Behaviour, modelling and biomechanical numerical simulation of the temporomandibular joint (TMJ)

Abstract

La caracterización biomecánica de una articulación requiere un estudio detallado bajo distintas ramas del conocimiento. La articulación temporomandibular (ATM) es una de las articulaciones más complejas del cuerpo humano y permite movimientos relativamente grandes. La mayoría de las disfunciones de esta articulación, que afectan entre el 15-20% de la población, están relacionadas con el disco articular. El objetivo de esta tesis es caracterizar el conjunto de la articulación temporomandibular y para ello, se desarrollaron métodos alternativos a la caracterización y modelización convencional del comportamiento del disco articular. En primer lugar, se realizó la caracterización viscoelástica a compresión del disco articular completo, utilizando unos novedosos utillajes diseñados para permitir el ensayo bajo condiciones realistas de carga estática y dinámica. En segundo lugar, se desarrolló un modelo matemático del material basado en series de Prony con optimización de los coeficientes, lo que permite mejorar el ajuste del modelo con respecto a la utilización de series distribuidas uniformemente. Asimismo, el modelo matemático se utilizó para obtener el módulo complejo del material mediante técnicas analíticas de interconversión. En tercer lugar, se caracterizó mecánicamente el disco articular a cortadura, debido a que varios estudios demuestran que la solicitación a cortadura influye predominantemente en el fallo por fatiga de cartílagos y fibrocartílagos. La técnica de ensayo a cortadura propuesta no fue utilizada para la caracterización viscoelástica de este tipo de tejidos hasta el momento. Por último, se analizó la influencia de un tipo común de patología en la articulación temporomandibular humana consistente en la lateralidad de la carga durante el apretamiento mandibular. Para ello, se desarrolló un modelo de elementos finitos, implementando las propiedades viscoelásticas de los materiales obtenidas experimentalmente, y se comprobó la influencia de los cartílagos del cóndilo y del temporal en la distribución tensional del disco articular. RESUMEN (en inglés) The biomechanical characterization of a joint is a detailed study under different branches of knowledge. The temporomandibular joint (TMJ) is one of the most complex joints in the human body and allows relatively large movements. Most of the dysfunctions of this joint, which affect between 15-20% of the population, are related to the joint disc. The objective of this thesis is to characterize the whole temporomandibular joint and, to do this, alternative methods to the conventional characterization and modelling of articular disc behaviour were developed. Firstly, the viscoelastic characterization under compression of the complete joint disc is performed using a novel testing device specifically designed to test under realistic conditions of dynamic and static loading. Secondly, a mathematical model of the material was developed based on Prony series with optimization of the coefficients, what improves the model fit with respect to series homogeneous distributed. The mathematical model was also used to obtain the complex module of the material through analytical conversion techniques. Thirdly, the joint disc was mechanically characterized under shear conditions, due to several studies show that shear loading predominantly influences the fatigue failure of the disc, cartilage and fibrocartilage. The proposed shear test technique was not used for viscoelastic characterization of this type of tissues till now. Finally, the influence of a common type of pathology on the human temporomandibular joint consisting of the laterality of the load during the mandibular clenching was analysed. To do this, a finite element model was developed, implementing the material viscoelastic properties experimentally obtained, and the influence of condyle and temporal cartilage on the stress distribution of the joint disc was checked.