвига ниже (1-5 МПа). Дегенерация снижает эти значения, ставя под угрозу способность диска поддерживать совместное пространство и смазку.

Механические свойства окружающих костей

Кости, образующие TMJ — мандибулярную кондиль и височную кость, — подвергаются повторяющимся циклам нагрузки, которые могут превышать 100 Н при нормальном жевании и до 500 Н при максимальном сжатии. Эти нагрузки распределяются по сочленяющимся поверхностям, и кость должна выдерживать как сжимающие осевые силы, так и напряжения сдвига от эксцентрических движений.

Кортикальная вертикаль против трабекулярной кости

Кондил увенчан тонким слоем корковой кости (0,5-2 мм), обеспечивающим жесткость, при этом подлежащая трабекулярная кость более пористая и сговорчивая. Трабекулярная кость в кондиле имеет объемную фракцию 15-25% и упругий модуль 100-500 МПа, в зависимости от плотности и ориентации. Однако суставная эластичность состоит в основном из плотной корковой кости с модулем, превышающим 1 ГПа. Эта асимметрия влияет на кинематику суставов: кондилома должна слегка деформироваться, чтобы приспособиться к жесткой эластичности во время трансляции. Исследования конечных элементов показывают, что концентрации напряжений происходят на боковом полюсе кондила и крыше гленоидной ямки, областях, часто связанных с дегенеративными изменениями.

Возраст и связанные с болезнями изменения

На качество костей в ТМЖ влияют возраст, системные состояния (например, остеопороз) и местное воспаление. С возрастом трабекулярная потеря костной ткани снижает жесткость и повышает риск субхондрального перелома. У пациентов с ТМД распространены субхондральный склероз и образование остеофита, изменяя передачу нагрузки. Остеоартрит приводит к деградации хряща, за которым следует ремоделирование костей и образование кисты. Эти изменения повышают нагрузку на диск, ускоряя его износ. Таким образом, оценка костной механической работоспособности должна учитывать как плотность, так и микроархитектуру, часто оцениваемую с помощью КТ и микроКТ.

Методы оценки механических характеристик

Оценка механических свойств компонентов ТМЖ требует сочетания экспериментального тестирования и вычислительного моделирования. Каждый метод предоставляет дополнительную информацию, от отношений напряжения и напряжения на уровне ткани до сценариев нагрузки на целые суставы.

Экспериментальное биомеханическое тестирование

Испытания in vitro проводятся на трупных или животных дисках и образцах костей. Общие протоколы включают:

• Испытание на углубление: Сферический или плоский измеритель наносит локализованную нагрузку для измерения упругого модуля и твердости. Этот метод выявляет региональные изменения по поверхности диска.
• Неограниченное и ограниченное сжатие: Диски сжимаются между пластинами для определения агрегатного модуля и гидравлической проницаемости.Ограниченное сжатие изолирует поведение жидкой фазы.
• Испытание на растяжение: Образцы в форме гантели притягиваются к неспособности измерить максимальную прочность на растяжение и модуль Янга. Анизотропия ориентации коллагена означает, что свойства различаются вдоль направления волокна.
• Динамический механический анализ (DMA): Колебательная нагрузка на различных частотах захватывает модули хранения и потери, характеризующие вязкоупругость.
• Микроидентификация кости: Используя алмазный наконечник, получают местную твердость и модуль трабекулярной или корковой кости.

Эти тесты требуют тщательной подготовки образца, гидратации и контроля температуры, поскольку свойства диска изменяются с обезвоживанием. Размеры образцов ограничены из-за небольшого размера сустава, но статистическая мощность получается за счет повторных мер.

Изображение и морфометрический анализ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ) обычно используются в клинических условиях. МРТ предлагает отличный контраст мягких тканей, позволяя визуализировать положение диска, морфологию и признаки дегенерации (например, изменения интенсивности сигнала). КТ обеспечивает геометрию кости с высоким разрешением и может количественно определять минеральную плотность кости (МПКТ). Однако эти методы визуализации не измеряют непосредственно механические свойства. Передовые методы, такие как картирование T2 и МРТ с замедленным повышением гадолиния (dGEMRIC), коррелируют с содержанием протеогликана и, таким образом, выводят механические изменения. Для исследований микроКТ с размерами вокселей ниже 10 мкм может отображать архитектуру трабекулярной кости для оценки жесткости с помощью анализа конечных элементов.

Моделирование конечных элементов (FEM)

FEM является мощным инструментом для моделирования распределения напряжения и деформации в TMJ при различных условиях нагрузки. Модели включают геометрию от КТ или МРТ-сканирования, свойства материала из экспериментальных данных и граничные условия, представляющие мышечные силы и нагрузки при укусе. Параметрические исследования могут исследовать эффект перфорации диска, кондилярной резорбции или протезных материалов. Ключевые результаты включают:

• Пиковые напряжения в диске возникают в промежуточной зоне во время сжатия, коррелируя с общими местами перфорации.
• Потеря жесткости диска увеличивает нагрузку на кондилярный хрящ и подхондральную кость до 40%.
• Односторонняя нагрузка (желание с одной стороны) концентрирует напряжение в контралатеральном суставе.

Недавние достижения в области предметно-специфического ФЭМ позволяют пациенту проводить хирургическое планирование, например, для замены диска или кондилярной реконструкции. Однако ограничения включают чувствительность к предположениям о свойствах материала и проблему моделирования динамических моделей активации мышц.

В Vivo силовые измерения

Прямые измерения сил ТМЖ у живых субъектов являются инвазивными. Альтернативы включают инструментальные зубные шины, которые регистрируют силы укуса, которые могут быть коррелированы с суставными нагрузками с использованием опорно-двигательных моделей. Электромиография (ЭМГ) мышц, закрывающих челюсти, обеспечивает модели активации для управления вычислительными моделями. Такие исследования подтверждают, что пиковые нагрузки возникают во время глотания и максимального сотрясения, и что пациенты с ТМД часто демонстрируют измененную координацию мышц, которая увеличивает нагрузку на суставы.

Патологические состояния и их механические последствия

Понимание механических характеристик тканей ТМЖ имеет важное значение для объяснения прогрессирования ТМД и остеоартрита. В приведенной ниже таблице приведены общие условия и их влияние на свойства тканей.

Механическое ослабление диска часто предшествует явным клиническим симптомам. Раннее выявление с помощью количественной МРТ (например, измерение времени релаксации T2) может идентифицировать области с низкой концентрацией протеогликанов, которые соответствуют снижению жесткости. Аналогичным образом, КТ-картирование плотности костей может предсказать области, подверженные риску перелома при функциональных нагрузках.

Клинические последствия для диагностики и лечения

Оценка механической производительности TMJ непосредственно информирует о клинических решениях. Например, пациенты с перфорацией диска, идентифицированные на МРТ, могут извлечь выгоду из менископексии или замены диска, а не консервативной терапии. Понимание вязкоупругих свойств диска направляет выбор материала для аллопластических протезов, которые должны воспроизводить стресс-деформацию нативной ткани, чтобы избежать неблагоприятного ремоделирования костей.

Модальности лечения

• Физическая терапия: Упражнения для укрепления жевательных мышц могут изменять модели нагрузки. Например, проприоцептивная переподготовка снижает частоту сжатия, снижая пиковые силы на диске.
• Сплинт-терапия: Окклюзионные шины перераспределяют контактные силы, часто снижая нагрузку на заднюю полосу диска.Механические исследования показывают, что жесткие шины снижают деформацию диска на 20-30% по сравнению с отсутствием шины.
• Артроцентез и артроскопия: Лизис и промывание уменьшают трение и удаляют медиаторы воспаления, частично восстанавливая подвижность диска. Успех отчасти обусловлен улучшением смазки и снижением напряжения сдвига.
• Открытая хирургия: Такие процедуры, как перепозиционирование диска или дискэктомия, направлены на восстановление механики суставов. Послеоперационные результаты лучше, когда жесткость диска сохраняется; поэтому предоперационная механическая оценка с помощью МРТ и тестирование на пробу является полезной.

Аллопластический диск замените

Когда спасение диска невозможно, аллопластические имплантаты предлагают решение. Материалы, такие как политетрафторэтилен (PTFE) и силикон, использовались исторически, но демонстрировали высокие показатели отказов из-за износа частиц. Современные конструкции используют ультравысокий молекулярный вес полиэтилена (UHMWPE) или поликарбонат уретан (PCU). Механические характеристики этих материалов сравниваются с естественными свойствами диска: они должны иметь низкое трение, высокую утомляемость и вязкоупругость, аналогичную нативному диску. Тестирование in vitro при циклической нагрузке (например, 10-50 Н при 1 Гц для 1 миллиона циклов) является стандартным для оценки износа и деформации. Клинические данные из 5-10-летних наблюдений показывают, что замена диска с помощью индивидуальной геометрии уменьшает боль и улучшает функцию у отдельных пациентов, хотя долгосрочные результаты все еще изучаются.

Пересадка костей и реконструкция

Для кондилярной резорбции или травмы костные трансплантаты (автогенные или аллогенные) или пользовательские протезы должны восстанавливать несущую способность. Механическая совместимость трансплантата с местом реципиента имеет решающее значение: слишком жесткий трансплантат может вызвать экранирование напряжения и резорбцию кости, в то время как слишком мягкий может деформироваться. Модели конечных элементов могут предоперационно прогнозировать распределение стресса и помочь выбрать оптимальную жесткость трансплантата. Аналогично, пластины фиксации остеотомии должны обеспечивать достаточную стабильность, чтобы выдерживать жевательные силы, не мешая движению диска.

Современные направления исследований и открытые вопросы

Несмотря на значительный прогресс, в механической характеристике ТМД остаются несколько пробелов. Одна из задач — получение точных данных о напряжении и деформации in vivo без инвазивных преобразователей. Поверхностные тензодатчики, размещенные на кондилярной шее во время операции, использовались на моделях животных, но перевод на людей ограничен. Другая область — роль совместной смазки: снижение концентрации гиалуроновой кислоты у пациентов с ТМД увеличивает трение, что может инициировать смещение диска. Покрытие имплантатов смазочными слоями может стать будущей инновацией.

Исследователи также изучают тканевую инженерию конструкций дисков с использованием коллагеновых каркасов, засеянных фиброхондроцитами. Механическое предварительное кондиционирование в биореакторах (например, циклическое сжатие при 0,5-2 Гц) улучшает жесткость и выравнивание коллагеновых волокон. Инженерные диски достигли модуля до 5-10 МПа, еще меньше, чем нативная ткань, но достаточно для частичной нагрузки, несущей в ранних клинических испытаниях. Долгосрочная долговечность и интеграция с суставом хозяина остаются основными препятствиями.

Наконец, связь между механической перегрузкой и болью не до конца понята. Пути механической передачи в диске и синовиуме преобразуют физические стимулы в воспалительные сигналы. Идентификация порога, при котором происходит механическое повреждение, может привести к профилактическим стратегиям. Модели машинного обучения, обученные визуализации и механическим данным, разрабатываются для прогнозирования прогрессирования TMD, потенциально позволяя раннее вмешательство.

Заключение

Оценка механических характеристик височно-нижнечелюстного диска и окружающих костей представляет собой многодисциплинарное усилие, объединяющее анатомию, биомеханику, визуализацию и вычислительное моделирование. Вязкоупругость суставного диска и плотность и архитектура кости определяют, как нагрузки передаются и поглощаются во время повседневной деятельности. Патологии, такие как смещение диска, остеоартрит и резорбция кондиляров, изменяют эти свойства, приводя к боли и дисфункции. Расширенные методы оценки - от наноиндентации и микро-КТ до предметно-специфического FEM - обеспечивают подробное понимание поведения тканей на микро- и макромасштабе. Эти знания непосредственно влияют на решения по лечению, от терапии шиной до замены аллопластических дисков и костной прививки. Продолжение исследований в области тканевой инженерии, смазки и механобиологии обещает улучшение клинических результатов, но более глубокие механические методы характеристики и долгосрочные данные in vivo. В конечном счете, более глубокое механическое понимание TMJ позволит более эффективно, персонализированный

Внешние ресурсы:

• Национальный институт стоматологических и черепно-лицевых исследований — TMJ расстройства
• PubMed — Исследования биомеханики в области височно-нижнечелюстных суставов
• Американская ассоциация оральных и челюстно-лицевых хирургов — TMJ Resources