下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的研究進(jìn)展

周 言 米叢波

下頜骨是人體運(yùn)動(dòng)最頻繁的器官之一，咀嚼、吞咽、語言等口腔功能都需要其參與完成?？谇会t(yī)學(xué)領(lǐng)域通過記錄下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，來分析、研究下頜運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不斷深入了解口頜系統(tǒng)的功能狀態(tài)，為臨床實(shí)踐提供參考[1]。本文回顧了下頜運(yùn)動(dòng)研究的發(fā)展歷史，介紹了下頜運(yùn)動(dòng)軌跡記錄方法的研究進(jìn)展以及應(yīng)用現(xiàn)狀。

一、下頜運(yùn)動(dòng)研究歷史

人們對(duì)于下頜運(yùn)動(dòng)的研究已有200多年的歷史。19世紀(jì)初，Gariot[2]研發(fā)了最早的牙合架，并模擬觀察了下頜的開閉口運(yùn)動(dòng)。1889年Luce[3]首次應(yīng)用了X線攝影技術(shù)，測(cè)量出了矢狀面開閉口運(yùn)動(dòng)過程中的髁突運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)的動(dòng)態(tài)作出了初步研究，然而通過X線無法分辨出軟組織上的標(biāo)志點(diǎn)，且局限于二維空間。1921年McCollum[4]發(fā)明了機(jī)械描記儀，通過將面弓固定在下頜上，用與面弓相連接的描針記錄三維空間上的髁突運(yùn)動(dòng)軌跡。但該設(shè)備操作技術(shù)復(fù)雜，且在尋找鉸鏈軸點(diǎn)和基準(zhǔn)平面的定位時(shí)，精確度低且易出現(xiàn)誤差。1957年P(guān)osselt[4]通過在尸體上模擬下頜運(yùn)動(dòng)，描繪出了下頜邊緣運(yùn)動(dòng)的軌跡圖，簡潔地展示了各類下頜位置及其之間的關(guān)系，成為下頜運(yùn)動(dòng)研究中的一項(xiàng)經(jīng)典之作。1975年Jankelson[5]發(fā)明了下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀（mandibular kinesiograph，MKG），通過磁電轉(zhuǎn)換的方式，可分別從矢狀面、冠狀面、水平面觀測(cè)到下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，這類“無接觸型”設(shè)備減輕了下頜的負(fù)擔(dān)，極大的促進(jìn)了下頜運(yùn)動(dòng)研究的發(fā)展。

自20世紀(jì)70年代后，隨著磁電學(xué)、超聲學(xué)、光電學(xué)發(fā)展以及數(shù)字化技術(shù)的日新月異，與下頜運(yùn)動(dòng)分析有關(guān)的儀器也不斷完善，整合了虛擬牙合架、下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記系統(tǒng)、電子面弓、三維面部掃描儀等系統(tǒng)，可應(yīng)用于下頜運(yùn)動(dòng)分析。如Zebris電子面弓（Zebris，德國）、ARCUS digma下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀（KAVO，德國）（圖1），原理是將超聲波發(fā)射源固定在下頜，接受源固定在頭部，從而記錄下頜在三維空間中六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)軌跡[6～9]。數(shù)字化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)臨床或研究領(lǐng)域的多元化選擇，如孫方方等[10]融合了同一患者的多源數(shù)據(jù)[如錐束形CT（cone beam computed tomography，CBCT）、面部掃描、口內(nèi)掃描等]，并在義齒設(shè)計(jì)軟件中使用下頜骨模型（源自CBCT）模擬患者真實(shí)個(gè)體化運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 ARCUSdigma下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀（KAVO，德國）

二、下頜運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集方法

牙合架能夠模擬下頜骨和顳下頜關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，是研究下頜運(yùn)動(dòng)必不可少的工具。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，虛擬牙合架逐漸取代機(jī)械牙合架，能夠?qū)⑾骂M運(yùn)動(dòng)可視化，同時(shí)可以避免機(jī)械面弓以及蠟或石膏材料的變形而產(chǎn)生的誤差，減少椅旁操作時(shí)間[11]。2018年Lam等[12]應(yīng)用立體攝影測(cè)量和面部掃描研發(fā)了一種虛擬牙合架，他們測(cè)量并對(duì)比了同一受試者的5次下頜運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示此虛擬牙合架具有重復(fù)性。2020年Linlin等[13]對(duì)基于計(jì)算機(jī)雙目視覺和光柵掃描技術(shù)的虛擬牙合架系統(tǒng)進(jìn)行定量評(píng)估，結(jié)果顯示直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)誤差在100 μm以下，矩形四邊形平面的角度誤差在0.2°以內(nèi)，切道的誤差在2°左右。相比傳統(tǒng)牙合架，研究者認(rèn)為此系統(tǒng)具有較高的精度和穩(wěn)定性，能夠同時(shí)獲得受試者口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)和下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，并且無需在患者頭部安裝復(fù)雜的機(jī)械裝置，既避免了軟組織的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又能夠?qū)⒀懒械能壽E數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真程序中。

但虛擬牙合架費(fèi)用較高，并且基于不同計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作（computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM）的虛擬牙合架對(duì)于上頜相對(duì)位置關(guān)系的轉(zhuǎn)移尚有缺陷。

2.電子面弓

作為口腔數(shù)字化診療發(fā)展中的重要工具，電子面弓可以精準(zhǔn)測(cè)量受試者的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)咬合的數(shù)據(jù)測(cè)量，提高診療的精確性[14]。電子面弓相比傳統(tǒng)的研究方法，擺脫傳統(tǒng)機(jī)械面弓轉(zhuǎn)移過程中的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化牙合架參數(shù)的獲取，既避免運(yùn)動(dòng)面弓的復(fù)雜操作所帶來的誤差，又能將記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤或存儲(chǔ)卡上。如2011年張松梅等[15]與2017年Sójka等[7]均用ARCUSdigma裝置獲得了可視化參數(shù)及運(yùn)動(dòng)路徑，認(rèn)為此設(shè)備可以實(shí)時(shí)評(píng)估髁突運(yùn)動(dòng)，這對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)紊亂?。╰emporomandibular disorders，TMD）的診斷、預(yù)后和管理以及對(duì)TMD治療效果的持續(xù)監(jiān)測(cè)都具有價(jià)值。但此設(shè)備昂貴，未能在臨床中普及。

3.光學(xué)與攝影技術(shù)

隨著各類下頜運(yùn)動(dòng)軌跡記錄系統(tǒng)不斷問世，研究者們也在探討如何設(shè)計(jì)出低成本、簡單、無創(chuàng)、靈活的測(cè)量方法，從而更好地滿足臨床實(shí)際需要。2011年P(guān)inheiro等[1]將10名受試者的下頜進(jìn)行標(biāo)記，使用低成本攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)程序，通過記錄所標(biāo)記的反光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行下頜運(yùn)動(dòng)臨床試驗(yàn)。結(jié)果表明該方法的平均誤差小于1.0 %，準(zhǔn)確可靠。2019年Andrade等[16]在Pinheiro研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)碼相機(jī)記錄下頜前額平面開閉口運(yùn)動(dòng)的影像，并認(rèn)為攝影測(cè)量法也可用于評(píng)估頭部姿勢(shì)和下頜開閉口運(yùn)動(dòng)。2020年，Tian等[17]針對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定過程復(fù)雜性高、三維測(cè)量精度低的問題，開發(fā)了一種基于雙目立體視覺、反向傳播（back-propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和三維補(bǔ)償方法的三維光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地記錄下頜運(yùn)動(dòng)。Tian通過電子平移平臺(tái)對(duì)此系統(tǒng)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示均方根精度為0.0773 mm，較現(xiàn)有的其他下頜運(yùn)動(dòng)記錄系統(tǒng)提高了50 %，結(jié)果表明該系統(tǒng)可靠性和準(zhǔn)確性均較高。此系統(tǒng)消除了下頜運(yùn)動(dòng)中頭部和身體的非自主振動(dòng)的影響，但只能用于測(cè)量平面上運(yùn)動(dòng)軌跡，不能真正評(píng)價(jià)空間中的三維運(yùn)動(dòng)，且操作時(shí)間長效率低。

4.三維掃描數(shù)據(jù)的融合

2019年Kim等[8]與Kwon等[9]分別運(yùn)用三維（3D）面部掃描儀記錄下頜運(yùn)動(dòng)。Kim將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件，重建下頜運(yùn)動(dòng)及路徑，應(yīng)用于咬合分析中；Kwon也成功將下頜運(yùn)動(dòng)參數(shù)、口內(nèi)掃描與錐形束CT數(shù)據(jù)合并，再現(xiàn)顳下頜關(guān)節(jié)（temporomandibular joint，TMJ）區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。這一舉措為數(shù)字化口腔診療中獲取TMJ與咬合的三維動(dòng)態(tài)參數(shù)奠定了基礎(chǔ)。同年，Lepidi等[18]也成功將口內(nèi)掃描和錐形束CT數(shù)據(jù)融合并轉(zhuǎn)移了虛擬牙合架中，三維圖像可以提供鼻根點(diǎn)、眶點(diǎn)等多種參考點(diǎn)。但根據(jù)ALARA原則[19]（對(duì)患者的輻射劑量應(yīng)盡可能低），本技術(shù)僅適用于正頜手術(shù)以及復(fù)雜的跨學(xué)科病案（正畸、修復(fù)體和顳下頜關(guān)節(jié)等）。

5.虛擬仿真（仿生）下頜運(yùn)動(dòng)

不同于大部分下頜運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)依賴于人員操作，2020年Carossa等[20]研究了仿生下頜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（bionic jaw motion，BJM），此系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：下頜運(yùn)動(dòng)分析儀和精確再現(xiàn)記錄運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人裝置。下頜運(yùn)動(dòng)分析儀由每秒140幀的高頻攝相機(jī)的光電運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)和定制計(jì)算機(jī)軟件組成，該軟件識(shí)別并確定每個(gè)口內(nèi)標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)距離，從而重建下頜運(yùn)動(dòng)，達(dá)到10～13 cm/s的高速以及小于0.1 mm的精度；機(jī)器人裝置將下頜運(yùn)動(dòng)量化為一個(gè)具有六個(gè)自由度的剛體，克服了力學(xué)的限制，故無需更多的機(jī)械配件，從而降低了生產(chǎn)成本。此研究中，Carossa通過在受試者上下頜安裝環(huán)形改良固位體來連接標(biāo)記物（圖2），這種固位體不覆蓋任何咬合表面，不阻礙下頜運(yùn)動(dòng)，使用口內(nèi)參照系統(tǒng)，不受外部參考系統(tǒng)（鉸鏈軸）的影響，如面弓-牙合架系統(tǒng)，或髁突運(yùn)動(dòng)的改變，以避免在臨床上無法明確判斷口外標(biāo)志時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。與ARCUSdigma等其他系統(tǒng)相比，BJM對(duì)患者來說也更輕、更舒適，記錄下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間也更少，但此系統(tǒng)仍需大樣本數(shù)據(jù)以取得進(jìn)一步研究。

圖2 上頜和下頜固位體連接標(biāo)記物視圖

6.國內(nèi)下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀的現(xiàn)狀

臨床中使用的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀大多數(shù)是國外儀器，目前，國內(nèi)已有自主研發(fā)的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀器，如袁紹芳[21]發(fā)明的一種下頜跟蹤裝置，包括霍爾傳感器、固定面架、自由運(yùn)動(dòng)磁鋼和相應(yīng)的放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成的磁性下頜運(yùn)動(dòng)跟蹤裝置，通過電磁轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)下頜運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)的采集；李科等[22]發(fā)明的一種可以記錄牙頜運(yùn)動(dòng)軌跡的裝置，其主要包括含有超聲換能單元的上頜頭架和下頜夾板，通過計(jì)算機(jī)識(shí)別超聲信號(hào)，從而獲取牙合架參數(shù)、轉(zhuǎn)移頜位關(guān)系。由于系統(tǒng)復(fù)雜，精度低，操作繁瑣，影響了臨床使用。

三、下頜運(yùn)動(dòng)在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1.在修復(fù)、種植中的應(yīng)用

下頜運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)分析也可用于修復(fù)體的設(shè)計(jì)。2021年Li等[23]對(duì)12名受試者采用新型虛擬牙合架系統(tǒng)記錄了下頜運(yùn)動(dòng)，在數(shù)字模型中創(chuàng)建牙體缺損形態(tài)，并在虛擬牙合架的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)咬合下對(duì)牙體缺損進(jìn)行修復(fù)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用下頜運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)分析中的修復(fù)體與患者本身牙體形態(tài)更吻合。因此，當(dāng)患者牙列缺損時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量下頜運(yùn)動(dòng)，以獲得精準(zhǔn)的修復(fù)體設(shè)計(jì)。Shen等[24]測(cè)量了26例女性和14例男性（年齡21～30歲）在升高不同垂直距離（3、5、8 mm）的情況下，吞咽運(yùn)動(dòng)中的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡。作者觀察到吞咽過程中垂直距離增加與下頜運(yùn)動(dòng)軌跡呈正相關(guān)趨勢(shì)，當(dāng)垂直距離增加超過3 mm時(shí)，可改變吞咽時(shí)下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的范圍，這為復(fù)雜的修復(fù)體設(shè)計(jì)提供了參考。2017年Bassam等[25]結(jié)合面部掃描、口內(nèi)咬合記錄與CAD/CAM全口義齒，將10名牙列缺損患者全牙拔除后即刻行義齒植入術(shù)。通過患者的掃描信息創(chuàng)建虛擬的全口義齒設(shè)計(jì)，并使用口內(nèi)咬合記錄作為參考，以評(píng)估術(shù)后的療效。結(jié)果顯示主觀及臨床綜合評(píng)價(jià)均較高，其中包括臨床適配性、咬合、關(guān)節(jié)和美學(xué)，并且所有的臨時(shí)義齒都保留了三個(gè)月功能良好，無明顯并發(fā)癥。這種數(shù)字化技術(shù)有可能會(huì)加速義齒植入后的康復(fù)過程，并給義齒的設(shè)計(jì)與植入帶來可預(yù)測(cè)的功能和美學(xué)結(jié)果。

2.在正畸、正頜外科中的應(yīng)用

下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的分析為錯(cuò)牙合患者的功能評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。2016年劉玉等[26]分析了33名20～23歲受試者的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，比較了個(gè)別正常牙合與不同牙合型受試者的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，認(rèn)為安氏Ⅱ類錯(cuò)牙合畸形組開口度及運(yùn)動(dòng)范圍均小于其他牙合型人群；安氏Ⅰ類和安氏Ⅲ類的開閉口范圍均大于正常對(duì)照組；而正常對(duì)照組的最快開口速度明顯大于其他組。該研究顯示了不同牙合型的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡特征，個(gè)別正常牙合型組的下頜運(yùn)動(dòng)潛力較錯(cuò)牙合畸形組高。2020年Sepp等[27]再次證實(shí)不同牙合型對(duì)下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，他對(duì)1172名乳牙期和替牙期兒童及恒牙青年進(jìn)行下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，發(fā)現(xiàn)下頜運(yùn)動(dòng)功能與反牙合、開牙合、深覆牙合之間存在關(guān)聯(lián)。

下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的分析有助于評(píng)估正頜手術(shù)患者在術(shù)后的下頜運(yùn)動(dòng)功能[28]。2019年Kim等[29]對(duì)27名面部不對(duì)稱的骨骼Ⅲ類患者進(jìn)行了下頜運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集，認(rèn)為面部不對(duì)稱的骨骼Ⅲ類患者在術(shù)后7～8個(gè)月內(nèi)，肌電活動(dòng)恢復(fù)到術(shù)前水平，而最大開口、前伸和側(cè)方運(yùn)動(dòng)，未能完全恢復(fù)到術(shù)前水平。2020年Ueki等[30]比較了81例患者（28例Ⅱ類，53例Ⅲ類）與27名正?；颊叩南骂M運(yùn)動(dòng)特征，分別在術(shù)前、術(shù)后6個(gè)月和1年用下頜運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（K7）記錄受試者的下頜邊緣運(yùn)動(dòng)，該研究發(fā)現(xiàn)受試者的下頜邊緣運(yùn)動(dòng)可在術(shù)后1.5年恢復(fù)。

下頜運(yùn)動(dòng)軌跡分析在比較不同術(shù)式預(yù)后情況中起到重要作用。2021年Mohlhenrich等[31]評(píng)估了在矢狀面截骨術(shù)（high oblique sagittal split osteotomy，HSSO vs bilateral sagittal split osteotomy，BSSO）下頜運(yùn)動(dòng)的范圍和方向，該研究觀察到BSSO和HSSO在下頜前移和后移方面存在差異。這項(xiàng)研究的結(jié)果與目前文獻(xiàn)報(bào)道的部分不同，因此，BSSO與HSSO之間的移動(dòng)距離有待進(jìn)一步的臨床研究。此外，下頜運(yùn)動(dòng)軌跡也可評(píng)估正頜術(shù)后治療方法的療效，如2019年D'ávila等[32]通過下頜運(yùn)動(dòng)軌跡分析研究證實(shí)低功率激光光療不僅能改善疼痛，還有助于術(shù)后下頜運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)，因此該研究支持低功率激光光療在正頜手術(shù)后的使用。

3.顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的診斷與治療評(píng)價(jià)

TMD癥狀之一是下頜運(yùn)動(dòng)異常，因此研究下頜運(yùn)動(dòng)特性與TMD的相關(guān)性，有助于加深對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)生理功能的認(rèn)識(shí)[7，16]。2014年Marpaung等[33]記錄了53名平均年齡為28歲的TMD患者的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，并將結(jié)果與TMD的“金標(biāo)準(zhǔn)”MRI進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的特異性達(dá)96.6 %，表明該方法有助TMD的早期診斷。2019年Moriuchi等[34]重建了小鼠的下頜三維運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得了小鼠在咀嚼過程中的下頜運(yùn)動(dòng)路徑，將髁突等內(nèi)部解剖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可視化，從而為TMD的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡特征提供參考。

此外，下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的分析有助于TMD的治療及預(yù)后。例如，通過分析下頜運(yùn)動(dòng)軌跡以確定良好的咬合關(guān)系，為牙合板、正畸等方法治療TMD提供參考，以消除導(dǎo)致TMD的牙合因素[35]。2016年Giro等[6]測(cè)量了42例女性患者（正常對(duì)照組13例，僅接受教育組16例，教育并自我護(hù)理組13例）的開閉口運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)僅接受教育組與教育并進(jìn)行自我護(hù)理組對(duì)慢性疼痛TMD患者的下頜運(yùn)動(dòng)有差異，教育并進(jìn)行護(hù)理組的下頜運(yùn)動(dòng)軌跡與正常組更接近。

四、小結(jié)與展望

在數(shù)字化口腔醫(yī)療的趨勢(shì)下，研究者可將數(shù)據(jù)做更多融合，將下頜運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)與面部掃描數(shù)據(jù)、口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)、CBCT、咬合力分析及數(shù)字美學(xué)設(shè)計(jì)（digital smile design，DSD）等融合，對(duì)牙列、頜骨或者關(guān)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化分析，達(dá)到神經(jīng)、肌肉、顳下頜關(guān)節(jié)及下頜骨的綜合治療，為臨床治療提供更多思路，避免醫(yī)源性牙合創(chuàng)傷，使口頜系統(tǒng)處于健康的生理狀態(tài)，從而給患者制定個(gè)性化治療方案。目前，電子式下頜運(yùn)動(dòng)記錄仍存在操作繁瑣、儀器價(jià)格昂貴等問題，下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀的開發(fā)具有非常廣闊的發(fā)展前景。下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀正在朝著數(shù)字化、智能化、人性化、普遍化的方向發(fā)展，在保證下頜運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時(shí)，既能使受試者更加舒適，又能減少椅旁操作時(shí)間，更重要的是，能在一定程度上減輕使用者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。