下頜運(yùn)動(dòng)虛擬還原以及相關(guān)生物力學(xué)研究.pdf

1、下頜運(yùn)動(dòng)是由下頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)(Tempormandibularjoints，TMJ)、(牙合)、肌肉及韌帶在神經(jīng)系統(tǒng)主導(dǎo)下完成的復(fù)雜空間三維運(yùn)動(dòng)，行使與日常生活中密不可分的咀嚼、吞咽、語言、表情等生理活動(dòng)，因此下頜運(yùn)動(dòng)是相關(guān)疾病診斷、治療及預(yù)后評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素?；謴?fù)正常的下頜運(yùn)動(dòng)是進(jìn)行上、下頜骨相關(guān)手術(shù)，制作口腔修復(fù)體，種植牙及正畸治療的主要目的；同時(shí)，在體育運(yùn)動(dòng)和交通事故中，頜面部的防護(hù)也具有重要意義。由于頜面部的解剖結(jié)構(gòu)獨(dú)特，運(yùn)動(dòng)靈

2、活多變，因而目前下頜運(yùn)動(dòng)的檢查方法還無法提供滿意的量化指標(biāo)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，下頜運(yùn)動(dòng)數(shù)字化虛擬還原，將對(duì)其研究具有特別的意義。 根據(jù)虛擬仿真技術(shù)的原理，旨在利用頜面部的三維(threedimensional，3D)數(shù)字化模型和下頜運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化信息，研究下頜運(yùn)動(dòng)的虛擬仿真。從解剖學(xué)角度分析下頜運(yùn)動(dòng)相關(guān)咀嚼肌、韌帶、關(guān)節(jié)盤的結(jié)構(gòu)特征及生物力學(xué)特點(diǎn)，建立咀嚼肌的3D數(shù)字化模型。利用計(jì)算機(jī)輔助斷層片(Computerizedto

3、mography，CT)數(shù)據(jù)建立具有解剖結(jié)構(gòu)的3D數(shù)字化頜骨模型，通過尸體頭顱建立的下頜運(yùn)動(dòng)模型，準(zhǔn)確采集下頜運(yùn)動(dòng)的信息參數(shù)，還原出下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，可視化下頜運(yùn)動(dòng)過程，量化下頜運(yùn)動(dòng)參數(shù)，揭示下頜運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并且從而建立了下頜運(yùn)動(dòng)的量化研究方法。同時(shí)對(duì)下頜骨進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試及有限元(Finiteelement，F(xiàn)E)受力分析，二者互動(dòng)揭示了受力后下頜骨體內(nèi)的應(yīng)力傳導(dǎo)規(guī)律，為虛擬仿真中實(shí)時(shí)交互的力學(xué)反饋奠定了基礎(chǔ)。 本研究討論建立下頜

4、運(yùn)動(dòng)虛擬仿真中的關(guān)鍵問題：下頜運(yùn)動(dòng)的相關(guān)解剖特點(diǎn)及建模研究，下頜運(yùn)動(dòng)信息采集及下頜運(yùn)動(dòng)虛擬還原，下頜運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)交互的力學(xué)分析。具體從以下三個(gè)方面進(jìn)行： 1.下頜運(yùn)動(dòng)相關(guān)數(shù)字化解剖研究解剖下頜運(yùn)動(dòng)的相關(guān)結(jié)構(gòu)--咀嚼肌、顳下頜關(guān)節(jié)盤、顳下頜關(guān)節(jié)韌帶。首先解剖咬肌、顳肌、翼外肌、翼內(nèi)肌、顳下頜關(guān)節(jié)的韌帶，明確其起止點(diǎn)、分布、走行及形態(tài)特征。從大體標(biāo)本及組織學(xué)切片觀察關(guān)節(jié)盤的形態(tài)及組織學(xué)構(gòu)成。明確了咀嚼肌、顳下頜關(guān)節(jié)盤、顳下頜關(guān)節(jié)韌帶的

5、解剖學(xué)特點(diǎn)及生物力學(xué)特點(diǎn)。分別利用CT掃描數(shù)據(jù)、三維激光掃描的點(diǎn)云圖以及數(shù)字人(Digitalvirtualhuman，DVH)數(shù)據(jù)集，重建出咬肌、顳肌、翼內(nèi)肌、翼外肌具有解剖結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化模型，可以三維顯示、空間定位、測(cè)量計(jì)算，并可以滿足生物力學(xué)分析要求。嘗試多種方法建立軟組織的模型，旨在準(zhǔn)確再現(xiàn)精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，將在其形態(tài)學(xué)及功能的研究、解剖教學(xué)、軟組織修復(fù)重建手術(shù)的術(shù)前評(píng)估中有重要應(yīng)用，同時(shí)也為建立具有物理人特性和生理人特性的下頜

6、運(yùn)動(dòng)模型提供了基礎(chǔ)。 2.下頜運(yùn)動(dòng)虛擬還原根據(jù)CT掃描數(shù)據(jù)，利用Minics建立上下頜骨獨(dú)立的3D數(shù)字化模型，選擇以眶耳平面為基準(zhǔn)平面建立評(píng)價(jià)下頜運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。采用三維激光掃描系統(tǒng)采集下頜運(yùn)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)點(diǎn)云圖，利用Geomagic軟件還原出下頜運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，并獲得下頜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的6個(gè)自由度(Degreeoffreedom，DOF)。采用重復(fù)測(cè)量的方差分析方法對(duì)6個(gè)自由度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果為：開閉口運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在矢狀向，但同時(shí)還伴

7、有其他方向的運(yùn)動(dòng)。通過坐標(biāo)變換可以獲得切點(diǎn)、右側(cè)髁突、左側(cè)髁突的6個(gè)自由度變化，并通過函數(shù)變換計(jì)算或用Geomagic軟件直接測(cè)量均可得到任一點(diǎn)位置在下頜運(yùn)動(dòng)中的距離變化。在3Dmax軟件中，利用獨(dú)立的上下頜骨3D數(shù)字化模型和切點(diǎn)變化的6個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)下頜運(yùn)動(dòng)虛擬還原。本研究在三維空間中顯示上下頜骨之間、上下牙列、顳下頜關(guān)節(jié)面之間的關(guān)系，可視化運(yùn)動(dòng)過程，量化其運(yùn)動(dòng)三維空間的變化規(guī)律，建立了下頜運(yùn)動(dòng)的量化研究方法。進(jìn)一步對(duì)在體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究

8、，建立實(shí)用臨床的下頜運(yùn)動(dòng)量化檢查方法。 3.下頜骨生物力學(xué)測(cè)試及有限元模型分析利用新鮮下頜骨建立下頜骨頦部撞擊實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?58-MTS材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行頦部受力測(cè)試。采用三維激光掃描系統(tǒng)建立高度逼真的下頜骨模型，再將其轉(zhuǎn)換為有限元模型。根據(jù)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)置有限元的邊界約束，分析頦部撞擊后下頜骨內(nèi)部應(yīng)力改變情況，揭示了下頜骨頦部受力后應(yīng)力變化過程及應(yīng)力傳導(dǎo)規(guī)律，獲得了應(yīng)力在下頜骨的傳導(dǎo)曲線。有限元方法不僅可以對(duì)標(biāo)本試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)

9、證，同時(shí)可以明確生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)所不能涉及的下頜骨內(nèi)部應(yīng)力變化，二者互動(dòng)使有限元分析結(jié)果最大限度與撞擊試驗(yàn)的結(jié)果相吻合，做到真正意義上的模擬仿真。 本研究結(jié)論： (1)建立了具有解剖結(jié)構(gòu)的咀嚼肌數(shù)字化模型：分析下頜運(yùn)動(dòng)相關(guān)的咀嚼肌、關(guān)節(jié)韌帶、關(guān)節(jié)盤的解剖學(xué)特點(diǎn)和生物力學(xué)特點(diǎn)，利用CT數(shù)據(jù)、三維激光掃描的點(diǎn)云圖、數(shù)字人的數(shù)據(jù)集，分別重建出具有解剖結(jié)構(gòu)的咬肌、顳肌、翼內(nèi)肌、翼外肌3D數(shù)字化模型。形成了基于解剖結(jié)構(gòu)建模方法，實(shí)現(xiàn)了

10、三維顯示、空間定位、測(cè)量計(jì)算，并可以滿足生物力學(xué)分析要求。 (2)建立了有利于評(píng)價(jià)下頜運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系：以眶耳平面為基準(zhǔn)平面，建立的評(píng)價(jià)下頜運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，有利于精確、方便量化研究下頜運(yùn)動(dòng)。 (3)實(shí)現(xiàn)了下頜運(yùn)動(dòng)虛擬還原：利用CT圖像建立獨(dú)立的上下頜骨3D數(shù)字化模型，三維激光記錄下頜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息，實(shí)現(xiàn)了下頜運(yùn)動(dòng)虛擬還原。從而描繪了下頜3D運(yùn)動(dòng)軌跡，可視化下頜運(yùn)動(dòng)過程，量化下頜運(yùn)動(dòng)參數(shù)，揭示了下頜運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，建立了下頜運(yùn)動(dòng)的量化

11、研究方法。進(jìn)一步將對(duì)在體下頜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，建立適用于臨床的下頜運(yùn)動(dòng)的量化檢查方法。 (4)揭示了下頜骨內(nèi)部應(yīng)力傳導(dǎo)規(guī)律：下頜骨頦部生物力學(xué)撞擊實(shí)驗(yàn)和有限元分析互動(dòng)，明確下頜骨頦部受力后其內(nèi)部應(yīng)力傳導(dǎo)變化過程，獲得了應(yīng)力在下頜骨內(nèi)部的傳導(dǎo)曲線。 綜上所述，基于解剖結(jié)構(gòu)建模、下頜運(yùn)動(dòng)信息獲取、生物力學(xué)測(cè)試，有限元力學(xué)分析的探索，建立出了下頜運(yùn)動(dòng)的量化研究方法，進(jìn)一步可以實(shí)現(xiàn)適用于臨床下頜運(yùn)動(dòng)的可視化及量化檢查方法，并為其虛擬