數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

育種和咬合接觸。隨著計算機虛擬技術在各領域的發(fā)展,人們設想利用計算機強大的數(shù)字化分析、顯示功能,建立數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng),以便更科學地顯示顱面結(jié)構(gòu)與牙列之間的動、靜態(tài)關系。我們通過建立三維數(shù)字模型、獲取下頜運動軌跡和軟件編程,探討建立數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng)、實現(xiàn)模擬下頜運動的方法。數(shù)據(jù)和方法一、數(shù)據(jù)收集和坐標系建立1.石膏模型的建立采用LSH600三維激光掃描儀(臺灣智泰公司,精度0.02mm)分別掃描受試者(牙列完整,關系正常,無顳下頜關節(jié)疾病癥狀)上、下牙列及正中的石膏模型。利用Geomagic軟件重建數(shù)字化正中模型。2.案例1:美國efidlus使受試者上、下頜處于牙尖交錯位,進行頭部螺旋CT(GELightspeedPlus,通用電氣公司,美國)掃描,層厚0.8～1.0mm。利用Mimics軟件、Geomagic軟件重建顳下頜關節(jié)窩、髁突的模型。3.“三維下頜”的數(shù)字圖像將數(shù)字化正中模型與顳下頜關節(jié)的三維重建模型進行整合,分別得到上頜牙列與關節(jié)窩的數(shù)字圖像(以下稱“三維上頜”)、下頜牙列與髁突的數(shù)字圖像(以下稱“三維下頜”)。根據(jù)重建的數(shù)字化正中模型確定三維上頜和三維下頜間的位置關系。4.獲取下頜運動軌跡數(shù)據(jù)采用ARCUSdigma系統(tǒng)(KaVo公司,德國,精度0.1mm)獲取受試者下頜開閉口、前伸和側(cè)方運動時參考點的軌跡。5.下頜模型的圖像位置①將上頜牙列石膏模型放置到叉上,激光掃描;②將上頜叉(KaVo公司,德國)固定在轉(zhuǎn)移臺(KaVo公司,德國)和PROTAR?架(KaVo公司,德國)下頜體上,激光掃描,確定坐標系(原點:下頜體髁突連線中點;X軸:平面的左右方向;Y軸:上下方向;Z軸:平面的前后方向);③將①的圖像附加到②的圖像中,確定上頜模型的掃描圖像在坐標系的位置;④將上頜模型圖像的牙列與三維上頜的牙列進行對合、鎖定,確定三維上頜、三維下頜在坐標系中的位置(圖1)。二、重建模型的顯示及建模方法在VisualC++平臺上通過OpenGL三維圖形軟件接口編程實現(xiàn)。1.創(chuàng)建應用程序框架,添加相應的變量和函數(shù)。2.重建模型的顯示:通過兩個鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將三維上頜、三維下頜數(shù)據(jù)(STL格式)分別讀入內(nèi)存,并在視窗中同時顯示。3.與模型的交互,獲得需要的曲線和面等信息。4.采用Spline方法擬合曲線。5.下頜運動模擬的實現(xiàn):根據(jù)參考點的運動軌跡,利用剛體旋轉(zhuǎn)特性,得到三維下頜的一系列位置并連續(xù)顯示。6.干涉檢測:采用矢量三角網(wǎng)面體碰撞方法進行碰撞檢測,同時標記顏色。結(jié)果通過建立下頜運動的三維數(shù)字模型、獲取下頜運動軌跡和軟件編程,實現(xiàn)下述功能:一、顯示功能1.不同角度①定向顯示:可以從前、后、左、右、上、下6個方向觀察模型的形態(tài);②任意角度:在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下可以從任意方向觀察模型的形態(tài)。2.收縮輸入縮放倍數(shù)可以對模型整體進行縮放觀察。3.錯誤表示上下、左右、前后方向逐步斷層顯示。4.飛機顯示平面及其與牙列的位置關系(圖2)。二、測量功能1.距離點的距離在圖像上任意選定兩點可以測量兩點間的直線距離。2.曲線在牙列上可以選擇多個點確定橫曲線或縱曲線,并顯示曲線在矢狀面和冠狀面上的投影(圖3)。三、下頜運動模擬能夠以三維動畫的方式顯示三維下頜相對于三維上頜,沿輸入的下頜運動軌跡運動的過程(圖4)。同時,可以顯示下頜運動的瞬間螺旋軸(圖5)。四、接觸點分析計算并顯示正中或下頜運動到任意一位置時上下牙列接觸點的位置(圖6,7)。困境三維重建圖像的重建與觀察口腔的功能,包括咀嚼、吞咽、發(fā)音等,都是通過下頜運動和牙齒的接觸來實現(xiàn)的。通過計算機虛擬技術,建立數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng),為模擬和研究下頜運動、咬合接觸提供了一條新的思路。建立數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng),需要模型三維測量的數(shù)據(jù)、下頜運動軌跡的數(shù)據(jù)、建立參考坐標系的數(shù)據(jù)。運動軌跡數(shù)據(jù)由ARCUSdigma系統(tǒng)獲取,該系統(tǒng)測量精度高,能夠準確地提供測試者功能運動中的實際運動軌跡。牙列的三維圖像通過三維激光掃描重建獲得,在掃描后的數(shù)據(jù)處理中,需要經(jīng)過一定的光順處理,牙列模型上一些較深的溝、隙形態(tài)會略有損失。顳下頜關節(jié)的三維圖像通過CT圖像重建、處理獲得,雖然CT圖像對于骨組織的分辨率較好,且優(yōu)于其他成像方法,但分辨率仍與激光掃描的精度相差很大,故將顳下頜關節(jié)與牙列的三維重建圖像整合起來必然存在誤差。在數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng)中,將二者整合的目的是為了建立牙列與顳下頜關節(jié)的空間位置關系,使得沿下頜運動軌跡模擬下頜運動時,髁突在關節(jié)窩內(nèi)同步運動。對于髁突運動的觀察,這種誤差是可以接受的。本項研究基本實現(xiàn)了在計算機模擬下頜運動中,從不同角度、不同斷面對牙列與顳下頜關節(jié)進行觀察和顯示的功能,可以觀察到采用常規(guī)方法觀察不到的細節(jié)。目前,國內(nèi)外尚無成熟的數(shù)字化顱頜運動系統(tǒng),僅限于單獨對牙列、下頜運動、咬合接觸點的分析或者下頜運動中髁突與關節(jié)窩相對位置的分析。本項研究建立了包括整個牙列、關節(jié)的顱面部三維模型,輸入下頜運動軌跡后,不僅可以實現(xiàn)對運動中上、下牙列相對位置關系及接觸點的分析,而且能同時觀測顳下頜關節(jié)的情況,有利于更好地研究下頜運動中與關節(jié)的關系。然而,研究建立數(shù)字化顱頜