1、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【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Abstract： The occlusal movement
2、 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 coordinat
3、es of YAMAHACHI articulator during its movement.Lastly, simulating and displaying realtime trace by selfdeveloped 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 a
4、daptability.Key words：Patriot； occlusal movement trace； realtime 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13 。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
5、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(computeraided 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
6、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 RS232 端口与计算机相连，能够测量物体的位置坐标(X,Y,
7、Z)和姿态角度（,)。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。
8、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（，)。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
9、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。
10、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，测量实物图如图 4 所示。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
11、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
12、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 =P2TR 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如图 5、6 所示。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
13、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
14、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
15、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): 542545.2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):313316.3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):552554.4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):351354.5陈军,邓锋,李建霞,等.单侧后牙正锁患
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