數字化全口義齒的臨床應用和研究進展

周永勝 孫玉春 王勇

1.北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院修復科，北京100081；2.國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心，口腔數字化醫(yī)療技術和材料國家工程實驗室，口腔數字醫(yī)學北京市重點實驗室，北京100081；3.北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院口腔醫(yī)學數字化研究中心，北京100081

1994 年，Maeda等[1]率先提出了數字化全口義齒的制作方案。隨后，由于三維數字化技術難以完整、準確地實現其較為復雜的印模制取、頜位記錄與平衡排牙，數字化技術在全口義齒修復領域發(fā)展較慢，多數工作局限于實驗室研究，直到2011 年才出現首套數字化全口義齒制作的商業(yè)系統(tǒng)。近來來，隨著數字化技術的軟硬件和智能技術的快速發(fā)展，數字化全口義齒系統(tǒng)在逐漸增加的同時，修復系統(tǒng)的功能也在逐漸完善。本文將對數字化全口義齒的研究現狀以及臨床應用情況進行綜述。

1 數字化全口義齒修復技術的研究現狀

1.1 數字化印模技術

數字化印模技術可分為基于模型或印模三維掃描的間接數字化印模技術和基于口內三維掃描的直接數字化印模技術。間接數字化印模技術通常使用非接觸式光學掃描儀。Rossini等[2]匯總了35篇既往研究，結果表明數字模型與傳統(tǒng)石膏模型一樣可靠，具有高精度、可重復的特征，憑借其在所需成本、時間和空間方面的優(yōu)勢，可以將數字模型視為當前實踐中的新金標準。近年來，模型掃描儀的掃描效率與精度不斷提高，現大多商品化的掃描儀精度在20 μm 以內，3shape E4 掃描儀官方精度可達4 μm，掃描全牙弓僅需11 s。多款掃描儀加入了紋理掃描功能，使模型上的標記線在轉化為數字模型后仍然可見，對于設計者而言更加直觀、方便。

直接數字化印模技術在固定修復領域應用較多，近年在獲取全牙弓數字印模方面獲得一些進展。Ender等[3]發(fā)現全牙弓的口內三維掃描精度低于橡膠印模材料制取的印模精度，但高于不可逆水凝膠材料制取的印模。隨著軟件算法以及硬件的更新與優(yōu)化，新款掃描儀的精度逐步提高，如3shape TRIOS 3 及Medit i500 等新款掃描儀掃描全牙弓的正確度為20 μm，精密度在10 μm 以內[4]。但由于口內掃描儀原理上的局限性，直接數字化印模技術在無牙頜掃描中存在顯著不足：1）小面積單視場掃描得到數據后再進行連續(xù)重疊拼接是其工作原理，而無牙頜黏膜表面多數區(qū)域缺乏曲率變化特征極易導致拼接錯誤[5]，其誤差甚至可最高達0.5 mm，而且還會降低掃描效率[6]；有學者[7]在上頜腭穹窿處涂抹氧化鋅或樹脂增加標志點/區(qū)域以減少數據拼接錯誤，結果表明，增加標志點可提高獲取數字印模的完整性，但標志點/區(qū)域過大會影響牙槽黏膜三維形態(tài)的準確度。2）基于光學原理的三維掃描技術較難直接獲取全口義齒印模獲取時邊緣整塑的狀態(tài)，而且掃描時對口周組織的牽拉會導致邊緣掃描誤差增大。Lo Russo等[8]發(fā)現，將邊緣修剪后可顯著提高印模精度，但印模的完整性會受到較大影響。盡管如此，多個學者對基于直接數字印模制作的義齒進行了嘗試，發(fā)現上頜義齒能獲得良好的固位，但下頜需要進行重襯[9-11]。因此，針對無牙頜的直接數字印模技術還需繼續(xù)探索。

1.2 數字化個別托盤技術

傳統(tǒng)方法制作個別托盤需要灌注石膏模型、修整模型、填倒凹、劃線、手工雕塑、固化等多個步驟，耗時耗力。使用數字化技術只需將印模三維掃描，計算機設計并加工成實體，避免了繁瑣的手工操作，可簡化制作流程，提高效率[12]。陳虎等[13]基于印模膏的初印模三維掃描，建立了一種無牙頜個別托盤的數字化設計與3D 打印方法，在三維逆向工程軟件Geomagic 中，使用多項命令完成個別托盤的設計，并使用熔融沉積制造技術打印出個別托盤實體，上頜個別托盤內表面整體平均偏差為0.17 mm±0.20 mm，其與石膏模型表面平均間隙為1.98 mm±0.40 mm；與傳統(tǒng)手工制作的個別托盤相比，下頜托盤的組織面與石膏模型表面的偏差更小且穩(wěn)定，其平均距離為2.01～2.02 mm，而傳統(tǒng)手工組則為2.08～2.24 mm[14]。Sun等[15]研究表明，3D打印的個別托盤組織面預留空間的厚度分布比傳統(tǒng)手工個別托盤更加均勻，設計了有組織終止器的個別托盤比無組織終止器的個別托盤更容易取得厚度均勻一致的印模，未經邊緣整塑的印模往往邊緣伸展不足。對于不愿意改變經典全口義齒修復流程的醫(yī)生來說，使用數字化個別托盤技術可以提高托盤的制作效率。

1.3 數字化頜位記錄技術

對于頜位關系的直接數字確定與記錄的研究較少。李偉偉[18]利用基于雙目視覺原理的下頜軌跡記錄裝置記錄并直接確定無牙頜患者的頜位，其精度與哥特式弓記錄的正中關系位相比，水平關系偏差在1 mm 以內，說明使用下頜運動軌跡記錄裝置直接記錄無牙頜的頜位關系是一種切實可行的方案。未來有望將下頜運動軌跡直接記錄頜位的相關技術整合到相關的軟硬件中，以無牙頜患者的運動軌跡驅動調，從而實現全口義齒的平衡。

1.4 全口義齒修復的數字化美學診斷和虛擬預測

全口義齒修復時的面下1/3 軟組織容貌重建是修復設計的重要指標。在全口義齒修復數字化的過程中，面部三維數據可起到顏面部分析、輔助診斷、面部虛擬預測等功能，實現對面部容貌更加精確、客觀的研究。主要研究領域包括：1）將修復前與修復中采集的面部數據作為義齒設計時的美學參考信息，以提高義齒設計的精準性，同時可虛擬戴牙以實現美學評估。2）通過測量修復前后的顏面部三維數據的形態(tài)差異，為修復設計的面部虛擬預測提供數據支持。3）根據患者修復前后容貌變化的測量值獲取、驗證全口義齒制作中需要的相關數據及精確性。Schweiger等[19]使用面部三維掃描儀拍攝了患者口內戴入托時的靜息、微笑、拉開口唇的面部三維圖像，將義齒配準后評估虛擬戴牙的美學效果。Lo Russo等[20]使用智能手機獲取患者面部三維數據，將無牙頜牙弓、鼻和口周等精度要求較高的區(qū)域使用口內三維掃描儀獲取信息，二者融合后構建“虛擬患者”，用以在數字義齒設計期間優(yōu)化牙齒的排列，該技術沒有使用額外的面部三維掃描設備，降低了成本，提高了便捷度，利于普及。有學者[21]認為這種虛擬的義齒試戴可以演變成無牙頜數字修復的標準程序，但最大的缺點仍然是缺少實體義齒試戴時的評估內容，如驗證頜位關系、評估咬合功能和發(fā)音等。除了美學診斷，用以支持全口義齒數字化設計的虛擬預測也是顏面部三維數據在全口義齒修復中的重要應用。Cheng等[22]利用BP 神經網絡建立了彈性變形預測模型，利用變形量計算出新特征模板，使用拉普拉斯變形技術模擬術前模型的形變，建立了一種無牙頜面部虛擬預測的方法。Yuan等[23]對這種虛擬預測的方法進一步改進，并進行臨床驗證，預測的平均準確度為0.77 mm±0.21 mm，說明該方法可以在一定程度上實現對面下1/3部位軟組織外觀的虛擬預測。

1.5 全口義齒數字化設計

隨著全口義齒排牙技術的發(fā)展，出現了高效簡便的全口義齒設計軟件。這些軟件設計過程大體相似[31-32]：在掃描石膏模型和堤數據后，重建三維模型數據，通過模型分析，確定平面，確定上下頜牙弓中點、尖牙區(qū)、上頜結節(jié)、磨牙后墊等特征點，確定基托的范圍，自動排列全口義齒人工牙；軟件可以將整體牙列、局部牙列、單顆牙在水平、矢狀及冠狀面上自由移動，并可局部改變牙列弧度，以適應牙弓形態(tài)；人工牙排列完成后，根據基托范圍設計基托，利用虛擬架調整咬合關系，并利用該軟件精細修整全口義齒的基托，直至完成全口義齒的所有三維完整設計。

1.6 全口義齒數字化加工

減法加工即數控切削，是數字化全口義齒常用的加工方式。以聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）基托色樹脂盤為材料，數控切削出帶有人工牙定位孔的義齒基托，將切削的人工牙或成品人工牙粘接至基托定位孔中完成全口義齒的制作。該方案的優(yōu)點是沒有聚合收縮，殘余的單體少，切削精度高，制作效率高，組織面適合性高，義齒固位力高[33]。然而，這種方法基托和人工牙的分步加工可能會在牙齒粘接就位的過程中產生較大的誤差。Wimmer等[34]研究發(fā)現，將人工牙就位于切削的蠟基托后，人工牙偏差在-0.23 mm 到0.25 mm 之間，且此偏差會在后續(xù)使用傳統(tǒng)工藝制作義齒后進一步增加。另有研究[35]表明，數控切削的全口義齒的磨光面精度較高，而咬合面精度較低，面平均偏差為0.50 mm。Yamamoto等[36]建議將人工牙定位孔設置為0.10～0.25 mm 偏移量，以提高人工牙和基托裝配的準確性。部分義齒加工系統(tǒng)（如Baltic Denture System）采用一體化加工義齒方案，即使用特殊的切削樹脂盤（如帶有預成的人工牙列），基托牙列一體化加工，不需要將人工牙和基托粘接；AvaDent Digital Dentures XCL-1和XCL-2 方案中，切削特制的雙色樹脂盤，后期對頸緣進行外染色處理；但以上方案均需要配套的軟件，技術要求較高。

加法加工即3D 打印，將樹脂基托通過光固化技術打印出來，粘接成品或打印的樹脂牙，目前尚無法完成牙列和基托的多色一體化打印。迄今，僅有Dentca 公司以及NextDent 公司的基托及人工牙樹脂打印材料取得美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration，FDA）認證，但僅限美國使用，國內尚未有3D 打印樹脂材料取得相關注冊證。研究[37-38]表明，數字化處理3D 打印的義齒基托與數控切削基托相比，精度相當，均高于傳統(tǒng)的裝盒法制作的義齒，三者組織面適合性無統(tǒng)計學差異。而Prpi?等[39]研究結果顯示，3D 打印基托強度不及數控切削基托及傳統(tǒng)熱壓基托，但其彎曲強度為60～84.5 MPa，仍滿足ISO規(guī)定的65 MPa，可在臨床上使用。Kalberer 等[40]將義齒浸泡、干濕循環(huán)各21 d 模擬口內環(huán)境，結果顯示處理后的3D打印組精度低于切削組，同時他也提出了進一步的研究方向：3D 打印義齒的生物安全性、機械性能、致敏性、單體殘余量、美觀性與傳統(tǒng)材料的結合性等。本課題組建立的功能易適數字化全口義齒將3D 打印技術應用于診斷性全口義齒，提高了該技術的應用效果。

2 數字化全口義齒的臨床應用現狀

近年來，隨著軟件算法和硬件設備的不斷改進，越來越多的學者聚焦于全口義齒的數字解決方案，數字全口義齒逐漸從實驗室走向臨床。如今，口腔修復臨床上已出現了10 余套全口義齒系統(tǒng)。

2.1 不同數字化全口義齒系統(tǒng)的臨床應用

2.1.1 AvaDent 系統(tǒng) AvaDent 系統(tǒng)[41-42]首 先 制 作 診斷模型，利用診斷模型和專有的熱塑性托盤制作獲取無牙頜患者的終印模。通過系統(tǒng)自身配套提供的解剖測量工具（anatomical measuring device，AMD）記錄患者頜位關系，其工作原理類似于哥特式弓。然后再通過掃描終印模和AMD 托盤，獲得具有頜位關系的上下頜三維數據；CAD 軟件根據平面及無牙頜解剖特征進行人工牙的排列，自動生成齦緣形態(tài)和基托，完成義齒的設計。最后數控切削出樹脂基托，手工粘接人工牙完成義齒的制作。該系統(tǒng)如果省去義齒試戴步驟，則可實現兩次戴牙，但是在實際應用過程中，由于患者所有數據在一次就診中獲得，對于新手來說，具有一定挑戰(zhàn)力，可能會出現一定偏差，因此建議增加一次試戴以校正在前一次就診中所獲取的信息。

2.1.2 Dentca/WholeYou Nexteeth系統(tǒng) Dentca/Whole You Nexteeth 配套的專用印模托盤可分離托盤兩側后部，根據患者的情況選擇大小合適的托盤[41]。取完印模后，使用手術刀將托盤后部分開，在下頜托盤安裝一個記錄筆，利用哥特式弓原理確定正中關系，傳統(tǒng)方法確定垂直關系，頜位關系記錄完成后，將上下頜托盤后部安裝，三維掃描，CAD 軟件設計義齒，將義齒三維打印，手工粘接人工牙。該系統(tǒng)與AvaDent系統(tǒng)相似，可選義齒試戴環(huán)節(jié)，仍推薦增加試戴以校正可能的錯誤。

2.1.3 Ceramill Full Denture系統(tǒng) Ceramill Full Denture 系統(tǒng)印模制取和頜位記錄同傳統(tǒng)方法[43-44]，三維掃描后使用自帶的CAD 軟件D-Flow 設計全口義齒，D-Flow 利用人工牙數據庫，通過提取平面、第一前磨牙的位置、中線、前牙的切緣等解剖位置，輔助人工牙排列，并且完成基托和牙齦緣的個性化設計。全口義齒設計完成后，由數控加工設備加工蠟塊完成基托蠟型的制作，將人工牙就位基托內完成試戴義齒制作，最后結合技工室傳統(tǒng)工藝制作完成終義齒。該方案支持在椅旁進行試戴義齒的調整。

2.1.4 Wieland Digital Denture系統(tǒng) Wieland Digital Denture系統(tǒng)[31,45]在患者第一次就診中用傳統(tǒng)方法獲取患者的無牙頜初印模，使用正中托盤（centric tray，Ivoclar-Vivadent 公司）獲取初步的頜位齒，患者第3次就診時試戴并進行調整。技工室再次掃描調整后的試戴義齒設計終義齒，切削基托粘接人工牙，于患者第4次就診時戴牙。該系統(tǒng)最大的優(yōu)點在于采用了二次印模法，對于牙槽嵴吸收嚴重的患者能取得較好的臨床修復效果。

2.1.5 Baltic Denture系統(tǒng) Baltic Denture系統(tǒng)[21,44]在一次就診中獲得患者的終印模，使用配套的BD Key套裝獲得患者的頜位關系并進行美學診斷，之后掃描印模和頜位關系，在配套的設計軟件中選擇匹配的牙列模板（牙齒和牙列各分大中小三個型號）完成義齒設計，最后切削帶有預成牙列的坯料，該坯料上的預成牙列與設計軟件中所選擇記錄，使用配套的平面板確定平面，在技工室三維掃描并配準后使用全口義齒設計軟件（3shape）設計一種可以安裝哥特式弓的托，數控切削后在患者第2 次就診時制取終印模，確定位關系，校準 平面。技工室掃描設計義齒并切削單色義的牙列模板相同，最后打磨拋光完成義齒制作。該方案最大的優(yōu)點在于兩次即可戴牙，無需試牙，但是BD Key 對于初學者來說操作難度大，在制取咬合關系時容易失敗，并且人工牙列為預成，適應范圍有一定局限，不適用于上下頜位關系不協(xié)調的患者。

2.1.6 功能易適數字化全口義齒（functionally suitable complete denture，FSD）系統(tǒng) FSD系統(tǒng)[46]在患者第1次就診時獲取初印模、初始頜位記錄及美學信息，設計和3D 打印一種全口義齒形態(tài)的閉口式個別托盤，稱為診斷義齒，用以第2次就診時制取終印模、頜位關系及美學診斷。掃描終印模后軟件設計出最終的全口義齒，將其一體化三維打印，結合傳統(tǒng)技工室方法完成義齒的制作，在患者第3次就診時戴牙。該方案的優(yōu)勢在于特殊設計的診斷義齒可在一次就診中完成傳統(tǒng)全口義齒修復中的終印模、頜位關系、義齒試戴三個步驟，大大簡化了臨床操作流程，提高了效率。

2.1.7 Vita Vionic 系統(tǒng) Vita Vionic系統(tǒng)[47]可為開放式CAD/計算機輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）系統(tǒng)提供切削材料。該系統(tǒng)沒有固定的掃描儀、軟件及加工設備，可以應用5個步驟的常規(guī)全口義齒制作方案，也可以應用僅3次就診的簡化方案。將終印及頜位關系數字化后，可切削蠟型進行試戴，也可直接制作義齒。對于醫(yī)生而言，如果不愿意改變經典的全口義齒修復習慣，可以使用該系統(tǒng)僅替代義齒的制作步驟。盡管開放系統(tǒng)能集成掃描儀、軟件或切削設備，但是該系統(tǒng)沒有固定的臨床流程，需要醫(yī)生和技工室共同建立一個工作流程。

2.1.8 3shape系統(tǒng) 3shape全口義齒系統(tǒng)[32,48]為開放性系統(tǒng)，提供無牙頜個別托盤及全口義齒設計模塊，全口義齒設計完成后可導出牙列基托一體數據，也可分別導出基托或牙列，義齒加工端需與其他設備結合使用。該軟件最大的特點是軟件的可操作性強、功能多。許多學者使用該軟件進行全口義齒數字化操作流程的探索。Clark等[49]結合3shape 軟件的二維照片微笑設計功能設計義齒，最終切削單色義齒并用粉色復合材料修飾牙齦。Lo Russo等[48]在不改變臨床醫(yī)生修復診療習慣的前提下，使用3shape 軟件設計無牙頜個別托盤、托、全口義齒，以替代傳統(tǒng)技工室手工操作，Lo Russo等[9]嘗試使用3shape 軟件的單頜總義齒設計模塊并利用虛擬調功能設計單頜總義齒，分別切削基托和牙列并粘接，完成義齒的制作。Qu等[50]使用3shape 軟件設計了可安裝哥特式弓的托盤，并3D 打印，用于下一次患者就診時的印模及頜位關系制取。

2.1.9 其他系統(tǒng) Dentalwings Full Dentures、Exocad Full Denture 與3shape 系統(tǒng)相似，為開放性系統(tǒng)，主要提供設計軟件方面的支持。可導入STL數據進行全口義齒的三維設計并將設計完成的數據輸出，義齒加工端需與其他設備結合使用。

2.2 數字化全口義齒的優(yōu)缺點

相較于經典的全口義齒，數字化全口義齒具有諸多優(yōu)勢[43,51]，包括：減少患者就診次數，這對于老年患者來說尤為重要；減少椅旁時間，提高操作的便利性；所有數據均以數字的形式保存，當義齒丟失或需要制作外科阻射導板時，可以迅速調用數據進行制作；減少技工室操作，提高效率及義齒制作精度；與常規(guī)的義齒基托材料相比，PMMA 樹脂塊具有更好的臨床適合性，沒有聚合收縮與單體殘余。Srinivasan 等[52]的研究表明，與傳統(tǒng)的全口義齒方案相比，數字化全口義齒的臨床及技工室耗時更短。

數字化全口義齒技術也存在一些缺點[43,51]：尚未見將面部三維掃描技術常規(guī)應用于數字診療流程中；用于全口義齒數字化設計的軟件很難實現平衡，需要在義齒制作完成后臨床調磨才能達到平衡；與經典修復流程不同的數字化全口義齒系統(tǒng)具有學習曲線，在這期間制作的CAD/CAM全口義齒可能會出現失敗或達不到臨床預期；省略義齒試戴的步驟會使醫(yī)生無法在椅旁評估美學與發(fā)音并且失去了校正頜位與印模錯誤的機會，可能會增加義齒失敗的概率。Yilmaz 等[53]認為現階段的數字化全口義齒技術仍有許多不足，因而結合傳統(tǒng)工藝能夠最大體現優(yōu)勢，但是這需要增加就診次數。此外，切削法制作的數字全口義齒的材料成本較高，多數系統(tǒng)未在國內注冊應用，這也導致了商品化全口義齒系統(tǒng)在我國難以大范圍推廣使用等。

3 數字化全口義齒技術的應用展望

伴隨我國社會老齡化的進程，無牙頜患者將逐漸遞增。盡管使用數字化技術輔助醫(yī)療已經成為發(fā)展的大趨勢，但是相比于固定義齒，全口義齒數字化技術的成熟度相對較低，未來，可在多個研究方面進行探索：在義齒制作上，如能實現多色一體化3D 打印將能極大地提高義齒的制作效率，但需在提高打印義齒強度、耐磨度、精準性、美觀、生物安全性等方面完善3D 打印材料和打印工藝；在臨床流程上，需在推進全流程數字化方面開展深入研究，如利用口內三維掃描、下頜運動軌跡、面部虛擬預測等技術，擺脫實體印模及頜位關系記錄，降低對醫(yī)生的經驗依賴，以提高臨床診療效率等。

致謝：感謝北京大學口腔醫(yī)院修復科博士后鄧珂慧協(xié)助文獻收集和整理。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。