在体数字化下颌运动虚拟还原研究

摘要

下颌运动是涉及颌面部诸多结构的复杂生理功能运动,颌面部很多生理及病理改变均可影响下颌运动,因此下颌运动的检查有着特别的临床意义。依据虚拟现实技术原理研究下颌运动及其功能,再现上下牙列之间、颞下颌关节区的整个运动过程,对颌面部相关疾病的诊断及治疗有着指导意义。本研究利用人体正常的下颌功能运动,对下颌运动的还原进行以下研究工作。
　　 1.颌面部三维数字化模型的建立
　　 本研究紧密结合临床,选择1名成年男性,确诊上下颌骨无畸形、牙列整齐,无颞下颌关节疾患。以其头颅颌面部CT(Computerized Tomography,CT)扫描数据为基础,采用Mimics 11.0(Materialise Corp.Belgium)三维重建软件。首先重建上下颌骨模型,使其关节解剖结构清晰,旨在观察下颌运动中颞下颌关节结构的相对运动关系。建立上下牙列模型,牙列的尖窝结构准确,了解下颌开闭口运动中上下牙列尖窝移动方式。同时基于头面部局部解剖知识分辨咀嚼肌的外形轮廓,尝试建立翼内肌、翼外肌的三维数字化模型。有利于在体肌肉等软组织的形态的解剖学研究,并可三维显示、空间定位、测量计算；也可明确软组织的形变过程,确定下颌运动中咀嚼肌的作用,为其生物力学分析提供可靠依据,为三维数字化预测颌面部重建修复提供了基础。
　　 2.下颌运动信息采集及分析
　　 受试者端坐位,采用Motion Capture运动捕捉及分析系统,6个Eagle-4数字动作捕捉镜头呈半环形排列,系统标定后,扫描受试者下颌开闭口运动,记录其下前牙粘贴的4 个标志物相对于上前牙粘贴的3 个标志物的运动轨迹。虚拟探针标定上下颌右侧中切牙近中切角、上下颌左右第二双尖牙的舌尖,数据经过EvaRT(EVa Real-Time)软件的校正处理。统计学分析通过软件测量计算的上下切点、左侧上下第二双尖牙舌尖、右侧上下第二双尖牙舌尖之间距离,与口内相对应位置之间测量值的距离无显著性差异,其测量方法更加快捷方便,因此运动捕捉及分析系统采集下颌运动的数据信息方法准确便利。分析下颌运动的6个自由度(degree of freedom,DOF)(3个线位移和3个角位移),形成下颌运动数字化规律；结合上下颌骨的3D数字化模型及系统标定,实现还原下颌运动状态,既可视化了下颌运动过程中颞下颌关节结构及上下牙列之间位置关系,又从解剖位置关系上验证了此采集系统获得数据系统的可靠性。再此基础之上,形成了下颌运动量化及可视化的研究方法。
　　 3.下颌运动数字化虚拟还原实现
　　 在Autodesk 3dsmax 8.0(Autodesk.America)软件中,利用独立的上下颌骨、上下牙列的3D数字化模型和切点在开闭口运动中变化的6个自由度,真实再现了正常人的开闭口运动过程,实现下颌运动过程的虚拟还原。形成了可视化的下颌运动过程的动态检查方法,又在动态环境中佐证了运动捕捉及分析采集下颌运动数据的可靠性,也为虚拟环境下完成复杂的下颌运动的虚拟仿真提供了基础,随着进一步研究,通过网路虚拟平台,进行人机交互,方便于研究其解剖结构及教学,并可以设计、模拟手术及远程医疗。
　　 本研究结论
　　 (1)颌面部三维数字化模型的建立:利用人体医学常规CT图像,分别重建出具有解剖结构的上下颌骨、上下牙列、翼内肌、翼外肌3D数字化模型。颞下颌关节结构清晰,上下牙列尖窝及外形符合其解剖外形。为形态学研究及生物力学分析提供基础。
　　 (2)下颌功能运动信息采集:利用Motion Capture运动捕捉及分析系统,获得下颌运动中的任一点6个自由度,实现了下颌运动状态的数字化还原。建立了下颌运动的量化及可视化的研究方法,并可以进一步用于虚拟仿真研究。
　　 (3)实现下颌运动虚拟还原:利用颌面部的3D数字化模型,运动捕捉及分析系统记录的下颌运动的6个自由度,在虚拟环境下实现下颌运动虚拟还原,可视化了开闭口运动过程。既建立下颌运动过程的可视化研究方法,又从另一个角度佐证了运动捕捉及分析系统采集下颌运动过程数据的可靠性,并且为进一步虚拟仿真提供基础。
　　 综上所述,基于解剖结构三维数字化建模、下颌运动6个自由度信息获取,实现了下颌运动的虚拟还原,建立出了下颌运动量化、可视化的研究方法。进一步可以量化研究下颌运动的规律,实现适用于临床下颌运动的可视化及量化检查方法,并为颌面部虚拟仿真平台建立奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

前言

参考文献

第1章 颌面部三维模型重建

参考文献

第2章 下颌运动信息采集及分析

参考文献

第3章 下颌运动数字化虚拟还原

参考文献

全文小结

附录1 实验数据

附录2 中英文缩略词表

附录3 统计学证明

成果

致谢