マウスにおける咀嚼時の上顎に対する下顎の相対的な動きの可視化：運動学的解析と顎顔面構造の3次元モデルの再構築の統合

Visualization of mandibular movement relative to the maxilla during mastication in mice: integration of kinematic analysis and reconstruction of a three-dimensional model of the maxillofacial structure.

抄録

背景:

咀嚼はヒトの生命維持にとって最も基本的な機能の一つである。様々な口腔機能障害の発症機序を解明するために、顎口腔機能を評価する装置の需要が高まっている。本研究の目的は、マウスの咀嚼時における上下顎歯列間の咬合接触の動的推移を含む、上顎に対する下顎の3次元（3D）運動を再構築し可視化するシステムを開発することである。

BACKGROUND: Mastication is one of the most fundamental functions for the conservation of human life. To clarify the pathogenetic mechanism of various oral dysfunctions, the demand for devices for evaluating stomatognathic function has been increasing. The aim of the present study was to develop a system to reconstruct and visualize 3-dimensional (3D) mandibular movements relative to the maxilla, including dynamic transition of occlusal contacts between the upper and lower dentitions during mastication in mice.

方法:

まず、2台の高速カメラと4つの反射マーカーからなるモーションキャプチャシステムを用いて、6自由度の下顎運動を計測した。次に、マイクロCT画像から顎顔面構造の3Dモデルを再構築した。そして、下顎運動の運動学的データと顎顔面構造の解剖学的データを統合することにより、下顎骨上の解剖学的ランドマーク点の運動軌跡を再現した。最後に、上顎に対する下顎の動きを再現するために、モーションキャプチャ画像に上顎歯列とその周囲の顎顔面構造の3次元表面画像を転写した。また、下顎運動に関連する咀嚼筋の筋電図（EMG）を行った。

METHODS: First, mandibular movements with six degrees of freedom were measured using a motion capture system comprising two high-speed cameras and four reflective markers. Second, 3D models of maxillofacial structure were reconstructed from micro-computed tomography images. Movement trajectories of anatomical landmark points on the mandible were then reproduced by integrating the kinematic data of mandibular movements with the anatomical data of maxillofacial structures. Lastly, 3D surface images of the upper dentition with the surrounding maxillofacial structures were transferred to each of the motion capture images to reproduce mandibular movements relative to the maxilla. We also performed electromyography (EMG) of masticatory muscles associated with mandibular movements.

結果:

開発したシステムは、下顎の切歯点、臼歯点、顆頭点などの任意点の3次元運動軌跡を高精度に再現することができ、下顎運動に伴う上下顎の咬合接触の動的遷移を可視化することができた。

RESULTS: The developed system could reproduce the 3D movement trajectories of arbitrary points on the mandible, such as incisor, molars and condylar points with high accuracy and could visualize dynamic transitions of occlusal contacts between upper and lower teeth associated with mandibular movements.

結論:

本システムは、下顎運動と同期して筋電図データを記録することができるため、咀嚼筋の協調運動のメカニズムを解明し、咀嚼筋の役割を明らかにすることができる。このような知見は、正常マウスと口腔行動異常の遺伝子改変マウスとの比較を可能にすることで、口腔運動障害の病態や診断の理解を深める。

CONCLUSIONS: The proposed system has potential to elucidate the mechanisms underlying motor coordination of masticatory muscles and to clarify their roles during mastication by taking advantage of the capability to record EMG data synchronously with mandibular movements. Such insights will enhance our understanding of the pathogenesis and diagnosis of oral motor disorders by allowing comparisons between normal mice and genetically modified mice with oral behavioral dysfunctions.