下颌运动轨迹的研究进展

    下颌骨是人体运动最频繁的器官之一，咀嚼、吞咽、语言等口腔功能都需要其参与完成。口腔医学领域通过记录下颌运动轨迹，来分析、研究下颌运动规律，不断深入了解口颌系统的功能状态，为临床实践提供参考。本文回顾了下颌运动研究的发展历史，介绍了下颌运动轨迹记录方法的研究进展以及应用现状。
    1.下颌运动研究历史
    人们对于下颌运动的研究已有200多年的历史。19世纪初，Gariot研发了最早的牙合架，并模拟观察了下颌的开闭口运动。1889年Luce首次应用了X线摄影技术，测量出了矢状面开闭口运动过程中的髁突运动轨迹，对颞下颌关节区的动态作出了初步研究，然而通过X线无法分辨出软组织上的标志点，且局限于二维空间。
    1921年McCollum发明了机械描记仪，通过将面弓固定在下颌上，用与面弓相连接的描针记录三维空间上的髁突运动轨迹。但该设备操作技术复杂，且在寻找铰链轴点和基准平面的定位时，精确度低且易出现误差。1957年Posselt通过在尸体上模拟下颌运动，描绘出了下颌边缘运动的轨迹图，简洁地展示了各类下颌位置及其之间的关系，成为下颌运动研究中的一项经典之作。
    1975年Jankelson发明了下颌运动轨迹描记仪（mandibular kinesiograph，MKG），通过磁电转换的方式，可分别从矢状面、冠状面、水平面观测到下颌运动轨迹，这类“无接触型”设备减轻了下颌的负担，极大的促进了下颌运动研究的发展。
    自20世纪70年代后，随着磁电学、超声学、光电学发展以及数字化技术的日新月异，与下颌运动分析有关的仪器也不断完善，整合了虚拟牙合架、下颌运动轨迹描记系统、电子面弓、三维面部扫描仪等系统，可应用于下颌运动分析。
    如Zebris电子面弓（Zebris，德国）、ARCUSdigma下颌运动轨迹描记仪（KAVO，德国），原理是将超声波发射源固定在下颌，接受源固定在头部，从而记录下颌在三维空间中六个自由度的运动轨迹。数字化技术可以实现临床或研究领域的多元化选择，如孙方方等融合了同一患者的多源数据[如锥束形CT（cone beam computed tomography，CBCT）、面部扫描、口内扫描等]，并在义齿设计软件中使用下颌骨模型（源自CBCT）模拟患者真实个体化运动轨迹。
    2.下颌运动数据采集方法
    1）牙合架
    牙合架能够模拟下颌骨和颞下颌关节运动，是研究下颌运动必不可少的工具。随着数字化技术的发展，虚拟牙合架逐渐取代机械牙合架，能够将下颌运动可视化，同时可以避免机械面弓以及蜡或石膏材料的变形而产生的误差，减少椅旁操作时间。2018年Lam等应用立体摄影测量和面部扫描研发了一种虚拟牙合架，他们测量并对比了同一受试者的5次下颌运动数据，结果显示此虚拟牙合架具有重复性。
    2020年Linlin等对基于计算机双目视觉和光栅扫描技术的虚拟牙合架系统进行定量评估，结果显示直线运动和圆周运动误差在100μm以下，矩形四边形平面的角度误差在0.2°以内，切道的误差在2°左右。相比传统牙合架，研究者认为此系统具有较高的精度和稳定性，能够同时获得受试者口内扫描数据和下颌运动轨迹，并且无需在患者头部安装复杂的机械装置，既避免了软组织的相对运动，又能够将牙列的轨迹数据和三维数据导入仿真程序中。
    但虚拟牙合架费用较高，并且基于不同计算机辅助设计与制作（computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM）的虚拟牙合架对于上颌相对位置关系的转移尚有缺陷。
    2）电子面弓
    作为口腔数字化诊疗发展中的重要工具，电子面弓可以精准测量受试者的下颌运动轨迹，实现动态咬合的数据测量，提高诊疗的精确性。电子面弓相比传统的研究方法，摆脱传统机械面弓转移过程中的复杂性与不稳定性，实现个性化牙合架参数的获取，既避免运动面弓的复杂操作所带来的误差，又能将记录的数据存储在硬盘或存储卡上。
    如2011年张松梅等与2017年Sójka等均用ARCUSdigma装置获得了可视化参数及运动路径，认为此设备可以实时评估髁突运动，这对颞下颌关节紊乱病（temporomandibular disorders，TMD）的诊断、预后和管理以及对TMD治疗效果的持续监测都具有价值。但此设备昂贵，未能在临床中普及。
    3）光学与摄影技术
    随着各类下颌运动轨迹记录系统不断问世，研究者们也在探讨如何设计出低成本、简单、无创、灵活的测量方法，从而更好地满足临床实际需要。2011年Pinheiro等将10名受试者的下颌进行标记，使用低成本摄像机和计算机程序，通过记录所标记的反光点的运动轨迹，进行下颌运动临床试验。结果表明该方法的平均误差小于1.0%，准确可靠。
    2019年Andrade等在Pinheiro研究的基础上，采用数码相机记录下颌前额平面开闭口运动的影像，并认为摄影测量法也可用于评估头部姿势和下颌开闭口运动。2020年，Tian等针对摄像机标定过程复杂性高、三维测量精度低的问题，开发了一种基于双目立体视觉、反向传播（back-propagation，BP）神经网络和三维补偿方法的三维光学运动捕捉系统，以准确、实时地记录下颌运动。
    Tian通过电子平移平台对此系统的精度进行评价，结果显示均方根精度为0.0773mm，较现有的其他下颌运动记录系统提高了50%，结果表明该系统可靠性和准确性均较高。此系统消除了下颌运动中头部和身体的非自主振动的影响，但只能用于测量平面上运动轨迹，不能真正评价空间中的三维运动，且操作时间长效率低。
    4）三维扫描数据的融合
    2019年Kim等与Kwon等分别运用三维（3D）面部扫描仪记录下颌运动。Kim将记录的数据导入CAD软件，重建下颌运动及路径，应用于咬合分析中；Kwon也成功将下颌运动参数、口内扫描与锥形束CT数据合并，再现颞下颌关节（temporomandibular joint，TMJ）区域的运动。这一举措为数字化口腔诊疗中获取TMJ与咬合的三维动态参数奠定了基础。同年，Lepidi等也成功将口内扫描和锥形束CT数据融合并转移了虚拟牙合架中，三维图像可以提供鼻根点、眶点等多种参考点。但根据ALARA原则（对患者的辐射剂量应尽可能低），本技术仅适用于正颌手术以及复杂的跨学科病案（正畸、修复体和颞下颌关节等）。
    5）虚拟仿真（仿生）下颌运动
    不同于大部分下颌运动分析系统依赖于人员操作，2020年Carossa等研究了仿生下颌运动系统（bionic jaw motion，BJM），此系统由两个部分组成：下颌运动分析仪和精确再现记录运动的机器人装置。下颌运动分析仪由每秒140帧的高频摄相机的光电运动系统技术和定制计算机软件组成，该软件识别并确定每个口内标记点的相对距离，从而重建下颌运动，达到10～13cm/s的高速以及小于0.1mm的精度；机器人装置将下颌运动量化为一个具有六个自由度的刚体，克服了力学的限制，故无需更多的机械配件，从而降低了生产成本。
    此研究中，Carossa通过在受试者上下颌安装环形改良固位体来连接标记物，这种固位体不覆盖任何咬合表面，不阻碍下颌运动，使用口内参照系统，不受外部参考系统（铰链轴）的影响，如面弓-牙合架系统，或髁突运动的改变，以避免在临床上无法明确判断口外标志时出现错误。与ARCUSdigma等其他系统相比，BJM对患者来说也更轻、更舒适，记录下颌运动轨迹的时间也更少，但此系统仍需大样本数据以取得进一步研究。
    6）国内下颌运动轨迹描记仪的现状
    临床中使用的下颌运动轨迹描记仪大多数是国外仪器，目前，国内已有自主研发的下颌运动轨迹描记仪器，如袁绍芳发明的一种下颌跟踪装置，包括霍尔传感器、固定面架、自由运动磁钢和相应的放大电路、A/D转换电路组成的磁性下颌运动跟踪装置，通过电磁转换，实现对下颌运动轨迹数据的采集；李科等发明的一种可以记录牙颌运动轨迹的装置，其主要包括含有超声换能单元的上颌头架和下颌夹板，通过计算机识别超声信号，从而获取牙合架参数、转移颌位关系。由于系统复杂，精度低，操作繁琐，影响了临床使用。
    3.下颌运动在口腔医学中的应用
    1）在修复、种植中的应用
    下颌运动的动态分析也可用于修复体的设计。2021年Li等对12名受试者采用新型虚拟牙合架系统记录了下颌运动，在数字模型中创建牙体缺损形态，并在虚拟牙合架的动态与静态咬合下对牙体缺损进行修复，发现运用下颌运动动态分析中的修复体与患者本身牙体形态更吻合。因此，当患者牙列缺损时，应准确测量下颌运动，以获得精准的修复体设计。
    Shen等测量了26例女性和14例男性（年龄21～30岁）在升高不同垂直距离（3、5、8mm）的情况下，吞咽运动中的下颌运动轨迹。作者观察到吞咽过程中垂直距离增加与下颌运动轨迹呈正相关趋势，当垂直距离增加超过3mm时，可改变吞咽时下颌运动轨迹的范围，这为复杂的修复体设计提供了参考。
    2017年Bassam等结合面部扫描、口内咬合记录与CAD/CAM全口义齿，将10名牙列缺损患者全牙拔除后即刻行义齿植入术。通过患者的扫描信息创建虚拟的全口义齿设计，并使用口内咬合记录作为参考，以评估术后的疗效。结果显示主观及临床综合评价均较高，其中包括临床适配性、咬合、关节和美学，并且所有的临时义齿都保留了三个月功能良好，无明显并发症。这种数字化技术有可能会加速义齿植入后的康复过程，并给义齿的设计与植入带来可预测的功能和美学结果。
    2）在正畸、正颌外科中的应用
    下颌运动轨迹的分析为错牙合患者的功能评价提供了依据。2016年刘玉等分析了33名20～23岁受试者的下颌运动轨迹，比较了个别正常牙合与不同牙合型受试者的下颌运动轨迹，认为安氏Ⅱ类错牙合畸形组开口度及运动范围均小于其他牙合型人群；安氏Ⅰ类和安氏Ⅲ类的开闭口范围均大于正常对照组；而正常对照组的最快开口速度明显大于其他组。该研究显示了不同牙合型的下颌运动轨迹特征，个别正常牙合型组的下颌运动潜力较错牙合畸形组高。
    2020年Sepp等再次证实不同牙合型对下颌运动轨迹的影响，他对1172名乳牙期和替牙期儿童及恒牙青年进行下颌运动轨迹的分析，发现下颌运动功能与反牙合、开牙合、深覆牙合之间存在关联。下颌运动轨迹的分析有助于评估正颌手术患者在术后的下颌运动功能。
2019年Kim等对27名面部不对称的骨骼Ⅲ类患者进行了下颌运动数据采集，认为面部不对称的骨骼Ⅲ类患者在术后7～8个月内，肌电活动恢复到术前水平，而最大开口、前伸和侧方运动，未能完全恢复到术前水平。
    2020年Ueki等比较了81例患者（28例Ⅱ类，53例Ⅲ类）与27名正常患者的下颌运动特征，分别在术前、术后6个月和1年用下颌运动测量系统（K7）记录受试者的下颌边缘运动，该研究发现受试者的下颌边缘运动可在术后1.5年恢复。下颌运动轨迹分析在比较不同术式预后情况中起到重要作用。
    2021年Mohlhenrich等评估了在矢状面截骨术（high oblique sagittal split osteotomy，HSSO vs bilateral sagittal split osteotomy，BSSO）下颌运动的范围和方向，该研究观察到BSSO和HSSO在下颌前移和后移方面存在差异。
    这项研究的结果与目前文献报道的部分不同，因此，BSSO与HSSO之间的移动距离有待进一步的临床研究。此外，下颌运动轨迹也可评估正颌术后治疗方法的疗效，如2019年D'ávila等通过下颌运动轨迹分析研究证实低功率激光光疗不仅能改善疼痛，还有助于术后下颌运动的恢复，因此该研究支持低功率激光光疗在正颌手术后的使用。
    3）颞下颌关节紊乱病的诊断与治疗评价
    TMD症状之一是下颌运动异常，因此研究下颌运动特性与TMD的相关性，有助于加深对颞下颌关节生理功能的认识。2014年Marpaung等记录了53名平均年龄为28岁的TMD患者的下颌运动轨迹，并将结果与TMD的“金标准”MRI进行了对比，结果显示下颌运动轨迹的特异性达96.6%，表明该方法有助TMD的早期诊断。
    2019年Moriuchi等重建了小鼠的下颌三维运动轨迹，获得了小鼠在咀嚼过程中的下颌运动路径，将髁突等内部解剖点的运动可视化，从而为TMD的下颌运动轨迹特征提供参考。此外，下颌运动轨迹的分析有助于TMD的治疗及预后。例如，通过分析下颌运动轨迹以确定良好的咬合关系，为牙合板、正畸等方法治疗TMD提供参考，以消除导致TMD的牙合因素。
    2016年Giro等测量了42例女性患者（正常对照组13例，仅接受教育组16例，教育并自我护理组13例）的开闭口运动，发现仅接受教育组与教育并进行自我护理组对慢性疼痛TMD患者的下颌运动有差异，教育并进行护理组的下颌运动轨迹与正常组更接近。
    4.小结与展望
    在数字化口腔医疗的趋势下，研究者可将数据做更多融合，将下颌运动测量数据与面部扫描数据、口内扫描数据、CBCT、咬合力分析及数字美学设计（digital smile design，DSD）等融合，对牙列、颌骨或者关节进行数字化分析，达到神经、肌肉、颞下颌关节及下颌骨的综合治疗，为临床治疗提供更多思路，避免医源性牙合创伤，使口颌系统处于健康的生理状态，从而给患者制定个性化治疗方案。
    目前，电子式下颌运动记录仍存在操作繁琐、仪器价格昂贵等问题，下颌运动轨迹描记仪的开发具有非常广阔的发展前景。下颌运动轨迹描记仪正在朝着数字化、智能化、人性化、普遍化的方向发展，在保证下颌运动数据准确性的同时，既能使受试者更加舒适，又能减少椅旁操作时间，更重要的是，能在一定程度上减轻使用者的经济负担。