牙牙合石膏模型三維數(shù)字化現(xiàn)狀及發(fā)展前景

彭春綜述，宋錦璘審校

（1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院口腔科，重慶402160；2.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，重慶401147）

牙牙合石膏模型三維數(shù)字化現(xiàn)狀及發(fā)展前景

彭春1綜述，宋錦璘2審校

（1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院口腔科，重慶402160；2.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，重慶401147）

牙模型；口腔；正畸學(xué)；牙牙合石膏；三維數(shù)字化

牙牙合石膏模型作為患者牙牙合信息的載體在口腔臨床中應(yīng)用廣泛。牙牙合模型能真實(shí)記錄患者牙齒、牙槽骨、腭部及上、下頜基骨的形態(tài)和位置。在口腔正畸學(xué)中對(duì)牙牙合石膏模型的測量和分析是臨床診治方案設(shè)計(jì)的重要步驟。在口腔正畸學(xué)中，通過測量牙冠寬度、牙弓弧形長度、牙弓寬度、牙弓長度、Moyers分析、Pont指數(shù)和Bolton指數(shù)等分析研究上、下牙合牙弓、牙齒的協(xié)調(diào)性。測量基骨的長度和寬度、Howes分析研究牙量與骨量的關(guān)系，可以對(duì)錯(cuò)牙合畸形早預(yù)測，達(dá)到早矯治的目的[1]。

傳統(tǒng)的測量方法在牙牙合模型上直接進(jìn)行，測量與分析十分不便，測量數(shù)據(jù)重復(fù)性差，精度控制也難以掌握。選擇一個(gè)精密的牙牙合模型三維數(shù)據(jù)獲取方法，讓這些工作由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，不僅方便迅速，而且精度高；不僅如此，將牙牙合模型數(shù)字化后，數(shù)據(jù)的管理與調(diào)閱非常方便，有利于拓展醫(yī)學(xué)統(tǒng)計(jì)、病例分析等領(lǐng)域的研究。

國內(nèi)外學(xué)者探索出了接觸式機(jī)械化、激光掃描、基于機(jī)器人工作原理的牙牙合模型、結(jié)構(gòu)光投影、三維CT、錐束CT、攝影測量等方法進(jìn)行三維測量，但這些方法存

在對(duì)被測量對(duì)象有傷害、需要價(jià)格昂貴的專業(yè)設(shè)備、測量精度不能滿足需要、操作復(fù)雜等問題，推廣和應(yīng)用受到了限制。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，普通數(shù)碼相機(jī)的普及和攝影測量理論、計(jì)算機(jī)視覺理論的發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注攝影測量這一嶄新的三維測量技術(shù)在生物立體測量方面的應(yīng)用。目前進(jìn)行的研究旨在利用市場常見且價(jià)格低廉的非專用量測相機(jī)，利用計(jì)算機(jī)大容量、高運(yùn)算處理速度的能力，吸收口腔醫(yī)學(xué)、影像學(xué)、攝影測量學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺等多學(xué)科技術(shù)，采用多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)原理，結(jié)合口腔正畸、頜面外科的工作實(shí)際，探索一種新的牙牙合石膏模型三維數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法。

1 牙牙合石膏模型三維數(shù)字化在口腔正畸學(xué)中的臨床應(yīng)用價(jià)值

1.1 數(shù)字化牙牙合模型在正畸研究中的應(yīng)用牙牙合模型的測量分析和臨床檢查是錯(cuò)牙合畸形診斷、矯治設(shè)計(jì)、療效預(yù)測及評(píng)估的主要依據(jù)。石膏模型的長期儲(chǔ)存耐久性差，模型容易破損、丟失、占用空間大。由于三維數(shù)字化牙牙合模型不存在原始模型的磨耗和損壞等情況，有利于模型資料的保存與管理，測量分析操作方便、快速省時(shí)、測量精度高，醫(yī)生可任意旋轉(zhuǎn)、縮放牙牙合模型三維圖像，可進(jìn)行空間任意距離、角度、曲面面積等測量項(xiàng)目的分析，因此，近十年來，牙牙合模型三維重建及測量技術(shù)越來越受到重視。

隨著口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)于牙齒移動(dòng)的速度、方式和牙牙合模型特點(diǎn)的研究越來越精確，傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺測量已不能滿足需要，國內(nèi)外許多學(xué)者均嘗試了在三維空間分析和測量牙齒移動(dòng)的規(guī)律及特點(diǎn)。1982年有文獻(xiàn)報(bào)道了用激光全息法在活體測量加力瞬間牙齒在三維空間的移動(dòng)和位移量，確定受力牙齒的即刻轉(zhuǎn)動(dòng)中心[2]。1985年有學(xué)者用計(jì)算機(jī)輔助的牙牙合模型立體測量系統(tǒng)對(duì)100例兒童牙牙合模型測量及數(shù)據(jù)保留進(jìn)行了研究[3]。高一等[4]利用攝像機(jī)同時(shí)獲得牙牙合模型的頂視圖和4個(gè)側(cè)視圖。趙萍等[5]通過機(jī)械三維坐標(biāo)儀觀察了預(yù)成鎳鈦搖椅弓和不同深度標(biāo)準(zhǔn)弓形搖椅弓作用于下牙弓長度、寬度和垂直向的變化趨勢。

1.2 數(shù)字化牙牙合模型在錯(cuò)牙合畸形的定量分析和手術(shù)模擬中的應(yīng)用嚴(yán)重的牙頜面畸形需要正畸-正頜聯(lián)合治療，隨著三維測量技術(shù)普及和計(jì)算機(jī)軟件的不斷更新可對(duì)復(fù)雜的牙合、頜面畸形患者的軟硬組織進(jìn)行三維重建、測量分析并進(jìn)行手術(shù)模擬。Gracco等[6]用激光掃描30例施行快速擴(kuò)弓術(shù)患者的石膏牙牙合模型，得出腭頂容積的增加可降低快速擴(kuò)弓術(shù)復(fù)發(fā)率。Marini等[7]也在研究中證實(shí)，施行快速擴(kuò)弓術(shù)患者在擴(kuò)弓后，腭頂容積的增加能降低復(fù)發(fā)率。2009年有學(xué)者用三維CT重建了日本面部協(xié)調(diào)并咬牙合關(guān)系正常的20例男、女志愿者的三維面部模型，并將其與下頜骨畸形患者治療前后的三維模型重疊后定量評(píng)估畸形程度和療效[8]。可見，以三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的研究越來越受到了國內(nèi)外正畸學(xué)者的重視，也為準(zhǔn)確、及時(shí)地判斷病情和預(yù)測療效提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2 牙牙合石膏模型三維數(shù)字化研究現(xiàn)狀

2.1 接觸式機(jī)械化測量技術(shù)接觸式機(jī)械化測量技術(shù)是日本學(xué)者Nakashima研究的一種有5根樞軸的測量裝置[9]。由于測量頭直徑和測量力會(huì)造成被測物體表面的變形和劃傷，所以會(huì)直接影響測量精度。

2.2 激光掃描測量技術(shù)激光掃描測量技術(shù)是一種非介入性的三維重建方法，該法的特點(diǎn)是非接觸、被測物無形變、測量重復(fù)性好、測量精度高等。Krey等[10]研究顯示，三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)牙牙合模型測量的結(jié)果與手工測量值比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），可用于牙牙合模型的測量。

2.3 基于機(jī)器人工作原理的牙牙合模型測量技術(shù)這種牙牙合模型測量儀具有四自由度的測量臂結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處的傳感器將牙牙合模型的空間坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)。上海交通大學(xué)研制的這種牙牙合模型測量儀可進(jìn)行牙牙合模型的三維測量及對(duì)測量信息的存儲(chǔ)和輸出[11]。

2.4 結(jié)構(gòu)光投影測量技術(shù)結(jié)構(gòu)光投影測量技術(shù)的基本原理是利用投射于被測物體表面或利用投影儀投射一定結(jié)構(gòu)和編碼的光線到測量對(duì)象表面，被測物體表面光線產(chǎn)生形變而產(chǎn)生的云紋與原始光線對(duì)比計(jì)算出空間三維坐標(biāo)。

2.5 三維CT測量技術(shù)三維CT測量技術(shù)的原理是通過薄層掃描后將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)工作站并應(yīng)用相應(yīng)的軟件進(jìn)行三維重建，但掃描時(shí)間長、患者接受射線量較大、口腔內(nèi)金屬物（如銀汞充填體、金屬冠、固定矯治器等）可能產(chǎn)生偽影，尚不能作為一種常規(guī)檢查方法[12]。

2.6 錐束CT測量技術(shù)該系統(tǒng)只需要圍繞受檢者旋轉(zhuǎn)360°既可獲取三維信息，具有掃描范圍靈活、圖像精確、成像迅速等優(yōu)點(diǎn)。但軟組織分辨率低是該技術(shù)的主要缺陷，金屬充填物產(chǎn)生的偽影也是該技術(shù)臨床應(yīng)用中不可避免的問題。

綜上所述，對(duì)于牙牙合模型三維數(shù)字化測量主要分為兩大類別。一種是接觸式的方法，另一種是非接觸式的方法。接觸式的方法對(duì)模型可能帶來表面的劃傷和損壞，特別是在脆弱的牙尖位置更容易造成缺損。非接觸式的方法對(duì)模型無損壞，更適合模型測量的使用[13]。三維CT、錐束CT測量技術(shù)雖滿足精度高、非接觸的要求，但設(shè)備較昂貴，基層醫(yī)院和診所無力承擔(dān)；另外，患者檢查費(fèi)用也較大，難以普及使用。結(jié)構(gòu)光投影測量技術(shù)由于精度較低，無法達(dá)到模型分析精度要求。幾種方法的優(yōu)劣比較見表1。

表1 幾種方法的優(yōu)劣比較

3 多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)應(yīng)用于牙牙合石膏模型三維數(shù)字化的可行性分析

多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)是數(shù)字近景攝影測量的一種。其基于攝影測量專家張祖勛院士提出的以計(jì)算機(jī)視覺原理（多基線）代替人眼雙目視覺（單基線）傳統(tǒng)攝影測量原理，利用普通數(shù)碼相機(jī)，對(duì)測量對(duì)象拍攝一組序列照片，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)高速度、大容量的數(shù)據(jù)處理能力，采用通過光束法平差進(jìn)行目標(biāo)空間定位的技術(shù)[14]。該技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）能按區(qū)域?qū)λ鶖z影像進(jìn)行整體處理，對(duì)多圖像按照一個(gè)整體來處理；（2）使用單相機(jī)拍攝就能獲得高精度的數(shù)據(jù)；（3）采用了新的匹配系統(tǒng)，能產(chǎn)生密集的點(diǎn)云（point clouds）；（4）能將對(duì)應(yīng)點(diǎn)的紋理準(zhǔn)確地反映在三維模型上，所見三維模型真實(shí)、自然。

由于多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)具有設(shè)備簡單、設(shè)備投入上基層醫(yī)院和診所易于接受、多基線數(shù)字近景攝影由于其匹配算法處理上可以接受變型較大的近景拍攝等特點(diǎn)，所以，可以用微距鏡頭拍攝牙牙合石膏模型，可以更好地展現(xiàn)模型上解剖特征的細(xì)節(jié)[15]。多基線數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)僅需拍攝多幅大重疊的模型照片就能通過計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)處理得到三維數(shù)字化模型，無需操作人員掌握更多的測量專業(yè)知識(shí)，易于上手操作[16]?？梢?，這種測量方法有應(yīng)用到牙牙合石膏模型數(shù)字化的可能，有必要結(jié)合口腔正畸醫(yī)學(xué)的一些專業(yè)特點(diǎn)給予改進(jìn)，使之更能滿足口腔正畸對(duì)模型測量和分析的要求。

國內(nèi)未檢索到多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)在口腔正畸學(xué)中應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)，國外也未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，但國外文獻(xiàn)在人臉識(shí)別、立體像對(duì)人臉建模等領(lǐng)域的算法和技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國內(nèi)水平[17]，其算法和技術(shù)可以在多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)在人臉建模和生物立體測量中借鑒，使該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用得以發(fā)展[18]。

4 小結(jié)

石膏牙牙合模型的測量是正畸治療中常用的分析方法，雖然石膏牙牙合模型可以為正畸治療提供一些數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)基本上是長、高、寬、角度等二維數(shù)據(jù)，無法用手工測量方式獲取表面積、容積、體積等三維數(shù)據(jù)，這給口腔正畸的效果預(yù)測和療效觀察帶來了極大不便[19]。

有研究表明，牙牙合模型測量的統(tǒng)計(jì)分析可以提供闡明遺傳和環(huán)境因素對(duì)牙齒的形態(tài)和發(fā)展及各種異常的病因[20]。雖然基于二維數(shù)據(jù)分析正畸醫(yī)學(xué)中的一些問題被證明是一種有效的手段，但一個(gè)可靠和快速的三維數(shù)字化牙牙合模型將大大增加從牙牙合模型得到的形態(tài)學(xué)信息，如齒頂高度、牙冠輪廓、牙面表面曲率和牙冠表面面積、牙齒體積及其他測量數(shù)據(jù)等，這些信息將最大限度地發(fā)揮相關(guān)研究的能力[21]。由于受傳統(tǒng)測量方式的制約，正畸治療中牙面磨損情況的研究可以說是忽略的，正畸治療中伴隨牙齒的移動(dòng)、咬牙合關(guān)系的改變、牙齒磨損是否變化、是怎樣一種趨勢尚知之甚少[22]。正畸醫(yī)學(xué)研究中依靠的是生物力和物理力的合力，研究中往往利用三維有限元的方式來分析變形和變形趨勢，故毋庸置疑，三維數(shù)字化模型能為正畸力學(xué)的分析帶來方便[23]?？梢?，三維數(shù)字化模型對(duì)于正畸學(xué)的研究和發(fā)展帶來的是一種進(jìn)步[24]。

綜上所述，三維測量技術(shù)作為一種理想的牙牙合模型測量方法，隨著計(jì)算機(jī)軟件和醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展會(huì)變得更精確、快捷、簡便、價(jià)廉，最終會(huì)取代現(xiàn)有的二維頭影測量系統(tǒng)[25]。計(jì)算機(jī)工程、計(jì)算機(jī)視覺、攝影測量等理論的不斷發(fā)展，具有操作靈活、價(jià)格低廉、能利用普通數(shù)碼相機(jī)的多基線數(shù)字近景攝影測量技術(shù)將在口腔正畸學(xué)的研究中占有一席之地。

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：1009-5519（2015）04-0529-04

2014-08-28）

重慶市永川區(qū)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)軟科學(xué)資助項(xiàng)目（YCSTC2012BE5005）；重慶醫(yī)科大學(xué)附屬永川醫(yī)院2012年度院內(nèi)科研課題資助項(xiàng)目（YJQN20120027）。

彭春（1978-），女，重慶銅梁人，碩士研究生，主治醫(yī)師，主要從事口腔醫(yī)學(xué)臨床和教學(xué)工作；E-mail：1070490456@qq.com。

宋錦璘（E-mail：soonglin@163.com）。