下颌运动轨迹记录的数字化技术

2020-12-04孙方方张丽仙吴国锋

实用口腔医学杂志 2020年6期

孙方方张丽仙吴国锋

下颌运动一直是口腔医学各学科研究的共同对象，也是人完成咀嚼、吞咽、语言、表情等口腔功能活动的外在表现形式，颞下颌关节、咀嚼肌群、牙齿咬合接触等需要协调工作才能保证下颌运动正常，为此对患者进行准确的下颌运动轨迹记录非常必要[1]，对于科学指导临床诊疗活动具有重要意义。关于下颌运动的临床研究长达200 余年，已从最初的下颌“铰链式运动”、髁突“铰链轴”、“髁导/切导”等诸多具体概念逐步上升到维护口颌系统功能整体协调的认识。期间各种新的下颌运动轨迹记录技术不断出现，并呈现出 “全程数字化记录”、“多源一体化融合”的发展趋势。本文将简要回顾下颌运动研究的发展历史，详细介绍数字化下颌运动轨迹描记的发展趋势与临床对象，通过典型实例讲解其在临床诊疗中的实际作用。

1 下颌运动记录技术的发展历史(表 1)

最初的下颌运动研究源自19世纪初为患者口外进行全口义齿排牙及调的临床需求，Gariot发明了第一种真正意义上的架，在其帮助下实现了无牙颌模型间的开闭口运动模拟；随后通过大量尸体解剖学测量观察，学者们认识到下颌运动其实是包括下颌前伸/侧方运动等形式的复杂双关节运动，且不同个体间髁间距、髁道斜度等参数存在显著差异，因而Evens、Bonwell、Walker等持续改进完善架的运动装置设计，相继增加了可调式髁导、切导等架部件，使其能够更加逼真地口外模拟患者下颌运动记录。研究期间学者们发现存在难题是如何准确记录患者个体化的下颌运动轨迹并将其复制到架上，为此Gysi发明了一种机械式描记装置(口外式哥特式弓)，能在临床实际记录下颌前伸/侧方运动的真实轨迹，这是专用下颌运动轨迹描记装置的开始。20世纪70年代后随着计算机技术的发展普及，基于光电技术、压力传感或超声波技术不断开发出各种新的下颌轨迹描记系统，能够更加方便地全程记录患者真实个体化下颌运动特征。例如Slavicek研制出的下颌运动轨迹描记系统(Cadiax)(图 1)可以准确地描记髁突铰链轴位置，同步自动记录双侧髁突运动的时相特征，但存在着操作复杂耗时、依赖实物架转移等缺点。2019 年德国阿曼-吉尔巴赫公司与Zebris联合新推出的下颌运动轨迹描记仪(图2)在此基础上进一步改进，临床操作更加快捷(只需5～10 min)，所记录的计算机数据自动导入义齿设计软件的虚拟架模块能够进行全程下颌运动模拟、指导修复体的虚拟调。未来如何更好地实现口颌系统多源数据(下颌运动信息、牙颌扫描数据、CBCT数据等)融合是数字化下颌运动轨迹记录技术的主要发展方向[2-3]。

2 下颌运动记录技术的发展趋势

2.1 全程数字化记录

从传统机械描记发展到数字化自动记录是下颌运动研究领域里程碑式的进步，但目前市场上大多数数字化下颌轨迹描记仪产品尚未能实现设备操作的“全程数字化”，记录后仍需要通过实物架进行铰链轴转移(图 1C)，导致髁突、切点等诸多参数信息也无法直接用于后续临床数字化治疗设计(例如义齿设计、隐形矫治等)。最新出现的数字化下颌运动轨迹描记仪绕开了如何准确描记真实铰链轴这一难题(图 1B)，通过为每位患者构建个体化的口颌系统相对三维坐标系方法快速捕获运动信息(图 2B)，近期文献(2020年)报道了学者将患者CBCT颌骨和口内扫描牙列数据配准方法，成功将患者的铰链轴位置直接转移至义齿设计软件虚拟架中用于后续设计[4]；另有报道将面部三维扫描数据与口内扫描数据相结合用于记录和转移个体化铰链轴的位置[5-6]，上述研究继续系统探索将有望实现下颌运动研究的“全程数字化记录”。

表 1 下颌运动研究简史

图 1 Cadiax下颌运动轨迹描记系统

图 2 德国阿曼-吉尔巴赫公司的下颌运动轨迹描记仪(Zebris for AG)

2.2 多源一体化融合

数字化下颌运动轨迹记录方法获得的信息诸如髁导斜度、切导斜度、髁突位移等数据，仅各自从不同角度反映了口颌系统部分结构(髁突、切点)的动态信息，而要从整体上全面了解下颌运动情况还需要综合患者颌骨形态、咬合接触、肌肉功能等其他重要信息，因此有必要将口颌系统不同临床检查获得的多源数据进行一体化融合，帮助人们提升对于口颌系统功能运动的整体认知水平。为此作者曾尝试将同一患者的颌骨CBCT数据、牙颌扫描模型与下颌运动信息(.jawmotion格式文件)等进行数据融合获得成功(图 3)，可以在义齿设计软件里驱使下颌骨模型(来源自CBCT)模拟患者真实个体化运动轨迹(图 4)，细致观察运动过程中上下牙列咬合接触变化情况，进而实现口腔修复体设计时的虚拟调。此外，美国BioPAK下颌运动轨迹描记产品在进行运动轨迹描记同时，还可以同步记录患者的颞下颌关节音、咀嚼肌肌电等多源信息[7]，帮助更加全面地进行口颌系统功能分析。

图 3 下颌运动轨迹信息与颌骨CBCT、牙颌扫描数据进行多源数据融合(图中红点与黑色曲线代表患者真实下颌运动轨迹) 图 4 患者在义齿设计软件中模拟真实下颌个体化运动过程

3 下颌运动记录技术的临床对象

3.1 髁突轨迹描记

髁突运动轨迹是下颌运动研究的重要临床对象，髁突运动因受到关节盘位置、肌肉收缩状态以及咬合接触等多重因素影响，其运动状态与下颌整体运动状态并不完全相同，两侧髁突运动也往往存在差异。新推出的的数字化下颌运动轨迹描记仪可以自动记录髁突运动轨迹并全程动态复现髁突运动过程。下文围绕接诊的1 例“左侧关节盘可复性移位”患者的检查进行介绍：图 5是描记仪采集的髁突(红、绿色各自代表左、右侧髁突运动中心)在矢状面、水平面(以及冠状面)上的投影运动轨迹，能够直观比较分析两组轨迹对称性、平滑程度、幅度大小等特征，帮助判定髁突运动功能是否存在异常；图 6是数字化系统自动记录的双侧髁突运动过程视频，显示该患者在开口运动初期髁突运动轨迹正常，但到达开口中期时左右髁突运动轨迹突然显示截然相反的异常运动轨迹，随后继续运动至开口末期时双侧髁突又同时到达了最大开口位，患者闭口回到牙尖交错位过程中双侧髁突未见运动轨迹异常。上述数字化检查结果以直观形式量化揭示了患者个体化髁突运动的时相性特征，相较传统临床观察有无关节弹响、是否偏口型以及关节区不适等检查手段，数字化下颌运动轨迹描记更易于发现髁突运动中存在的异常。

图 5 患者双侧髁突(红、绿色各自代表左、右侧髁突运动中心)在三维参考平面上(矢状面、水平面)上的运动轨迹投影

图 6 患者髁突开闭口运动轨迹描记

3.2 切点轨迹描记

切点运动轨迹描记是下颌运动研究中人们最早关注的临床对象，也是目前临床最常用的口颌系统功能评价指标之一。切点描记方法从百余年前Gysi首先发明的机械式描记装置(哥特式弓)发展到目前数字化下颌运动轨迹描记仪，显著变化是描记方式从接触式描记(机械针-板)改进为非接触记录。国内市场在售的下颌运动轨迹描记仪基本都是基于超声波技术记录切点运动信息，一般将微型超声波发生器通过金属叉固定于下前牙唇侧，使用头戴式超声波接收器固定于患者额部捕获信号(图 2)，根据多普勒效应原理计算出信号源的空间位移和移动速度。这种描记方式优点是工作时不会影响上下牙列正常的咬合关系，因而能在近似生理状态下记录切点真实运动轨迹，相比传统机械接触式描记方法更加准确。图 7是作者接诊的1 例外院行11-22牙全瓷固定修复1年后的患者，其主诉是治疗后前牙区咬合不适、“总感觉不习惯”，作者为其进行口腔检查未见下颌运动明显异常，但行数字化下颌运动轨迹描记后发现异常：该患者在其水平面下颌前伸运动投影初期切点轨迹正常(基本直线向前)，随后切点突然呈现一个向左侧拐弯弧形运动的轨迹，之后切点运动轨迹又恢复正常；从矢状面投影观察到切点运动呈现出一个向下凸起的异常轨迹。综合上述轨迹描记证据可以判定修复体外形不良、存在咬合干扰，并且干扰位置位于上前牙修复体从牙尖交错位至下颌功能边缘位(上下切牙切缘相对位置)之间中部的腭侧修复体区域。

3.3 铰链轴

铰链轴(hinge axis)反映上下颌相对于双侧颞下颌关节的空间位置关系，该概念最早由McCollum(1921 年)提出，后人据此设计出各类机械式下颌运动描记系统，临床描记之前一般需先找到患者个体化铰链轴的准确位置，然后将其转移到实物/虚拟架上。大量临床研究已表明机械式铰链轴记录和转移方法具有良好的可重复性[8-9]，但转移至架上的信息与患者真实情况存在一定差异[10]。数字化下颌运动轨迹描记仪可通过计算机控制的描记针进行自动试错并寻找到真实铰链轴的位置(图 1)，因而相比传统机械式描记仪的结果更加精准[11-12]，但也有研究[13]指出上述方法均不能找到下颌运动真正的铰链轴位置，因为单纯根据描计针的运动轨迹无法判定下颌究竟是单纯原地转动还是伴有一定程度滑动的转动。因此，近年来最新推出的数字化下颌运动轨迹描记仪彻底改变了以往追求精确描记患者铰链轴位置的方法，取而代之的是为每位患者建立口颌系统相对坐标系的方法(图 2)：即采用双侧耳塞替代寻找患者真实的铰链轴点，采用配准上颌咬合板确立上颌牙颌模型相对于双侧耳道点的三维空间坐标，采用下颌运动叉实时描记各种下颌运动过程中实时轨迹信息。

下面是作者应用下颌运动轨迹描记仪为1 例“15-17牙全瓷固定桥”病例记录并自动转移个体化铰链轴的临床过程：数字化下颌运动轨迹仪(Zebris for AG，德国阿曼吉尔巴赫)检查后自动生成患者下颌运动检查报告单以及 “.jawmotion”格式下颌轨迹文件；将文件导入义齿设计软件(Ceramind，德国阿曼吉尔巴赫)中会自动在虚拟架上设置患者个体化铰链轴位置，进一步与患者牙颌模型扫描数据等进行多源数据融合后，下颌模型可在软件中按照患者个体化下颌运动轨迹(图 8)进行修复体的设计与虚拟调，获得15-17牙修复体数据A；另在软件中按照预设平均髁导斜度值(双侧关节前伸髁导斜度均为35°，侧方髁导斜度为10°)、吉尔巴赫架平均平面设计获得15-17牙修复体数据B(图 9)；将数据A与B进行三维模型拟合后可见面功能牙尖、引导牙尖形态均存在显著差异(图 10，灰色为数据A，绿色为数据B)；然后通过同一台牙科数字化铣削车床采用同种牙科氧化锆材料将A、B两组数据加工为修复体成品，在患者口内直接试戴比较咬合纸印记(图 11，红色咬合纸印记为下颌开闭口运动咬合检查结果，蓝色为下颌侧方运动咬合结果)。检查结果显示数据A制作的口腔修复体患者戴用主观感觉更为舒适，医师实际临床调量相比数据B明显减小(图 12)。