基于Patriot的咬合运动轨迹的测量与显示

　　作者：张长东　戴宁　程筱胜　许蔷　俞青　　作者单位：1. 南京航空航天大学机电学院357信箱，江苏 南京 210016; 2. 南京市口腔医院 修复科，江苏 南京 210008;[基金项目]教育部博士点基金项目(20070287055);江苏省科技攻关项目(BE2005014)

　【摘要】 咬合运动轨迹是用以评价口腔颌位状态的重要依据。作者提出一种基于Patriot传感器测量咬合运动轨迹的方法：首先将上下颌石膏模型与YAMAHACHI咬合器固定，其次利用Patriot传感器测量YAMAHACHI咬合器模拟咬合运动过程中各个位置点的空间坐标，最后开发出测量控制软件实时显示咬合运动轨迹曲线。结果表明，本方法能够快速直观地显示咬合运动轨迹，具有良好的可行性和适应性。

　【关键词】 Patriot　咬合运动轨迹　实时显示

　　Measuring and displaying the occlusal movement trace based on Patriot ZHANG Changdong,DAI Ning,CHENG Xiaosheng,XU Qiang1,YU Qing　1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 357#,Nanjing 210016, China; 2. Department of Prosthodontics, Nanjing Stomatology Hospital, Nanjing 210008, China

　　Abstract： The occlusal movement trace is an important factor to evaluate state of the jaw position. A novel method based on Patriot sensors for measuring occlusal movement trace was proposed: firstly, fixing the plaster model of jaw on the YAMAHACHI articulator; secondly, by means of Patriot sensors, measuring the space coordinates of YAMAHACHI articulator during its movement.Lastly, simulating and displaying realtime trace by selfdeveloped controlling software. The experimental results showed that the proposed method could simulate the occlusal movement trace quickly and intuitively，and it also has better feasibility and adaptability.

　　Key words：Patriot; occlusal movement trace; realtime display

　　咬合运动是在、咀嚼肌及颞下颌关节的共同参与下进行的一种复杂的三维运动，因而咬合运动轨迹是用以评价牙齿咀嚼系统功能状况的重要参数，根据运动轨迹分析颌位状态是颌学研究的重要手段[13]。自20世纪70年代以来，一些新的研究手段被应用于咬合运动轨迹的分析研究。1975年Jankelson等发明了下颌运动仪(mandibular kinesiograph，MKG)，该系统是一种磁电量转换方式的描记仪，能从矢状面、冠状面和水平面精确地观测下颌中切牙切点运动轨迹[4];20世纪80年代，美国Grbh公司研制成功的髁突运动轨迹描记仪(computeraided axiography,CADIAX)将经典的髁突运动轨迹描记与计算机相结合，采用双髁突电子指针真实记录髁突在矢状面、水平面的运动轨迹，还可以通过分析软件进行定性、定量的研究[5];近年来，德国KaVo公司研发了ARCUS digma下颌运动轨迹记录仪，该设备集成了超声波传感器技术和计算机技术，能够较为精确地测量和显示上下颌咬合运动轨迹[6]。我国在口腔医学计算机方面的研究始于20世纪80年代[7]，起步相对较晚，在咬合运动轨迹测量分析方面主要借助于进口上述产品，不仅价格高昂，而且在设备维护、材料消耗等环节上过分依赖国外厂商，因此开发一种具有我国自主知识产权的咬合运动测量分析设备具有重要的意义。本研究为此提出了一个方法：将Patriot传感器系统[8]与计算机相结合，能够动态地、实时地测量出YAMAHACHI咬合器[9]模拟咬合运动的轨迹曲线。

　　1 材料和方法

　　1.1 材料

　　1.1.1 硬件设备

　　Patriot系统：该系统是POLHEMUS公司开发的六自由度电磁传感器测量装置，它由1个电子系统单元(SEU)、1个磁源发射器、1个变压器和2个电磁传感器组成，并通过1个USB接口或RS232端口与计算机相连，能够测量物体的位置坐标(X,Y,Z)和姿态角度(ψ,θ,φ)。主要参数：有效测量范围152 cm，传感器数据输出更新频率60 Hz，位置坐标分辨率0.004 cm，角度坐标分辨率0.1°。

　　YAMAHACHI平均值咬合器1型，主要参数：髁间距10.5 cm，矢状髁路倾角 25°，上下颌间距 9.3 cm，矢状和侧方的切齿导向角为10°。

　　微型计算机1台，配置Pentium(R) D 2.80 GHz，1.5 G内存，80 G硬盘，Intel 82945 G显卡，128 M显存。

　　上下颌石膏模型1副。

　　1.1.2 软件环境

　　操作系统：Windows XP sp3;软件开发环境：VC++7.1，Hoops图形开发包。

　　1.2 方法

　　1.2.1 测量所需的坐标转换原理

　　如图1所示，三维空间中某点P在原坐标系O0-X0Y0Z0中的坐标为[X0,Y0,Z0]，在新坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标为[X2,Y2,Z2],新坐标系O1-X1Y1Z1原点的坐标为[X1,Y1,Z1]，姿态角度(欧拉角)为(ψ，θ，φ)。

　　因此，通过在原坐标系中测量该点的位置坐标和角度坐标以及新坐标系原点的坐标即可得到该点在新坐标系中的坐标。

　　1.2.2 测量过程

　　咬合运动轨迹测量的流程如图2，分为几个步骤：(1) 连接Patriot。通过连接SEU、磁源发射器、变压器、传感器、USB接口等组件搭建Patriot测量系统(测量示意图如图3)。(2) 将上下颌石膏模型固定在YAMAHACHI平均值咬合器上。(3) 将其中一个传感器与上颌石膏模型固定，将另外一个传感器与下颌石膏模型固定。 (4) 通过USB接口将Patriot测量系统与计算机之间建立连接，并打开控制软件。(5) 分别对咬合器上下颌框架施以开闭口运动、简单侧移运动，同时利用控制软件采集数据，并将咬合运动轨迹曲线实时显示。

　　1.2.2.1 测量开闭口运动轨迹

　　测量开闭口运动可以模拟切牙切断食物的运动过程。把固定有上下颌石膏模型的平均值咬合器和Patriot系统放置在工作台上，确保两者的间距在Patoiot系统的有效测量范围(152cm)之内。将传感器1固定在上颌中切牙唇面颈部，并保证对上下颌牙列接触滑动无影响，设固定点为P1;将传感器2固定在下颌中切牙唇面颈部，并保证对上下颌牙列接触滑动无影响，设固定点为P2。选定磁源位置为参考点建立坐标系O0-X0Y0Z0，同时选定上颌固定点P1为参考点建立坐标系O1-X1Y1Z1，测量实物。

　　打开控制软件，首先连接Patriot系统，使其与计算机之间建立连接;其次校正初始坐标系，使得磁源原点位于坐标系O0-X0Y0Z0的原点;接下来利用传感器1测量上颌固定点P1的坐标,随后切换连接到传感器2，对咬合器的下颌部分施以开闭口运动(开口角度不超过30°)，同时采集下颌固定点P2在运动过程中各个位置点的坐标，此时开闭口运动的轨迹曲线会实时显示。

　　1.2.2.2 测量简单侧移运动轨迹

　　简单侧移运动主要模拟磨牙沿侧方研磨食物的运动过程。在此，将传感器1固定在上颌后磨牙唇面颈部，并保证对上下颌牙列接触滑动无影响，同样设固定点为P1;将传感器2固定在下颌后磨牙唇面颈部，并保证对上下颌牙列接触滑动无影响，设固定点为P2。随后即可进行简单的侧移运动轨迹测量。通过向右(或向左)移动下颌框架(移动距离不超过8mm)，采集运动过程中固定点P2的一系列坐标。在拾取采集P2点的同时，系统可实时地显示采集点相对于上颌选定点P1点的运动轨迹。

　　开闭口运动和简单侧移运动是下颌部位相对于上颌部位的运动形式，因此需要将下颌固定点P2在磁源坐标系O0-X0Y0Z0中的坐标转换为P2点在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标。根据公式(1)，下颌固定点P2在坐标系O1-X1Y1Z1中的坐标可表示为：P2 ′=P2•T•R在下颌运动过程中不断测得下颌选定点各个位置的坐标，再将各位置点之间利用曲线拟合，即可得到咬合运动轨迹。

　　2 结 果

　　利用本方法测得的上下颌开闭口运动轨迹和简单侧移运动轨迹。

　　3 讨论

　　(1)咬合运动是口腔颌面系统基本生理功能之一，能够体现口腔颌面系统各部分的协调作用关系，因此，根据咬合运动轨迹可以辅助口腔科医生检测口腔颌面系统的生理、病理状态，实施科学有效的诊断、治疗[11]。本方法通过利用Patriot测量系统采集平均值咬合器模拟咬合运动过程中下颌选定点的坐标,并利用控制软件处理采集数据，可以实时地显示咬合运动轨迹。本次试验的成功表明，我们已经基本掌握了咬合运动轨迹测量的基本思路、方法和研究手段，为今后进一步的研究工作打下了坚实的基础。

　　(2)由于本次测量是在YAMAHACHI平均值咬合器上进行的，咬合器的精度、参考坐标系的选择、多次测量操作等可能会引起一定程度的测量误差，具有一定的局限性，如果要获得更高的测量精度，必须为咬合架转移装置开发数据输入、输出接口，并设定固定的坐标参照系，动态地获取患者的咬合运动数据，这些问题和思路将在今后的研究工作中得到进一步的改进和实现。

　　(3)本测量方法利用测量控制软件将Patriots系统和计算机系统结合，相比于目前流行的KaVo公司的ArcusDigMa三维下颌运动轨迹描记仪系统，本方法成本低廉、操作简便、易于实现，只需一部拥有2个电磁传感器的Patriots系统和一台普通配置的计算机即可实现整个测量过程，并且测量控制软件属于自主开发，可以根据临床需求随时改进软件功能。因此，本方法为咬合运动分析设备的国产化提供了一个新思路。

　　(4)通过本方法获取的咬合运动轨迹，可作为虚拟咬合运动仿真的检测依据，用以辅助实现虚拟咬合过程，以便更为精确地模拟上下颌咬合运动。因此，本方法也为虚拟咬合运动仿真的实现提供了一种工具。

　　【参考文献】

　　[1]任利玲,马东洋.下颌运动轨迹研究方法及应用[J].现代口腔医学杂志,2006,20(5): 542545.

　　[2]郝裕一,秦明新,李忠科,等.下颌运动虚拟再现的六自由度测量[J].实用口腔医学杂志,2008, 24(3):313316.

　　[3]邓末宏,龙星,李小丹，等.正常人群下颌运动轨迹的研究[J].口腔医学研究，2005, 21(5):552554.

　　[4]徐可卿,王毓英.下颌运动轨迹描记仪在口腔医学中的应用[J].国外医学：口腔医学分册，1993,20(6):351354.

　　[5]陈军,邓锋,李建霞,等.单侧后牙正锁患者下颌侧方运动时的髁突轨迹特征[J].上海口腔医学，2008, 17(4):356359.

　　[6]KaVo.Dental Excellence[EB/OL].[20080710]. http://www.kavo.com/Default.aspx?navid=3000&oid=002&lid=De& vkid=4610.

　　[7]LV P J, LI Y S， WANG Y,et al. The research and development of CADCAM system in restorative dentistry[J].Chin J Stomatol，2002,37(5):367371.

　　[8]Polhemus PATRIOT sixdegree of freedom tracking system[EB/OL].[20080825].http://www.polhemus.com/?page=Motion_Patriot.

　　[9]Beijing YAMAHACHI Dental Co.[EB/OL].[20080810].http://www.yamahachidental.co.jp/en/products/08artic ulator/04version1.

　　[10]郑航行,杨力,沈志明,等.Rosenbrock法在坐标转换中的应用[J].测绘信息与工程，2007, 32(4):2325.

　　[11]董研,王新木,王美青,等.偏颌畸形下颌开闭口运动特征的研究[J].临床口腔医学杂志， 2003,19(5):285288.