上頜前牙形態(tài)修復(fù)效果計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)的建立

張根香　楊瑛

[摘要] 目的 將三維重建技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件與口腔修復(fù)學(xué)相結(jié)合運(yùn)用于前牙修復(fù)體外形的模擬設(shè)計(jì)。方法 利用錐形束CT掃描重建標(biāo)準(zhǔn)的上頜前牙模型，建立標(biāo)準(zhǔn)牙齒外形數(shù)據(jù)庫。在Windows XP 環(huán)境下，以3Ds Max三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件為核心，MS SQL SERVER2000數(shù)據(jù)庫為后臺，前端應(yīng)用程序使用Microsoft Visual C++6.0編寫，建立上頜前牙形態(tài)修復(fù)效果計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，并應(yīng)用于臨床進(jìn)行模擬修復(fù)。結(jié)果 建立的上頜前牙形態(tài)修復(fù)效果計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)操控方便，模擬修復(fù)的效果真實(shí)可靠。結(jié)論 上頜前牙形態(tài)修復(fù)效果計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)有助于患者對修復(fù)效果獲得相對準(zhǔn)確的理解和期望，為制作美觀并符合患者期望的前牙修復(fù)體提供了一種有效的途徑。

[關(guān)鍵詞] 計(jì)算機(jī)模擬； 數(shù)據(jù)庫； 三維重建； 牙齒形態(tài)； 修復(fù)前預(yù)測

[中圖分類號] R 783.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.06.021

隨著人們生活水平及審美意識的不斷提高，在臨床上要求前牙美容修復(fù)的患者日益增多，并且患者對前牙修復(fù)體美學(xué)要求也越來越高，不僅要求其美觀、自然，還特別強(qiáng)調(diào)個(gè)性的擴(kuò)展和體現(xiàn)[1]。但由于患者對修復(fù)專業(yè)知識的欠缺，同時(shí)涉及修復(fù)美學(xué)問題，修復(fù)醫(yī)生和患者的認(rèn)識難以統(tǒng)一。以往，患者對修復(fù)后效果的認(rèn)識是通過醫(yī)生的描述來想象的，由于沒有直觀的感受，患者對修復(fù)后的效果往往充滿疑惑，從而導(dǎo)致患者在治療前缺乏修復(fù)信心，或者修復(fù)后牙齒未達(dá)到患者的期望效果而產(chǎn)生醫(yī)療糾紛。

如何在修復(fù)前預(yù)測出修復(fù)體的外形，讓患者在術(shù)前更加準(zhǔn)確、直觀地理解修復(fù)后的效果，一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。許多學(xué)者[2-4]都進(jìn)行了前牙修復(fù)體外形的設(shè)計(jì)研究，這些研究均以照相機(jī)、攝像機(jī)拍攝的圖像作為研究對象，其處理的是二維圖片，還不能對牙齒進(jìn)行三維顯示。與傳統(tǒng)的靜態(tài)二維圖像相比，更加接近現(xiàn)實(shí)的三維圖像能夠更全面真實(shí)地反映客觀事物，提供更多更準(zhǔn)確的信息。國外先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）系統(tǒng)能在計(jì)算機(jī)上營造出真實(shí)、直觀的口腔三維場景，有利于復(fù)雜信息的傳播和交流。但國外的CAD系統(tǒng)核心技術(shù)保密，設(shè)備價(jià)格高昂，在國內(nèi)臨床推廣運(yùn)用困難。本研究從中國的實(shí)際出發(fā)，采用3Ds Max三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合數(shù)字化三維成像技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)，在個(gè)人計(jì)算機(jī)（person com-puter，PC）上建立前牙計(jì)算機(jī)模擬修復(fù)系統(tǒng)，意在開發(fā)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的前牙修復(fù)體外形設(shè)計(jì)系統(tǒng)，讓每名口腔修復(fù)醫(yī)師可以在普通的計(jì)算機(jī)上完成一些較為復(fù)雜病例的修復(fù)前模擬設(shè)計(jì)工作?；颊咭部蓞⑴c設(shè)計(jì)，提出自己的要求，最終模擬的效果圖還可以傳遞給技師，作為制作修復(fù)體的參考，從而增加醫(yī)患間的溝通，加強(qiáng)醫(yī)技間的信息交流，提高前牙修復(fù)體的美學(xué)質(zhì)量。

1 材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

硬件：錐形束CT（cone beam CT，CBCT）（卡瓦盛邦公司，美國），本研究中掃描范圍為16 cm（直徑）×6 cm（高度），X光設(shè)備輸出120 kV，電流5 mA，曝光時(shí)間4 s，共生成528個(gè)斷面圖，精確度0.25 mm。計(jì)算機(jī)（DELL公司，美國）配置：中央處理器（central processing unit，CPU）為Pentium Dual-Core，內(nèi)存2 G，硬盤250 G，顯示器TFT LED，分辨率1 280×768，顯存256 MB。

軟件：Windows XP操作系統(tǒng)、Microsoft Visual C++6.0語言編制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)程序（微軟公司，美國），Mimics逆向工程軟件（Materialise公司，比利時(shí)），3Ds Max中文版9.0軟件（Autodesk公司，美國）。

1.2 方法

1.2.1 前牙外形數(shù)字化 利用南昌大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院修復(fù)教研室保存的標(biāo)準(zhǔn)牙模型，其牙形態(tài)依據(jù)中國人牙冠的解剖形態(tài)特征雕刻而成[5]。使用硅橡膠印模材翻制各顆標(biāo)準(zhǔn)上頜前牙的牙冠印模，超硬石膏灌注。模型的表面光滑，無缺損和突起，對模型進(jìn)行修整，保留完整牙冠。用游標(biāo)卡尺分別對每個(gè)前牙進(jìn)行測量，并與王惠蕓[6]的恒牙測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，選擇符合中國人牙體測量平均數(shù)據(jù)的石膏模型牙。最后將其固定于CBCT掃描儀工作臺上掃描，獲得重建的二維斷層圖像，以DICOM格式存儲。

1.2.2 模型三維重建 將掃描的標(biāo)準(zhǔn)牙齒模型的DICOM數(shù)據(jù)輸入Mimics軟件，重建出牙齒三維模型（圖1），以STL（Standard Template Library）格式保存。

1.2.3 建立標(biāo)準(zhǔn)牙齒外形數(shù)據(jù)庫 將標(biāo)準(zhǔn)牙三維模型作為提供修復(fù)體設(shè)計(jì)的模板保存于數(shù)據(jù)庫中。進(jìn)行模擬修復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)，提取數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)作為構(gòu)造修復(fù)體外表面的模板，可以縮短設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。

1.2.4 建立上頜前牙形態(tài)修復(fù)效果模擬修復(fù)系統(tǒng) 在Windows XP環(huán)境下，以3Ds Max三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件為核心，MS SQL SERVER2000數(shù)據(jù)庫為后臺，前端應(yīng)用程序使用Microsoft Visual C++6.0 編寫，建立上頜前牙修復(fù)體外形的模擬修復(fù)系統(tǒng)。將數(shù)據(jù)庫與3Ds Max軟件連接，進(jìn)行修復(fù)體外形的修改和設(shè)計(jì)（圖2）。

1.3 臨床應(yīng)用

選擇在南昌大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)科就診的需要前牙美容修復(fù)的5例患者在治療前運(yùn)用本系統(tǒng)進(jìn)行模擬修復(fù)，探討模擬系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

2 結(jié)果

本研究建立的三維模擬修復(fù)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)簡單，操控方便簡捷，便于臨床醫(yī)師操作使用。模擬修復(fù)的效果真實(shí)可靠，與最終臨床修復(fù)效果非常接近，顯著提高了患者的修復(fù)信心。

典型模擬修復(fù)病例：患者方某某，女，45歲，因“前牙牙列不齊”就診。2月前已接受了完善的牙周治療。?？茩z查：11、12、21、22唇向錯(cuò)位，11、21近中舌向扭轉(zhuǎn)，11、12間及21、22間均存在2 mm間隙；上下前牙呈深覆、深覆蓋。上前牙牙齦顏色正常，無牙結(jié)石，牙周探診深度2～3 mm，牙無明顯松動(dòng)。全景片示：11、12、21、22牙槽骨吸收達(dá)根長的1/3。

治療計(jì)劃：患者牙周條件欠佳，為了調(diào)整咬合，分散上前牙力限制其移動(dòng)，建議上前牙聯(lián)冠修復(fù)。為了改善前牙美觀效果，必須進(jìn)行矯正性的牙體預(yù)備。對需要進(jìn)行牙體長軸矯正的11、12、21、22進(jìn)行根管治療。

征得患者同意后，上下頜制取印模，灌注石膏模型。利用CBCT分別掃描上、下頜模型以及上下頜牙尖交錯(cuò)的咬合模型。將掃描得到的DICOM數(shù)據(jù)利用Mimics三維重建，以STL格式保存。三維重建的上下頜模型見圖3。登錄數(shù)據(jù)庫，將患者的就診信息和三維模型輸入保存于計(jì)算機(jī)中，以便將來查詢。

在數(shù)據(jù)庫中選擇患者擬修復(fù)牙相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)牙模型后直接點(diǎn)擊“合并”按鈕，就進(jìn)入了三維動(dòng)畫編輯軟件的界面中。為了提高模擬修復(fù)的效率，首先選擇病例中的上頜模型，選擇F3網(wǎng)格顯示的快捷鍵將上頜模型網(wǎng)格化，選擇“修改器→可編輯多邊形→三角形面片編輯”用鼠標(biāo)框選擬修復(fù)的臨床牙冠沿頸緣去除（圖4），然后在F5快捷鍵的操作命令下合并標(biāo)準(zhǔn)牙三維模型。

患者上前牙前突錯(cuò)位、有間隙，模擬設(shè)計(jì)時(shí)需診斷性排牙，內(nèi)收前牙，盡量使覆、覆蓋正常。將標(biāo)準(zhǔn)牙冠依次調(diào)入，根據(jù)缺隙近遠(yuǎn)中徑、牙齦緣、牙弓弧度、咬合空間等修復(fù)實(shí)際情況將標(biāo)準(zhǔn)牙體模型通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、FFD修改器進(jìn)行定位和調(diào)整。 最后精修，將破裂面在網(wǎng)格化編輯下修補(bǔ)、優(yōu)化、平滑（圖5）。

標(biāo)準(zhǔn)牙冠位置基本定位好后，將模擬修復(fù)后的3D效果圖（圖6A）與患者進(jìn)行溝通，再根據(jù)患者的要求修改牙冠的外形，直到醫(yī)患意見達(dá)到一致。患者可以從任意角度預(yù)覽和觀察修復(fù)后的美學(xué)效果?；颊邔︻A(yù)期效果圖滿意后，將其傳遞給技師，制作出美觀、自然、符合患者個(gè)性特征的修復(fù)體（圖6B）。

3 討論

3.1 三維數(shù)據(jù)采集的方法

三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)是三維重建技術(shù)工作的基礎(chǔ)和前提。由于牙頜模型本身的不規(guī)則性和復(fù)雜性，獲取數(shù)據(jù)時(shí)需要同時(shí)解決精度、完整獲取模型信息、效率與過程自動(dòng)化等問題。目前常用三維數(shù)據(jù)采集的方法有接觸式測量法[7]、三維激光測量法[8]、層析三維測量法[9]、光柵投影測量法、計(jì)算機(jī)斷層掃描法等。

計(jì)算機(jī)斷層掃描法不受被測結(jié)構(gòu)表面形狀復(fù)雜性、材料性質(zhì)和表面光滑程度的限制，現(xiàn)在被廣泛用作獲得3D數(shù)字外形的掃描工具。利用CT掃描數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字模型已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制作、機(jī)體運(yùn)動(dòng)模擬以及生物力學(xué)研究中的重要方法。Tajima等[10]使用CT重建下頜磨牙的三維有限元模型，Pileicikiene等[11]使用螺旋CT建立正常頜骨及關(guān)節(jié)盤的三維有限元模型。Damstra等[12]利用CBCT三維重建下頜模型。

本研究利用CBCT來獲取模型的三維數(shù)據(jù)，采用DICOM格式存取和傳輸CT數(shù)據(jù)，避免了信息丟失，實(shí)現(xiàn)了真正意義的計(jì)算機(jī)輔助建模[13]。將DICOM數(shù)據(jù)輸入Mimics軟件中采用三角面片無限逼近的方法直接重建三維表面形態(tài)。此法簡化了建模中提取輪廓線的過程，大大縮短了建模的時(shí)間。

3.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫總體的設(shè)計(jì)思想是用患者的信息數(shù)據(jù)庫管理標(biāo)準(zhǔn)牙體數(shù)據(jù)庫和后續(xù)的設(shè)計(jì)軟件。本研究建立的數(shù)據(jù)庫是一個(gè)通用的、開放的數(shù)據(jù)庫，可以靈活地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的錄入、查詢、增加、刪除、修改等基本操作，可以將標(biāo)準(zhǔn)牙齒形態(tài)數(shù)據(jù)和任何一位患者相關(guān)聯(lián)，減少了數(shù)據(jù)重復(fù)存儲，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)牙齒形態(tài)數(shù)據(jù)信息重復(fù)利用?；颊咝畔?shù)據(jù)庫可以根據(jù)就診患者的多少來擴(kuò)充，標(biāo)準(zhǔn)牙齒形態(tài)數(shù)據(jù)也可以根據(jù)修復(fù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行擴(kuò)充。

3.3 三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件

前牙修復(fù)的效果主要是以視覺評價(jià)為基礎(chǔ)的，涉及大量的形態(tài)學(xué)問題。對于復(fù)雜空間關(guān)系的口腔來說，牙頜組織的三維圖像比傳統(tǒng)的二維圖像能夠更加全面真實(shí)地反映客觀事物，為人們提供更多的信息。本系統(tǒng)用3Ds Max三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件將修復(fù)體外形在計(jì)算機(jī)中用具體、形象、逼真的三維實(shí)體來直觀展示給患者，彌補(bǔ)了以往簡單平面圖和枯燥文字?jǐn)⑹龇绞降牟蛔恪?Ds Max可在一個(gè)界面上打開多個(gè)視圖窗口，任一窗口操作所產(chǎn)生的改變也會(huì)在其他窗口中顯示。醫(yī)生和患者可以同時(shí)從多個(gè)角度預(yù)覽和觀察修復(fù)體的外形。醫(yī)患溝通時(shí)可以根據(jù)需要在計(jì)算機(jī)中隨時(shí)調(diào)整修復(fù)體的外形，達(dá)到“椅旁”進(jìn)行修改的功能。也可以制作成簡單動(dòng)畫的方式向患者展示，利于患者準(zhǔn)確地理解醫(yī)生的設(shè)計(jì)方案和修復(fù)的效果。最后可以將模擬后的3D效果圖交付技師作為制作修復(fù)體時(shí)的參考。此模擬修復(fù)系統(tǒng)很好地增加了醫(yī)、患、技之間的溝通和交流，為制作出美觀并符合患者個(gè)性特征的前牙修復(fù)體提供了一種有效的途徑。

本研究初步建立的三維模擬修復(fù)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)簡單，操控方便簡捷，不需要用戶精通計(jì)算機(jī)方面的知識，便于臨床醫(yī)生操作使用。在今后的研究中，將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。1）智能化：實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)牙體的精準(zhǔn)自動(dòng)定位，無需較多人工干預(yù)；2）精確化：能模擬實(shí)際動(dòng)態(tài)的咬合過程，使最終的模擬修復(fù)效果更加符合現(xiàn)實(shí)口頜系統(tǒng)；3）逼真化：模擬真實(shí)修復(fù)體的色彩，并對修復(fù)區(qū)域相對應(yīng)的頜面部軟組織進(jìn)行預(yù)測。

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（本文編輯 李彩）