追踪下颌骨相对于切牙与髁突运动包络的综合方法：颞下颌关节（TMJ）运动研究新视角

　　本综述提出了一种创新的综合方法，通过整合锥形束计算机断层扫描（CBCT）、口内光学扫描（IOS）和六自由度电磁传感器数据，实现了在口腔临床操作中精确追踪下颌骨相对于切牙和髁突运动包络的位置。该方法利用刚性体变换生成个体特异性的三维（3D）运动包络，评估切牙和髁突标志点是否保持在功能性3D运动包络内。研究通过模拟下颌姿势展示了其临床实用性，揭示了髁突或切牙点可能超出正常运动包络的情况，强调了同时监测切牙和髁突标志点的重要性。该方法为理解颞下颌生物力学提供了临床相关工具，并能在牙科和口腔外科手术中提示医生下颌运动是否接近或超出功能范围，从而预防对TMJ的不良影响。

　　

引言

颞下颌关节紊乱（TMD）是仅次于慢性腰背痛的第二大常见慢性肌肉骨骼疾病，影响约5%–12%的人口，每年造成约40亿美元的医疗成本。TMD是一个总称，涵盖涉及咀嚼肌、颞下颌关节（TMJ）及相关神经和组织的多种临床病症。在扩展的分类中，有超过30种TMD，因此研究其诊断、病因学、预防和优化治疗至关重要。

损伤是TMD的触发因素，前瞻性研究显示，下颌受伤后发生TMD的风险增加4倍。意外伤害的性质阻碍了对损伤期间下颌运动的详细临床研究，但选择性口腔临床程序，如第三磨牙拔除（3MR），适合进行详细的运动学调查。系统综述得出结论，3MR与TMD体征和症状的发展相关，并受性别、年龄、第三磨牙位置、阻生严重程度和手术难度等因素的影响。为了解释这种关联，Huang及其同事假设，在3MR过程中，下颌骨的位置可能对TMJ复合体造成潜在伤害，这些损伤可能随后导致口面疼痛/TMD症状的发展。检验这一假设需要在3MR期间术中测量下颌骨相对于颅骨结构的运动。目前可用的下颌追踪方法不适合在手术中使用，除了手术导航系统（例如，大型器械放置在口内，整个手术需要光学视线，磁场源放置干扰手术访问）。本项目的目标是开发一种可用于术中并展示其应用的方法。

TMJ作为双侧滑膜关节，位于下颌骨左右髁突与颞骨关节窝和关节结节 articulate 的位置。纤维软骨关节盘位于髁突和颞骨关节面之间，这些关节面契合度较差。盘韧带将髁突连接到关节盘，使关节盘在髁突沿关节结节平移（滑动）时随之移动，同时限制髁突在下关节腔内的旋转运动。其他韧带也与TMJ功能相关。例如，连接关节结节与髁突颈的双侧颞下颌韧带（TML）加强了关节囊的外侧部分。TML和关节囊限制髁突从关节结节脱位，TML在后退时紧张，尤其是在同侧偏移时发生的单侧后退。连接颞骨茎突与下颌角的茎突下颌韧带被认为通过限制下颌前伸来保护TMJ。连接蝶骨棘与下颌舌骨的蝶下颌韧带被认为在下颌运动中不起重要作用，尽管有建议称其在开口10°后限制髁突过度平移。

颞骨下颌窝与下颌髁突之间的解剖相互作用，以及TMJ周围的其他组织，对于全面理解TMJ生物力学至关重要。下颌骨可以在6个自由度（dof）上移动，因为髁突和颞骨在运动学上被视为空间中的独立刚性体。尽管下颌骨可以在6dof上移动，但其位置确实受到周围结构的约束，例如颞骨的关节面、上下牙齿的咬合、肌肉和韧带。下颌每天进行2000次或更多的运动。下颌运动通常使用切牙运动包络或Posselt包络来描述，该包络是使用下颌中切牙上的可重现标志点（例如，内侧切角）追踪的路径生成的。绝大多数运动发生在边界运动包络内，例如在说话、咬合、咀嚼和吞咽期间发生的运动。下颌更极端的边界运动被认为受到咀嚼系统解剖限制的约束，包括骨骼、牙齿、韧带和肌肉成分，以及本体感觉和疼痛感知。

各种追踪系统已被开发用于研究下颌骨的运动学，例如机械联动装置、光电系统、电磁系统、射线照相系统或超声波系统。早期的机械方法如 pantographs 和 axiography 提供有限的空间分辨率。射线照相方法提供详细的空间分辨率，但使患者暴露于电离辐射。超声波系统是非侵入性的且价格合理，但精度较低，并且易受环境噪声和反射的影响。最近比较这些系统的综述报告称，超声波追踪和 axiography 快速且成本效益高，但与光电和电磁系统相比具有更高的测量误差。

基于切牙点的运动学由于易于追踪切牙点且描述其运动学简单而广泛用于临床，并且可能提供对正常和病理状况的临床见解，因为它们反映了下颌运动的神经肌肉控制。然而，追踪单个点来说明下颌运动是有问题的，因为它无法描述下颌骨所做的运动，因为一个点可以在3dof上移动，而下颌骨可以在6dof上移动。通过使用来自医学成像（如计算机断层扫描（CT）、锥形束计算机断层扫描（CBCT）或磁共振成像（MRI））的个体特异性形态学，当前的光电和电磁方法可以描述髁突运动，但尚未广泛用于在牙科手术期间追踪TMJ运动。光电追踪系统通常从牙齿的延伸部分安装标记，这可能直接干扰执行口腔临床操作。此外，它需要视线，并且可能干扰牙科手术或要求医生改变其首选姿势，因为相机和标记会 obstruct 操作区域。相比之下，电磁追踪系统不需要视线，支持其在牙科手术期间的潜在使用。

本文提出了一种在口腔临床操作期间追踪个体特异性下颌运动的工作流程。所提出的方法使用CBCT、口内光学扫描、电磁6dof传感器和一个小型磁场源来估计下颌骨相对于颅骨的三维位置和方向。此外，我们还展示了双侧髁突位置和方向接近或超出个体运动包络的案例模拟。这种方法将使临床医生能够更好地理解治疗期间下颌功能动力学，并就TMD和其他TMJ相关病理的预防、诊断和治疗做出更明智的决策。

方法

工作流程从创建定制保持器以容纳下颌骨的微传感器开始，然后进行案例研究，演示如何收集一系列下颌运动，以在动态自愿颌运动期间生成切牙和髁突运动包络。四个模拟姿势展示了模拟切牙和髁突点之间的相互作用。

创建传感器嵌入式保持器

该制造过程首先创建融合锥形束计算机断层扫描（f-CBCT），以构建患者牙列和颅面结构的精确3D形态。将CBCT扫描（3D Accuitomo 170, J. Morita, Saitama, Japan）与口内扫描（IOS, iTero Element Plus Imaging System, Align Technology, Tempe, Arizona, USA）融合，创建f-CBCT，以亚毫米尺度提供形态学描述。CBCT扫描是在上下牙齿在最大牙尖交错位（MIP）位置咬合时进行的，使用140 × 100 mm的视野，体素大小为0.270 mm。CBCT图像包括颅骨和上颌复合体、TMJ和下颌骨。使用并行共焦成像技术与光学和激光扫描，IOS捕获了上颌和下颌牙齿及软组织的高精度表面几何形状和颜色。CBCT和IOS图像被上传到Relu（Leuven, Belgium）。Relu自动从颅上颌复合体中分割出下颌骨，并单独从IOS中分割牙齿，然后将这些牙齿叠加到CBCT牙冠上，以创建光学扫描牙冠和来自IOS的牙龈的优化混合图像，并将其叠加到CBCT上以创建融合CBCT（f-CBCT）。在当前应用中，f-CBCT中下颌骨上的牙龈被省略。融合由Relu的专有AI算法执行，该算法展示了时间效率和亚体素精度。这一步非常重要，因为f-CBCT上的高分辨率IOS图像使我们能够识别在患者下颌模型上也可见的特殊牙齿特征。

上颌和下颌模型从IOS扫描进行3D打印（SprintRay, Los Angeles, CA）。该3D打印的下颌模型用于制造传感器嵌入式保持器，设计舒适且厚度最小，以使参与者能够尽可能接近MIP地咬合牙齿。两个“虚拟”六自由度（6dof）微电磁传感器（Micro Sensor 1.8, Polhemus, Colchester, VT）被放置在右侧和左侧下颌犬齿和第一前磨牙牙冠的颊侧，靠近牙龈边缘。保持器具有很强的固位力，使用生物相容性热成型材料（Zendura FLX, 0.76 mm厚, Bay Materials, Fremont, CA）和热压成型机制成，并且可以轻松修剪以适合上下牙齿的牙冠。虚拟传感器从下保持器中移除，并将实际传感器插入其位置。在下模型涂上硅酮分离剂以防止粘附后，将光固化矫正器粘合剂（Bond Aligner, Reliance Orthodontic Products, Itasca, IL）涂在保持器中的每个微传感器周围。然后将保持器安装在下模型的牙齿上，并光固化粘合剂以将微传感器固定在保持器中。在保持器上放置精确的1毫米孔，每个孔中心对准先前在模型和f-CBCT上均可见的独特牙齿特征。为了确定两个微传感器相对于f-CBCT的位置，受试者佩戴下保持器，并将手持式6dof触笔（3D Digitizer, Polhemus, Colchester, VT）的尖端插入保持器中的每个孔中以接触牙齿特征。数字化触笔定位每个先前定义的牙齿特征相对于同时定位的微传感器，然后通过f-CBCT上的交互最近点方法进行注册。这允许通过微传感器追踪的下颌运动进行3D动画。

下颌运动捕捉

一位合著者作为受试者参与（健康男性，66岁，无与颌运动相关的TMD症状史）。我们遵循上述工作流程创建了定制的传感器嵌入式保持器。将四个6dof传感器（RX2 Standard Sensor, Polhemus, Colchester, VT）放置在额头上，作为颌运动的参考点，并将带有两个微传感器的保持器放置在下颌牙齿上。在佩戴传感器嵌入式下颌保持器时，参与者被指示执行一系列在矢状面、冠状面和横断面上的颌运动。在热身 session 后，我们记录了一个数据集，包括以下每个运动任务的5次重复：1）从MIP位置张口和闭口，2）颌从MIP位置向最右或最左移动，3）颌从MIP位置向前或向后移动，4）组合运动：在距MIP位置约6 mm、25%、50%、75%和100%处张口，然后颌向最右或最左移动，或从最大前伸位置开始，颌向最右或最左移动。为了减少受试者内部变异性，参与者被指示在数据收集前几天练习这些颌运动。颌运动的最大值由该运动五次重复的最极端值确定。

这些记录的采样率设置为240 Hz，以确保高分辨率数据捕获。在数据收集期间没有应用额外的硬件过滤。根据制造商的数据表，电磁追踪系统在30 cm范围内具有0.0010 mm的空间分辨率和0.0003度的方向分辨率，静态精度或X、Y或Z接收器位置为0.38 mm RMS，接收器方向为0.10度RMS。

后处理

第一步是在公共框架和可解释的坐标系中定向f-CBCT。我们使用基于上颌咬合平面和解剖对齐的颅骨坐标系来描述运动。XYZ轴分别对应于沿内侧-外侧（左-右）、前-后（前-后）和上-下（上-下）方向的运动。X轴代表前后方向，Y轴代表横向（颊舌）方向，Z轴代表垂直方向。具体定义在补充附录中。

为了生成3D运动包络，我们首先从f-CBCT模型中识别切牙和髁突点。切牙点被选为X-Z平面中左下中切牙切缘上的点。髁突点被定义为每个髁突的最上（远）点，基于从X-Y平面的垂直线长度。对于每个数据集，我们使用四个颅骨传感器位置的第一帧作为参考，然后将其余帧注册到参考点。我们使用3D速度阈值确定每个下颌轨迹的开始和结束，然后将轨迹归一化为100 percent。

通过应用由微传感器相对于四个颅骨传感器形成的刚性体变换矩阵来重建切牙点运动。使用相同的变换矩阵重建髁突运动。对切牙和髁突运动没有执行额外的过滤。由于所有运动都从MIP位置开始，我们组合所有记录的运动，并使用先前识别的切牙和髁突点来构建完整的切牙和髁突运动包络。

追踪性能评估

为了评估追踪性能，我们计算了以下条件下两个微传感器和颅骨传感器之间的欧几里得距离：

1. 1.

   为了表示整体追踪一致性，我们估计了所有自愿运动期间两个微传感器之间欧几里得距离的变异性。

2. 2.

   为了检查金属手术器械干扰的影响，将一个金属舌拉钩移入和移出由咬块保持张开的参与者口中。我们计算了在没有舌拉钩的“安静”阶段两个微传感器之间的欧几里得距离和±1标准差（SD）。安静阶段距离的标准差被设置为信号失真的阈值。当舌拉钩在口内时，将每个微传感器与四个颅骨传感器中每一个之间的欧几里得距离与安静阶段的阈值进行比较。

模拟

在本节中，我们模拟了四种条件，以展示切牙和髁突运动之间的相互作用，以及同时监测切牙和双侧髁突点的重要性。仅仅依靠切牙点来表示下颌姿势是不充分的，并且可能允许髁突姿势超出其包络。这些模拟案例被选择来描述牙科手术期间可能的位置。例如，镇静患者的下颌由临床医生定位，而清醒患者被指示定位其下颌，有时在临床医生的协助下，为牙科手术创造工作空间，例如张大口或将颌向左或右移动。在这些模拟中，我们将下牙和下颌骨视为单个刚性体，基于任何牙齿之间以及牙齿与下颌骨之间没有相对运动的假设。

案例1—过度张口

为了复制超出受试者最大张口的姿势，我们模拟了切牙点在110%张口处。这是基于从最前伸位置（0%）到完全（100%）张口期间的切牙轨迹计算的。对于刚性体注册，下颌骨与模拟切牙点（110%张口）对齐，同时保持两个髁突点在100%处，以避免对其在110%张口处位置的假设。

案例2—张口时髁突保持在窝内

在张口的早期阶段，下颌髁突保持在