下頜運動描記儀的研究進展

史文偉，程秀芳

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

顳下頜關節紊亂綜合征(temporomandibular disorders,TMD)是一種被世界衛生組織列為第四大的口腔科疾病，據文獻記載約有20%～60%的人被TMD深深折磨著。患有此口腔疾病的人不僅有下頜運動障礙，還常常伴隨著精神上的傷害，如耳鳴、頭痛、記憶力下降等[1-3]，同時，對于此類疾病的治療方法也無統一的標準[4]。由于TMD患者幾乎都會發生開口運動異常，因此下頜運動軌跡的異常情況可以為醫師提供一定的診斷依據,下頜運動描記儀的發展對于TMD疾病的診斷和康復程度的判定具有重要的意義。

1 下頜運動形式

顳下頜關節是面部唯一能活動的關節，也是人體面部最為復雜的關節之一[5]，因此了解顳下頜關節的結構對于研究下頜運動軌跡具有十分重大的意義。顳下頜關節由顳骨關節面(包括下頜支上的下頜髁突、關節窩和關節結節)、關節盤、關節囊、關節間隙和關節韌帶這五部分組成，在咀嚼肌的參與下共同完成人體需要的下頜運動。顳下頜關節運動由轉動運動和滑動運動組合完成，而轉動運動又分為繞水平軸轉動和繞垂直軸轉動，顳下頜關節繞水平軸轉動如圖1所示。進食時，下頜的運動還有轉動和滑動兩種形式，當右側咀嚼時，工作側(右)髁突垂直軸轉動，非工作側(左)髁突作滑動運動，如圖2所示。

圖1 顳下頜關節沿兩側髁突的水平軸作轉動運動 圖2 右側咀嚼時下頜髁突運動形式

最早探索到下頜的運動形式是1889年，Luce使用照相技術實現了對下頜運動軌跡的測量[6]。隨著人類對測量下頜運動軌跡儀器的研究，Peyron和他的同事使用Carstens2D關節儀[7]記錄了下頜切牙一個完整的模型在食物咀嚼時的周期序列，如圖3所示。

從圖3可以看出，人體下頜的運動軌跡是一種復雜的三維空間運動，這對于研發下頜運動軌跡描記儀起到了促進作用。

圖3 牙切點運動軌跡

2 下頜運動描記儀的現狀

目前，國外商品化的非接觸型下頜運動軌跡描記儀主要有德國Siemens公司的SGG描記儀和美國K-5AR型下頜運動軌跡描記儀(MKG)。SGG描記儀是由西門子公司生產的一種利用磁電轉換技術來描記下頜運動的記錄儀，如圖4所示。將磁鋼固定于下頜骨中切牙處，當磁鋼隨人體下頜作特定運動時，磁鋼與固定于面架上的磁敏傳感器之間的距離發生變化，傳感器周圍磁場強度隨之發生相應的變化，從而導致傳感器的電阻發生變化，進而改變傳感器的輸出電壓。根據磁場強度、輸出電壓和位移的關系，可以計算出下頜的運動軌跡。計算機中的一系列軟件對采集到的下頜信號進行各種處理，如數學建模、加速度分析等，最終描繪出不同下頜運動形式在不同平面上的運動軌跡，并可以對處理后的數據進行存儲和打印，以供隨時查閱。經過各種實驗驗證，該套SGG描記儀擁有測量精度高、干擾性小、效率高和穩定性良好等優點。

圖4 SGG下頜運動軌跡描記儀

國內的研究起步較晚，電子科技大學發明了一種可以記錄牙頜運動軌跡的裝置[8]，其主要包括上頜頭架和下頜夾板，如圖5和圖6所示。固定在人體下頜骨上的下頜夾板中安裝了一個超聲換能發送單元，該單元能按一定的頻率向上發送超聲波信號，然后被固定于上頜頭的上頜頭架向下反射后，又被下頜夾板上的超聲換能接收單元接收并轉換成電信號。由于下頜夾板隨著下頜運動，因此下頜夾板與上頜頭架之間的距離隨著下頜的運動而改變，因此輸出的電壓信號也在發生改變，當采集完一個周期的下頜運動信號后，通過計算機對信號進行處理，能夠得到理想的下頜運動軌跡。

1-耳塞固定器；2-調節器；3-擰緊牙合叉接合片；4-眉間架圖5 上頜頭架示意圖

1-超聲換能器；2-牙合叉；3-擰緊牙合叉接合片圖6 下頜夾板示意圖

鄭州大學開發出一種下頜跟蹤裝置用來測量下頜的三維運動[9]，如圖7所示。該套設備是由8個霍爾傳感器、固定面架、自由運動磁鋼和相應的放大電路、A/D轉換電路、采集系統所組成的磁性下頜運動跟蹤裝置，根據傳感器輸出的電壓信號、磁場強度和磁鋼的坐標，實現對下頜運動軌跡的跟蹤采集。

圖7 下頜運動跟蹤裝置

3 下頜運動測量儀存在的問題及發展趨勢

目前，國內下頜運動測量儀器研究存在的主要問題包括：沒有自主研發品牌的下頜運動軌跡描記儀；產品精度低；操作繁瑣或不便；國外引進儀器價格昂貴等。因此下頜運動描記儀的開發具有非常廣闊的市場空間。

下頜運動測量儀器的發展趨勢：

(1) 大多數測量下頜運動的儀器正在朝著無接觸測量的方向發展，而且更加人性化，對于下頜開口異常的患者使用起來更加舒適，進而有利于促進測試下頜異常或查看下頜康復效果的積極性。

(2) 所設計的下頜測量儀器更加輕便，使用更加方便，且幾乎都與計算機聯機進行測量，從而可以實現下頜運動軌跡再現和存儲等優點，實現了人機交互的功能，朝著普遍化、智能化的方向發展，既省時又省力，減輕了醫師的勞動強度。

(3) 在保證測量下頜運動軌跡精度的同時降低儀器的成本，且不會對使用者的健康造成任何危害，滿足了普通大眾的需求，在一定程度上減輕了受檢查者的經濟負擔。