探索下頜數(shù)字化模型重疊的方法

王夢含 王星星 向彪 吳剛

[摘要]目的：探索成人下頜數(shù)字化牙頜模型重疊的新方法，并驗證本重疊方法的可靠性及適用性，為將來進(jìn)行隱形矯治效果分析提供簡單快捷的評價方法。方法：根據(jù)入選標(biāo)準(zhǔn)將研究資料分為A、B、C組，即對照組、上頜隱形矯治組及下頜隱形矯治組，重疊下頜牙列模型后，對下頜中切牙、第一及第二磨牙的三維方向位移進(jìn)行測量及統(tǒng)計學(xué)分析。結(jié)果：A組各牙齒位移均值的95%置信區(qū)間上限最大值為0.29mm，下限最小值為-0.3mm;B組各牙齒位移均值的95%置信區(qū)間上限最大值為0.42mm，下限最小值為-0.46mm，36、37在Y軸上下限位移均為負(fù)值，46、47在Y軸上下限位移均為正值;C組各牙齒位移均值的95%置信區(qū)間上限最大值為0.45mm，下限最小值為-0.43mm。結(jié)論：本重疊方法可用于對比正畸前后的成人下頜數(shù)字化牙頜模型，具有較好的可靠性及臨床適用性。

[關(guān)鍵詞]無托槽隱形矯治;下頜;三維模型重疊;模型掃描

[中圖分類號]R783.5? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A? ? [文章編號]1008-6455（2020）10-0044-04

Exploring A Method for Superimposition of Mandibular Digital Models

WANG Meng-han1， WANG Xing-xing1， XIANG Biao2， WU Gang1

（1.Dental Clinic of Shanghai Zhengya，Shanghai 201210，China;2.Smartee Denti-Technology，Shanghai 201210，China）

Abstract： Objective To explore a new method for superimposition of mandibular digital models in adults， verifying the reliability and applicability of this method.A convenient and efficient evaluation method for invisible orthodontic effect analysis in the future was found and clarified. Methods? According to the selection criteria， the data were divided into A， B and C three groups， which consists of control group， maxillary invisible orthodontic treatment group. mandibular invisible orthodontic treatment group. After superimposing mandibular dentition models， the three-dimensional displacement of mandibular central incisors， first and second molars were measured and analyzed statistically. Results In group A， the maximum value of the mean displacements 95% confidence interval was 0.29 mm， and the minimum value was -0.3mm. In group B， the maximum value of the mean displacements 95% confidence interval was 0.42mm， and the minimum value was -0.46mm. Otherwise， the upper-lower limit displacement values of 36 and 37 on Y axis were negative， and that of 46 and 47 on Y axis were positive. In group C， the maximum value of the mean displacements 95% confidence interval was 0.45mm，and the minimum value was -0.43mm. Conclusion The method for superimposition had satisfied reliability and clinical applicability to compare pre-treatment with post-treatment mandibular digital dental models in adults.

Key words：invisible orthodontic; mandible; superimposition of three-dimensional models; model scanning

為了評估正畸效果，檢驗矯治方法的有效性，需要一種可靠方法對矯治前、中、后的牙列進(jìn)行重疊，進(jìn)而評估分析。三維數(shù)字化口腔掃描技術(shù)如今已廣泛運用在口腔正畸患者的診斷和治療中，也可以通過數(shù)字化模型重建技術(shù)將傳統(tǒng)牙頜石膏模型轉(zhuǎn)換為數(shù)字化牙頜模型[1-2]。以往研究發(fā)現(xiàn)，上頜腭穹隆部存在相對穩(wěn)定的區(qū)域[3-4]，基于該穩(wěn)定區(qū)域的重疊，可以評估上頜每顆牙齒的三維方向移動。但下頜由于未發(fā)現(xiàn)可用于重疊的明顯特征結(jié)構(gòu)或被證實的穩(wěn)定參考區(qū)域，下頜數(shù)字化牙頜模型仍然沒有準(zhǔn)確的重疊方法[5]。本文的目的在于探索成人下頜數(shù)字化牙頜模型重疊的方法，并對下頜中切牙、第一及第二磨牙的三維方向位移進(jìn)行測量，驗證本重疊方法的可靠性及適用性。

1? 資料和方法

1.1 一般資料：根據(jù)入選標(biāo)準(zhǔn)將研究資料分為三個不同組，A組為6例個別正常牙合志愿者，成人，咬合穩(wěn)定，未進(jìn)行正畸治療，佩戴上頜壓膜保持器3個月。B、C組從正雅Smartee?隱形矯治病例庫中隨機(jī)選取，每組12例。納入標(biāo)準(zhǔn)：①成人;②僅上頜或下頜無托槽隱形矯治，未設(shè)計上頜磨牙及下頜牙齒移動或下頜磨牙及上頜牙齒移動;③有矯治前及精調(diào)階段的牙列及咬合模型數(shù)據(jù);④無牙齒缺失。

1.2 研究方法

1.2.1 所有資料均采用激光掃描儀（AutoScan-DS100+，SHINNING）對初始模型（M0）與階段性模型（M1）進(jìn)行掃描，獲得該病例相應(yīng)階段的上頜、下頜及咬合數(shù)據(jù)，以STL格式輸出。若病例有設(shè)計牙齒移動，則選擇設(shè)計移動當(dāng)步的模型文件（M1）。將所得牙頜數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 2014（Geomagic，USA）中，重建三維數(shù)字化模型。調(diào)整坐標(biāo)軸，默認(rèn)設(shè)置X、Y、Z軸分別代表水平向、矢狀向和垂直向。鎖定M0（或M1）模型數(shù)據(jù)，使其在三維空間內(nèi)不發(fā)生位置改變。

1.2.2 匹配上頜模型：以相同標(biāo)準(zhǔn)在M0（或M1）和M1腭部選取8個解剖標(biāo)志點（見圖1），分別為A：右側(cè)第二腭皺襞內(nèi)側(cè)，B：左側(cè)第三腭皺襞內(nèi)側(cè)，C：右側(cè)第二腭皺襞內(nèi)側(cè)，D：左側(cè)第三腭皺襞內(nèi)側(cè)，E：右側(cè)第二腭皺襞外側(cè)，F(xiàn)：右側(cè)第三腭皺襞外側(cè)，G：左側(cè)第二腭皺襞外側(cè)，H：左側(cè)第三腭皺襞外側(cè)。調(diào)整M1上頜模型位置，匹配M0（或M1）和M1上頜模型。對重疊結(jié)果進(jìn)行色譜偏差分析，進(jìn)行可靠性檢測，驗證重疊結(jié)果（見圖2）。

1.2.3 匹配下頜模型：將M1咬合模型與M1上頜模型，通過全局注冊自動匹配。之后，將M1下頜模型全局注冊匹配M1咬合模型。

1.2.4 測量標(biāo)志點：由同一研究人員在下頜雙側(cè)第一磨牙及第二磨牙各選擇4個測量標(biāo)志點，分別為其近、遠(yuǎn)中的頰、舌尖;下頜雙側(cè)中切牙選擇3個測量標(biāo)志點，分別為切緣近、遠(yuǎn)中點及切緣中點。輸出各標(biāo)志點的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，保存，匯總。

1.2.5 統(tǒng)計學(xué)分析：計算矯治前與矯治后各牙齒的位移差值，應(yīng)用SPSS軟件（Version 19.0，IBM，USA）對計量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行描述，計算各牙齒位移均值的95%置信區(qū)間，并繪制箱式圖。

2? 結(jié)果

2.1 A組作為對照組，表示了本測量方法中出現(xiàn)的隨機(jī)誤差，由下頜牙列模型重疊所測下頜牙齒三維位移量數(shù)據(jù)分析所得。表1為均值的95%置信區(qū)間的描述性結(jié)果，上限最大值為0.29mm，下限最小值為-0.3mm;圖3為按因子水平分組的箱式圖，各牙齒三維位移量分布區(qū)間均包括0。

2.2 B組為上頜單頜隱形矯治，下頜未設(shè)計移動，比較動畫設(shè)計當(dāng)步的設(shè)計模型M1和實際模型M1之間的差異，由下頜牙列模型重疊所測下頜牙齒三維位移量數(shù)據(jù)分析所得。表2為均值的 95% 置信區(qū)間的描述性結(jié)果，上限最大值為0.42mm，下限最小值為-0.46mm，36、37在Y軸上下限位移均為負(fù)值，46、47在Y軸上下限位移均為正值;圖4為按因子水平分組的箱式圖，37、47在Y軸的位移分布區(qū)間未包括0。

2.3 C組為下頜單頜隱形矯治，上頜未設(shè)計移動，比較動畫設(shè)計當(dāng)步的設(shè)計模型M1和實際模型M1之間的差異，由下頜牙列模型重疊所測下頜牙齒三維位移量數(shù)據(jù)分析所得。表3為均值的95%置信區(qū)間的描述性結(jié)果，上限最大值為0.45mm，下限最小值為-0.43mm;圖5為按因子水平分組的箱式圖，各牙齒三維位移量分布區(qū)間均包括0。

3? 討論

理想的三維重疊分析方法不僅要求重疊的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為生長發(fā)育穩(wěn)定區(qū)域，還需可明確識別的標(biāo)記點，易重復(fù)測量。

3.1 上頜腭皺襞重疊法的可靠性：腭皺襞為硬腭前部，自腭中縫前部向兩側(cè)略呈輻射狀的軟組織嵴。腭皺襞的發(fā)育形態(tài)特征，受到個體遺傳基因控制，在人的一生中基本不變[6]。在臨床研究應(yīng)用中，Choi等[7]發(fā)現(xiàn)腭部重疊法評價牙齒的三維方向移動是可靠的。Chen等[3]認(rèn)為第三腭皺襞的內(nèi)側(cè)三分之二和腭穹窿區(qū)域是可用于評價正畸牙移動三維數(shù)字化牙牙合模型重疊的穩(wěn)定區(qū)域，第一腭皺襞在矯治過程中產(chǎn)生了較明顯改變。Jang等[4]也認(rèn)為第三腭皺襞作為標(biāo)志點比較穩(wěn)定。Abdi等[8]介紹了一種基于腭皺襞標(biāo)志點穩(wěn)定性的上頜模型疊加的加權(quán)方法，研究結(jié)果顯示腭皺襞的穩(wěn)定有差別，第三腭皺襞內(nèi)側(cè)權(quán)重為3.08，外側(cè)為1.67，第二腭皺襞內(nèi)側(cè)權(quán)重為1.74，外側(cè)為1.09，第一腭皺襞內(nèi)側(cè)權(quán)重為0.88，外側(cè)為0.59。綜合前人對于上頜模型腭部重疊的大量研究結(jié)果，筆者認(rèn)為第二及第三腭皺襞具有較高的穩(wěn)定性，標(biāo)志點也易于尋找確認(rèn)。因此，本研究在上頜腭部選取了8個標(biāo)志點解剖標(biāo)志點，分別為第二及第三腭皺襞的頰側(cè)末端點和腭側(cè)末端點。

3.2 評估下頜牙齒移動的方法：利用頭顱側(cè)位片進(jìn)行頭影測量重疊，是一種已被廣泛用于評估正畸牙齒移動的方法。此法簡單易行，不過頭顱側(cè)位片只是三維結(jié)構(gòu)的二維投影，并且存在投照時頭位控制偏差大、圖像模糊及放大率改變等局限[9-12]。隨著錐形束計算機(jī)斷層掃描（Cone beam computerized tomography，CBCT）的逐漸普及，很多研究借助CBCT匹配數(shù)字化牙頜模型，進(jìn)而重疊治療前后下頜牙頜模型。研究者們[13-15]發(fā)現(xiàn)以顱底為基準(zhǔn)的疊加方法是準(zhǔn)確可靠的，基于下頜骨基底結(jié)構(gòu)通過表面擬合的方法更簡單便捷。然而，國內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)將大視窗CBCT用于常規(guī)檢查項目的并不多，也有很多患者無法接受多次拍攝CBCT，都為數(shù)據(jù)采集設(shè)置了障礙。

數(shù)字化掃描技術(shù)的普及為解決下頜模型重疊提供了新的思路。Tavares等[16]使用三種方法驗證了激光掃描儀獲得的數(shù)字化牙列模型的準(zhǔn)確性和可靠性，其精確性高于傳統(tǒng)石膏模型，能更好地進(jìn)行模型測量分析。然而，下頜并不具備特征明顯的標(biāo)志點來進(jìn)行重疊，An[5]等將下頜頰側(cè)和舌側(cè)牙槽骨表面作為下頜重疊區(qū)域，評估結(jié)果顯示穩(wěn)定性不佳。下頜內(nèi)斜線能夠成為潛在的參考區(qū)域，但其特征并不明顯。國內(nèi)有學(xué)者[17]通過結(jié)合頭顱側(cè)位片來校準(zhǔn)下頜牙頜模型位置，顯示下頜重疊準(zhǔn)確性較好，但缺點在于步驟復(fù)雜，且前牙區(qū)橫向測量存在誤差。本研究探索了新的重疊方法，通過匹配上頜及咬合模型數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)下頜牙頜模型的位置，間接獲得矯治前后下牙列的重疊結(jié)果。

3.3 研究結(jié)果分析：本研究設(shè)置A組為空白對照組，志愿者均未進(jìn)行矯治。經(jīng)過模型重疊，并測量計算出下頜牙齒牙合面（切緣）三維方向的位移變化。各牙齒三維方向偏差在95%置信區(qū)間內(nèi)均未超過0.3mm，箱式圖示各牙齒三維位移量分布區(qū)間均包括0，說明本重疊方法應(yīng)用于未矯治對象的模型重疊，具備較好可靠性及可重復(fù)性。

B組為上頜單頜隱形矯治，下頜未設(shè)計移動。經(jīng)過模型重疊和數(shù)據(jù)分析，可以看到各牙齒三維方向偏差在95% 置信區(qū)間內(nèi)未超過0.5mm。然而下頜磨牙出現(xiàn)了頰傾，且箱式圖顯示第二磨牙在矢狀向的位移分布區(qū)間未包括0。分析認(rèn)為：單頜矯治中，未設(shè)計移動的牙列同樣可能發(fā)生少量位移，磨牙會因為矯治器的厚度原因產(chǎn)生頰傾的趨勢。該推測目前并無相關(guān)文獻(xiàn)報道，有待進(jìn)一步研究去驗證。

C組為下頜單頜隱形矯治，上頜未設(shè)計移動。為了避免咬合發(fā)生改變，減少重疊誤差，所選病例磨牙未設(shè)計移動。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：各牙齒三維方向偏差在95%置信區(qū)間內(nèi)未超過0.5mm，且位移量分布區(qū)間均包括0。分析認(rèn)為可能存在矯治器表達(dá)率的問題。

本研究認(rèn)為測量中存在偏差的原因主要有兩點：測量誤差及隱形矯正表達(dá)率。Santoro M等[18]認(rèn)為小于0.5mm的測量誤差對于數(shù)字化模型的臨床應(yīng)用影響不大，本研究中偏差均小于0.5mm，但不可忽視本方法仍存在一定誤差。其誤差來源可能存在于：①硅橡膠取膜及激光掃描存在誤差;②配準(zhǔn)模型過程中產(chǎn)生的誤差;③測量標(biāo)志點產(chǎn)生的誤差。因此，本研究在同一日完成三維模型的重疊，以減少重疊時定點過程中帶來的誤差。由同一人在磨牙及切牙上分別選取了4個和3個解剖結(jié)構(gòu)最易于識別的點，力求最大限度降低誤差。關(guān)于隱形矯正表達(dá)率，Rossini等[19]對11篇臨床試驗進(jìn)行系統(tǒng)評價，顯示牙齒伸長表達(dá)率只有30%，尖牙及前磨牙去扭轉(zhuǎn)的表達(dá)較差，軸傾和轉(zhuǎn)矩的控制稍好，切牙壓低的表達(dá)率較高。也有其他研究發(fā)現(xiàn)[20-21]，隱形矯治中前牙的表達(dá)率相對較高，但仍不等同于設(shè)計目標(biāo)。目前，對隱形矯治系統(tǒng)的設(shè)計方法和表達(dá)效果仍處于探索階段，有必要進(jìn)一步研究其生物力學(xué)原理和評估實際矯治效果，本重疊方法的運用亦有助于開展相關(guān)實驗。

相較于以往研究中的重疊方法，本方法具有以下優(yōu)勢：①無需結(jié)合CBCT或其他影像資料，患者更易于接受;②可以在三維方向上校準(zhǔn)下頜的位置，增加準(zhǔn)確性;③在數(shù)字化模型上可以更直觀測量牙齒的變化量。若隨著技術(shù)水平發(fā)展，幾個來源的測量誤差能夠降低，本重疊方法的準(zhǔn)確性也將會進(jìn)一步提高。

綜上所述，本研究提出的下頜模型重疊方法可用于評估矯治前、中、后的牙齒移動，具有較好的可靠性及臨床適用性，可以為正畸效果分析提供簡單快捷的評價方法。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Thiruvenkatachari B，Al-Abdallah M，Akram NC，et al.Measuring 3-dimensional tooth movement with a 3-dimensional surface laser scanner[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2009，135（4）：480-485.

[2]Min-Young Cho，Jeong-Ho Choi，Seung-Pyo Lee，et al.Three-dimensional analysis of the tooth movement and arch dimension changes in Class I malocclusions treated with first premolar extractions：A guideline for virtual treatment planning[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2010，138（6）：747-757.

[3]Chen G，Chen S，Zhang XY，et al.Stable region for maxillary dental cast superimposition in adults， studied with the aid of stable miniscrews[J].Orthod Craniofac Res，2011，14（2）：70-79.

[4]Jang I，Tanaka M，Koga Y，et al.A novel method for the assessment of three-dimensional tooth movement during orthodontic treatment[J].Angle Orthod，2009， 79（3）：447-453.

[5]An K，Jang I，Choi DS，et al.Identification of a stable reference area for superimposing mandibular digital models[J].J Orofac Orthop，2015，76（6）：508-519.

[6]Proffit W.Contemporary orthodontics[M].6ed.Quintessence Pub. Co.，Tokyo.2018：33-34.

[7]Choi JI，Cha BK，Jostbrinkmann PG，et al.Validity of palatal superimposition of 3-dimensional digital models in cases treated with rapid maxillary expansion and maxillary protraction headgear[J].Korean J Orthod，2012，42（5）：235-241.

[8]Abdi AH，Nouri M.Registration of serial maxillary models via the weighted rugae superimposition method[J].Dental Press J Orthod，2017，20（2）：79-84.

[9]Mathews JR，Ware WH.Longitudinal mandibular growth in children with tantalum implants[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，

1978，74（6）：633-655.

[10]Quintero JC，Trosien A，Hatcher D，et al.Craniofacial imaging in orthodontics： Historical perspective，current status，and future developments[J].Angle Orthod， 2000，69（6）：491-506.

[11]Krarup S，Darvann TA，Larsen P，et al.Three-dimensional analysis of mandibular growth and tooth eruption[J].J Anat，2005，207（5）：669-682.

[12]Baumrind S，Miller D，Molthen R.The reliability of head film measurements[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，1971，70（6）：111-127.

[13]Koerich L，Burns D，Weissheimer A，et al.Three-dimensional maxillary and mandibular regional superimposition using cone beam computed tomography：A validation study[J].Int J Oral Max Surg，2016，45（5）：662-669.

[14]Park TJ，Lee SH，Lee KS.A method for mandibular dental arch superimposition using 3D cone beam CT and orthodontic 3D digital model[J].Korean J Orthod，2012， 42（4）：169-181.

[15]Ghoneima A，Cho H，F(xiàn)arouk K，et al.Accuracy and reliability of landmark-based， surface-based and voxel-based 3D cone-beam computed tomography superimposition methods[J].Orthod Craniofac Res，2017，20（4）：227-236.

[16]Tavares CL，Hero B，Vasconcellos VOD.Are there differences between comparison methods used to evaluate the accuracy and reliability of digital models？[J].Dental Press J Orthod，2017，22（1）：65-74.

[17]戴帆帆，劉怡，許天民，等.探索成人正畸前后下頜三維數(shù)字化模型的重疊方法[J].北京大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2018，50（2）：75-82.

[18]Santoro M，Galkin S，Teredesai M，et al.Comparison of measurements made on digital and plaster models[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2003，124（1）：101-105.

[19]Rossini G，Parrini S，Castroflorio T，et al.Efficacy of clear aligners in controlling orthodontic tooth movement： A systematic review[J].Angle Orthod，2014， 85（5）：881-889.

[20]Krieger E，Seiferth J，Marinello I，et al.Invisalign? treatment in the anterior region ： Were the predicted tooth movements achieved[J].J Orofac Orthop，2012， 73（5）：365-376.

[21]Tepedino M，Paoloni V，Cozza P，et al.Movement of anterior teeth using clear aligners：a three-dimensional，retrospective evaluation[J].Prog Orthod，2018，19（1）：9.

[收稿日期]2019-10-18

本文引用格式：王夢含，王星星，向彪，等.探索下頜數(shù)字化模型重疊的方法[J].中國美容醫(yī)學(xué)，2020，29（10）：44-48.