顳下頜關節紊亂病的三維咬合評價系統開發*

劉 巖 張 曦 王美青 劉 洋*

顳下頜關節紊亂病(temporomandibular disorder，TMD)是一種常見的顳下頜關節病，同時也是口腔臨床上的多發病，據統計，約有20%～60%的人患有顳下頜關節紊亂病[1]。TMD的主要特征包括顳下頜關節區和(或)咀嚼肌疼痛、異常關節彈響或關節音及下頜運動功能障礙，臨床表現為咀嚼肌疼痛、關節痛、關節彈響、張口受限、不對稱的下頜運動等[2]。TMD多發于青壯年時期，且多數患者數種癥狀同時存在，癥狀復雜、病程遷延且反復發作，嚴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生與發展，導致顳下頜關節紊亂病的分類標準不統一，診斷較為復雜[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，導致顳下頜關節退行性改變而引起TMD[6-7]。其中，垂直向咬合異常與TMD有密切的相關關系[8]。目前，臨床上牙科醫生通過傳統的望診、聽診、觸診、運動試法等傳統手段對TMD進行診斷，進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，可以彌補口內視野不足的缺點，便于觀察咬合關系[9]。然而，通過人工鑒別咬合關系，易受主觀因素影響，結果一致性差，準確性低。為此，本研究設計一套針對TMD咬合檢查評價的三維咬合評價系統，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，以達到直觀及客觀地輔助TMD診斷的功能。

1 三維咬合評價系統設計

1.1 軟件設計及開發工具

三維咬合評價系統在Visual Studio 2015的環境下，主要基于醫學影像交互開發包2016.11(medical imaging interaction toolkit，MITK-2016.11)庫(http：//mitk.org/wiki/MITK)開發，并使用了Qt5.6實現用戶交互界面。目前，醫學影像研究中使用最廣泛的兩個算法平臺是可視化開發包(visualization toolkit，VTK)和圖像分割和配準類庫(insight segmentation and registration toolkit，ITK)，使用的MITK類庫是將可視化和算法結合的集成化醫學影像算法平臺，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，并在實現對數據的可視化基礎上強化了對用戶交互的支持[10-11]。

1.2 軟件開發

三維咬合評價系統采用的患者數據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據。STL文件格式是美國3D SYSTEMS公司提出的三維實體造型系統的一個接口標準，接口格式規范，在醫學成像系統中有廣泛的應用[12]。該類文件使用小三角面片逼近三維表面的空間結構，通過給出三角形法向量的分量及三角形的3個頂點坐標來實現。STL文件格式的優勢在于易獲取、成本低，以及便于區分和觀察上下頜的咬合關系。

系統對患者的STL格式三維牙模型表面結構進行批量數據的讀取、顯示與處理。①給出三維表面結構與三個投影面之間的對應位置關系；②批量計算并存儲反映咬合關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，最終達到存儲咬合距離數據、生成咬合距離圖像以及顯示其分布的功能。軟件功能的實現過程見圖1。

2 三維咬合評價系統功能

2.1 患者數據讀取

軟件的初始界面分為兩個區域，其上側為顯示交互區，下側為數據處理區。在顯示交互區域可以顯示原始數據以及處理后結果，也提供了良好的交互功能。在數據處理區域，可以實現包括對單個患者的單側牙表面模型的分別讀取、對單個患者雙側牙表面模型共同讀取以及對批量患者的雙側牙表面模型數據共同讀取在內的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，滿足牙科醫生的不同檢查需求。此外，系統還設置了對已保存的計算結果讀取的功能，便于反復檢查分析以及療效評價。

圖1 三維咬合評價系統功能實現過程

2.2 數據同步顯示

三維咬合評價系統利用MITK軟件平臺所支持的多視圖同步顯示功能，在讀取患者STL格式數據后，顯示患者牙模型的冠狀面、矢狀面、軸狀面以及三維結構并標注。其中，前3個視圖均為整個模型的某一層的視圖，三者存在相互對應關系，可根據鼠標選定點(層)同步更新顯示，見圖2。

圖2 三維咬合評價系統結構數據同步顯示

2.3 數據處理與存儲

數據處理與存儲模塊可以計算包含咬合關系的最短距離與垂直距離兩個量并存儲，添加了批量數據的計算和存儲功能，其算法為：①讀取雙側STL格式牙模型的三角面片各頂點，雙側頂點對應關系；②判斷構成咬合關系的表面點；③以其中一側表面點為基準，計算從另一側表面點到基準側表面點的最短距離、從基準側最高點所在的水平面到另一側各點的垂直距離兩個特征量，經過閾值設定，得到有效數據后保存為txt格式文件。STL格式牙模型的上下頜牙表面頂點對應關系見圖3。

圖3 STL格式牙模型的上下頜牙表面頂點對應關系

2.4 交互功能

三維咬合評價系統具有強大的交互功能。在讀取數據模塊界面上，醫生可以手動定位不同空間位置的截面，分別調節上下側牙模型的透明度，從而更加清晰地反映咬合關系。在結果顯示界面，系統支持手動設置三維柱狀圖、地形圖的偽彩色以及偽彩色顯示閾值，使計算結果更為個性化、更直觀。系統界面的所有窗口都存在同步關系，牙科醫生可以從多個視角觀察咬合情況。對顯示結果設置偽彩色及閾值時也會在三維模型顯示窗口同步設定，在三維模型上任意一點進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出計算所得距離值。此外，系統還可以將計算得到的柱狀圖、地形圖進行反轉，提供了更強的靈活性。交互功能展示效果見圖4。

3 三維咬合評價系統圖形結果顯示

在計算得到咬合特征結果后，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果，并將結果展示在顯示交互區界面。

3.1 柱狀圖

圖4 三維咬合評價系統交互功能展示

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

圖5 三維咬合評價系統柱狀圖顯示效果

3.2 地形圖

三維咬合評價系統同時設置了地形圖顯示模擬結果的功能。地形圖在三維柱狀圖的基礎上進行插值后顯示，可得到更為精細的結果，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得到咬合距離之后可根據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，從而可以從內部視角觀察咬合情況。將柱狀圖顏色按照對應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、咬合距離的相對大小。此外，將鼠標移動至任意一點，都會同步顯示計算得到的距離值，方便進行量化評價。咬合間隙模型效果見圖7。

圖7 三維咬合評價系統咬合間隙模型效果

在通過三維咬合評價系統得到計算結果后，軟件可以進一步將三維咬合間隙模型與原數據三維模型融合顯示。系統界面左側為數據讀取與顯示區，包含操作部分與原數據三維顯示部分，依次為冠狀面、矢狀面、軸狀面以及三維結構與咬合間隙顯示窗口；右側及下方為數據處理與結果展示區，包含交互部分與計算結果展示部分，依次為以上頜為準的柱狀圖、以上頜為準的地形圖、以下頜為準的柱狀圖以及以下頜為準的地形圖。整體顯示效果界面見圖8。

圖8 三維咬合評價系統整體顯示效果界面圖

4 結論

本研究設計的三維咬合評價系統創新使用了TMD患者三維咬合模型作為MITK醫學影像處理平臺的原始數據，提取咬合特征作為咬合評價依據，并建立咬合特征的三維顯示，輔助醫師更直觀、方便地完成TMD的診斷。在后續的研究和開發過程中，擬將進一步增加反映咬合情況的特征，充分利用計算結果中的咬合信息，并結合機器學習的算法對提取得到的圖像進一步分析，從而達到更客觀精準的疾病診斷、分類、分期及預后的效果，形成完整的TMD輔助診療系統，為TMD的診斷治療提供可靠和高效的新手段。