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《南方医科大学》 2008年
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下颌运动虚拟还原以及相关生物力学研究

刘阳  
【摘要】: 下颌运动是由下颌骨、颞下颌关节(Tempormandibular joints,TMJ)、(牙合)、肌肉及韧带在神经系统主导下完成的复杂空间三维运动,行使与日常生活中密不可分的咀嚼、吞咽、语言、表情等生理活动,因此下颌运动是相关疾病诊断、治疗及预后评价的关键因素。恢复正常的下颌运动是进行上、下颌骨相关手术,制作口腔修复体,种植牙及正畸治疗的主要目的;同时,在体育运动和交通事故中,颌面部的防护也具有重要意义。由于颌面部的解剖结构独特,运动灵活多变,因而目前下颌运动的检查方法还无法提供满意的量化指标。随着虚拟现实技术的发展,下颌运动数字化虚拟还原,将对其研究具有特别的意义。 根据虚拟仿真技术的原理,旨在利用颌面部的三维(three dimensional,3D)数字化模型和下颌运动的数字化信息,研究下颌运动的虚拟仿真。从解剖学角度分析下颌运动相关咀嚼肌、韧带、关节盘的结构特征及生物力学特点,建立咀嚼肌的3D数字化模型。利用计算机辅助断层片(Computerized tomography,CT)数据建立具有解剖结构的3D数字化颌骨模型,通过尸体头颅建立的下颌运动模型,准确采集下颌运动的信息参数,还原出下颌运动轨迹,可视化下颌运动过程,量化下颌运动参数,揭示下颌运动的规律,并且从而建立了下颌运动的量化研究方法。同时对下颌骨进行生物力学测试及有限元(Finite element,FE)受力分析,二者互动揭示了受力后下颌骨体内的应力传导规律,为虚拟仿真中实时交互的力学反馈奠定了基础。 本研究讨论建立下颌运动虚拟仿真中的关键问题:下颌运动的相关解剖特点及建模研究,下颌运动信息采集及下颌运动虚拟还原,下颌运动中实时交互的力学分析。具体从以下三个方面进行: 1.下颌运动相关数字化解剖研究 解剖下颌运动的相关结构——咀嚼肌、颞下颌关节盘、颞下颌关节韧带。首先解剖咬肌、颞肌、翼外肌、翼内肌、颞下颌关节的韧带,明确其起止点、分布、走行及形态特征。从大体标本及组织学切片观察关节盘的形态及组织学构成。明确了咀嚼肌、颞下颌关节盘、颞下颌关节韧带的解剖学特点及生物力学特点。分别利用CT扫描数据、三维激光扫描的点云图以及数字人(Digitalvirtual human,DVH)数据集,重建出咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌具有解剖结构的三维数字化模型,可以三维显示、空间定位、测量计算,并可以满足生物力学分析要求。尝试多种方法建立软组织的模型,旨在准确再现精细的解剖结构,将在其形态学及功能的研究、解剖教学、软组织修复重建手术的术前评估中有重要应用,同时也为建立具有物理人特性和生理人特性的下颌运动模型提供了基础。 2.下颌运动虚拟还原 根据CT扫描数据,利用Minics建立上下颌骨独立的3D数字化模型,选择以眶耳平面为基准平面建立评价下颌运动的坐标系。采用三维激光扫描系统采集下颌运动模型的运动状态点云图,利用Geomagic软件还原出下颌运动的状态,并获得下颌运动状态的6个自由度(Degree of freedom,DOF)。采用重复测量的方差分析方法对6个自由度进行统计分析,结果为:开闭口运动主要发生在矢状向,但同时还伴有其他方向的运动。通过坐标变换可以获得切点、右侧髁突、左侧髁突的6个自由度变化,并通过函数变换计算或用Geomagic软件直接测量均可得到任一点位置在下颌运动中的距离变化。在3Dmax软件中,利用独立的上下颌骨3D数字化模型和切点变化的6个自由度,实现下颌运动虚拟还原。本研究在三维空间中显示上下颌骨之间、上下牙列、颞下颌关节面之间的关系,可视化运动过程,量化其运动三维空间的变化规律,建立了下颌运动的量化研究方法。进一步对在体运动进行研究,建立实用临床的下颌运动量化检查方法。 3.下颌骨生物力学测试及有限元模型分析 利用新鲜下颌骨建立下颌骨颏部撞击实验模型,在858-MTS材料实验机上进行颏部受力测试。采用三维激光扫描系统建立高度逼真的下颌骨模型,再将其转换为有限元模型。根据生物力学实验条件,设置有限元的边界约束,分析颏部撞击后下颌骨内部应力改变情况,揭示了下颌骨颏部受力后应力变化过程及应力传导规律,获得了应力在下颌骨的传导曲线。有限元方法不仅可以对标本试验进行验证,同时可以明确生物力学实验所不能涉及的下颌骨内部应力变化,二者互动使有限元分析结果最大限度与撞击试验的结果相吻合,做到真正意义上的模拟仿真。 本研究结论 (1)建立了具有解剖结构的咀嚼肌数字化模型:分析下颌运动相关的咀嚼肌、关节韧带、关节盘的解剖学特点和生物力学特点,利用CT数据、三维激光扫描的点云图、数字人的数据集,分别重建出具有解剖结构的咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌3D数字化模型。形成了基于解剖结构建模方法,实现了三维显示、空间定位、测量计算,并可以满足生物力学分析要求。 (2)建立了有利于评价下颌运动的坐标系:以眶耳平面为基准平面,建立的评价下颌运动坐标系,有利于精确、方便量化研究下颌运动。 (3)实现了下颌运动虚拟还原:利用CT图像建立独立的上下颌骨3D数字化模型,三维激光记录下颌运动状态的信息,实现了下颌运动虚拟还原。从而描绘了下颌3D运动轨迹,可视化下颌运动过程,量化下颌运动参数,揭示了下颌运动的规律,建立了下颌运动的量化研究方法。进一步将对在体下颌运动进行研究,建立适用于临床的下颌运动的量化检查方法。 (4)揭示了下颌骨内部应力传导规律:下颌骨颏部生物力学撞击实验和有限元分析互动,明确下颌骨颏部受力后其内部应力传导变化过程,获得了应力在下颌骨内部的传导曲线。 综上所述,基于解剖结构建模、下颌运动信息获取、生物力学测试,有限元力学分析的探索,建立出了下颌运动的量化研究方法,进一步可以实现适用于临床下颌运动的可视化及量化检查方法,并为其虚拟仿真奠定了基础。
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