Ciepielowska M., Kromka-Szydek M.: Modelowanie mięśni układu

Marlena CIEPIELOWSKA, Magdalena KROMKA-SZYDEK, Instytut Mechaniki
Stosowanej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska, Kraków
MODELOWANIE MIĘŚNI UKŁADU STOMATOGNATYCZNEGO
MODELING OF THE STOMATOGNATHIC SYSTEM
Słowa kluczowe:układ stomatognatyczny, modelowanie, MES
1. WSTĘP
Badania na wirtualnych modelach dają coraz dokładniejsze wyniki i są przydatne w
dziedzinach medycyny takich jak: rekonstrukcja pourazowa, korekcje wad twarzoczaszki i
projektowanie implantów. W literaturze można spotkać rozmaite próby modelowania
objętości i pracy mięśni układu stomatognatycznego, jednak ze względu na różnice w
budowie mięśni u poszczególnych ludzi nie udało się dotychczas stworzyć modelu
uniwersalnego.
2. METODYKA PRACY
Celem pracy było zamodelowanie mięśni układu stomatognatycznego żuchwy ludzkiej w
oparciu o dane anatomiczne dotyczące położenia i miejsca przyczepu mięśni oraz ich
wielkości. Wprowadzone zostały niezbędne uproszczenia wynikające ze złożoności
analizowanego problemu oraz konieczności wykonania wstępnej analizy i porównania
otrzymanych wyników z danymi literaturowymi uwzględniającymi inne możliwości
odtwarzania i modelowania pracy układu mięśniowego.
Zamodelowane zostały główne mięśnie układu stomatognatycznego tj. mięsień żwacz,
mięsień skroniowy, mięsień skrzydłowy przyśrodkowy i mięsień skrzydłowy boczny.
Uwzględniony został charakter pracy stawu skroniowo-żuchwowego poprzez wprowadzenie
elementu symulującego krążek stawowy.
Stałe materiałowe wykorzystane w symulacji (zamieszczone w Tabeli 1) zostały przyjęte
na podstawie danych literaturowych. Wszystkie materiały zostały przyjęte jako izotropowe.
Tabela 1. Właściwości materiałów przyjętych do analizy [3,4]
Nazwa struktury
Kości czaszki
Żuchwa
Mięśnie
Krążki stawowe
ModułYounga E [MPa]
15000
18000
8,2
50
Stała Poisson’av
0,32
0,32
0,30
0,45
Modelowanie każdego z mięśni rozpoczęto od wymiarowania mięśnia na podstawie
danych literaturowych, a następnie przeskalowania go do wartości rzeczywistych. Rezultatem
było otrzymanie przybliżonych wymiarów, które powinien posiadać każdy z mięśni.
XI Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 20
Następnie za pomocą narzędzia Splinepowstał zarys kształtu mięśnia. Aby nadać tak
przygotowanemu mięśniowi objętość użyto funkcji Sweepaby wyciągnąć mięsień wzdłuż
przygotowanej wcześniej trajektorii umożliwiającej zamodelowanie grubości mięśnia a także
uwzględniającej kierunek jego działania i kształt. Kolejnym etapem w modelowaniu było
utworzenie przyczepów od strony kości czaszki – ponowne użycie funkcji Spline a następnie
Extrudetak aby jak najlepiej odwzorować miejsce przyczepu każdego z mięśni do kości.
Ostatnim etapem było odjęcie od objętości mięśnia objętości miejsca przyczepu i kości
żuchwy. Przykładowe etapy modelowania dla mięśnia żwacza prezentuje rysunek 1.
Rys. 1 Etapy modelowania mięśnia żwacza
3. WNIOSKI
W pracy wykazano, że możliwym jest stworzenie objętości mięśni w programie Ansys
Workbench. Model ze strukturami mięśni o odpowiednich stałych materiałowych po
przeprowadzeniu analizy dla przyłożonej siły wykazał na wykresach rozkłady naprężeń
bardzo zbliżone do rozkładów dostępnych w pozycjach literaturowych. Dzięki porównaniu
tych rozkładów można uznać, że wykonany model jest poprawny.
Prace nad udoskonaleniem modelu posiadającego objętości mięśni, zamiast tylko sił
składowych mogą okazać się przydatne w odwzorowywaniu naprężeń po operacjach
rekonstrukcji żuchwy, rekonstrukcjach żuchwy po złamaniach oraz projektowaniu zabiegów
operacyjnych z dziedziny ortognatyki.
LITERATURA
[1] Beldie L., Walker B., Lu Y., Richmond S., Middleton J.:Finite element modeling of
maxillofacial surgery and facial expressions – a preliminary study, The International
Jurnal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery 6, 2010
[2] Chladek W.: System modelowania wybranych stanów mechanicznych żuchwy ludzkiej,
Hutnictwo z. 59, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.
[3] Kromka M., Milewski G.: Metodyka modelowania numerycznego MES układy
stomatognatycznego żuchwy, AnnalesAcademiaeMedicaeSilensisSupi 85, Katowice 2004
[4] Ma L.,Qi X., Quin J., Zhong S., Zhang B.,Zhang Y., Xia H.: Effects of the closing and
opening muscle groups on jaw condyle biomechanic after prominent mandibular angle
osteotomy, Jurnal of Cranio-Maxillo-Facial Surgery 41, 2013
[5] Röhle O., Pullan A. J.: Three-dimentional finite element modeling of muscle forces
during mastrication, Journal of Biomechanics 40, 2007.