數(shù)字化牙牙合模型在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

李節(jié)龍，呂虹瑤，史金怡，侯彥

（1.河北醫(yī)科大學(xué)，河北 石家莊；2. 河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院&河北省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室，河北 石家莊）

0 引言

1983年，第一臺牙科計算機(jī)輔助設(shè)計與制作，開創(chuàng)了以計算機(jī)技術(shù)為支撐的國際口腔數(shù)字化醫(yī)學(xué)時代。30余年來的研究證明，計算機(jī)輔助數(shù)字口腔醫(yī)學(xué)技術(shù),可顯著提高口腔臨床診斷治的效果與效率，數(shù)字化牙牙合模型在口腔臨床各方面中的應(yīng)用涉及到牙牙合模型制作的各階段,包括：患者牙牙合模型掃描、分析診斷、數(shù)字化排牙、追蹤隨訪等。隨著計算機(jī)技術(shù)在口腔治療中的廣泛應(yīng)用,建立一套健全規(guī)范的數(shù)字化矯治流程有助提高臨床工作的效率,減少存放模型的空間成本,提高治療的準(zhǔn)確性。數(shù)字化牙牙合模型不僅是簡單的將牙牙合模型轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)，也包括數(shù)字化模型、數(shù)字化排牙、數(shù)字化影像資料等,需要各個環(huán)節(jié)的完善與緊密接合。所以近年來數(shù)字化牙牙合模型技術(shù)在口腔中的應(yīng)用尤為廣泛。

1 數(shù)字化牙牙合模型的掃描

在口腔臨床治療中，患者的普通石膏牙牙合模型不易于保存，而且易發(fā)生磨損[1]，這會對患者的治療精確度造成誤差，除此之外還不易于攜帶，在教學(xué)中導(dǎo)致不能直觀的展示各個結(jié)構(gòu)的三維關(guān)系以及三維重合關(guān)系，對教學(xué)造成一定影響。20 世紀(jì) 70 年代，計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及高端電子技術(shù)與醫(yī)學(xué)事業(yè)融合，數(shù)字化掃描技術(shù)應(yīng)運而生，其中模型數(shù)字化方法又分為接觸式機(jī)械掃描，激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描、計算機(jī)X線體層掃描和口內(nèi)掃描技術(shù)等多種方法[2]，為口腔臨床治療提供了一種新思路。這些掃描技術(shù)可以通過直接掃描患者口腔內(nèi)部或者掃描牙牙合模型而獲得精確的口腔內(nèi)三維數(shù)字化數(shù)據(jù)。能夠較為簡便地得到由計算機(jī)分析出的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用于各種軟件進(jìn)行分析。

1.1 接觸式機(jī)械掃描

接觸式機(jī)械掃描是一種通過計算機(jī)控制探頭，對物體表面進(jìn)行掃描，以一定的步長和行距進(jìn)行自動掃描并記錄物體表面數(shù)據(jù)。掃描儀內(nèi)有傳感器記錄探頭的三維坐標(biāo)，然后在計算機(jī)輔助下重建其三維模型。接觸式掃描具有精度高（可達(dá)±0.005mm）、成本低、無掃描盲區(qū)等優(yōu)點，但接觸式掃描費時且運用范圍有限，某些精細(xì)結(jié)構(gòu)受探頭形狀限制，可能出現(xiàn)掃不到或者導(dǎo)致物體表面發(fā)生形變。因此接觸式掃描只適用于一些質(zhì)地硬，結(jié)構(gòu)簡單和一些不易損壞的物體表面[3]。

1.2 激光掃描

激光掃描是一種非接觸式光學(xué)掃描，運用三角測距原理進(jìn)行構(gòu)建三維數(shù)字模型。針對現(xiàn)有三維實物（樣品或模型）在沒有技術(shù)文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并嫁衣建構(gòu)，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型。激光掃描分為線激光和點激光兩種，點激光用時較長，精確度較低。線激光速度快、精確度高、重建模型清晰，在口腔牙列石膏模型掃描中發(fā)揮重要作用。但如被掃描物體表面粗糙、漫反射率敏感，易出現(xiàn)掃描盲區(qū)，需要復(fù)雜的后期處理。

1.3 結(jié)構(gòu)光掃描

結(jié)構(gòu)光掃描使用安全無害的白熾光將正弦或矩形光柵投射到物體表面，由CCD攝像機(jī)獲取被凹凸表面調(diào)制而產(chǎn)生的變形光柵條紋，在軟件中計算出各空間點的高度信息，得到空間三維坐標(biāo)，通過軟件分析和處理得到三維圖像。光學(xué)掃描的優(yōu)點是速度快，獲取完整面部信息僅需5.5s，而且掃描模型精度優(yōu)于CBCT重新建模，但對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的物體、曲率變化大的表面，很容易出現(xiàn)掃描盲區(qū)，需切換視角進(jìn)行多次掃描[5-6]，而且當(dāng)模型出現(xiàn)誤差時，也會影響最后獲得正確的結(jié)果。

1.4 計算機(jī)X線體層掃描

計算機(jī)X線體層掃描（computerized tomography，CT）利用高分辨率的CT機(jī)發(fā)射精確準(zhǔn)直的X線束（也成倫琴射線）掃描物體某一層面，由靈敏度極高的探測器接受該層面的X線束，形成可觀性的圖像。接觸機(jī)械式和光學(xué)掃描得到的僅是物體的表面信息，而CT可獲取內(nèi)部三維數(shù)據(jù)，且其操作簡單快捷、偽影少、無光學(xué)掃描盲區(qū)等問題，可同時掃描多個模型[8]，其精度主要受掃描層厚和象素大小影響。目前，應(yīng)用于口腔修復(fù)領(lǐng)域的CT主要有螺旋CT、錐形束CT（conebeam computed tomography，CBCT）和微焦X射線CT（micro-focus X-ray CT）。

2 數(shù)字化牙牙合模型的制作及同其他三維數(shù)字化模型的結(jié)合

我們對患者牙體通過數(shù)字化光學(xué)掃描后，口掃可以直接獲得數(shù)字化牙牙合模型，但是如果是通過倉掃，在掃描結(jié)束后還需要通過3 Shape Analyse等軟件對牙牙合模型進(jìn)行處理，下面以3 Shape Analyse處理牙牙合模型為例。

在倉掃結(jié)束后我們得到的是整體石膏色的牙牙合模型，牙體和軟組織界限不清（FIG.1）。我們需要手動標(biāo)定點，將軟組織和牙體分離，在這個過程中我們可以調(diào)整軟組織的覆蓋面積及范圍（FIG.2），為后期排牙奠定基礎(chǔ)。在完整的標(biāo)定點后選擇自己需要的方式分割牙體和周圍軟組織后完成下頜數(shù)字化牙牙合模型的制作（FIG.3）。

數(shù)字化牙牙合模型可以獲得一個等比原型，包含患者口腔牙體形狀信息的三維數(shù)字化模型，更大程度的配合正畸需求，可以實現(xiàn)不同角度的旋轉(zhuǎn)觀察，而且在牙標(biāo)定點后牙位置保持不變，相比使用黃銅絲和圓規(guī)的傳統(tǒng)石膏模型測量方法更加精確，而且通過計算機(jī)可以很快地計算出各種面積以及長度。數(shù)字化牙牙合模型與傳統(tǒng)的石膏模型更利于保存，精確度更高，方法簡便，利于治療后期的處理。

傳統(tǒng)牙牙合模型使用石膏制作而成，石膏易于磨損破壞，不易于保存。在對患者治療方案的設(shè)計討論過程中不易向患者展示牙牙合的三維變化。數(shù)字化三維牙體模型可實現(xiàn)從多角度、不同層面，利用豐富的圖像內(nèi)容直接地觀察牙體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)間的空間變化關(guān)系，并且還可以結(jié)合別的數(shù)字化模型進(jìn)行分析，如CBCT X射線：根管系統(tǒng)中的副根管、側(cè)枝根管、根尖分歧等根管系統(tǒng)的重要組分，與數(shù)字化牙牙合模型進(jìn)行牙冠牙根的重疊，使同學(xué)們更好理解根管影像重疊和微細(xì)結(jié)構(gòu)難以觀察和顯示，同時可實現(xiàn)將髓腔解剖由傳統(tǒng)的二維平面轉(zhuǎn)換為三維立體透視數(shù)字模型，利于學(xué)生對髓腔系統(tǒng)知識的全面認(rèn)識，幫助學(xué)生構(gòu)建髓腔空間概念，為口腔專業(yè)學(xué)生實施牙體充填修復(fù)和牙髓根管治療打下良好的理論基礎(chǔ)[8]。

3 數(shù)字化牙牙合模型的應(yīng)用

3.1 在口腔正畸的臨床治療排牙的過程中，原始的排牙技術(shù)是在牙牙合模型和牙合架上進(jìn)行的，通過分割模型的方法使得牙冠重新定位，這種傳統(tǒng)的排牙方式會很大程度上損傷模型，不可避免的破壞了牙齒的鄰接點，減少了牙冠的遠(yuǎn)近中徑，不同程度上縮短了牙弓的長度。傳統(tǒng)的排牙方式人為影響較大，精確度不能保證。在教學(xué)方面，可以直觀的展示各個牙齒的移動，但是操作困難，學(xué)生們在學(xué)習(xí)過程中掌握困難，不能精確的掌握對牙齒模型的磨損程度[9]。

研究表明[10-11]，在進(jìn)行牙的大小、尖牙間牙弓寬度、牙列間隙、磨牙間牙弓寬度、牙列擁擠度、Bolton分析等常規(guī)在石膏模型上進(jìn)行的測量分析時，其與傳統(tǒng)石膏牙齒模型相比，二者測量數(shù)據(jù)的并無明顯差異。三維數(shù)字化牙牙合模型在正畸領(lǐng)域中占據(jù)很大地位，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）牙牙合模型資料的存儲、分析和醫(yī)患交流；

2）利用三維數(shù)字化模型，可減少實體會議的召開，節(jié)省時間、精力，可嘗試進(jìn)行遠(yuǎn)程正畸會診，減少地理因素對病患造成的影響；

3）可以完成在三維重疊測量，進(jìn)行三維診斷，對每一顆牙齒矯正前后的三維方向位移進(jìn)行測量，可提前預(yù)知術(shù)后效果，更好的讓患者了解術(shù)后的模樣，更利于正畸治療計劃的擬定；

4）無托槽隱形矯治系統(tǒng)，較傳統(tǒng)托槽而言，更加美觀，更大程度地減少患者在治療過程中的頻繁復(fù)診；

5）個性化舌側(cè)矯治系統(tǒng)，是通過電腦軟件虛擬牙齒的移動和定位，模擬患者牙齒的走向，可以實現(xiàn)高效準(zhǔn)確地制作托槽，利用個體數(shù)字化牙牙合模型，實現(xiàn)托槽的間接粘接，簡化臨床操作，有效的完成牙齒移動和舌側(cè)托槽定位的設(shè)計；

6）使用三維虛擬架輔助定位板的制作，增加了正頜外科手術(shù)輔助設(shè)計的精確性，提升再定位上、下頜骨的準(zhǔn)確度，可以使正畸、外科效果協(xié)同達(dá)到最佳[12-17]。

3.2 在口腔外科的種植臨床治療中，制作患者的數(shù)字化牙牙合模型相應(yīng)數(shù)字化導(dǎo)板，在手術(shù)前對患者的口腔內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字化影像信息的三維重建和可視化處理，利用特定的軟件模擬進(jìn)行種植手術(shù)操作。通過數(shù)字化牙牙合模型制作修復(fù)體。與傳統(tǒng)的種植手術(shù)相比，數(shù)字化種植的設(shè)計更加充分地考慮到了牙頜骨內(nèi)部較精細(xì)的解剖情況，可以有效的避免術(shù)中誤傷到下頜神經(jīng)管、上頜竇底等重要解剖結(jié)構(gòu)，同時使醫(yī)生更直觀的決定種植體的理想植入位置、深度和角度，從而降低手術(shù)風(fēng)險、提高種植修復(fù)的成功率。

與傳統(tǒng)的種植手術(shù)相比，傳統(tǒng)種植手術(shù)需要借助實物模型進(jìn)行推演，且模型并不能隨醫(yī)生的想法改變形態(tài)。而數(shù)字化種植手術(shù)導(dǎo)板的制作過程則可以更直觀更精確的進(jìn)行虛擬的演習(xí)。醫(yī)生要做的只有設(shè)計和制作帶有預(yù)期修復(fù)體信息的診斷導(dǎo)板，然后讓患者進(jìn)行頜骨CT掃描，將得到的DICOM影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入種植導(dǎo)板設(shè)計軟件中，進(jìn)行閾值分割和圖像配準(zhǔn)，在三維重建后的頜骨影像上進(jìn)行模擬手術(shù)，設(shè)計出合理的種植方案，確定種植體的數(shù)量和位置。確定種植方案以后，在軟件中生成相應(yīng)的種植模板，最后進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)板的數(shù)字化加工制造，其中最常用的加工方式主要是快速成型技術(shù)和數(shù)控切割技術(shù)。隨著光學(xué)掃描技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在也可以通過牙牙合石膏模型掃描或口內(nèi)掃描快速、精確地獲取患者口內(nèi)的軟硬組織輪廓形態(tài)。

3.3 在口腔修復(fù)的修復(fù)體制作中，采用口掃的方式，掃描設(shè)備探頭深入口內(nèi)直接對口腔內(nèi)軟硬組織進(jìn)行掃描,收集的數(shù)據(jù)通過軟件設(shè)計構(gòu)建三維數(shù)字化牙牙合模型,經(jīng)過一系列處理,實現(xiàn)高精度的三維牙牙合實體重建,最后實施3D打印。特別在口腔頜面修復(fù)與整形手術(shù)中所需要的植入體或修復(fù)體的個性化要求相當(dāng)高,這對牙牙合模型的相匹配程度要求較高，數(shù)字化牙牙合模型技術(shù)的個性化定制特點無疑在口腔頜面修復(fù)領(lǐng)域中具有獨特的優(yōu)勢[19]。

圖1初始掃描

圖2牙體標(biāo)定

圖3模型完成