應用moioncapu運動捕獲技術構建下頜開開口運動的自由度

應用moioncapu運動捕獲技術構建下頜開開口運動的自由度

運動捕捉技術的本質是測量、跟蹤和記錄物體在三維上的移動軌跡。光學Motioncapture系統(tǒng)采用高分辨率紅外攝像機,拍攝速率一般達到60幀/S以上,經過其系統(tǒng)處理后,可以準確地得到研究對象的數(shù)字化運動軌跡。已經成功地用于虛擬現(xiàn)實、游戲、人體工程學研究、模擬訓練、生物力學等許多方面的研究。該項技術應用于下頜運動研究,可以獲得下頜運動過程的6個自由度,將實現(xiàn)運動軌跡的量化,改善目前臨床的下頜運動檢查方法,將可以建立下頜運動的量化及可視化方法和標準。1材料方法1.1知情同意書的簽署正常男性,牙列無缺失,咬合關系為安氏I類,覆合覆蓋關系正常,開口度及開口型正常,無明顯顳下頜關節(jié)疾患。書面告知整個試驗過程,簽署南方醫(yī)科大學倫理委員會知情同意書。MotionCapture運動捕捉及分析系統(tǒng)(MotionAnalysis公司)。1.2熒光標志物的固定采用Motioncapture運動捕捉及分析系統(tǒng),上下牙列粘貼標志物,通過對標志物在開閉口運動中位置移動的記錄,獲得下頜開閉口運動的量化參數(shù),經過設備參數(shù)自身修正,獲得下頜運動中任意位置變化的6個自由度標志物設定:特制的小球,在它的表面涂了一層反光能力很強的物質,在攝像機的捕捉狀態(tài)下,它會顯得格外的明亮,使攝像機很容易捕捉到它的運動軌跡。在上下牙列分別固定熒光標志物(Maker)(2cm×2cm×2cm);上頜牙列3個,右側中切牙固定2個標志物,左側側切牙固定1個標志物,3個標志物不共線;下頜牙列4個標志物,在左右下頜尖牙分別固定2個標志物,4個標志物亦不共線;標志物為塑料,球形,質量輕,在記錄下頜運動的過程中,Maker相對于上下牙列絕對不能活動,以保證在運動還原中配準。1.2.2系統(tǒng)整體分析接受測試者端坐位,保持牙尖交錯位,7個標志物固定于上下牙列,在步態(tài)分析系統(tǒng)前80cm處,行開閉口運動,系統(tǒng)對運動信息進行捕捉采集(圖2)。1.2.3下頜開口運動信息對Motioncapture系統(tǒng)捕捉開閉口運動信息,不但可以獲得下頜切點運動的6個自由度。而且也可以獲得任意一點運動中的自由度變化數(shù)據(jù),還可以進行測量計算。2系統(tǒng)的運動過程利用正常下頜開閉口運動,Motioncapture運動捕捉及分析系統(tǒng)記錄其運動過程,每個開閉口過程記錄559個位置。以水平軸為X軸,垂直軸為Y軸,矢狀軸為Z軸。通過修正轉換,獲得了下頜切點相對于上頜切點運動的6個自由度,并對下頜運動的6個自由度進行分析。2.1下頜開口運動中,下頜提供的動力系統(tǒng),作品10.對下頜開閉口運動線位移統(tǒng)計描述如下,X軸、Y軸、Z軸線位移的最大值分別為:5.888089、0.782269、0.138931cm,最小值分別為:-3.64983、-35.9612、-5.81863cm,極差分別為9.537919、36.743469、5.957561cm,均數(shù)分別為(0.236095±1.898057)、(-13.1873±14.38405)、(-1.80071±2.335699)cm。Y軸極差和標準差最大,表示其變異度大,表示其在開閉口運動過程中Y軸變化大。下頜開閉口運動中,下頜中切牙的相對于上頜的線位移變化散點圖顯示,線位移主要發(fā)生在Y軸上,X軸及Z軸均有少量變化。說明下頜開閉口運動線位移變化是Y軸為主的三維運動(圖3)。2.2下頜開口運動誤差表現(xiàn)為z軸角位移變化的散點對下頜開閉口運動線位移統(tǒng)計描述如下,X軸、Y軸、Z軸角位移的最大值分別為:0.760088°、2.803753°、0.786493°,最小值分別為:-2.52618°、-0.62594°、-25.4298°,極差分別為3.286268°、3.429693°、26.216293°,均數(shù)分別為(-0.42162±0.786204)°、(0.938961±0.798178)°、(-8.34048±9.486988)°。Z軸極差和標準差最大,表示其變異度大,表示其在開閉口運動過程中Z軸變化大。下頜開閉口運動中,X、Y、Z軸角位移變化散點圖顯示:開閉口運動Z軸方向的角位移變化與X軸、Y軸有明顯差異。說明開閉口運動中角位移變化主要發(fā)生在Z軸;同時伴有X軸及Y軸角位移的變化(圖4)。3動作捕獲及分析系統(tǒng)運動捕捉技術從20世紀80年代開始,美國Biomechanics實驗室、SimonFraser大學、麻省理工學院等開展了計算機人體運動捕捉的研究。本研究采用MotionAnalysis的400萬象素數(shù)字動作捕捉系統(tǒng)—Eagle-4,捕捉精度0.083mm;在2352×1728象素的模式下工作,頻率可以達到200幀/S,較小分辨率的情況下,采集頻率可升至10000幀/S。下頜運動行使咀嚼、吞咽、言語以及表情等功能的精細多變運動,通常將其歸納為開閉口運動、前后運動、側方運動三種基本形式的疊加,因此通過對簡單的下頜運動的研究,可以揭示下頜運動在行使生理功能的作用機理及其臨床治療中的重要意義。Eager-4動作捕捉采集及分析系統(tǒng)采集正常人開閉口運動過程,敏感地記錄其運動過程的6個自由度,反應了開閉口運動中各個運動狀態(tài)的3個線位移和3個角位移;量化了下頜開閉口運動過程,準確記錄了位移及角度的變化,更加直觀檢測下頜運動的改變。經過分析開閉口運動中6個自由度,線位移主要發(fā)生在Y軸方向上,其角位移主要發(fā)生在Z軸上,其他2個方向均有伴隨運動。采用Motioncapture動作捕捉及分析系統(tǒng),進一步對復雜下頜運動的自由度的分析,形成下頜運動檢查的量化標準,逐步建立相關疾病的量化診斷標準。同時,下頜運動的6個自由度結合上下頜骨三維數(shù)字化模型,還原出下頜運動過程中的運動狀態(tài),可視化了下頜運動過程中上下頜骨、牙列以及顳下頜關節(jié)結構的位置關系變化;和X線片、CT、MRI二維方向圖像比較,有著明顯優(yōu)勢。同時應用于體育運動,通過對速度、加速度,角速度,角加速度等大量運動數(shù)據(jù)的分析,為實時且準確的分析及評估提供依據(jù),成為提高運動成績、預防損傷有效手段。Motioncapture運動捕捉及分析系統(tǒng),用于研究下頜運動和目前在臨床常用檢查方法相比有明顯優(yōu)勢,但是其采集的數(shù)據(jù)量非常龐大,并且經常會被較大的視角、較遠的距離、人為理解偏差等因素所影響,因此會受到一定的局限性。隨著采集技術方法不斷完善,采集數(shù)據(jù)的精度不斷提高,可以獲得更加準確可靠的下頜運動信息,將為分析運動,實現(xiàn)運動仿真提供可靠基礎,同時可以在虛擬的條件下進行診斷病人、虛擬手術及手術導航等科