在小鼠咀嚼过程中相对于上颌骨的下颌骨运动的可视化:整合运动学分析和重建颌面结构的三维模型

背景

咀嚼是保护人类生命最基本的功能之一。为了阐明各种口腔功能障碍的发病机制，对评估口腔功能的仪器的需求不断增加。本研究的目的是开发一个系统来重建和可视化三维(3D)下颌相对于上颌骨的运动，包括小鼠咀嚼过程中上下牙列之间咬合接触的动态过渡。

方法

首先，使用由两个高速摄像机和四个反射标记组成的运动捕捉系统测量六个自由度的下颌运动。其次，利用显微ct图像重建颌面结构三维模型。将下颌骨运动的运动学数据与颌面结构的解剖数据相结合，再现下颌骨解剖标志点的运动轨迹。最后，将上牙列与周围颌面结构的3D表面图像转移到每个运动捕捉图像中，以重现下颌相对于上颌骨的运动。我们还进行了与下颌骨运动相关的咀嚼肌肌电图(EMG)。

结果

该系统能够高精度地再现下颌骨上任意点(如门牙、磨牙和髁突点)的三维运动轨迹，并能可视化上下牙咬合接触与下颌骨运动的动态变化。

结论

所提出的系统有可能阐明咀嚼肌的运动协调机制，并通过利用与下颌骨运动同步记录肌电图数据的能力来阐明它们在咀嚼过程中的作用。通过比较正常小鼠和具有口腔行为功能障碍的转基因小鼠，这些见解将增强我们对口腔运动障碍的发病机制和诊断的理解。

咀嚼是保护人类生命最基本的功能之一。然而，由于咀嚼和颚肌协调的复杂机制，各种口腔功能障碍的发病机制尚未充分阐明。口腔运动行为以前曾用兔子等动物模型进行过研究[1]、仓鼠[2]、天竺鼠[3.]，猫[4，5]，老鼠[6，7]，和老鼠[8，9，10，11，12]以阐明控制咀嚼功能的中枢和外围机制。

分子生物学技术的最新发展已允许创造出问题特异性敲除小鼠[13，14，15，16，17]和几种突变小鼠，如增骨(op/op)小鼠[18，19]和血清素受体缺乏小鼠[20.］．血清素是一种单胺能神经递质，广泛分布在整个大脑中，被认为与口腔运动障碍有关[21]，类似于帕金森氏症[22，23]、亨廷顿氏症[24，25，26]和偏瘫[27，28这通常是由于基底神经节功能障碍引起的。对用作口腔运动障碍动物模型的小鼠的需求可能会增加。

将正常小鼠与具有颌面部行为障碍的转基因小鼠进行比较，有助于阐明颅下颌系统运动障碍的病因。

在此背景下，我们之前的研究描述了一种光电设备的发展，用于测量具有六自由度的下颌骨运动，允许分析小鼠下颌骨任意点的三维(3D)运动[12］．该系统可以看到下颌骨的运动轨迹，但不能看到其相对于上颌骨的运动，例如咀嚼时上下牙列之间的动态咬合接触。

本研究的目的是开发一种测量六自由度下颌骨运动的系统，通过将运动捕捉系统获得的运动学数据与小鼠咀嚼过程中微观计算机断层扫描(micro-CT)图像生成的颌面结构几何数据集成在一起，可视化上下牙列之间的动态咬合关系，以及分析下颌骨任意点的三维运动轨迹。此外，该装置还配备了肌电图(EMG)系统，以记录咀嚼肌的活动与下颌骨运动同步。

该系统由五个步骤组成:(1)测量下颌骨运动，(2)记录咀嚼肌活动，(3)重建三维解剖模型，(4)复制下颌骨运动，(5)复制下颌骨相对于上牙列的运动和动态咬合的可视化。步骤(1)、(3)及(4)已在另一篇文章中测试及详细描述[12］．本研究的实验方案由长崎大学动物福利委员会根据该机构的动物护理标准(批准号:no. 1)事先审查并批准。1812181496 - 2)。本研究符合reach指南。

数字1显示了使用运动捕捉系统(DIPP-Motion V3D;DITECT)。4个标记物附着于实验小鼠的下颌骨(Jcl:ICR小鼠;Clea，东京，日本)和两台高速摄像机(HAS220;DITECT，东京，日本)以200帧/秒的帧率捕捉每个标记的运动。

为将测量装置安装在动物模型上，小鼠全身麻醉，腹腔注射5:1.5:3.5氯胺酮(Ketalar;Sankyo Yell，东京，日本)，xylazine (Selactar 2%;拜耳医疗保健公司，大阪，日本)和0.9%氯化钠溶液。使用4-META树脂(Super-Bond;太阳医疗，森山，日本)。同时，双侧植入咬肌浅肌，单侧植入二腹肌前腹，用不粘涂层不锈钢丝制成的双极电极记录肌电图，电极尖端暴露2mm，极间距离1mm，如图所示。2．电极导线穿过面部皮肤并固定在头部连接器上，该连接器将被固定在头部顶部。

手术准备后，让小鼠恢复3天。然后将小鼠头部牢牢固定在固定装置上，然后以200帧/秒的帧率记录下颌骨运动。同时记录双侧咬肌和右侧二腹肌的肌电图。肌电图信号用交流放大器放大，并通过16位模数转换器以1000hz的采样频率存储在个人电脑存储器中，并使用截止频率为100hz的高通滤波器进行处理。同时，使用数据采集软件(dip - adii;DITECT)。

在使用运动捕捉系统对下颌骨运动进行光电测量和咀嚼肌活动的EMG记录后，使用体内micro-CT系统(R-mCT;Rigaku, Tokyo, Japan)重建三维解剖模型。利用三维图像处理和编辑软件(Mimics 20.0;Materialise，鲁汶，比利时)。通过该程序，记录颌面骨相对于四种标记物的相对位置。

为了重现和可视化下颌骨运动，从运动捕捉系统获得的运动学数据与微型ct系统创建的解剖数据相结合。即，将下颌骨的表面图像转移到下颌骨运动的运动捕捉图像上。由于运动捕捉系统和解剖模型的坐标系不相同，因此通过在四个标记物上登记下颌骨运动的运动学数据和下颌骨的解剖数据来进行坐标转换(图。3.)．坐标变换方法已在前面描述过[12］．

为了重现下颌相对于上颌骨的运动，从而可视化和评估咀嚼过程中上下牙列之间的咬合接触状态，上牙列的解剖学数据应与下颌运动的运动学数据高精度地结合起来。也就是说，将上颌骨包括上牙列在内的三维表面图像转换为动作捕捉图像。小鼠在保持与头部固定装置连接的情况下被牺牲。同时给予小鼠腹腔注射氯胺酮(0.08 mg/kg)、甲苯嗪(0.04 mg/kg)过量麻醉安乐死。接下来，将下颌骨闭合到尖间位置，并与包括上颌骨在内的面部和颅骨复合体固定在一起，使用4-META树脂将两个颌骨巩固为一个单元，以便它们之间的相对位置保持不变(图2)。4)．然后通过运动捕捉系统和micro-CT系统在同一颌骨位置获得3D图像，精确记录颌面结构相对于四种标记物的相对位置。在记录两种静态图像后，以与前面描述的相同的方式获得两种坐标系之间的坐标转换参数(从而得到一个转换方程)。然后将上颌骨表面各点与周围颌面结构的三维坐标输入方程进行变换。因此，通过micro-CT系统获得的上颌骨与相邻面部和头部复合体的三维重建图像被精确地叠加到每一帧运动捕捉图像上。因此，咀嚼过程中与下颌运动相关的上下牙咬合接触的动态转变可以图形化地显示出来。

为了进行系统评估，标记器组件被固定在三轴电动脉冲平台上(MM-60XY, MM-60V;中央精密工业有限公司，东京，日本)。为了确定空间分辨率，当舞台上的目标标记物分别沿x、y和z轴移动0.005 mm时，沿时间轴记录位移波动。x、y和z轴的分辨率小于0.005 mm，因为位移变化大于所有轴的位移波动范围(图5)。5)．为了确定系统的精度，脉冲级上的目标标记物在三维空间中以0.5-mm的增量在3 mm × 3 mm × 3 mm的工作区域内移动。在343个驱动点上，计算由脉冲级机械驱动的位移与使用运动捕捉系统测量的位移之间的差值作为测量误差。平均测量误差在x轴1.8%以内，y轴1.5%以内，z轴0.8%以内(图2)。6)．

第一步，将下颌骨运动的运动学数据与下颌骨的解剖数据相结合，再现咀嚼过程中下颌骨任意一点的三维运动轨迹。例如，在10次连续的咀嚼行程中，臼齿的运动轨迹被重建，并分别投射在矢状面、额面和咬合平面上(图2)。7)．

在第二步中，将包括上牙列在内的上颌骨三维表面图像转移到每个运动捕捉图像中。下颌相对于上颌骨的运动，包括代表咀嚼过程中上下牙列咬合接触状态的动态咬合，然后被再现和可视化。数字8A显示了相对于上颌解剖结构的下颌骨运动路径的侧面视图，连接到工作侧和平衡侧的门牙、磨牙和髁的每个分析点。数字8b为与下颌骨运动同步记录的咬肌和二腹肌肌电图。数字9显示每个时间点从侧面、正面和右侧斜位视图的三维下颌位置。数字10显示与工作侧和平衡侧的门牙、磨牙和髁突运动轨迹相关的咀嚼肌活动范围。

根据磨牙运动轨迹，我们确定时间点1的下颌骨位置为最大合颌位置，时间点9的下颌骨位置为最前位置，时间点19的下颌骨位置为最大开颌位置，时间点28的下颌骨位置为最后位置，与上下磨牙发生咬合接触的起点重合。根据这些时间点的定义，咀嚼周期分为三个阶段:开始(时间点1-19);关闭(时间点19-28);咬合(时间点28-1)。根据EMG信号，我们确定时间点25处的下颌位置为工作侧咬肌活动的开始，时间点28处为平衡侧咬肌活动的开始，与咬合接触发生的开始相吻合。

门牙的运动轨迹显示出与人类或迄今为止报道的其他动物不同的前后偏移。切牙在闭合阶段(时间点19-28)比在开放阶段(时间点1-19)走的更靠后。髁突的运动轨迹显示前后运动接近直线并平行于咬合平面。在开放阶段，与二腹肌活动的持续时间相对应，工作侧髁状突向前移动，直到最前面的点(时间点9)。在开放阶段的中途，移动方向从前转向后，髁状突向后移动，直到最大颌骨张开位置(时间点19)。另一方面，在整个开启阶段，平衡侧的髁突向前移动。在闭合阶段，工作侧髁在向后移动的中途从时间点19进一步向后移动到髁的最后位置(时间点28)。平衡侧的髁突从髁突运动路径的前边界向后移动到后边界。在咬合阶段，工作侧和平衡侧髁突均从髁突最后方位置(时间点28)向前移动至最大合颌位置(时间点1)。

关于与髁突运动相关的咬肌肌电图活动，工作侧和平衡侧的咬肌活动在持续时间上存在差异。即工作侧咬肌活动开始时间(时间点25，对应于髁突最后位置稍前)早于平衡侧咬肌活动开始时间(时间点28，对应于髁突最后位置)。咬肌活动偏移量为工作侧和平衡侧时间点1。

在本研究中，我们提出了一种基于分析口腔颌功能和重建颌面结构3D模型的新方法来可视化小鼠下颌相对于上牙列的运动。也就是说，使用运动捕捉系统记录具有六个自由度的下颌骨运动，并将所得到的运动学数据应用于由micro-CT图像创建的解剖结构的3D模型。咀嚼肌活动与测量下颌运动同步记录。

大多数先前使用小动物模型对口腔运动行为进行的研究，都试图使用光电测量系统中的发光二极管，仅检测一个从下颌骨投射出来的标记物的运动[1，3.，7，29]或电磁测量系统中的磁体[8，9，10，30.，31，32，33]作为研究下颌骨运动特征的目标标记物。由于下颌骨在咀嚼过程中有六个自由度的运动，仅测量一个目标点的运动不能说明下颌骨的整体运动。在运动捕捉系统中使用四个标记，可以实际测量六个自由度的下颌骨运动。

为了重现下颌骨任意点的运动轨迹，我们首先采用了一个由两个高速摄像机和四个反射标记组成的运动捕捉系统来获得运动数据。利用micro-CT图像重建包含标记物的下颌骨三维模型，结合下颌骨运动运动学数据和下颌骨解剖数据，再现下颌骨上切牙、磨牙、髁突点等解剖标记点的运动轨迹。最后，将上牙列和周围颌面结构的3D表面图像转移到每个运动捕捉图像中，以重现下颌相对于上颌的运动。这允许可视化咀嚼过程中上下牙列之间的动态咬合接触。此外，我们还记录了与下颌骨运动相关的咀嚼肌的肌电图活动。

与以前报道的方法相比，所提出的系统在评估口颌功能方面提供了几个关键优势。首先，通过将下颌骨的micro-CT图像叠加到每个运动捕捉图像上，系统可以再现和可视化髁突点等内部解剖点的运动。其次，通过将上牙列与相邻面部和颅骨复合体的三维表面图像传输到每一帧运动捕获图像中，系统可以可视化和评估上下牙在咀嚼过程中的咬合接触状态。此外，该系统可以确保颌骨跟踪和肌电图记录之间的数据同步，允许阐明与下颌骨运动相关的咀嚼肌的作用。

至于系统评估，在x、y和z轴上的位移分辨率都小于0.005 mm。在0.5-mm步长为3 mm × 3 mm × 3 mm的工作体积中，位移的x轴测量误差在1.8%以内，y轴测量误差在1.5%以内，z轴测量误差在0.8%以内。因此，与先前描述的系统相比，该系统的精度被认为是极高的[8，29，34，35］．

由于可以看到与下颌运动相关的咬合接触，因此根据磨牙运动轨迹，确定咬合相位为上下磨牙出现咬合接触的开始到结束的时间。因此，咀嚼周期被发现可以清楚地分为开放、关闭和咬合阶段。

该系统最重要的特点是能够与下颌骨运动同步记录咀嚼肌的肌电图活动。由于这种能力，我们阐明了左右咬肌的协调激活在形成小鼠下颌运动的独特路径中起着重要作用。在开启阶段，两侧髁突向前移动，工作侧髁突在中途向后移动，平衡侧髁突继续向前移动，直到开启阶段结束(图2)。10)．因此，下颌骨在颌骨张开时向右侧或左侧侧向移位。在闭合阶段，左右髁向后方移动，并最终缩回到最后方和更对称的位置，对应于咬合阶段的开始。关于与髁突运动相关的咀嚼肌活动，左右之间的咀嚼肌活动起止有明显的差异。工作侧咬肌的活动开始时间明显早于平衡侧。即工作侧咬肌的活动开始于闭合期的后半段，而平衡侧咬肌的活动开始于咬合期的起点。先前的研究[10]报道了颞肌在闭合期开始时倾向于向后收缩下颌骨，咬肌后来倾向于从闭合期中期向前拉下颌骨，因为颞肌的力向量更偏向后向，而咬肌的力向量更偏向前向。因此，这些发现表明，在闭合期的后半段，工作侧咬肌活动的提前开始，可以减缓该侧髁突的后向运动，直到平衡侧髁突赶上对侧髁突的后向运动。两侧髁移动到同一位置，即最后的位置，从左右髁对称位置开始前移(即咬合阶段)。这些结果表明，小鼠髁突运动的一个特征性特征是由左右咬肌之间的运动协调调节形成的。所提出的系统有潜力阐明咀嚼肌的运动协调机制及其在咀嚼过程中的作用，利用同步记录下颌骨运动的肌电图数据的能力。

未来的研究可能会纳入咬合接触的量化，即上下牙间隙和髁突与关节盂窝之间的关节间隙，从而估计作用于相应区域的机械负荷强度和引起颞下颌紊乱等口面肌功能障碍的风险。如果能实时记录除咬肌和二腹肌外的更多咀嚼肌的肌电图，可以通过动物模型阐明与机械生物学功能障碍相关的口腔疾病的发病机制。目前的方法可以同时分析颌骨和面部的形态和功能，因此该系统被认为有助于阐明由下颌骨髁突退行性改变引起的颞下颌紊乱的病理生理学，或由神经肌肉紊乱引起的帕金森病和肌肉营养不良。转基因小鼠如颞下颌关节骨关节炎模型口颌功能的全面研究[36，37]和口腔运动障碍[20.，38]将极大地增强我们对颅下颌系统神经和运动障碍的病因学和诊断的理解。

该系统可实现6个自由度的下颌运动测量，并能高精度地可视化髁突等内部解剖点的运动。这是通过将运动捕捉系统的运动学数据与micro-CT图像的下颌骨几何数据进行集成来实现的。此外，通过将上颌骨三维重建图像叠加到下颌骨运动捕获图像上，可以可视化上下牙列之间咬合接触的动态过渡。咀嚼肌的肌电图活动与下颌骨运动同步记录的能力允许阐明这些肌肉的运动协调机制及其在咀嚼过程中的作用。使用这些系统对口颌功能分析的更深层次的见解将导致阐明各种口腔功能障碍的发病机制和诊断。

本研究的数据将根据要求共享给相应的作者。

3 d:

三维

肌电图:

肌电描记术

ct机:

微型电脑断层扫描

不适用。

本研究部分由日本文部科学省资助(No. 19K19331)。资助机构在研究设计、数据收集、分析和解释以及撰写手稿方面没有发挥任何作用。

从属关系

1. 长崎大学生物医学研究生院，日本长崎852-8588坂本1-7-1，正畸和牙面整形外科

   安田吾，滨中亮，藤下亚美，山本假名，林田香织和吉田纪明

2. 长崎大学医院正畸科，日本长崎852-8588坂本1-7-1

   森内百惠，吉美智子和古贺佳之

贡献

纽约大学构想了这项研究，并参与了其设计和协调。运动捕捉系统涉及GY、EM、RH和YK。肌电图测量系统涉及GY、AF、TY、YK。GY、EM、KY、KH参与小鼠操作和测量。GY和EM参与分析。GY, EM, AF和NY是撰写手稿的主要贡献者。所有作者都阅读并批准了最终的手稿。

相应的作者

对应到平吉田．

伦理批准并同意参与

本研究的实验方案由长崎大学动物福利委员会根据该机构的动物护理标准(批准号:no. 1)事先审查并批准。1812181496 - 2)。

发表同意书

不适用。

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

出版商的注意

施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

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