CAD/CAM技術(shù)在全口義齒修復(fù)中的研究與應(yīng)用

趙鵬娜 武 峰 王文強(qiáng) 趙 彬

我國(guó)正逐漸步入老齡化社會(huì)，無(wú)牙頜人口數(shù)量依然在增長(zhǎng)。對(duì)于完全無(wú)牙頜患者而言，種植修復(fù)是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，但對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，通過(guò)全口義齒修復(fù)仍然是首選的選擇。全口義齒主要是通過(guò)手工設(shè)計(jì)和制作的，其質(zhì)量在很大程度上取決于牙醫(yī)和技術(shù)人員的技術(shù)，難以保證最佳質(zhì)量。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，其在口腔固定修復(fù)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，如全冠、貼面、嵌體、種植上部修復(fù)等制作。數(shù)字化模型、比色及數(shù)字化設(shè)計(jì)和加工技術(shù)使得數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)相比具有明顯的時(shí)效性、美觀性、節(jié)約性[1-3]。40多年前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD-CAM)技術(shù)便開(kāi)始應(yīng)用于全口義齒修復(fù)中[4]。全口義齒制作過(guò)程的復(fù)雜性是數(shù)字技術(shù)晚于其他固定修復(fù)體應(yīng)用于全口義齒的主要原因[5]。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，全口義齒修復(fù)中越來(lái)越多的手工操作可以通過(guò)數(shù)字化的方法進(jìn)行，不僅節(jié)省了復(fù)雜的勞動(dòng)，而且更為精確，并且通過(guò)存儲(chǔ)數(shù)字模型的數(shù)據(jù)庫(kù)可以在任何時(shí)間復(fù)制出精確的重復(fù)義齒。

傳統(tǒng)全口義齒的設(shè)計(jì)和制作包括一系列的臨床和技工操作，通常需要就診五次，包括制取初印模、制取終印模、頜位關(guān)系記錄和轉(zhuǎn)移、試戴和戴入終義齒。而CAD/CAM技術(shù)主要從以下幾個(gè)方面改善全口義齒的設(shè)計(jì)和制作。

1.上下頜模型制取

無(wú)牙頜患者的上下頜模型制取是全口義齒制作的基礎(chǔ)，印模與模型的準(zhǔn)確性會(huì)影響全口義齒的質(zhì)量?？谇粩?shù)字印模技術(shù)可分為直接和間接兩種，而代表性技術(shù)又可分為口內(nèi)直接掃描和無(wú)牙頜印?；蚰Ｐ腿S掃描。

1.1 口內(nèi)直接掃描法 口內(nèi)直接掃描法是將小型口內(nèi)三維掃描設(shè)備直接伸入無(wú)牙頜患者口腔，對(duì)牙槽嵴及周圍軟組織進(jìn)行掃描測(cè)量，獲取直接數(shù)字印模數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該方法避免了應(yīng)用各種流動(dòng)性印模材料所造成的惡心感，可實(shí)時(shí)補(bǔ)充掃描，同時(shí)避免印模表面缺陷、伸展不足等問(wèn)題。但是目前口內(nèi)三維掃描應(yīng)用于無(wú)牙頜患者功能印模獲取時(shí)存在以下缺陷：①掃描無(wú)牙頜時(shí)，需要掃描的范圍大，耗時(shí)較長(zhǎng)；②由于無(wú)牙頜牙槽嵴表面缺乏明顯曲率變化，目前使用的口內(nèi)三維掃描儀掃描數(shù)據(jù)拼接時(shí)易出現(xiàn)拼接誤差，較難完整、準(zhǔn)確獲取無(wú)牙頜黏膜表面數(shù)據(jù)[6]；③無(wú)牙頜全口義齒修復(fù)需獲取承載個(gè)體肌功能整塑的肌靜力邊界，而口內(nèi)光學(xué)三維掃描技術(shù)從原理上很難獲取此邊界。因此，目前基于口內(nèi)三維掃描的口腔直接數(shù)字化印模技術(shù)尚不適用于無(wú)牙頜功能數(shù)字化印模的獲取，適宜通過(guò)掃描牙頜印?；蚰Ｐ烷g接獲取無(wú)牙頜功能模型數(shù)據(jù)。

1.2 間接化數(shù)字印模法 間接化數(shù)字印模法與傳統(tǒng)全口義齒制取印模步驟相同，主要區(qū)別是個(gè)別托盤(pán)的制作。傳統(tǒng)個(gè)別托盤(pán)在手工制作時(shí)操作步驟繁瑣，技術(shù)要求高，經(jīng)驗(yàn)技巧依賴性強(qiáng)，而且將軟化的蠟片加壓貼合到模型表面時(shí)，蠟片常常發(fā)生變形，無(wú)法為終印模預(yù)留理想的均勻空間。數(shù)字化技術(shù)制作個(gè)別托盤(pán)的具體過(guò)程為三維掃描獲取初印模組織面數(shù)據(jù)，CAD虛擬設(shè)計(jì)具有合適邊緣伸展并為終印模材料預(yù)留均勻一致三維空間的個(gè)別托盤(pán)，并且可根據(jù)患者的口內(nèi)情況設(shè)計(jì)個(gè)性化托盤(pán)，最后三維打印合適的托盤(pán)實(shí)體。Sun[7]研究提出3D打印個(gè)別托盤(pán)可有效提高終印模精確度。目前打印個(gè)別托盤(pán)主要技術(shù)有光固化成型技術(shù)(stereo lithography apparatus，SLA)與熔融堆積成型技術(shù)(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)。與傳統(tǒng)手工方法相比，SLA和FDM制作上頜無(wú)牙頜3D打印個(gè)別托盤(pán)的精確度高，預(yù)留空間分布更接近于1mm，同時(shí)SLA比FDM制作的個(gè)別托盤(pán)精確度更高，采用光固化成型技術(shù)3D打印機(jī)制作個(gè)別托盤(pán)值得臨床推廣[8-9]。同時(shí)CAD設(shè)計(jì)可增加輔助裝置，例如可設(shè)計(jì)增加組織止點(diǎn)裝置，提高印模精確度[10]；Fang Qu等[11]采用3D打印定制閉口式托盤(pán)，因其帶有哥特式弓裝置，可用于頜位關(guān)系記錄和完成終印模的制作，減少了患者的就診次數(shù)及時(shí)間；孫玉春等[12]在設(shè)計(jì)制取初印模的同時(shí)采用傳統(tǒng)方法記錄頜位關(guān)系，隨后3D打印制作帶有牙列的閉口式托盤(pán)，即“診斷義齒”，同時(shí)可用于再次檢查頜位關(guān)系及制取終印模。

數(shù)字化設(shè)計(jì)個(gè)別托盤(pán)有效縮短了制作個(gè)別托盤(pán)的手工操作時(shí)間[13-14]，取代了臨床上鉛筆在石膏模型上劃線、涂蠟緩沖填倒凹以及鋪樹(shù)脂片等步驟，也節(jié)約了患者的臨床等待時(shí)間，并且患者可在1次就診中完成終印模制取，并且提高了終印模的精確度。同時(shí)3D打印是一種直接數(shù)字化制造技術(shù)，省略了材料的加工程序，減少材料的浪費(fèi)，值得臨床應(yīng)用。

2.頜位關(guān)系的記錄和轉(zhuǎn)移

傳統(tǒng)臨床操作時(shí)，無(wú)牙頜患者頜位關(guān)系的確定是借助蠟制合托在口內(nèi)完成的，再通過(guò)面弓轉(zhuǎn)移上頜架的方法將頜位關(guān)系轉(zhuǎn)移至機(jī)械頜架上。牙科醫(yī)生和技師在運(yùn)用機(jī)械式頜架模擬下頜運(yùn)動(dòng)時(shí)，通?？拷?jīng)驗(yàn)法對(duì)上下義齒人工牙列的空間關(guān)系、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行肉眼觀察和估計(jì)，無(wú)法準(zhǔn)確的記錄牙列咬合面上的咬合早接觸區(qū)及干擾區(qū)的體積，因此無(wú)法進(jìn)行精確的調(diào)合。隨著數(shù)字化技術(shù)在臨床中的逐步應(yīng)用，Korda等和Cartner學(xué)者成功獲得數(shù)字化上下頜模型，并使用下頜運(yùn)動(dòng)軌跡描記儀(jaw motion analyzer，JMA)獲得下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，初步建立了虛擬頜架系統(tǒng)。數(shù)字化的虛擬頜架(virtual articulator，VA)可以對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)咬合進(jìn)行詳盡分析，使修復(fù)體咬合面的形態(tài)更符合生理要求；同時(shí)可動(dòng)態(tài)模擬個(gè)體的下頜運(yùn)動(dòng)特征，避免機(jī)械頜架的誤差和局限性。上述文獻(xiàn)中指出VA可以模擬下頜運(yùn)動(dòng)、檢測(cè)咬合接觸關(guān)系，并且可利用顏色梯度顯示接觸點(diǎn)的位置、接觸區(qū)的范圍和上、下牙列非接觸區(qū)的空間距離[15-16]。Cramer v等[17]利用 Digident(CAD/CAM)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的虛擬頜架程序輸入患者下頜運(yùn)動(dòng)軌跡后，模擬患者的個(gè)性化下頜運(yùn)動(dòng)，并且利用減法機(jī)制去除咬合干擾點(diǎn)。Wimmer等[18]用三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x獲得機(jī)械頜架前伸運(yùn)動(dòng)軌跡，建立了虛擬頜架，通過(guò)虛擬蠟刀消除頜干擾點(diǎn)。孫玉春等[19]學(xué)者對(duì)全口義齒計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的虛擬頜架程序進(jìn)行研究，用三維掃描儀對(duì)半可調(diào)頜架進(jìn)行掃描，開(kāi)發(fā)了用于全口義齒平衡頜的三維咬合運(yùn)動(dòng)模擬、動(dòng)態(tài)咬合狀態(tài)檢測(cè)及虛擬選磨調(diào)合模塊，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)合。但是因?yàn)橄骂M運(yùn)動(dòng)軌跡記錄裝置及軟件操作復(fù)雜，需要專業(yè)技術(shù)人員操作；現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)頜位關(guān)系的記錄大多是通過(guò)對(duì)機(jī)械頜架的掃描建立虛擬頜架，此法無(wú)法完全反映個(gè)性化下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，所以需繼續(xù)深入研究頜位關(guān)系的直接數(shù)字記錄技術(shù)。

3.排牙

在傳統(tǒng)制作流程中，人工牙排列的優(yōu)劣取決于技師的經(jīng)驗(yàn)和排牙理論在修復(fù)體制作過(guò)程中的體現(xiàn)程度和表達(dá)精確度。由于現(xiàn)實(shí)排牙操作的客觀局限性，技師很難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)排牙理論。在虛擬環(huán)境中，可以將教科書(shū)上的全口義齒排牙原則參數(shù)化，利用排牙控制程序定位人工牙并調(diào)整其空間位置，準(zhǔn)確設(shè)定人工牙之間以及人工牙與合平面之間的三維位置關(guān)系。華先明和程祥榮等[20]對(duì)無(wú)牙頜模型、基托和人工牙進(jìn)行三維測(cè)量，以牙槽嵴頂連線及其在合平面上的投影創(chuàng)建排牙線排列人工牙，為數(shù)字化排牙奠定基礎(chǔ)。呂培軍[21]及Yong-de Z等[22]通過(guò)測(cè)量石膏模型的長(zhǎng)、寬和周長(zhǎng)，用函數(shù)生成排牙線，編制全口義齒排牙程序，驅(qū)動(dòng)機(jī)器手排列人工牙，建立完整的機(jī)器人輔助全口義齒人工牙列制作系統(tǒng)。Fan Q.L[23]研發(fā)出一套虛擬排牙系統(tǒng)，進(jìn)行虛擬牙齒排列后虛擬對(duì)全口義齒咬合面調(diào)整。通過(guò)將數(shù)字化技術(shù)與中性區(qū)理論的結(jié)合，孫玉春等[24]學(xué)者研發(fā)出個(gè)性化全口義齒設(shè)計(jì)軟件，能自動(dòng)選擇人工牙型號(hào)、排列人工牙以及創(chuàng)建基托，解決了全口義齒平衡合排牙的精確設(shè)計(jì)問(wèn)題。AvaDent和Dentca系統(tǒng)中CAD設(shè)計(jì)排牙步驟簡(jiǎn)單，是根據(jù)合平面在牙槽嵴上排列上下頜人工牙，自動(dòng)調(diào)整人工牙位置，排牙后軟件自動(dòng)生成基托和牙齦外形，完成全口義齒設(shè)計(jì)[25]。Han等[26]使用CAD/CAM軟件(3Shape Dental System 2013)自動(dòng)排列全口義齒人工牙后，醫(yī)師可對(duì)單顆牙或區(qū)域牙進(jìn)行在合平面、矢狀面和冠狀面上的自由移動(dòng)，自由度較高。

數(shù)字化排牙大大縮短了全口義齒的制作時(shí)間，提高排牙的規(guī)范程度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化平衡合排牙，并兼顧美學(xué)形態(tài)[27]。但是全口義齒人工牙的三維數(shù)據(jù)庫(kù)使用的是國(guó)外數(shù)據(jù)，我們應(yīng)盡快建立自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，以指導(dǎo)適合國(guó)人的個(gè)性化排牙。

4.試戴義齒

目前數(shù)字化全口義齒修復(fù)系統(tǒng)可在患者制取終印模、確定頜位關(guān)系后直接設(shè)計(jì)并制作終義齒。但跳過(guò)試戴義齒的步驟使臨床醫(yī)師無(wú)法校準(zhǔn)義齒的美學(xué)、發(fā)音以及咬合功能，以及無(wú)法與患者進(jìn)行關(guān)于前牙美學(xué)要求的溝通，可能導(dǎo)致終義齒不適合[28]。因此，多數(shù)學(xué)者仍建議制作試戴義齒以校準(zhǔn)前期制作過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差。整體三維打印和切削蠟基托后人工插牙是全口試戴義齒數(shù)字化制作的兩種主要方式。整體三維打印制作的試戴義齒椅旁操作時(shí)間較傳統(tǒng)方式短，且不易變形，但存在打印材料顏色單一，美觀性較差的問(wèn)題[29]。更多的學(xué)者選擇數(shù)控切削蠟基托后人工插牙制作試戴義齒[5，30，31]，Infante等學(xué)者[30]數(shù)控切削蠟型基托，逐個(gè)插入人工牙完成試戴義齒的制作；也有文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)三維打印一體式牙列，插入蠟型基托內(nèi)完成試戴義齒的制作。Chen[31]將數(shù)控切削的全口義齒試戴蠟型與傳統(tǒng)手工制作的蠟型在模型上就位的精確度進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)兩種方法制作的義齒蠟型并無(wú)明顯差異，證實(shí)三維打印技術(shù)制作的試戴全口義齒可滿足臨床需要。但在全口試戴義齒數(shù)字化制作的過(guò)程中，手動(dòng)將人工牙插入到蠟型基托會(huì)出現(xiàn)人工牙輕度移位的問(wèn)題[32]。

利用數(shù)字化技術(shù)制作試戴義齒，制作時(shí)間縮短，三維打印的試戴義齒試戴時(shí)不易變形，精度高，但美觀性差。所以研究多色一體化打印技術(shù)，提升三維打印試戴義齒的美觀性，是未來(lái)的主要研究方向。

5.終義齒

傳統(tǒng)全口義齒基托材料甲基丙烯酸甲酯的凈體積收縮、殘留甲基丙烯酸甲酯單體的存在、白色念珠菌對(duì)丙烯酸樹(shù)脂的粘附引起了普遍的關(guān)注，而數(shù)控加工切削的預(yù)聚合丙烯酸樹(shù)脂基托能有效彌補(bǔ)上述不足，使基托更貼合[33]。目前數(shù)字化全口義齒最終修復(fù)體制作的主要方式是在數(shù)控切削的樹(shù)脂基托上逐一粘接成品人工牙。最早Maeda等[34]利用將牙色、基托色流動(dòng)樹(shù)脂充入數(shù)控加工牙列和塑料基托外殼中，制作全口義齒，但該全口義齒無(wú)臨床實(shí)用性。不斷有學(xué)者對(duì)終義齒的加工方式進(jìn)行探討研究，Janeva等[35]使用AvaDent系統(tǒng)在完成全口義齒設(shè)計(jì)后由切削樹(shù)脂基托，將人工牙逐個(gè)插入并粘接于基托上完成全口義齒的制作；Bilgin等[5]在三維打印牙列插入蠟型基托后，通過(guò)傳統(tǒng)方法制作終義齒，結(jié)果顯示制作完成的全口義齒有良好的咬合和頜位關(guān)系，并且一體式設(shè)計(jì)的牙列增加了人工牙與基托間的結(jié)合強(qiáng)度；孫玉春等[36]采用快速成形技術(shù)制作全口義齒裝膠前陰模，手工插入人工牙并完成全口義齒制作。

終義齒的加工方式，無(wú)論是切削樹(shù)脂基托后手工粘接人工牙，還是三維打印蠟基托或陰模并在技工室完成終義齒，均是兩步制作，難以避免誤差，所以多色多材質(zhì)全口義齒的一體化數(shù)字化制作技術(shù)值得我們繼續(xù)研究。綜上，相比于傳統(tǒng)純手工制作全口義齒，數(shù)字化制作技術(shù)有明顯的優(yōu)勢(shì)：設(shè)計(jì)加工精度穩(wěn)定可靠，對(duì)主觀經(jīng)驗(yàn)技巧依賴性降低；醫(yī)師臨床操作時(shí)間及患者就診次數(shù)減少，方便醫(yī)師和患者；基托聚合收縮少更貼合，減少白色念珠菌粘附；全口義齒易被復(fù)制。但數(shù)字化全口義齒的臨床應(yīng)用仍有諸多限制，數(shù)字化記錄頜位關(guān)系、建立國(guó)內(nèi)牙列數(shù)據(jù)庫(kù)、多色多材質(zhì)牙列基托一體化制作技術(shù)是我們接下來(lái)攻克的主要難題。