应用moioncapu运动捕获技术构建下颌开开口运动的自由度

应用moioncapu运动捕获技术构建下颌开开口运动的自由度

运动捕捉技术的本质是测量、跟踪和记录物体在三维上的移动轨迹。光学Motioncapture系统采用高分辨率红外摄像机,拍摄速率一般达到60帧/S以上,经过其系统处理后,可以准确地得到研究对象的数字化运动轨迹。已经成功地用于虚拟现实、游戏、人体工程学研究、模拟训练、生物力学等许多方面的研究。该项技术应用于下颌运动研究,可以获得下颌运动过程的6个自由度,将实现运动轨迹的量化,改善目前临床的下颌运动检查方法,将可以建立下颌运动的量化及可视化方法和标准。1材料方法1.1知情同意书的签署正常男性,牙列无缺失,咬合关系为安氏I类,覆合覆盖关系正常,开口度及开口型正常,无明显颞下颌关节疾患。书面告知整个试验过程,签署南方医科大学伦理委员会知情同意书。MotionCapture运动捕捉及分析系统(MotionAnalysis公司)。1.2荧光标志物的固定采用Motioncapture运动捕捉及分析系统,上下牙列粘贴标志物,通过对标志物在开闭口运动中位置移动的记录,获得下颌开闭口运动的量化参数,经过设备参数自身修正,获得下颌运动中任意位置变化的6个自由度标志物设定:特制的小球,在它的表面涂了一层反光能力很强的物质,在摄像机的捕捉状态下,它会显得格外的明亮,使摄像机很容易捕捉到它的运动轨迹。在上下牙列分别固定荧光标志物(Maker)(2cm×2cm×2cm);上颌牙列3个,右侧中切牙固定2个标志物,左侧侧切牙固定1个标志物,3个标志物不共线;下颌牙列4个标志物,在左右下颌尖牙分别固定2个标志物,4个标志物亦不共线;标志物为塑料,球形,质量轻,在记录下颌运动的过程中,Maker相对于上下牙列绝对不能活动,以保证在运动还原中配准。1.2.2系统整体分析接受测试者端坐位,保持牙尖交错位,7个标志物固定于上下牙列,在步态分析系统前80cm处,行开闭口运动,系统对运动信息进行捕捉采集(图2)。1.2.3下颌开口运动信息对Motioncapture系统捕捉开闭口运动信息,不但可以获得下颌切点运动的6个自由度。而且也可以获得任意一点运动中的自由度变化数据,还可以进行测量计算。2系统的运动过程利用正常下颌开闭口运动,Motioncapture运动捕捉及分析系统记录其运动过程,每个开闭口过程记录559个位置。以水平轴为X轴,垂直轴为Y轴,矢状轴为Z轴。通过修正转换,获得了下颌切点相对于上颌切点运动的6个自由度,并对下颌运动的6个自由度进行分析。2.1下颌开口运动中,下颌提供的动力系统,作品10.对下颌开闭口运动线位移统计描述如下,X轴、Y轴、Z轴线位移的最大值分别为:5.888089、0.782269、0.138931cm,最小值分别为:-3.64983、-35.9612、-5.81863cm,极差分别为9.537919、36.743469、5.957561cm,均数分别为(0.236095±1.898057)、(-13.1873±14.38405)、(-1.80071±2.335699)cm。Y轴极差和标准差最大,表示其变异度大,表示其在开闭口运动过程中Y轴变化大。下颌开闭口运动中,下颌中切牙的相对于上颌的线位移变化散点图显示,线位移主要发生在Y轴上,X轴及Z轴均有少量变化。说明下颌开闭口运动线位移变化是Y轴为主的三维运动(图3)。2.2下颌开口运动误差表现为z轴角位移变化的散点对下颌开闭口运动线位移统计描述如下,X轴、Y轴、Z轴角位移的最大值分别为:0.760088°、2.803753°、0.786493°,最小值分别为:-2.52618°、-0.62594°、-25.4298°,极差分别为3.286268°、3.429693°、26.216293°,均数分别为(-0.42162±0.786204)°、(0.938961±0.798178)°、(-8.34048±9.486988)°。Z轴极差和标准差最大,表示其变异度大,表示其在开闭口运动过程中Z轴变化大。下颌开闭口运动中,X、Y、Z轴角位移变化散点图显示:开闭口运动Z轴方向的角位移变化与X轴、Y轴有明显差异。说明开闭口运动中角位移变化主要发生在Z轴;同时伴有X轴及Y轴角位移的变化(图4)。3动作捕获及分析系统运动捕捉技术从20世纪80年代开始,美国Biomechanics实验室、SimonFraser大学、麻省理工学院等开展了计算机人体运动捕捉的研究。本研究采用MotionAnalysis的400万象素数字动作捕捉系统—Eagle-4,捕捉精度0.083mm;在2352×1728象素的模式下工作,频率可以达到200帧/S,较小分辨率的情况下,采集频率可升至10000帧/S。下颌运动行使咀嚼、吞咽、言语以及表情等功能的精细多变运动,通常将其归纳为开闭口运动、前后运动、侧方运动三种基本形式的叠加,因此通过对简单的下颌运动的研究,可以揭示下颌运动在行使生理功能的作用机理及其临床治疗中的重要意义。Eager-4动作捕捉采集及分析系统采集正常人开闭口运动过程,敏感地记录其运动过程的6个自由度,反应了开闭口运动中各个运动状态的3个线位移和3个角位移;量化了下颌开闭口运动过程,准确记录了位移及角度的变化,更加直观检测下颌运动的改变。经过分析开闭口运动中6个自由度,线位移主要发生在Y轴方向上,其角位移主要发生在Z轴上,其他2个方向均有伴随运动。采用Motioncapture动作捕捉及分析系统,进一步对复杂下颌运动的自由度的分析,形成下颌运动检查的量化标准,逐步建立相关疾病的量化诊断标准。同时,下颌运动的6个自由度结合上下颌骨三维数字化模型,还原出下颌运动过程中的运动状态,可视化了下颌运动过程中上下颌骨、牙列以及颞下颌关节结构的位置关系变化;和X线片、CT、MRI二维方向图像比较,有着明显优势。同时应用于体育运动,通过对速度、加速度,角速度,角加速度等大量运动数据的分析,为实时且准确的分析及评估提供依据,成为提高运动成绩、预防损伤有效手段。Motioncapture运动捕捉及分析系统,用于研究下颌运动和目前在临床常用检查方法相比有明显优势,但是其采集的数据量非常庞大,并且经常会被较大的视角、较远的距离、人为理解偏差等因素所影响,因此会受到一定的局限性。随着采集技术方法不断完善,采集数据的精度不断提高,可以获得更加准确可靠的下颌运动信息,将为分析运动,实现运动仿真提供可靠基础,同时可以在虚拟的条件下进行诊断病人、虚拟手术及手术导航等科