下颌运动实时记录系统的原理及其应用进展

    下颌运动实时记录系统（real-time mandibular motion recording system）是一种用于记录及分析人体下颌牙齿及髁突运动轨迹的一类装置，它在口腔医学多个学科中皆有着较为重要的应用，对人们研究口颌系统及治疗相关疾病做出了贡献。
    近年来数字化牙科技术发展迅速，适用于口腔临床的计算机辅助设计和计算机辅助制造（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）在临床医生的诊断和治疗方面应用越来越广泛。其中，在CAD/CAM系统中再现患者个性化动态咬合关系，构建具有真实的下颌运动的3D虚拟患者的研究与实践正在不断的展开。
    下颌运动实时记录系统普遍由咬合信息记录部分和分析部分组成，能够记录下颌在每一时刻中相对于此系统中记录装置的运动状态与轨迹；并且，所得数据可同患者的锥形束计算机断层扫描（cone beam computed tomography，CBCT）数据、面部扫描数据及口内扫描数据相整合，构建3D虚拟牙科患者。因此，下颌运动实时记录系统能在一定程度上辅助临床医生进行诊断和制定治疗计划，也可以协助口腔技师进行修复体的设计与制作等。
    1.下颌运动实时记录系统
    下颌运动实时记录系统经过了近50年的发展，目前，市场上涌现了多种不同原理的系统。它在发展过程中，其在系统的组成结构及运动记录方式方面体现出了逐渐抛弃经验面弓和机械牙合架概念的趋势。具体应用中，下颌运动实时记录系统常与口腔CAD/CAM系统联合，构建动态虚拟患者助力整个诊疗过程，不可否认的是在一些复杂病例的治疗过程中，仍然需要将下颌运动实时记录系统所得数据转移至机械牙合架中以便于诊疗过程的进行；在此，将下颌运动实时记录系统分为机械式与电子式系统两大类。
    1.1机械式下颌运动实时记录系统
    机械式下颌运动实时记录系统即机械式运动面弓，此类系统首先需确定下颌运动铰链轴，然后将此位置作为参考对下颌运动的轨迹进行描记。通过该装置的描记针与描记板可记录特定患者进行下颌运动（包括前伸、后退以及侧方运动）时两侧髁突的运动轨迹，从而便于将此数据作为诊断颞下颌关节病、制定治疗计划及修复体设计与制作的依据，并提供有利于医生和技师开展工作的信息。
    但是，机械式运动面弓结构较为复杂、组成部件繁多，加大了临床操作的难度。其次，机械式运动面弓自重较大，容易造成患者的不适感，并限制下颌运动，使得误差不容易控制。同时，机械式运动面弓沿用了下颌运动铰链轴这一概念。冯海兰等报道称正常人的颞下颌关节双侧铰链轴点均匀地分布于髁突周围，距髁突中心的平均距离为（8.83±5.56）mm；有报道提出：通过小张口开闭运动测得的健康人群铰链轴点变异范围较大，位置不恒定，随运动不同而时刻变化，存在瞬时旋转中心。由于铰链轴点非唯一性、不稳定性，这导致机械式运动面弓在以铰链轴作为参考的情况下去记录髁突位置极容易产生误差，由此可能导致误诊。
    1.2电子式下颌运动实时记录系统
    在机械式运动面弓的基础上发展而来的电子系统通过数字化技术极大地简化了下颌运动记录装置的结构，减轻了该类装置的重量，使得精度得到了更好的保证。另外，在这一领域中，各个厂家结合自身的优势，不断的为电子式下颌运动实时记录系统赋予了更为强大的功能。这一系统的发展使得零调牙合成为可能，更是推进了构建虚拟口腔患者、达到数字化口腔的进程。以下是一些具有代表性的系统的详细介绍，以便口腔医务工作者更好的了解、应用。
    1.2.1超声感应式
    SICAT系统：“SICATJMT+”运动测量仪利用超声波的相关理论，其主机不断发射超声波的同时也接收头戴式定位装置反射回来的超声波，通过空间位置坐标转化算法实现牙列动态咬合实时记录；同时SICAT系统能够将CBCT数据、口内扫描数据、下颌运动等数据整合起来，协助进行患者诊断及个性化修复体的制作（由于以超声感应为原理设计的下颌运动实时记录系统较为成熟，如：SICAT系统、Zebris系统及ARCUSdigma系统等，在我国的口腔临床诊疗中应用相对较多，故在以下内容中将对其中的SICAT系统操作步骤作一简单介绍）。
    首先通过口内扫描仪获得上下颌牙弓的数据并拍摄CBCT，再使用下颌运动分析系统的传感器系统，检测记录患者个性化的颌位关系及下颌运动。SICAT系统组成部件包括：咬合托盘、金属弓、下部面弓、上部面弓及相应的软件。具体使用方法如下。
    1）常规进行口内扫描以获得上下颌牙列的数据。
    2）咬合托盘（带有放射阻射物）：托盘正反两面皆注射咬合记录专用硅橡胶，正确记录患者上下颌关系用于后期校准，并嘱患者咬住托盘拍摄CBCT。
    3）将金属弓弯制成与患者下颌牙弓相匹配的弧形，并用树脂将其黏固于患者下颌牙弓（无法将金属弓粘接于深覆牙合/临床牙冠过短患者的下颌牙弓上，若强行将金属弓粘接于下颌上，则金属弓会干扰下颌运动，从而使记录所得的下颌运动数据失去意义；对于缺失牙较多/无牙颌患者需要制作牙合堤以辅助引导下颌运动，但是不可否认的是牙合堤常常因为牙合曲线不协调、固位不佳等因素使其无法良好的引导下颌运动，故在此类患者中要注意评估牙合堤对其下颌运动的影响，如不能较好地引导运动，则建议考虑使用机械面弓结合半/全可调牙合架来记录颌位关系及下颌运动数据）。
    4）金属弓完全固位后为患者戴好上部面弓，其作为信号接收装置的同时具有抵消患者头部整体摆动所产生的误差的作用。
    5）将小磁盘连接于咬合托盘前部，下部面弓亦与其连接以进行校准步骤。6）校准完成后嘱患者进行各个方向上的咬合运动即可。
    6）使用“SICATfunction”软件对获得的下颌运动数据及牙列与CBCT数据进行整合（此处咬合托盘可有助于数据的叠加），成功获得虚拟患者，可用于患者诊断、确定治疗计划及修复体的设计制作等方面。
    1.2.2光电感应式
    光电感应式系统是使用光信号接收装置记录位于患者头部的发光二极管位置，光电转换装置依据二极管的位置信号生成图像，并将图像坐标输入计算机，通过计算机将记录所得的坐标点转换成下颌运动轨迹数据，达到实时记录标记的软硬组织，用于三维重建患者的髁突及下颌运动。
    Fang等使用特殊的光学运动跟踪系统成功地构建了下颌运动模型，并提出了评估下颌运动力学的新模型。Hayashi等使用具有高分辨率线性传感器的光立体测量系统对下颌运动在三维方向上进行测量；利用小型发光二极管和电荷耦合器件等装置，通过记录和叠加所有参与测量的二极管的位置来获得下颌骨的三维空间坐标，在很大程度上减小了测量误差。数种精度验证试验表明：所有牙齿和两侧髁突在静息状态时的精度为0.19~0.34mm。
    也有使用光学扫描联合逆向工程技术实现患者颌位关系记录和转移的，Kwon等通过使用一个目标追踪系统与结构光三维扫描仪结合，上下颌前牙部分分别放置4个标记物，将口内扫描数据与CBCT数据叠加后利用面部扫描仪实时记录下颌运动；该试验稳定性方面的测试表现为：下颌标记点处为4.36μm，左侧和右侧髁突处分别是30.78和37.74μm。在此方面缺少体内实验的验证，不能获知此种下颌运动记录方法对最终修复体的具体影响。3Shape口内扫描仪器（TRIOS Patient Specific Motion应用程序）：在此类系统中，通过相关的扫描仪器直接记录患者上下牙列的相对运动，能够使得患者的上下颌相对运动于屏幕上重现。
    同时此种方式一般仅是记录患者上下牙列部分的相对运动，无法直接获得髁突的运动情况，所以必须将上下颌牙列模型与患者CBCT数据整合，从而获得髁突的具体运动情况来辅助临床分析诊断。另外，普兰梅卡（PLANMECA）公司的“Planmeca 4DTMJaw Motion”系统是：ProMax®3DMid与3DMax两款口腔CT机能够利用内置的Planmeca ProFace®相机对穿戴有专业追踪设备患者的下颌运动（上颌为参照系）进行捕捉，从而具备了“4D咬合追踪”功能；同时还能通过内置相机拍摄3D面部照片，使得患者的CT数据与牙列及面部数据的叠加更为便捷。采用光学原理记录下颌运动的系统还包括MODJAW，它是将定位装置（牙合叉）固定于患者下颌，后通过高清光学相机捕捉其运动轨迹，支持输出咬合运动数据至义齿设计软件中。
    1.2.3磁电式
    Jankelson等于1975年发明的下颌运动实时记录系统（mandibular kinesiograph）是一种利用磁电量转换原理来记录下颌骨在三维空间中的具体位置；研究表明其能精确地测量下颌中切牙切点在三维空间中的运动轨迹。该系统具有体积小、重量轻以及操作步骤简单等优点，对患者的个性化下颌运动干扰较小；并且还能与计算机、肌电图及肌松弛仪等同步相连，达到对关节、咬合及咀嚼肌等系统地检测及诊断，从而利于全面了解患者状况、制定最合理的治疗方案。
    2.特点分析及应用范围
    2.1实时记录下颌运动
    下颌运动实时记录系统能够客观地描记下颌骨在三维方向上的运动轨迹，能够准确的再现患者真实的动态咬合，辅助在体外构建患者真实的口颌系统模型。以下将具体阐述其在口腔医学不同学科中的作用。
    2.1.1辅助进行关节病的诊断和治疗
    颞下颌关节是颌面部具有转动运动和滑动运动的左右联动关节，也是人体最复杂的关节之一。在对颞下颌关节的健康状况进行评估的过程中，除进行影像学的检查之外，获得患者真实的下颌运动轨迹亦是十分重要的。下颌运动记录系统可在体外较为精确地模拟患者的关节运动，通过观察分析体外的运动从而了解关节健康状态，并帮助解释病因，制定合适的诊疗计划。
    有学者使用下颌运动记录系统同时获得下颌运动轨迹及肌电图等数据，解释了下颌运动与咀嚼肌之间的关系。Aslanidou等在病例报告中指出，通过特定的软件整合患者的下颌运动数据与CBCT及数字印模数据后，能够可视化患者特定的下颌运动，并提供了关节窝中髁突位置的真实三维动态解剖，以便明确开闭口、前伸和侧向运动时的活动范围。基于此可选择合适的下颌位置来制作夹板，并利于消除干扰点；同时，整合后形成的三维动态数据对于颞下颌关节紊乱病的诊断过程提供了重要参考。
    2.1.2辅助、评估正畸正颌治疗
    有研究显示：正畸的过程会对颞下颌关节造成不良的负载，这种负载对患有颞下颌关节紊乱病的患者作用尤为明显。基于此原理，在正畸治疗之前有必要对患者颞下颌关节的状况进行全面评估，从而避免对关节造成更大的伤害，达到保护每一位患者的目的。另外，正畸治疗是一个复杂且长期的过程，下颌运动实时记录系统能够很好地检测正畸过程中产生的变化，分析正畸治疗对患者的关节及口颌系统所造成的影响，并帮助临床医生做出分析。
    在科研中，此系统同样能够辅助医生分析整个正畸过程中患者口颌系统所发生的变化，并且可以定量地显示一部分指标，准确分析每一位患者所进行的正畸治疗，推进相关技术的进步与革新。在正颌手术中，下颌运动分析系统可参与到患者具体情况分析、诊断及制定手术方案中，有学者的研究显示：虚拟设计方案对于正颌治疗、多学科联合治疗有重要的作用。
    2.1.3辅助修复体的设计与制作
    恢复咀嚼功能是口腔修复体的第一要素。诸多研究显示：不良修复体易引起/加剧颞下颌关节紊乱病。在数字化技术快速发展的阶段，口腔技师可以将临床医生记录的个性化下颌运动的数据直接导入到义齿设计软件中，从而在进行义齿设计的过程中能够真正意义上的考虑每一位患者的特征，制作出与患者口颌系统相和谐的修复体。
有学者表明：利用传统方法转移了颌位关系后生产的修复体的质量整体高于没有进行颌位关系转移的情况。另外，有学者指出：经验面弓对修复体制作及确定正颌手术方案没有明显的作用。
    由于以往的颌位关系转移存在诸多的不足，同时操作步骤较为繁琐，需要使用多种牙科材料，系统误差及随机误差对最终效果有着较大的负面影响，而在临床应用中，下颌运动实时记录系统可直接将记录所得数据导入专用的CAD软件中，较好地克服了这些困难，对于提高最终治疗效果具有积极作用。在种植修复中，尤其是在即刻修复的情况下，利用下颌运动实时记录系统获得患者个性化的下颌运动数据意义重大，利于修复体的设计与制作。
    2.2辅助构建口腔虚拟患者
    数字化技术的发展使得在临床诊疗过程中建立三维虚拟牙科患者成为现实；临床医生借助口内扫描、面部扫描、CBCT等技术可以建立一个口腔虚拟患者，但是此虚拟患者无非正中咬合记录，难以实现下颌运动的模拟。
    故若对患者的个性化下颌运动进行记录，则能够使得通过数字化建立起来的口腔虚拟患者具有真实的咬合运动，在功能和美学上对患者进行全方位模拟，供后续诊疗过程利用、参考。在建立了一个具有美学和功能全要素的虚拟患者后，进行远程医疗的可行性大大增加，可以在很大程度上改善医疗资源分配不合理等问题，真正实现互联网医疗。
    2.3局限与不足
    下颌运动是由颞下颌关节、咀嚼肌、神经系统与牙列共同决定的，而关节的运动是有转动和滑动复合而成的。基于此，有学者提出下颌运动实时记录系统有较大的局限性，若应用于临床可能会导致误诊或/和过度治疗；另外，在面对缺失牙数量较多及无牙颌患者时，下颌运动实时记录系统较难有效的直接记录患者咬合关系并用于修复体的设计与制作，而是需要先由医生取得咬合关系，然后再利用下颌运动实时记录系统去验证此咬合关系是否合理。虽然现阶段存在不同工作原理的下颌运动实时记录系统，但是不可否认其工作过程中可能会受到环境的干扰，导致误差较难控制，因此还需要进一步的临床验证其适应证。
    3.讨论
    长期以来，口腔医生和技师大多采用经验式面弓转移上机械牙合架的方式记录患者的咬合关系，这一过程中医生和技师只能通过经验和肉眼观察确定颌位，往往存在误差不可控等风险。下颌运动实时记录系统能够准确记录患者各个时间点的个性化颌位和下颌运动，与患者的模型整合后能够准确模拟患者真实的下颌运动。
    它不仅能够辅助医生做出正确的诊断，也有益于制作出更加符合生理要求的修复体，有望在未来得到推广并助力口腔医疗向完全数字化转变。有研究指出：下颌运动记录系统在测量切导、髁道斜度等参数时，与机械牙合架所测得的参数之间差异较小。不同学者对其准确性进行了定量的研究，以下颌中切牙运动为测量对象，研究结果表明精度为0~1mm。国内外学者在下颌运动记录系统方面的实验研究较多，但是仍未在临床上大范围的推广使用。
    报道的病例中大多是关节治疗及正畸治疗方面的病例，而在种植和修复领域中的报道仍然较少。因此，需要学者们在相关领域做出更多的研究，评估并提高下颌运动实时记录系统在具体病例中的应用水平。随着相关物理学科及计算机技术的发展、成熟，下颌运动实时记录系统必定会在精度、易使用性方面得到提升，更高的智能化程度和更易接受的性价比会使其普及率大大提高，在临床诊疗过程中扮演更加重要的角色。
    4.展望
    下颌运动实时记录系统较经验面弓与机械牙合架而言具有诸多优势，在口腔数字化诊疗方面具有较大的潜力。不可否认的是，昂贵的价格及复杂的操作流程影响了其普及率的提高。随着数字化技术的发展，通过将CBCT数据、口内扫描数据、面部扫描数据叠加从而构建口腔虚拟患者，这一过程中需要下颌运动记录系统的参与，从而赋予虚拟患者真实的咬合运动，实现远程医疗。然而数据获取及数据叠加的过程产生的误差仍需要研究以提高虚拟患者的真实性。
    目前，下颌运动记录系统种类较多，但是仍然没有解决操作复杂的问题，同时在口腔修复方面缺少体内试验的评估。随着光学扫描技术的快速发展以及对各个独立领域研究的不断深入，建立起的虚拟患者将能够拥有动态咬合及动态面部表情，也将推动口腔诊疗模式的转变。