颞下颌关节紊乱病的三维咬合评价系统开发*

刘 岩 张 曦 王美青 刘 洋*

颞下颌关节紊乱病(temporomandibular disorder，TMD)是一种常见的颞下颌关节病，同时也是口腔临床上的多发病，据统计，约有20%～60%的人患有颞下颌关节紊乱病[1]。TMD的主要特征包括颞下颌关节区和(或)咀嚼肌疼痛、异常关节弹响或关节音及下颌运动功能障碍，临床表现为咀嚼肌疼痛、关节痛、关节弹响、张口受限、不对称的下颌运动等[2]。TMD多发于青壮年时期，且多数患者数种症状同时存在，症状复杂、病程迁延且反复发作，严重的危害患者身心健康。TMD的病因尚不明确，可能由多种因素共同影响疾病的产生与发展，导致颞下颌关节紊乱病的分类标准不统一，诊断较为复杂[3]。

咬合因素是较早被提出的TMD致病因素之一，咬合异常是TMD发病的可能因素之一[4-5]。异常咬合可以作为独立的致病因素，导致颞下颌关节退行性改变而引起TMD[6-7]。其中，垂直向咬合异常与TMD有密切的相关关系[8]。目前，临床上牙科医生通过传统的望诊、听诊、触诊、运动试法等传统手段对TMD进行诊断，进而使用不同的治疗策略[1]。在TMD的临床检查与诊断中，咬合检查是其中重要的一项内容。临床较为常用的一种方法为模型分析法，即通过取印模灌注牙列石膏模型，可以弥补口内视野不足的缺点，便于观察咬合关系[9]。然而，通过人工鉴别咬合关系，易受主观因素影响，结果一致性差，准确性低。为此，本研究设计一套针对TMD咬合检查评价的三维咬合评价系统，旨在利用软件手段，通过特征定量计算反映TMD患者咬合情况，并生成三维距离模型，以达到直观及客观地辅助TMD诊断的功能。

1 三维咬合评价系统设计

1.1 软件设计及开发工具

三维咬合评价系统在Visual Studio 2015的环境下，主要基于医学影像交互开发包2016.11(medical imaging interaction toolkit，MITK-2016.11)库(http：//mitk.org/wiki/MITK)开发，并使用了Qt5.6实现用户交互界面。目前，医学影像研究中使用最广泛的两个算法平台是可视化开发包(visualization toolkit，VTK)和图像分割和配准类库(insight segmentation and registration toolkit，ITK)，使用的MITK类库是将可视化和算法结合的集成化医学影像算法平台，弥补了VTK和ITK算法与可视化分离的局限，具有强大的图像处理功能，并在实现对数据的可视化基础上强化了对用户交互的支持[10-11]。

1.2 软件开发

三维咬合评价系统采用的患者数据是由牙模型扫描而来的立体光刻(stereo lithographic，STL)文件格式的三维空间咬合数据。STL文件格式是美国3D SYSTEMS公司提出的三维实体造型系统的一个接口标准，接口格式规范，在医学成像系统中有广泛的应用[12]。该类文件使用小三角面片逼近三维表面的空间结构，通过给出三角形法向量的分量及三角形的3个顶点坐标来实现。STL文件格式的优势在于易获取、成本低，以及便于区分和观察上下颌的咬合关系。

系统对患者的STL格式三维牙模型表面结构进行批量数据的读取、显示与处理。①给出三维表面结构与三个投影面之间的对应位置关系；②批量计算并存储反映咬合关系的咬合最短距离和垂直距离特征；③之后模拟距离特征分别在上下颌的分布，显示三维效果图，最终达到存储咬合距离数据、生成咬合距离图像以及显示其分布的功能。软件功能的实现过程见图1。

2 三维咬合评价系统功能

2.1 患者数据读取

软件的初始界面分为两个区域，其上侧为显示交互区，下侧为数据处理区。在显示交互区域可以显示原始数据以及处理后结果，也提供了良好的交互功能。在数据处理区域，可以实现包括对单个患者的单侧牙表面模型的分别读取、对单个患者双侧牙表面模型共同读取以及对批量患者的双侧牙表面模型数据共同读取在内的3种不同读取方式，读取过程可以选择路径读取或者交互读取，满足牙科医生的不同检查需求。此外，系统还设置了对已保存的计算结果读取的功能，便于反复检查分析以及疗效评价。

图1 三维咬合评价系统功能实现过程

2.2 数据同步显示

三维咬合评价系统利用MITK软件平台所支持的多视图同步显示功能，在读取患者STL格式数据后，显示患者牙模型的冠状面、矢状面、轴状面以及三维结构并标注。其中，前3个视图均为整个模型的某一层的视图，三者存在相互对应关系，可根据鼠标选定点(层)同步更新显示，见图2。

图2 三维咬合评价系统结构数据同步显示

2.3 数据处理与存储

数据处理与存储模块可以计算包含咬合关系的最短距离与垂直距离两个量并存储，添加了批量数据的计算和存储功能，其算法为：①读取双侧STL格式牙模型的三角面片各顶点，双侧顶点对应关系；②判断构成咬合关系的表面点；③以其中一侧表面点为基准，计算从另一侧表面点到基准侧表面点的最短距离、从基准侧最高点所在的水平面到另一侧各点的垂直距离两个特征量，经过阈值设定，得到有效数据后保存为txt格式文件。STL格式牙模型的上下颌牙表面顶点对应关系见图3。

图3 STL格式牙模型的上下颌牙表面顶点对应关系

2.4 交互功能

三维咬合评价系统具有强大的交互功能。在读取数据模块界面上，医生可以手动定位不同空间位置的截面，分别调节上下侧牙模型的透明度，从而更加清晰地反映咬合关系。在结果显示界面，系统支持手动设置三维柱状图、地形图的伪彩色以及伪彩色显示阈值，使计算结果更为个性化、更直观。系统界面的所有窗口都存在同步关系，牙科医生可以从多个视角观察咬合情况。对显示结果设置伪彩色及阈值时也会在三维模型显示窗口同步设定，在三维模型上任意一点进行定位都会在柱状图以及地形图上高亮显示定位点，并在三维模型显示窗口标出计算所得距离值。此外，系统还可以将计算得到的柱状图、地形图进行反转，提供了更强的灵活性。交互功能展示效果见图4。

3 三维咬合评价系统图形结果显示

在计算得到咬合特征结果后，软件可以以三维柱状图、地形图以及咬合间隙模型三种方式来显示咬合距离模拟结果，并将结果展示在显示交互区界面。

3.1 柱状图

图4 三维咬合评价系统交互功能展示

通过三维咬合评价系统软件将求得的咬合距离按照上颌、下颌对应位置分别在模型上排列，构成以上颌、下颌为基准的三维柱状图，从而使计算结果更直观化，应用更为方便。柱状图显示效果见图5。

图5 三维咬合评价系统柱状图显示效果

3.2 地形图

三维咬合评价系统同时设置了地形图显示模拟结果的功能。地形图在三维柱状图的基础上进行插值后显示，可得到更为精细的结果，更易于观察咬合间隙的分布情况。地形图功能见图6。

图6 三维咬合评价系统地形图显示效果

3.3 咬合间隙模型

通过三维咬合评价系统得到咬合距离之后可根据需求选择三维咬合间隙的显示。显示方法删除了与咬合无关部分的模型，只保留了上下牙列距离较小的一部分表面模型，从而可以从内部视角观察咬合情况。将柱状图颜色按照对应位置投影到三位咬合间隙表面，可直观的观察到咬合面的形态、咬合距离的相对大小。此外，将鼠标移动至任意一点，都会同步显示计算得到的距离值，方便进行量化评价。咬合间隙模型效果见图7。

图7 三维咬合评价系统咬合间隙模型效果

在通过三维咬合评价系统得到计算结果后，软件可以进一步将三维咬合间隙模型与原数据三维模型融合显示。系统界面左侧为数据读取与显示区，包含操作部分与原数据三维显示部分，依次为冠状面、矢状面、轴状面以及三维结构与咬合间隙显示窗口；右侧及下方为数据处理与结果展示区，包含交互部分与计算结果展示部分，依次为以上颌为准的柱状图、以上颌为准的地形图、以下颌为准的柱状图以及以下颌为准的地形图。整体显示效果界面见图8。

图8 三维咬合评价系统整体显示效果界面图

4 结论

本研究设计的三维咬合评价系统创新使用了TMD患者三维咬合模型作为MITK医学影像处理平台的原始数据，提取咬合特征作为咬合评价依据，并建立咬合特征的三维显示，辅助医师更直观、方便地完成TMD的诊断。在后续的研究和开发过程中，拟将进一步增加反映咬合情况的特征，充分利用计算结果中的咬合信息，并结合机器学习的算法对提取得到的图像进一步分析，从而达到更客观精准的疾病诊断、分类、分期及预后的效果，形成完整的TMD辅助诊疗系统，为TMD的诊断治疗提供可靠和高效的新手段。