顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的三維咬合評價系統(tǒng)開發(fā)*

劉 巖 張 曦 王美青 劉 洋*

顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病(temporomandibular disorder，TMD)是一種常見的顳下頜關(guān)節(jié)病，同時也是口腔臨床上的多發(fā)病，據(jù)統(tǒng)計，約有20%～60%的人患有顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病[1]。TMD的主要特征包括顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)和(或)咀嚼肌疼痛、異常關(guān)節(jié)彈響或關(guān)節(jié)音及下頜運動功能障礙，臨床表現(xiàn)為咀嚼肌疼痛、關(guān)節(jié)痛、關(guān)節(jié)彈響、張口受限、不對稱的下頜運動等[2]。TMD多發(fā)于青壯年時期，且多數(shù)患者數(shù)種癥狀同時存在，癥狀復(fù)雜、病程遷延且反復(fù)發(fā)作，嚴(yán)重的危害患者身心健康。TMD的病因尚不明確，可能由多種因素共同影響疾病的產(chǎn)生與發(fā)展，導(dǎo)致顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病的分類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，診斷較為復(fù)雜[3]。

咬合因素是較早被提出的TMD致病因素之一，咬合異常是TMD發(fā)病的可能因素之一[4-5]。異常咬合可以作為獨立的致病因素，導(dǎo)致顳下頜關(guān)節(jié)退行性改變而引起TMD[6-7]。其中，垂直向咬合異常與TMD有密切的相關(guān)關(guān)系[8]。目前，臨床上牙科醫(yī)生通過傳統(tǒng)的望診、聽診、觸診、運動試法等傳統(tǒng)手段對TMD進(jìn)行診斷，進(jìn)而使用不同的治療策略[1]。在TMD的臨床檢查與診斷中，咬合檢查是其中重要的一項內(nèi)容。臨床較為常用的一種方法為模型分析法，即通過取印模灌注牙列石膏模型，可以彌補口內(nèi)視野不足的缺點，便于觀察咬合關(guān)系[9]。然而，通過人工鑒別咬合關(guān)系，易受主觀因素影響，結(jié)果一致性差，準(zhǔn)確性低。為此，本研究設(shè)計一套針對TMD咬合檢查評價的三維咬合評價系統(tǒng)，旨在利用軟件手段，通過特征定量計算反映TMD患者咬合情況，并生成三維距離模型，以達(dá)到直觀及客觀地輔助TMD診斷的功能。

1 三維咬合評價系統(tǒng)設(shè)計

1.1 軟件設(shè)計及開發(fā)工具

三維咬合評價系統(tǒng)在Visual Studio 2015的環(huán)境下，主要基于醫(yī)學(xué)影像交互開發(fā)包2016.11(medical imaging interaction toolkit，MITK-2016.11)庫(http：//mitk.org/wiki/MITK)開發(fā)，并使用了Qt5.6實現(xiàn)用戶交互界面。目前，醫(yī)學(xué)影像研究中使用最廣泛的兩個算法平臺是可視化開發(fā)包(visualization toolkit，VTK)和圖像分割和配準(zhǔn)類庫(insight segmentation and registration toolkit，ITK)，使用的MITK類庫是將可視化和算法結(jié)合的集成化醫(yī)學(xué)影像算法平臺，彌補了VTK和ITK算法與可視化分離的局限，具有強大的圖像處理功能，并在實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化基礎(chǔ)上強化了對用戶交互的支持[10-11]。

1.2 軟件開發(fā)

三維咬合評價系統(tǒng)采用的患者數(shù)據(jù)是由牙模型掃描而來的立體光刻(stereo lithographic，STL)文件格式的三維空間咬合數(shù)據(jù)。STL文件格式是美國3D SYSTEMS公司提出的三維實體造型系統(tǒng)的一個接口標(biāo)準(zhǔn)，接口格式規(guī)范，在醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用[12]。該類文件使用小三角面片逼近三維表面的空間結(jié)構(gòu)，通過給出三角形法向量的分量及三角形的3個頂點坐標(biāo)來實現(xiàn)。STL文件格式的優(yōu)勢在于易獲取、成本低，以及便于區(qū)分和觀察上下頜的咬合關(guān)系。

系統(tǒng)對患者的STL格式三維牙模型表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行批量數(shù)據(jù)的讀取、顯示與處理。①給出三維表面結(jié)構(gòu)與三個投影面之間的對應(yīng)位置關(guān)系；②批量計算并存儲反映咬合關(guān)系的咬合最短距離和垂直距離特征；③之后模擬距離特征分別在上下頜的分布，顯示三維效果圖，最終達(dá)到存儲咬合距離數(shù)據(jù)、生成咬合距離圖像以及顯示其分布的功能。軟件功能的實現(xiàn)過程見圖1。

2 三維咬合評價系統(tǒng)功能

2.1 患者數(shù)據(jù)讀取

軟件的初始界面分為兩個區(qū)域，其上側(cè)為顯示交互區(qū)，下側(cè)為數(shù)據(jù)處理區(qū)。在顯示交互區(qū)域可以顯示原始數(shù)據(jù)以及處理后結(jié)果，也提供了良好的交互功能。在數(shù)據(jù)處理區(qū)域，可以實現(xiàn)包括對單個患者的單側(cè)牙表面模型的分別讀取、對單個患者雙側(cè)牙表面模型共同讀取以及對批量患者的雙側(cè)牙表面模型數(shù)據(jù)共同讀取在內(nèi)的3種不同讀取方式，讀取過程可以選擇路徑讀取或者交互讀取，滿足牙科醫(yī)生的不同檢查需求。此外，系統(tǒng)還設(shè)置了對已保存的計算結(jié)果讀取的功能，便于反復(fù)檢查分析以及療效評價。

圖1 三維咬合評價系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程

2.2 數(shù)據(jù)同步顯示

三維咬合評價系統(tǒng)利用MITK軟件平臺所支持的多視圖同步顯示功能，在讀取患者STL格式數(shù)據(jù)后，顯示患者牙模型的冠狀面、矢狀面、軸狀面以及三維結(jié)構(gòu)并標(biāo)注。其中，前3個視圖均為整個模型的某一層的視圖，三者存在相互對應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)鼠標(biāo)選定點(層)同步更新顯示，見圖2。

圖2 三維咬合評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)同步顯示

2.3 數(shù)據(jù)處理與存儲

數(shù)據(jù)處理與存儲模塊可以計算包含咬合關(guān)系的最短距離與垂直距離兩個量并存儲，添加了批量數(shù)據(jù)的計算和存儲功能，其算法為：①讀取雙側(cè)STL格式牙模型的三角面片各頂點，雙側(cè)頂點對應(yīng)關(guān)系；②判斷構(gòu)成咬合關(guān)系的表面點；③以其中一側(cè)表面點為基準(zhǔn)，計算從另一側(cè)表面點到基準(zhǔn)側(cè)表面點的最短距離、從基準(zhǔn)側(cè)最高點所在的水平面到另一側(cè)各點的垂直距離兩個特征量，經(jīng)過閾值設(shè)定，得到有效數(shù)據(jù)后保存為txt格式文件。STL格式牙模型的上下頜牙表面頂點對應(yīng)關(guān)系見圖3。

圖3 STL格式牙模型的上下頜牙表面頂點對應(yīng)關(guān)系

2.4 交互功能

三維咬合評價系統(tǒng)具有強大的交互功能。在讀取數(shù)據(jù)模塊界面上，醫(yī)生可以手動定位不同空間位置的截面，分別調(diào)節(jié)上下側(cè)牙模型的透明度，從而更加清晰地反映咬合關(guān)系。在結(jié)果顯示界面，系統(tǒng)支持手動設(shè)置三維柱狀圖、地形圖的偽彩色以及偽彩色顯示閾值，使計算結(jié)果更為個性化、更直觀。系統(tǒng)界面的所有窗口都存在同步關(guān)系，牙科醫(yī)生可以從多個視角觀察咬合情況。對顯示結(jié)果設(shè)置偽彩色及閾值時也會在三維模型顯示窗口同步設(shè)定，在三維模型上任意一點進(jìn)行定位都會在柱狀圖以及地形圖上高亮顯示定位點，并在三維模型顯示窗口標(biāo)出計算所得距離值。此外，系統(tǒng)還可以將計算得到的柱狀圖、地形圖進(jìn)行反轉(zhuǎn)，提供了更強的靈活性。交互功能展示效果見圖4。

3 三維咬合評價系統(tǒng)圖形結(jié)果顯示

在計算得到咬合特征結(jié)果后，軟件可以以三維柱狀圖、地形圖以及咬合間隙模型三種方式來顯示咬合距離模擬結(jié)果，并將結(jié)果展示在顯示交互區(qū)界面。

3.1 柱狀圖

圖4 三維咬合評價系統(tǒng)交互功能展示

通過三維咬合評價系統(tǒng)軟件將求得的咬合距離按照上頜、下頜對應(yīng)位置分別在模型上排列，構(gòu)成以上頜、下頜為基準(zhǔn)的三維柱狀圖，從而使計算結(jié)果更直觀化，應(yīng)用更為方便。柱狀圖顯示效果見圖5。

圖5 三維咬合評價系統(tǒng)柱狀圖顯示效果

3.2 地形圖

三維咬合評價系統(tǒng)同時設(shè)置了地形圖顯示模擬結(jié)果的功能。地形圖在三維柱狀圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行插值后顯示，可得到更為精細(xì)的結(jié)果，更易于觀察咬合間隙的分布情況。地形圖功能見圖6。

圖6 三維咬合評價系統(tǒng)地形圖顯示效果

3.3 咬合間隙模型

通過三維咬合評價系統(tǒng)得到咬合距離之后可根據(jù)需求選擇三維咬合間隙的顯示。顯示方法刪除了與咬合無關(guān)部分的模型，只保留了上下牙列距離較小的一部分表面模型，從而可以從內(nèi)部視角觀察咬合情況。將柱狀圖顏色按照對應(yīng)位置投影到三位咬合間隙表面，可直觀的觀察到咬合面的形態(tài)、咬合距離的相對大小。此外，將鼠標(biāo)移動至任意一點，都會同步顯示計算得到的距離值，方便進(jìn)行量化評價。咬合間隙模型效果見圖7。

圖7 三維咬合評價系統(tǒng)咬合間隙模型效果

在通過三維咬合評價系統(tǒng)得到計算結(jié)果后，軟件可以進(jìn)一步將三維咬合間隙模型與原數(shù)據(jù)三維模型融合顯示。系統(tǒng)界面左側(cè)為數(shù)據(jù)讀取與顯示區(qū)，包含操作部分與原數(shù)據(jù)三維顯示部分，依次為冠狀面、矢狀面、軸狀面以及三維結(jié)構(gòu)與咬合間隙顯示窗口；右側(cè)及下方為數(shù)據(jù)處理與結(jié)果展示區(qū)，包含交互部分與計算結(jié)果展示部分，依次為以上頜為準(zhǔn)的柱狀圖、以上頜為準(zhǔn)的地形圖、以下頜為準(zhǔn)的柱狀圖以及以下頜為準(zhǔn)的地形圖。整體顯示效果界面見圖8。

圖8 三維咬合評價系統(tǒng)整體顯示效果界面圖

4 結(jié)論

本研究設(shè)計的三維咬合評價系統(tǒng)創(chuàng)新使用了TMD患者三維咬合模型作為MITK醫(yī)學(xué)影像處理平臺的原始數(shù)據(jù)，提取咬合特征作為咬合評價依據(jù)，并建立咬合特征的三維顯示，輔助醫(yī)師更直觀、方便地完成TMD的診斷。在后續(xù)的研究和開發(fā)過程中，擬將進(jìn)一步增加反映咬合情況的特征，充分利用計算結(jié)果中的咬合信息，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的算法對提取得到的圖像進(jìn)一步分析，從而達(dá)到更客觀精準(zhǔn)的疾病診斷、分類、分期及預(yù)后的效果，形成完整的TMD輔助診療系統(tǒng)，為TMD的診斷治療提供可靠和高效的新手段。