基于数字化技术的下颌运动虚拟还原与生物力学特性解析.docxVIP

基于数字化技术的下颌运动虚拟还原与生物力学特性解析

一、引言

1.1研究背景与意义

下颌运动作为人体口腔颌面部重要的生理活动，与咀嚼、言语、吞咽等多种功能密切相关。从咀嚼功能来看，食物进入口腔后，下颌通过开合、前后及侧方运动，配合牙齿的切割、研磨，将食物粉碎成小块，以便后续的消化吸收。良好的下颌运动能提高咀嚼效率，确保食物得到充分咀嚼，减轻胃肠道消化负担。若下颌运动出现异常，如颞下颌关节紊乱病患者常伴有下颌运动受限或疼痛，会导致咀嚼困难，影响食物摄取和消化，长期可能引发营养不良等问题。在言语功能方面，下颌的精确运动是清晰发音的关键。发不同元音和辅音时，下颌需与唇部、舌部等协同配合，调整口腔形态和空间，从而产生不同的语音。例如，发“a”“o”“e”等元音时，下颌的开合程度和位置变化对发音的准确性和清晰度起着决定性作用。若下颌运动障碍，可能导致言语不清，影响语言交流和沟通。

然而，由于下颌骨形态复杂，其独特的马蹄铁形状和多个突起结构，为下颌运动的研究增加了难度；咀嚼肌肉众多且作用方向各异，包括咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌等，它们在不同的下颌运动中协同或拮抗作用，使得肌肉力学分析复杂；开口角度多变，在开闭口、前伸、侧方等运动中，下颌的开口角度和运动轨迹各不相同，进一步加大了准确还原和研究下颌运动的挑战。传统研究方法如直接观察、简单测量等，难以全面、精确地获取下颌运动的详细信息，对其内在生物力学机制的理解也较为有限。

随着计算机技术和生物力学理论的飞速发展，下颌运动虚拟还原及生物力学研究成为可能。通过虚拟还原下颌运动，能够利用计算机模拟技术，建立精确的下颌运动模型，直观地展示下颌在各种生理活动中的运动过程，包括运动轨迹、速度、加速度等参数的变化。相关生物力学研究则可深入分析下颌运动过程中，下颌骨、咀嚼肌肉、颞下颌关节等结构的受力情况和力学特性，如应力分布、应变变化、肌肉力量的产生和传递等。这不仅有助于丰富人类对下颌运动机理的认识，填补相关理论空白，还在口腔医学、康复医学、口腔修复学、口腔正畸学、言语治疗学等多个领域具有重要的应用价值，能够为临床诊断、治疗方案制定和康复训练提供科学依据，提升医疗水平和患者生活质量。

1.2国内外研究现状

下颌运动的研究历史悠久，早期国外学者在该领域进行了开拓性探索。1773年，Monro通过解剖颅骨、关节盘，观察开口运动中髁突与关节盘的相对位置关系，为下颌运动规律的研究奠定了基础。1805年，Gariot最早对下颌运动展开研究，1840年，Evens在此基础上制造出第一个能重复下颌运动的牙合架，推动了对下颌运动模式的研究。1865年，诸多学者基于解剖知识和几何学推理提出下颌运动模式学说，但这些学说脱离活体，无法完全反映神经、肌肉支配下的下颌运动。

随着技术发展，动态X线法被用于观测人体髁状突运动全过程，但因受放射线辐射、组织显影比例和分辨率等因素限制，应用受限。1896年，Walder意识到牙合平衡的复杂性，1910年，Snow发明哥特式弓描轨迹装置，为调牙合治疗提供了理论依据。1921年，美国学者B.McCollum研制出机械式下颌运动描记仪，此后，活动荧光摄影技术、频闪观测摄影技术、电子记录技术等先进记录技术不断涌现，促进了下颌运动研究的快速发展。

在国内，下颌运动虚拟还原及生物力学研究起步相对较晚，但发展迅速。近年来，众多科研团队借助先进技术手段深入开展研究。例如，毕振宇等人紧密结合临床，以人体头颅颌面部CT扫描数据为基础，采用Mimics11.0三维重建软件，建立了上下颌骨、上下牙列以及翼内肌、翼外肌的三维数字化模型。通过该模型，清晰地观察到下颌运动中颞下颌关节结构的相对运动关系，以及上下牙列尖窝在开闭口运动中的移动方式，为在体肌肉等软组织的形态解剖学研究提供了依据，也为下颌运动的生物力学分析奠定了基础。

在虚拟还原技术方面，王辉等利用Motioncapture运动捕捉及分析系统，获取人体下颌开闭口运动的6个自由度，结合上下颌骨三维数字化模型，成功实现对人体下颌运动轨迹的还原，为下颌运动的虚拟仿真提供了关键技术支持。通过该技术，能够精确地模拟下颌在各种生理活动中的运动过程，为进一步研究下颌运动的生物力学特性创造了条件。

在生物力学特性研究上，国内学者运用有限元分析等数值模拟技术，对下颌骨在运动中的应力分布、咀嚼肌肉的力学特性等进行分析。研究发现，下颌骨在不同运动状态下，应力分布存在显著差异。在咀嚼硬物时，下颌骨体部和升支部会承受较大应力，且应力集中区域主要位于髁突颈部、下颌角等部位。咀嚼肌肉在不同下颌运动中，其收缩力和协同作用也有所不同。在开闭口运动中，咬肌、颞肌等主要参与闭口动作，提供强大的咬合力；而在侧方运动中，翼内肌、