咀嚼肌虚拟建模技术及应用进展

    口腔颌面部各种器官和组织的复杂功能运动一直是临床和科研工作者的研究对象。其中咀嚼肌作为口颌系统的动力核心，提供了主动的咀嚼肌力。Hartstone-Rose等提出，想真正理解口颌系统的骨肌功能，就有必要对咀嚼肌的解剖、形态、功能进行更详细地了解。
    近年来数字化技术在医学中的应用越来越广泛，尤其是虚拟建模可以帮助模拟各种组织并且使其复杂运动形象化、可视化。虚拟建模是在数字空间中放映真实世界中事物的技术，它将数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感与测量技术、仿真与人工智能等多学科融于一体，为人们建立起一种逼真、虚拟、交互式的三维空间环境。
    虚拟建模技术在临床医学中的大关节骨肌运动及心脏血流等领域已得到应用。虚拟建模技术应用于咀嚼肌动力学及颌面部运动，有望在口颌系统动力学研究、实验性再现人类咀嚼系统功能、预测重建手术术后功能等方面发挥作用。本文就虚拟建模技术在咀嚼肌形态、运动及功能研究中的应用进展进行综述。
    1.建模基本方法
    建模方法是虚拟现实技术中最重要的技术领域之一。根据建模的技术方法，虚拟建模可分为几何建模、物理建模、运动建模和行为建模。
    1.1 几何建模
    是用数据语言在计算机内部对实体进行精确的几何描述，并进一步生成具有真实感的图形的过程。几何建模广泛用于研究物质形态，如晶体中微观粒子的堆积，医学中则用于肌肉形态的模拟、软组织形态预测等。
    1.2 物理建模
    是在几何建模的基础上综合体现对象的重力、硬度、弹性等物理特性的建模技术。物理建模可以用于桥梁建筑及各种材料的物理特性分析，医学中则可用于自身组织应力分布研究。
    1.3 运动建模
    运动建模涉及对象相对位置的改变、碰撞及缩放形变等。实践中通过运动平台的搭建、运动的解析，建立运动模型。运动模型可用于研究航空航天、地理水文等运动变化，医学领域中可用于模拟关节置换后的躯体运动、心脏血流等方面。
    1.4 行为建模
    在物体运动和行为特征基础之上，若能体现对象的自主特性，就实现了行为建模。Camposrebelo等提出了一种行为模型的逻辑控制理论，用于预设实验条件下的行为预测。然而目前行为建模尚无成体系的建模方法和要求。
    2.咀嚼肌建模方法
    咀嚼肌建模过程中由简到繁体现着从几何建模到行为建模的特征。几何建模追求的是将咀嚼肌的形态，包括厚度、截面积、附着点等精确地在计算机中再现。物理建模则是在虚拟的静态模型上赋予组织物理属性，包括咀嚼肌本身的弹性模量、泊松比和咀嚼肌产生的力等参数。运动建模主要研究咀嚼肌缩放形变、位置改变等内容。不仅包括肌肉本身的形变和运动，还研究连带的口颌系统运动。而行为建模是指通过咀嚼肌的运动而组成的一个完整的功能行为，也就是属于功能运动的建模，包括咀嚼、语音、吞咽等。
    形态数据包括形状和表面外观。医学影像学是获取形态数据的常用方法，例如MRI和CT，采集数据包括形态、咀嚼肌横截面积、长度等，使用计算机软件分割后可进行三维重建。Schüler等提出一种自动分割超声影像的指令，可提高几何建模精度。
    Dickinson等通过高分辨率碘油造影增强CT，对灵长类狨猴尸头的咬肌、颞肌甚至二腹肌完成了几何重建。Zhang等为预测正颌术后患者软组织变化，建立了患者个性化颌面部骨模型，而包括咬肌在内的肌肉形态取自先前发表的解剖图谱文献。文献参数建模方法简单有效，但并不是精确的实体三维模型，不能体现个性化特征。
    对于物理建模，目前一般是通过间接方法计算和估计咀嚼肌的作用力。单个肌肉的力量无法准确测量，实际测量得到的一般是同一组协同肌群的力量，如开口力、咬合力等。Kajisa等和Giannakopoulos等就用自己特制的仪器来采集相应肌群的肌力。Tsouknidas等建立下颌系统有限元模型研究咀嚼负荷时，是根据之前文献确定的咀嚼时各咀嚼肌发力占比，来确定咀嚼肌对颌骨力的影响。
    也有学者根据每单位咀嚼肌的生理横截面积（physiological cross-sectional area，PCSA）可提供相对固定的最大咀嚼肌力，选择用咀嚼肌的解剖数据间接计算咀嚼肌力大小。Tuijt等就是在获取肌肉形态的基础上通过肌肉的PCSA来近似估计各组咀嚼肌的最大力。Ledogar等也在PCSA的基础上估计咀嚼肌最大力，并研究其对颌骨进化的影响。
    Groning等采用PCSA估计最大肌力并建立虚拟模型，验证了模型在参数选择合适时，其咬合力与实际测量值的误差只有4%，但仍建议尽量使用个性化数据。目前实际应用中仍以测量PCSA后推算咀嚼肌力的方法和基于此的有限元法为主流。
    运动数据的采集包括咀嚼肌的位置和形态变化等。Yang等通过MRI扫描功能运动前后不同状态下的咬肌、颞肌和翼肌的形态和位置变化。Penrose等则通过动物尸头的被动运动，获取标本上咬肌、颞肌和翼肌的位移信息。Yamaguchi等使用专用的肌功能MRI采集不同咬合状态下翼外肌上头的位移信息。
    Hill在肌肉的离体实验中提出了肌肉负荷与其收缩速度之间呈直角双曲线关系，称之为Hill特性式，是广泛运用的肌肉动力学模型的理论基础。Sagl等在构建模型时，先按解剖数据在颌骨模型中定位咀嚼肌的附着点，再根据Hill特性式模拟激活。Heidsieck等也是采用Hill模式的肌肉模型，来模拟患者在戴用矫治器时做被动运动的咀嚼肌对颞下颌关节的生物力作用。
    Dumitru等建立动态下颌模型时，将咀嚼肌建模为线性执行器后进行逆运动学分析，研究其对颌骨的应力作用。Goharian等建立了咀嚼肌的动态生理模型，能够将肌电活动和咬合力实时关联。咀嚼肌的运动建模无法通过肌肉运动进行验证，很大程度上由下颌骨的运动来反映，目前咀嚼肌建模后颌骨运动轨迹与实际观测的误差已处于研究人员接受范围内，随着运动数据采集技术和建模软件的发展，运动建模的精确性将进一步提升。
    咀嚼肌的功能运动行为建模研究还比较少。目前初步设想是构建一个包含完整运动的模型，比如完整的自主咀嚼模型。Kalani等初步建立了一个包含控制中枢的虚拟咀嚼模型，其复杂的咀嚼运动由诸多简单运动步骤组合而成，控制中枢能自主选择咀嚼模式。该研究尚处于起步阶段，完善的行为建模还需更精确的运动模拟和控制理论的研究。
    3.咀嚼肌建模的应用
    咀嚼肌建模广泛应用于颞下颌关节生物力学研究中。She等建立了咬肌、颞肌和翼肌的附着面模型，精确量化了关节的力学环境。Commisso等建立了包括下颌骨、韧带、关节囊、关节盘在内的下颌有限元模型，重点研究了不同运动状态下颞肌对下颌骨的作用力。
Vilimek等建立颞下颌关节置换术中咀嚼肌被切除的模型，再输入运动变量和咀嚼力来模拟关节承受的真实负荷。利用咀嚼肌的虚拟模型进行咀嚼机器人的设计也是当前研究热点之一。王贵飞等设计的咀嚼机器人不仅能实现简单的开闭口和捣碎食物，还能连续顺畅地完成整个进食过程。
    4.咀嚼肌建模的展望
    个性化建模是咀嚼肌建模的发展趋势。个性化模型有助于更好地模拟个体咀嚼功能及运动特性。其技术难点主要在于个体的咀嚼肌数据收集费时且困难，多数物理参数仍为以往文献数据。特殊的个性化模型也将帮助解释异常咬合对咀嚼肌的影响，比如锁牙合患者肌电异常等。
    另一发展趋势是咀嚼运动的全程追踪。在咀嚼过程中，咀嚼周期会随食团的减少或者咀嚼食物的不同产生变化。目前的研究只能做到单个咀嚼周期的重复运动，大量真实咀嚼轨迹记录以及智能控制系统将为咀嚼全程的精确追踪提供帮助。随着技术难点的解决，咀嚼康复机器人、评估修复材料的模拟咀嚼系统、个性化正畸导板咀嚼模型等诸多崭新应用将逐渐成熟，个性化咀嚼肌模型也有望在下颌重建手术、义齿修复等多方面发挥作用。
    本文回顾了咀嚼肌虚拟建模的相关文献，从虚拟建模的基本技术入手，介绍了咀嚼肌建模的数据来源、处理方法、实际应用等方面的研究进展。随着数字化技术的发展和医生患者对治疗效果的追求，未来这一技术将在口腔颌面外科、修复、正畸等诸多科室发挥越来越重要的作用。