（生物医学工程专业论文）数字化下颌运动仿真系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t硕士学位论文 a b s t r a c t n l ej a wi st h eo n l yb o n ew h i c hc a l lm o v ei nt h es k u l l ，i tc a l lh e l pu st of i n i s hs o m e p h y s i o l o g i cf u n c t i o n s u c ha st o n g u e ，c h e w , b r e a t ha n ds w a l l o w a l o n gw i mt h ed e v e l o p i n g o fp h y s i c ，m o r p h o l o g i c ，a n i m a t i o nf a c t u r ea n dc o m p u t e re m u l a t o r , m a n yp e o p l e 碘e i n t e r e s t e di nt h i sp r o b l e m h o w e v e r , i ti sh a r df o ru st og e tt h ed a t a sa n dt oo b s e r v et h e m o v i n gp r o c e s s ，b e c a u s ej a wf i n i s h e si t sf u n c t i o nb ym o v i n g t or e s o l v et h e s ep r o b l e m s ， t h i sp a p e rd e v e l o p sad i g i t a ls i m u l a t i o nj a wm o v i n gs y s t e m t h ew o r ki sa sf o l l o w s ： b a s e do nt h es t r u c t u r eo fj a wa n dt h es t r u c t u r e so ft h ea n a t o m i c a lp h y s i o l o g y , w e a n a l y z e dt h ef r a m ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef u n c t i o no f t h ej a w , m a d es u r et ou s el a n d m a r k t om e a s u r et h ed a t ew en e e d b e c a u s et h ei n t e r n a ld a t ac a n n o tb em e a s u r e dd i r e c t l y ，w e m e a s u r et h eo b j e c ts e p a r a t e l y b e f o r es e p a r a t i n g ，w em a r kt h r e ep o i n t sw h i c ha r en o t c o l l i n e a ro ft h eo b j e c tf i r s t l y ；s e c o n d l yw eu s eh o m o g e n e o u sc o o r d i n a t e sa n d n o r m a l i z a t i o nt od e a lw i t ht h ed a t ew em e a s u r e d ，w h i c hc a nm a k et h ed a t ew o r kf o rt h e s y s t e mw ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ed a t aw eo b t a i n e d ，am a n d i b u l am o v e m e n ts y s t e mi se s t a b l i s h e d t h e s y s t e mu s ec u r v e dl i n ea n dc u r v e df a c et om o d e l t h es t r u c t u r e so fm a n d i b u l aa n ds k u l l 厂e u s ec u r v e dl i n em o d e lt od e s c r i b et h es i m p l ep a r t so fm a n d i b u l a , a n dt h em o d e lc a np o r t r a y t h e s ep a r t se f f e c t i v e l ya n dc a l ls a v et h es y s t e me x p e n s e s ；w eu s ec u r v e df a c em o d e lt o d e s c r i b et h ec o m p l i c a t e dp a r t s ，a n dw ec a l lu s ed e t a i l e dd a t ao b t a i n e dt os t u d yt h er u l eo f t h em a n d i b u l a w h e nc u r v e df a c ei sc r e a t e d ，a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t aw ed oc u r v e f i t t i n gi nt w od i r e c t i o n ss e p a r a t e l y w ef i tt h eg r i dt h a ti sc r e a t e db yt h ei n t e r s e c t e dc b r v e ， s ow eo b t a i nt h ec u r v e df a c e w ea l s oe s t a b l i s hr e l a t e dm e c h a n i c a lm o d e l ，t h em o d e lc a n d e s c r i b et h em a n d i b u l a rm o v e m e n ts t a t e su n d e rt h el o a dp o w e r a tl a s tw eg i v es o m ep h y s i ca p p l i c a t i o n sb yt h es y s t e m k e yw o r d s ：t e m p o r o m a n d i b u l a r j o i n t ，c o n d y l e ，m a n d i b u l a , s k u l l ，m a s t i c a t i o n 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：盘鱼 一 ? 。口y 年- 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签聋：垃 矿。2 年 月e t 硕士学位论文 数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 1 绪论 1 1 研究背景 下颌骨是人体头部唯一一块能够自由运动的骨头，它参与并且完成语言、咀嚼、 呼吸、吞咽等重要的生理功能。下颌骨的运动在人体的活动中起着举足轻重的作用。 对于它的研究早在1 4 世纪我国商朝武丁时代就有记载，在殷墟出土的甲骨文中和我国 最早的医书内经素问中即可查到【4 3 】，可见人们对于下颌的研究已经有了相当长 的历史，同时也在侧面反映了下颌对于人体的重要性。 下颌运动是由下颌、咀嚼肌及颞下颌关节共同参与进行的一种复杂三维运动，对 于我们行使并认识咀嚼、吞咽及语言等功能具有十分重要的意义。下颌运动是完成口 腔功能的重要途径，在临床上下颌运动的异常改变是诊断下颌系统疾病和判断治疗效 果的可靠客观指标，如开口度、开口型等下颌运动轨迹的变化是临床上用来帮助诊断 和评价颞下颌关节紊乱病、颌骨骨折、颞下颌关节强直等口腔和面部疾病及疗效的重 要手段之一。因此，近年来对下颌运动的研究已成为各国学者们研究的热点。 对下颌研究比较多的便是古生物学领域，古生物学是多学科交汇的一门学科，研 究生命起源、发展历史、生物宏观进化模型、节奏与作用机制等历史生物学的重要基 础和组成部分。古生物学通过化石来研究物种的起源，通过对于在生物化石提取生物 体的下颌的数据，和现代的物种的下颌作比较，根据下颌、牙齿、等一些重要的生理 结构的异同来确定动物的所属物种，以及物种的发展、物种在进化的过程中环境的变 化和生理结构变化的必然的联系。由此联系到计算机的仿真学的发展，由于无法得到 真实的远古时的动物运动的图像，所以如果我们要想研究它们的运动的特点，必须采 用计算机的仿真来实现。而下颌的仿真运动一直是多年来人们在积极研究的领域，人 们希望通过对下颌运动的研究来得到由古到今包括人类在内的一些物种在进化的过 程中的变化情况，并研究在进化的过程中下颌所起的作用和下颌的变化情况，以及连 同下颌骨同步变化的有关的肌肉、组织、韧带的变化。进一步可以研究物种由食草型 转变为食肉型过程中牙齿的变化、下颌骨的变化、下颌骨运动状态的变化，运动范围 的变化等一些相关的研究。 但是由于下颌骨的生理结构非常复杂，而且我们所需要得到的有价值、对我们的 研究有意义的髁突和下颌的数据并不完全分布在人体的表面，一部分所需要的数据分 布在软组织的内部。这不但为我们进行数据采集的工作带来了困难，而且给我们的实 验工作带来了新的挑战。其一，我们的实验需要借助高精度、高灵敏的仪器进行；其 二，我们大多是进行人体下颌运动的实验，在静态中提取下颌和髁突的数据都是很困 难的事情，何况我们所需要的数据是下颌骨每时每刻变化时位置的数据，以及韧带和 i 绪论硕士学位论文 关节的作用力的情况，这些都是我们关心的重点，而这些问题的解决，目前看来办法 并不是很多。随着研究的进一步深入，对于下颌骨的运动情况越来越多的为国内外的 学者所掌握，特别是关于下颌骨的闭合运动，目前的研究已经有了相当高的水平，人 们对于下颌运动的认识也达到了一个崭新的高度。 目前对于下颌的研究多从以下几个方面作为突破口； 1 ) 力学领域。力学领域介入研究下颌骨的结构、功能、运动比较早的领域，对 于下颌骨的研究很多力学工作者在很久以前就开始了。最早的研究介入点是关于开闭 颌运动的研究，在开闭颌的过程当中，是许多肌肉共同作用的结果。人们最初的想法 是把这些肌肉的功能在下颌的运动过程中区分开来。随着科学技术的发展，越来越多 精确的测定仪器的出现，力学领域对于下颌运动的研究也达到了一个崭新的高度。在 这些仪器的帮助下，人们做了大量而且有针对性的实验，得到了许多令人满意的结果。 例如开颌运动时颞下颌骨边上的肌肉是舒张的，它们在闭颌运动中确是拉伸的 2 】， 荷兰的许多科学家已经研究出开闭颌的运动速度和肌肉组织的精确的关系，可见在力 学领域对于下颌运动的研究已经日渐成熟。 2 ) 解剖学领域。对于下颌的研究最直接的方式便是通过解剖学，因为解剖可以 把一个完整的下颌呈现出来，使我们对于下颌有了比较直观的认识。解剖学对于下颌 的研究首先从最基础的下颌的形态、结构开始，然后转到功能，以及各个功能之间的 相互关系。我国古代的很多医书中就有下颌骨的粗糙图形，目前解剖学对于下颌的研 究已经到了微观阶段，下颌的髁突、关节、以及一些比较难以测量的结构都需要解剖 学的帮助才能完成测量。 3 ) 计算机仿真学领域。计算机仿真是最近才发展起来的技术，它依托于强大的 计算机硬件结构和计算机的软件编程结构，经过软硬件的有机的结合，使研究的物体 形象的展现在计算机的屏幕上。近年来在下颌运动的研究过程中，需多人引入了计算 机仿真这个有力的工具，它的引入为下颌运动的研究揭开了崭新的一页。最新的想法 是利用计算机技术和建模技术把下颌的运动逼真的呈现在电脑的屏幕上，并且达到可 以控制下颌自由运动的效果，这是目前国内外大量学者都在潜心研究的问题，这也是 本文努力的方向。 4 ) 生物医学工程领域。对下颌骨结构、运动、功能研究最为细致，研究时间最 为久远的便是生物医学工程领域。因为它涉及到医学、解剖学、力学、病理学、等多 个领域，同时它也是近年来发展最快的工程领域。生物医学工程对于下颌运动的研究 不仅仅停留在结构、功能这个层次上，还要向更高的层次发展。我们还要根据研究所 得到的结果来实现对于下颌运动异常患者的救治，对于一些奇异的下颌的形状进行矫 正等等一些复杂的工作。目前国内外的许多研究人员已经对下颌骨的各个关节的结构 功能，以及各个关节、组织、韧带在下颌运动过程中所起的作用的研究达到了相当的 2 硕士学位论文 数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 高度，并且借助先进的c t 和核磁共振技术应用到了现代的医疗诊断，外伤处理，容 貌的改变等多个领域当中，并且取得了和好的应用效果。 但是，下颌骨的运动研究当中，我们常常会面对的问题是解决一些在运动中下颌 的位置、以及下颌的运动时与其相联系的肌肉的关系、下颌在咀嚼时和语言时不同的 运动轨迹等一些较为复杂的下颌运动问题。解决这些问题靠这些静态位置的研究是远 远不够的，所以各国的科学家和学者都在作进一步关于下颌的开颌运动和闭颌运动的 研究，并且引入了多种研究方法，例如借助人体建模技术、借助医学影像技术等等。 对于下颌的研究也经历了有宏观到微观、由局部到整体、由静态到动态的过程，大体 发展过程如下： 人们最早对下颌运动的认识是与颌架的发展相关联的。为了在全口义齿修复中得 到平衡，颌架必须模拟髁状突的运动形式。1 7 7 3 年，m o u r i 在尸体上对下颌运动作了 研究【3 】；1 8 6 5 年，b a l k w i l l 在大不列颠口腔学会杂志上发表有利于咀嚼的最佳义齿 形态与排列【5 】，后来w a l k e r ( 1 8 9 0 ) ，b e n n e t ( 1 9 0 7 ) ，s n o w ( 1 9 0 0 ) ，h a n n a u ( 1 9 2 2 ) 等 分别发表了类似有关颌架研究上取得髁道的文章。然而尸解与在颌架上对下颌运动的 研究脱离了活的机体，它不能代替机体在神经，肌肉支配下下颌运动的真实情况 1 】。 本世纪初，随着x 线在口腔医学的应用，人们对髁状突的形态与位置，髁状突与 关节凹的位置关系在活体上作了x 线的观察。但是，x 线影象的重叠与投照角度，不能 定量的分析髁状突上某些特定点的移动情况【1 7 】。因此，为了能在活体上记录某些特 定标志点的移动情况以真实反映下颌运动，学者们一直在寻找更加精确记录和描述下 颌运动的技术 4 3 】。1 8 8 9 年，l u t e 首先利用照相技术实测到下颌运动的轨迹。1 9 2 1 年， 美国学者m c c o l l u m 研制了一种机械式下颌运动描记仪( p a n t o g r a p h ) ，其主要性能特点 为描笔的位置可精细调整，并具有一定的伸缩性能。1 9 4 0 年k l a t s k y c 报告了把活动荧 光摄影技术应用于咀嚼运动的研究。k u r t h ( 1 9 4 2 年) 使用了频闪观测摄影技术研究下颌 运动。1 9 5 3 年j a n k e l s o n 等首次应用电子记录技术，在示波器上记录出咀嚼运动时骀接 触的频率和持续时间。1 9 6 4 年，a d a m s 等使用了殆遥测术( o c c l u s a l t e l e m e t r y ) 并配合肌 电仪来记录各种下颌运动型 2 9 】。 以上研究技术虽日趋进步，但其共同弱点是探头或多或少对待侧部位有机械干 扰，影响了记录的可靠性和准确性。另外，由于缺乏计算机的帮助，研究的样本量和 有效的定量分析自然也受到限制。j a n k e l s o n 等发明的下颌运动仪( m a n d i b u l a r k i n e s i o g r a p h ，m k g ) 使下颌运动学的研究方法向前迈进了重要的一步。m k g 是一种 磁电量转换方式的描记仪，能从矢状面，冠状面和水平面精确观测下颌中切牙切点运 ，动轨迹。切点运动轨迹的观察克服了先前研究中诸多不足。该装置能主动监测粘于下 切牙区域磁钢的空间位置，它对下颌无干扰，也不限制下颌运动的范围，还能与计算 机、肌电图仪和肌松弛仪等同步相连【2 1 】。这样，下颌运动仪不仅能处理大样本的下 3 1 绪论硕士学位论文 颌运动轨迹资料，且可结合肌电活动以及颌音等因素自动地分析聒功能。m k g 是以 下颌切牙点作为标志点观测下颌运动的。还可以在双侧髁突部位选取标志点来观测下 颌运动 1 8 】。 国外从2 0 世纪5 0 年代末，6 0 年代初开始使用髁状突运动描记仪研究下颌运动。该 描记仪又称运动面弓，它的工作原理是：将描板固定于外耳孔前方，面弓固定于下颌， 面弓上对着描板处设有描针，与描板轻轻接触，描针对准髁突标志点，当下颌运动时 描针就在描板上画出下颌与描针相对应的特定标志点的运动轨迹。描计仪可以达到很 高的测量精度，但由于操作技术复杂，测量结果易受到使用者熟练程度的影响。其次， 复杂的机械式运动面弓对咀嚼系统形成负担和干扰，降低了轨迹记录的生理性和临床 意义【2 2 】。近年来新研制的下颌运动电子记录装置较好的克服了机械式运动面弓的上 述缺点，测量值作为电信号还能很方便的由电子计算机进行处理分析，为临床医师展 开了新的使用前景。如8 0 年代有美国d e n a r 公司研制的p a n t r o n i c 和g r b h 公司研制的计 算机化的下颌运动轨迹描计仪( c o m p u t e ra i d e da x i o g r a p h yc a d i a x ) 1 6 。 但髁突运动轨迹描记仪依然有其局限性，这是因为髁突外侧覆盖着一层软组织， 无法直接地观测其运动，也不能把标志物直接固定到髁突上。颞下颌关节的软组织有 可让性，因此测量时用力大小也会对结果有影响。髁突运动幅度较小，对测量精度的 要求更高。因此，髁突运动规律的理论中仍存在许多假设。对髁状突运动观测技术的 突破寄希望于磁共振技术的进步。 二十世纪9 0 年代人们开始尝试应用计算机仿真和建模技术来解决在下颌研究过 程中所遇到的问题，荷兰力学专家l m g a u o 应用力学公式建立了较为合理的力学模 型，借助于计算机硬件的发展成功计算出在下颌的运动中，闭颌的速度约是开颌速度 的两倍【1 】。上个世纪末j h k o o l s t r a f 直用肌电仪所测量的数据通过计算的模拟分析得 到颞下颌关节在有无负载力作用下的不同运动轨迹，一年通过大量的实验t m g j v 距e i j d e n 发现，人们在应用左右两侧咀嚼肌咀嚼食物时两侧的髁突运动轨迹是大不 相同的，并且大致描绘出了运动轨迹的图形【3 】 4 】。 进入2 1 世纪，随着现代科学技术的发展及与其他各学科间的互相交叉渗透，特别 是c t 、核磁共振扫描等技术应用于临床医学，使得获取医学数据的能力取得了空前 的进步，以及计算机三维可视化技术的出现和发展，人类学家开始注意将临床医学的 新成果和技术手段用于下颌骨的运动的研究，他们迫切的需要将计算机强大的计算能 力和模拟仿真能力具体应用到这个专业领域之中来达到他们所预期达到的效果。如何 利用计算机三维可视化技术和人类学的专业知识来得到下颌骨运动的数据以便对下 颌骨运动数据进行高效、方便的处理和应用，将人类学家和专业人士从繁重、枯燥而 重复的体力劳动中解放出来，使他们集中精力研究下颌骨运动的规律和理论，从而提 高下颌骨运动分析的准确性、实现下颌骨运动的自动化、智能化的关键所在，也为计 4 硕上学位论文 数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 算机可视化技术的应用与发展提出了新的研究课题。本文着眼于在已知部分人体下颌 信息的基础上，构建比较实际的模型，利用力学原理和计算机技术，来解决生物医学 工程中目前无法解决的一些问题，并预期得到比较好的结果。 综上所述，下颌运动是最近口腔学领域研究的课题，随着计算机虚拟技术在各个 领域的发展，我们想用计算机强大的数字化分析和显示功能来建立关于下颌运动的数 字化模型，以便更科学的显示下颌运动时动态和静态的关系。使我们对下颌运动的理 解更进一步。 研究建立数字化下颌运动系统，是能模拟牙颌情况改变对其他因素的影响，用于 修复、正畸、正颌外科等专业中，并且通过尝试各种治疗方案，达到预测疗效的目的。 在充分理解口颌系统各因素之间的数学关系基础上，数字化下颌运动系统将会有广阔 的研究应用前景。 1 2 研究意义及应用领域 近年来，关于下颌骨的运动规律的研究得到了人们的广泛关注。从人类学研究到 医学应用，从古人类复原到生物的起源甚至刑事侦察，无处不闪现着基于下颌骨以及 下颌运动的身影。如今，下颌骨以及下颌运动的研究已经转向模型化，以及自动化的 研究阶段。同时，人们对基于下颌骨和下颌骨运动系统的要求也越来越苛刻。具有真 实感、可靠性的自动化，智能化的下颌骨运动系统有待于研究者们进一步去探索。 基于下颌骨运动的研究具有广泛的应用前景。有些是纯学术的，如物种的起源、 对食物的依赖( 食肉动物或食草动物) 、动画制作等；而有些则是用于特殊的目的， 如面貌的复原、身份的确定等。不同的用途对于下颌骨的运动系统的要求是不同的， 流程也不尽相同，但对于真实感和可靠性的要求是共通的。基于下颌骨运动系统的研 究主要应用于如下几个领域： 1 ) 医学领域 目前对于下颌骨的运动的研究主要还是在医学领域，特别是我们生物医学工程领 域，对于下颌骨的运动的研究引起了各国学者的共鸣，主要应用在口型、开口度、功 能紊乱等医学上的应用，防治。特别要提到的是面部整形手术。在进行面部的整形手 术之前，可以根据下颌骨的运动情况来进行一些数据分析，模拟展示手术后的治疗效 果，从而做出详细准确的手术方案，减少手术的风险，一不断发展的下颌骨运动系统研 究与动画系统也为心理学家进行人脸运动和表情的研究提供了依据。心理学家可以用 人脸运动的计算机模型来实现他们的研究，这比以前他们必须使用照片或刺激真人的 肌肉进行研究更加方便。 2 ) 物种的起源 对于下颌骨运动的研究还可以帮助我们了解关于物种起源的一些信息，这是毫无 气 1 绪论硕士学位论文 疑问的。首先，对于下颌骨结构的研究并不是局限于对于人体下颌骨的研究，我们可 以同时对于所有生物的下颌骨的结构以及运动情况进行系统的研究，根据它们运动轨 迹和它们牙齿的结构以及肌肉和组织的结构特点可以确定所研究的物种是食肉型动 物还是食草型动物。在根据下颌进行咀嚼、呼吸、语言的活动行为，并进行对比，可 以进一步确定它们之间的联系和区别，从而确定它们的进化关系，目前许多进化的观 4 点可以通过下颌骨的结构特点和运动特点证明，这也是支持进化论的一个有力证据。 3 ) 动画制作及其他应用 下颌骨的运动完成了我们的很多功能，其中有一个最重要的就是言语功能f 一定 要区别语言和言语) 。言语是人与人交往中表达意识活动的基本方式，言语包括产生 声音的一系列下颌运动，涉及呼吸、发音、共鸣等 2 0 】。所以对于言语功能来说，下 颌的运动是最重要的。我们可以看到，现在市面上流行的许多动画，当动画中的人物 发声讲话时，我们可以看到的只是它们的嘴在做同样的重复运动。换句话说，无论它 们说什么我们看到的都是同样的口型运动。这样导致我们无法根据它们的口型来分辨 它们讲话的内容，使我们感到动画的不真实。对于下颌运动的研究可帮助我们解决这 个问题。这也是目前很多动画制作者的努力方向。 4 ) 形态学领域 对于下颌的研究在形态学领域也有着非常广泛的应用。我们的实验中采取了大约 几千种动物的下颌的数据，我们在数据处理的过程中发现，对于下颌骨的结构特点而 言，不同种类的物种，它们的下颌骨的形态、结构特征是大不相同的。例如我们可以 很明显的看出鸟类的下颌和哺乳类的下颌的差别是很大的。我们可以明显地看到鸟类 的下颌很长，后部比较高易于啄食，而哺乳类动物的下颌没有鸟类的长并且下颌骨的 底部呈圆弧形状，易于咀嚼食物 3 8 】。我们还可以根据下颌的形态结构特点来研究动 物的行为特征和生存的环境，这些可以通过许多因素来判定。例如，我们可以通过下 颌的形态结构和下颌在咀嚼时不同的运动过程来判断动物的食物类型，从此可以判断 它所处的生存环境的特点。还可以根据不同物种不同的开闭颌范围和开颌和闭颌时运 动速度的不同来判断不同物种之间不相同的行为特征。所以在形态学领域的研究中， 下颌作为一个必不可少的研究对象发挥着举足轻重的作用。关于下颌的研究同时也是 目前形态学研究取得突破的一个方向。 1 3 国内外的研究状况 下颌运动系统的研究以数学、力学、生理学等学科为理论基础，其研究内容涉及 解剖学、图形学、图像处理等多个方面，是一个交叉性很强的研究领域。使用计算机 技术对下颌运动进行研究，主要是利用计算机对复杂的数据进行处理并利用在计算机 上模拟完成下颌的运动来实现人机交互，从而解决了传统生物医学工程中无法实现动 6 硕士学位论文 数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 态观察和模拟下颌运动的问题。目前，计算机辅助下颌运动技术是国内外研究的热点， 国外美国华盛顿大学，英国曼彻斯特大学、斯旺西威尔士大学、谢菲尔德大学，日 本国家研究所，意大利萨勒诺大学、比萨大学、瑞士日内瓦大学、苏黎世大学，加拿 大英属哥伦比亚大学、日本w a s e d a j ( 学、国家研究所警察科学部【4 2 】。 我国由于特殊的人口数量和国家的特殊国情，下颌运动的研究对于我国来说是非 常迫切的事情，许多下颌功能紊乱的患者，还有很多意外的下颌损伤的患者无法复原， 究其根本原因就是无法实现动态的下颌运动的模拟。所以传统下颌运动的研究效率有 待提高，西北大学、吉林大学、东南大学等研究机构的生物和计算机方面的专家利用 计算机对下颌运动进行了多方面的研究，取得了一定的进展。 计算机辅助进行下颌骨运动的研究和传统的研究方法有很多共同的地方。计算机 辅助研究所采用的步骤，大都是首先利用生物学和相关的知识，对所要研究的下颌进 行分析，初步判定下颌的物种以及性别和年龄，以及根据下颌骨特征来判定待研究下 颌骨独特性。在这些判定的基础上，将待研究的下颌骨进行数字化，提取我们所需要 的信息并进行进一步的加工，为了提高下颌运动模型的真实性，还需要获取其它的一 些辅助信息数据，并将它附加在下颌的运动系统中。 1 4 本论文的研究路线及章节安排 第一章，绪论。介绍目前国内外关于下颌骨的研究情况，并且对现在所研究的情 况进行了较为细致的分析，并且提出了自己的研究内容和目标。即用所得到的数据建 立一个数字化的下颌运动系统。 第二章，下颌骨的基本结构。初步研究了下颌骨的生理结构，以及和下颌骨有关 的生理结构。本章着重研究了下颌骨运动的范围，以及下颌骨运动的特点，下颌骨运 动的制约因素等关于下颌骨的基础知识。 第三章，数据的测量和处理。本章首先介绍了我们测量数据的工具l a n d m a r k ，然 后讨论了如何应用它进行数据的测量，以及测量所得的数据的特点。本章着重研究了 对于初始的测量数据的处理，即把初始的数据如何转化成我们能够应用的数据，在本 章的小结中对于我们所用的方法写出了应用的价值，以及在其它领域的应用，和理论 意义。 第四章，数字化下颌运动系统设计。在这一章里，主要研究了系统的一些主要部 分的实现过程。我们的系统是应用v c + + 和o p e n g l 来实现的，我们采用曲面的拟合 来实现髁突曲面的生成，在生成的过程中我们找到了一种二次b 样条通过所有控制点 的拟合方式，这是令我们感到兴奋的事情。 第五章，系统功能介绍。本章主要介绍数字化的下颌运动系统，包括数据的录入 的形式，数据录入的类型，系统功能的设计，系统功能结构，结构流程，系统实现， 7 8 l 绪论硕士学位论文 并介绍了系统在医学领域的作用以及生成系统的重要的意义。 硕士学位论文 数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 2 下颌骨的基本结构 2 1 下颌骨的基本功能运动 下颌运动可以分为三种基本功能运动，即开闭运动前后运动和测方运动【6 】。这 三种基本功能运动是通过颞下颌关节( t e m p o r o m a n d i b u l a r j o i n tt m j ) 的两种活动方式 即髁突的转动和滑动行使的。要研究下颌运动的特点我们首先就要了解下颌骨的基本 结构，在此基础上再进一步来研究下颌运动的特点，如图2 1 1 4 3 】。 1 ) 开闭运动中的下颌关节的运动 ( 1 ) 开颌运动。正常情况下，两侧颞下颌关节运动时对称的。开口型呈”【”，为 了讲述方便，可将开颌运动分为三个阶段。 小开颌运动：下颌下降约2 厘米。髁突仅作转动运动。运动中心在髁突。活动发 生在下腔，关节盘基本不动。 大开颌运动：下颌下降约2 厘米以上，髁突不仅有转动运动，同时还有滑动运动。 髁突带动关节盘协调地沿关节结节后斜面向下方滑动，关节盘在向前滑动的同时又稍 向后方旋转。转动运动的轴心仍在髁突，而滑动运动下颌骨的轴心则在下颌孔附近。 因此，大开颌运动是转动运动和滑动运动相结合的混合运动。活动既发生在下腔又发 生在上腔，并且有两个运动轴心。在正常情况下，大开颌运动时，髁突可滑到关节结 节出或稍上方。关节盘的中间带夹关节结节顶和髁突脊顶之间。此时关节盘颞后附着 的弹性纤维可被拉长l 厘米左右。若髁突过度向前滑动，可损伤此结构，从而破坏了 关节盘的动力平衡，可以造成关节盘的移位或脱位。 最大开颌运动：人们在打哈欠时的下颌运动就是最大开颌运动。此时翼外肌下头 处于紧张状态，二腹肌出现强烈收缩，牵引下颌向下后方，使髁突停止在关节结节处 处仅作转动运动而不在向前滑动。其运动中心又在髁突，活动只发生在下腔，开颌运 动达到最大限度。此时颞下颌韧带，蝶下颌韧带和茎突下颌韧带都被拉紧以限制髁突 的过度移动 8 】。 ( 2 ) 闭颌运动。大致就是开颌运动的反向运动，在此不作赘述。 2 ) 前后运动中的下颌关节运动 ( 1 ) 前伸运动。前伸运动也是两侧髁突的对称性运动。一前伸运动肘髁突和关节 盘沿关节结节后斜面向下方滑动。活动发生在关节上腔。髁突在前伸运动时的活动轨 迹，不仅与关节结节后斜面有关，还取决于人自身的牙齿形态，不同的牙齿形态由于 自身的结构，髁突的活动轨迹是不同的 1 2 】。 ( 2 ) 后退运动。大致是前伸运动的原轨迹作相反方向运动。髁突和关节盘沿关 节结节后斜面向后上方滑行，又回到关节窝后位。正常情况下，此时髁突还能向后退 9 2 下颌骨的基本结构 硕上学位论文 3 ) 侧方运动中的下颌关节运动 侧方运动是一种不对称的运动。一侧髁突滑动，另一侧基本上做转动运动。咀嚼 时，工作侧基本上为转动运动，髁突沿髁突一下颌升支后缘的垂直轴做转动运动，而 非工作测的髁突为滑动运动。髁突从关节窝沿关节后斜面向下向内作滑动运动 2 5 。 颞后一。 外耳门附誊 等帘中间带 翼麓淞黼 图2 1 1 开闭颌时颞下颌关节的运动下颌髁突、关节盘之间的关系 1 、闭口；2 ，3 开口运动；4 、最大开口；5 ，6 、闭口运动 2 2 下颌关节功能特点 由前一节可知下颌关节不仅具有转动运动而且还有滑动运动。运动发生在关节下 腔，即由盘和髁突组成盘领关节又称为铰链关节；滑动运动发生在关节上腔，即由 1 0 硕士学位论文 数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 关节盘和颞骨组成盘颚关节又称滑动关节。因此下颌关节是由铰链关节和滑动关节 组成的复合关节 2 6 】。 我们发现在转动和滑动过程的关节运动中形成多个运动的轴心，这与简单关节只 有1 2 个运动轴心是截然不同的，这便给我们的研究工作带来了困难。例如，小开颌 运动时，两侧髁突的内外径横轴为其运动运动轴心；大开颌运动时，运动轴心则在下 颌孔附近；侧方运动时，一侧为滑动而另一侧为转动轴心又和前两种有所区别。上面 这些例子运动轴心和机械运动中的轴心不完全相同，这些还取决于生物、生理学的规 律。因此在某一具体下颌运动中，轴心是不固定的，而是随着变换着的下颌运动而变 化其轴心，我们称之为瞬间轴心。这是我们在研究的过程中需要重点注意的，也是关 键所在 2 6 2 1 。 下颌关节是一个左右联动的关节。马蹄型的下颌骨把左右两侧关节连接成一个整 体。从功能的角度来看，没有- - 倾j j 单独活动而另一侧不参与的下颌运动，因此，为了 强调此关节的左右联动性，很多人将其称为颅下颌关节【2 l 】 3 2 】。 综上所诉，下颌关节的功能概括起来就是：下颌关节是由左右两侧4 个关节，即2 个铰链关节和2 个滑动关节组成的复合关节，是具有转动运动和滑动运动多个瞬间运 动轴的左右联动关节。 2 3 下颌骨运动的制约因素 下颌运动有四个制约因素，即右侧下颌关节、左侧下颌关节、颌和神经肌肉结构。 其中第一二两个制约因素即双侧下颌关节是难以改变的，第三制约因素可以在一定的 范围内进行调整。通过修建颌面甚至重建，可以改变应力在牙周膜上的分布，从而改 变本体感受器传入的信号，从而间接地调整第四因素神经肌肉的反应，以致影响下颌 运动【2 7 。例如颌面牙尖斜度较大者，当咀嚼末期下颌做水平运动时，将形成创伤性 的侧向力，此时本体感受器接受刺激，通过神经肌肉的调节则产生了垂直方向的咀嚼 运动；反之，颌面已经磨耗成平面者，咀嚼的末期往往呈现水平方向的运动，牙齿支 持组织的受力较上述的小一些。其结果通过本体感受器和神经肌肉调节就会产生水平 方向的下颌运动。总之，颌面的形态决定牙齿组织的受力方向，这种颌力又刺激牙齿 支持组织的本体感受器，信息传入神经中枢，经过整合作用，从而产生消耗能量最小， 避免疼痛与不适而且能发挥最大效能的个体下颌运动 2 4 1 。 2 4 下颌运动的记录方法 下颌运动的记录方法较多，目前多采用直接观测或轨迹描记。 1 ) 直接观测 开口度与开口型：开口度是指受检者大张口时，上下颌中切牙近中切角间的垂直 1 l 2 下颌骨的基本结构 硕士学位论文 距离，正常约为4 c m 。正常开口时，颏部和下颌中切牙中直线向下，开口型是”j ，”的， 若有偏斜，偏摆，震颤货弹跳则为异常。 下颌前伸和测方运动：正常前伸运动时，下颌切牙能超过上颌切牙并呈直线前进。 侧方运动时，下颌两侧运动的范围基本相等。若下颌前伸运动受限或中线偏移，侧向 运动的幅度变小或不对称，则为异常。坤 。一 2 ) 下颌运动轨迹描记 下领运动轨迹描记多采用下颌运动描记仪( m a n d i b u l a rk i n e s i o g r a p h ，m k g ) 进行 记录。下颌运动描记仪是2 0 世纪7 0 年代研制的一种仪器，其基本原理是利用磁电转换 方式来反映下颌运动轨迹，该仪器主要由三部分组成：l 磁钢，粘固于下颌中牙唇侧； 2 磁敏感装置，附于面架并固定在头面部；3 显示装置。当下颌运动时，磁钢作为信 号源，随下颌作同步运动，产生微量磁场变化，经磁敏传感器将磁场变化信号转化为 电信号，通过导线送至示波器，放大显示在屏幕上，此即表明下颌运动时切点的运动 情况，即下颌运动轨迹。下颌运动轨迹描记仪可从矢状面，水平面和冠状面描记下颌 运动轨迹 3 4 】。 m k g 主要有下列优点：( 1 ) 下颌运动不受干扰，可精确再现下颌运动； ( 2 ) 可从三维方向描记下颌运动的切点轨迹； ( 3 ) 与肌电图仪联机，可同步纪录下颌运 动轨迹与相关肌肉的肌电图。不足之处，不能纪录髁突的运动轨迹。 3 ) 髁突运动轨迹描记 目前髁突运动轨迹描记尚存在若干问题，这是由于髁突在活体无法直接观测，隔 着数毫米厚的软组织( 包括皮肤，皮下组织，关节囊) 难以确定测量标志点且重复性差， 加之髁突运动幅度小( 仅及切点运动幅度的三分之一或更少) ，描记镇禾描记板之间的 接触制约了髁突的三维空间运动等等。 早期对髁突运动研究多采用x 线和描记仪记录。用x 线可从多角度对髁突位置及 位移做静态或动态的观察。从x 线片上能观察到髁突与关节窝之间的关系，以及关节 区骨组织和软组织中出现的器质性改度，具有重要的临床诊断价值。但用x 线不能分 辨髁突上特定标志点的移动情况，它所表现得髁突运动只是定性的。用描记仪进行描 记是最常用的一种方法。较常用的为面弓式描记仪，该仪器主要有描板和面弓组成。 描板固定在外耳孔前方，面弓固定于下颌，面弓对着描板处设有描针，描针对准选定 的髁突标志点，与描板轻微接触，当下颌运动时描针在描板上描绘出相应的髁突运动 轨迹。如使用双板双针式描记仪，可以纪录髁突在水平面和矢状面两个平面的运动轨 迹。 利用髁突运动描记仪在以下四个方面的测量具有显著的作用： ( 1 ) 测定髁突铰链轴的位置。铰链轴也称转动轴，下颌在作小范围的张闭口运 动时，即是依两侧髁突为轴进行转动。对该轴的定位，可通过反复的调整描针的位置， 1 2 硕士学位论文 数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 最后达到使描针运动范围尽可能小的程度，作为铰链轴位。以此位为准，即可观察下 颌记录运动中的髁突运动轨迹。 ( 2 ) 髁突前伸运动的矢状面观。描板沿矢状方向垂直放置，描针对准受检者的 铰链轴，由牙尖交错位开始，下颌作向正上方的前伸边缘运动，在运动过程中，描针 即可在描板上描记出相应的髁突前伸运动轨迹，继续依原路径回到牙尖交错位如此反 复多次，如果变化不大，即可以作为正式的髁突前伸的髁道。髁道并不单纯取决于下 颌关节窝前壁的形态，而是由关节窝，关节盘，髁突顶面的形状，关节囊和韧带的紧 张度和弹性，下颌运动肌群的牵引，颌接触状态等因素相互作用决定的【3 2 】。 ( 3 ) 下颌侧方边缘运动时髁突运动轨迹在水平面与矢状面上的投影。 ( 4 ) 下颌作侧方即前伸边缘运动时髁突的运动轨迹。 近年来的研究认为，下颌运动不存在单纯的铰链运动，髁突运动是一个既转动又 有滑动的复合运动。髁突上不同参考点的转动成分不同，导致不同的参考点均有不同 的运动轨迹。因此以往采用的研究髁突运动轨迹的方法，由于不同的测试者，不同仪 器所选取的髁突参考点的不同得到不同的髁突运动轨迹图形；或者同一仪器，同一测 试者，不同时间进行测试，也会造成髁突运动轨迹的改变，从而影响对髁突运动轨迹 认识的一致性，和对患者的颞下颌关节状态和功能的判断。因此有些学者认为髁突运 动轨迹描记的意义不大 3 3 】。1 9 6 8 年k o h n o 提出髁突运动中心或运动轴的概念。他认 为运动中心就像一个滑动的旋转轴，开闭口时其运动轨迹与关节窝的轮廓相一致，可 看作沿关节窝滑动的盘突复合体的中心，其个体轨迹稳定，受其他因素影响小，最能 代表髁突的运动 2 6 】。但由于k o l m o 的实验方法非常复杂，他人难以实现和理解，直 n 2 0 世纪9 0 年代这个概念才受到重视。 2 5 本章小结 通过本章的内容的介绍，我们初步了解了下颌骨的基本功能运动，下颌关节功能 特点，下颌骨运动的制约因素及运动范围，下颌运动的记录方法等方面的知识，这对 于我们理解下颌运动提供了比较详细的基本知识，从下颌骨的运动特点中我们不难发 现，在下颌运动过程中，伴随着很多的复杂的运动。最重要的就是髁突的运动，根据 开口度大小的不同，髁突既有转动，也有滑动，这给我们的观测和数据的获得带来了 很大的困难。通过对下颌运动记录方法的了解，我们知道，不论是下颌运动描记仪的 描记还是髁突运动轨迹描记的使用，我们都无法解决的一个问题就是在动态描记下颌 运动时对于实体无法实现测量，这是由于隔着数毫米厚的软组织( 包括皮肤，皮下组 织，关节囊) 难以确定测量标志点且重复性差，加之髁突运动幅度小( 仅及切点运动 幅度的三分之一或更少) ，描记针和描记板之间的接触制约了髁突的三维空间运动所 造成的，这样给我们下颌运动的研究带来了不便，于是我们便有了这样的想法能不能 1 3 2 下颌骨的基本结构硕士学位论文 建立一个下颌运动系统，借助计算机硬件的发展和日益成熟的软件模拟技术，来完成 对下颌运动功能的模拟。在这个系统中，我们所借助的是一些测量得到的三维数据， 应用这些数据和模型的建立来完成下颌运动系统，使所要研究的下颌在我们的系统上 运动起来，这时候我们可以从它的运动中得到更多更详尽的数据为我们的研究提供方 便，从而达到我们研究的要求。 1 4 硕士学位论文数字化下颌运动仿真系统的设计与实现 3 数据的测量与处理 下颌运动系统生成的是在获得初始的下颌结构数据的基础上，也就是下颌不同部 位软组织的厚度以及各部位和颅骨的关系，将软组织厚度数据映射到待测的下颌骨 上，得到待测的下颌骨原始的完整的数据。在参考数据的获取方法上，一些学者利用 第三方软件提供的下颌骨模型数据，模型数据为三维网格体。该方法所获得的模型数 据精度不高，而且在后续标点中需要其它方面的支持，使得系统缺乏一定的完整性 【2 9 】。本文首先采用基于大量l a n d m a r k 数据重构的方法获得参考数据，然后在根据c t 重构数据的特点定义一般人下颌骨的数据结构，并对模型进行人体结构学分析，按照 人体结构学进行分类和保存，为后面的数据应用服务，同时还能够作为人脸形态学研 究的基础数据。基于l a n d m a r k 数据的三维下颌骨数字化系统和包括三个步骤：数据采 集、数据预处理和三维重构。 3 1 确定数据的采集方法 在生物医学工程领域，我们对于问题的研究大多以实验为主，在实验的基础上得 到大量真实、详尽的数据来供我们对生理现象进行分析，在对一些生理现象进行分析 的基础上，提出我们的看法和假设并对一些问题拿出具体的解决方案，然后再回到实 验中进行验证，看看我们的设想和解决方案是否合理。然而，由于下颌运动非常复杂， 我们想要得到下颌运动过程中每时每刻下颌骨的位置的信息和其它的相关信息，例如 韧带、软组织等的变化情况。这些数据的获得对于实验的采集来说是很困难的，对此 我们要想其它的办法来解决这个实验无法解决的问题。我们很自然的想到利用计算机 和仿真技术进行在计算机上的模拟