基于兩種不同設(shè)計(jì)理論的數(shù)字化牙冠外形精度的比較

張 藤,張博倫,逯 宜,王 方*

(1西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院,陜西省顱頜面精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710004;2西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院口腔修復(fù)科;*通訊作者,E-mail:xjtuff@126.com)

近年來,在口腔領(lǐng)域,基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aided design, CAD)與計(jì)算機(jī)輔助制造(computer-aided manufacture, CAM)系統(tǒng)的數(shù)字化修復(fù)技術(shù)飛速發(fā)展,已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)手工修復(fù)[1]。在以掃描-設(shè)計(jì)-制造為主要步驟的數(shù)字化工作流程中,牙冠外形的設(shè)計(jì)主要是依靠CAD軟件實(shí)現(xiàn)[2-4]。目前有關(guān)牙冠外形設(shè)計(jì)的理論有數(shù)據(jù)庫理論(library method)、相關(guān)理論(correlation method)等,數(shù)據(jù)庫理論是指軟件內(nèi)含有一個(gè)或多個(gè)牙形數(shù)據(jù)庫,在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)掃描數(shù)據(jù)操作者手動(dòng)或軟件自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的牙齒元素來完成牙冠設(shè)計(jì),也可稱之為個(gè)性化設(shè)計(jì)法;相關(guān)理論，又稱復(fù)制理論，是指復(fù)制原有的牙齒形態(tài)或者牙弓對(duì)側(cè)同名牙的形態(tài)到最終修復(fù)體的方法[5,6];每種理論應(yīng)用于不同的CAD軟件的不同設(shè)計(jì)模式中:以3Shape系統(tǒng)(3Shape Dental System,3Shape A/S)為例,它是目前常用的CADCAM系統(tǒng)之一,配備有高精度掃描儀而具有較高的數(shù)據(jù)捕獲能力,同時(shí)具有功能強(qiáng)大的CAD軟件以及開放性的數(shù)據(jù)端口用于連接切削設(shè)備,在臨床使用以及數(shù)字化相關(guān)的研究中均較多地涉及[4,6],在3Shape設(shè)計(jì)軟件中應(yīng)用數(shù)據(jù)庫理論的模塊稱之為數(shù)據(jù)庫模式,應(yīng)用復(fù)制理論的模塊稱之為預(yù)制備體模式。

冠修復(fù)體外形對(duì)于修復(fù)治療而言至關(guān)重要,良好的咬合面形態(tài)及正常的軸面生理凸度有利于功能性咬合建立及牙周組織的健康[7]。最早的CAD軟件基于標(biāo)準(zhǔn)牙庫建立,在挑選完牙齒元素后,需要手工調(diào)整進(jìn)行個(gè)體適應(yīng)以匹配患者的口腔條件;這種調(diào)整依靠于技師的專業(yè)知識(shí)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn),耗費(fèi)大量的時(shí)間,且在臨床試戴時(shí)需要較多的調(diào)磨以消除早接觸和咬合干擾,降低了數(shù)字化修復(fù)的效率和精度[8,9]。隨著技術(shù)的進(jìn)步,后期的CAD軟件在升級(jí)過程中加入了模擬下頜運(yùn)動(dòng)的虛擬關(guān)節(jié)等功能[10],在一定程度上彌補(bǔ)了這方面的設(shè)計(jì)缺陷。那么經(jīng)過改善和優(yōu)化升級(jí)后的CAD/CAM系統(tǒng),在實(shí)際使用中兩種設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下的牙冠設(shè)計(jì)是否具有差異,仍有待探究;同時(shí)目前國內(nèi)外研究中關(guān)于數(shù)字化設(shè)計(jì)牙冠的研究主要集中于邊緣適合性、CAD/CAM冠材料方面[11,12],有關(guān)外形精度的研究較少,探究CAD/CAM系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方法下的牙冠設(shè)計(jì)精度,將有利于指導(dǎo)臨床醫(yī)生和技師選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法以提高修復(fù)治療的效率和成功率。

Geomagic qualify 12.0是一款逆向工程軟件,使用其最佳擬合功能和三維分析功能可以在同一坐標(biāo)系中比較兩三維曲面間的差異,在三維平面擬合性相關(guān)研究中較多地使用[4,5,13]。

因此,本研究將采用Geomagic qualify 12.0軟件客觀測(cè)量的方法探究常用的3Shape系統(tǒng)兩種模式下的牙冠外形精度,以期尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方法,為臨床修復(fù)治療使用提供參考。

1 材料和方法

本實(shí)驗(yàn)選取10名志愿者進(jìn)行研究,所有參與者同意參與研究并簽署知情同意書,研究已獲得西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)(xjkqll[2021]NO.06)批準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)將按照如下步驟進(jìn)行(實(shí)驗(yàn)流程見圖1)。

圖1 3Shape軟件的兩種數(shù)字化設(shè)計(jì)模式牙冠設(shè)計(jì)精度比較實(shí)驗(yàn)流程圖Figure 1 Workflow of comparing the morphological accuracy of autogenerated crowns designed by two modes of 3Shape Dental System

1.1 印模制取和全冠預(yù)備

1.2 自動(dòng)設(shè)計(jì)冠的獲取

將上一步獲取的牙列掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3Shape CAD設(shè)計(jì)軟件中,根據(jù)軟件使用說明及臨床標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相應(yīng)的軟件參數(shù),黏接間隙參數(shù)設(shè)定為:軸面及咬合面60 μm,邊緣20 μm,分別利用軟件的預(yù)制備體模式、數(shù)據(jù)庫模式自動(dòng)生成牙冠,記為復(fù)制組和個(gè)性化設(shè)計(jì)組,導(dǎo)出兩組自動(dòng)設(shè)計(jì)冠的STL數(shù)據(jù)。

1.3 技師調(diào)整冠的獲取

將自動(dòng)設(shè)計(jì)冠的數(shù)據(jù)交由同一名經(jīng)驗(yàn)豐富的技師,按照修復(fù)臨床關(guān)于咬合關(guān)系及鄰接關(guān)系的要求在軟件提示需要修改的區(qū)域?qū)ψ詣?dòng)設(shè)計(jì)冠進(jìn)行調(diào)整,并導(dǎo)出調(diào)整冠的數(shù)據(jù),分別記為復(fù)制組和個(gè)性化設(shè)計(jì)組。

1.4 三維方法測(cè)量外形精度

A.復(fù)制組 B.個(gè)性化設(shè)計(jì)組圖2 自動(dòng)設(shè)計(jì)冠與原始牙齒形態(tài)的外形差異三維色譜圖Figure 2 3D color maps of the morphological discrepancy between the auto-generated crown and the original tooth

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 26.0軟件對(duì)上述兩組代表自動(dòng)設(shè)計(jì)冠與原始牙齒形態(tài)差異及兩組代表自動(dòng)設(shè)計(jì)冠與技師調(diào)整冠差異的平均正偏差、平均負(fù)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、RMS值4個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于數(shù)據(jù)不能同時(shí)滿足正態(tài)性檢驗(yàn)及方差齊性檢驗(yàn),故采用曼-惠特尼秩和檢驗(yàn)的方法分別比較復(fù)制組與個(gè)性化設(shè)計(jì)組間自動(dòng)設(shè)計(jì)冠與原始形態(tài)的差異、調(diào)整冠與自動(dòng)設(shè)計(jì)冠的差異,檢驗(yàn)的α水平為0.05。

2 結(jié)果

2.1 自動(dòng)設(shè)計(jì)冠的外形精度

復(fù)制組和個(gè)性化設(shè)計(jì)組的平均正偏差、平均負(fù)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差及均方根(RMS)各指標(biāo)曼-惠特尼秩和檢驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)制組和個(gè)性化設(shè)計(jì)組自動(dòng)設(shè)計(jì)冠與原始牙齒形態(tài)間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,見圖3),即復(fù)制法較個(gè)性化設(shè)計(jì)法獲取的自主牙冠設(shè)計(jì)精度更優(yōu)。

2.2 技師調(diào)整量的大小評(píng)價(jià)

復(fù)制組和個(gè)性化設(shè)計(jì)組平均正偏差、平均負(fù)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差及均方根(RMS值)曼-惠特尼秩和檢驗(yàn)結(jié)果表明,復(fù)制組和個(gè)性化設(shè)計(jì)組間技師調(diào)整量的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,見圖4)。

與復(fù)制組比較,*P<0.05圖3 3Shape設(shè)計(jì)軟件兩種模式的自動(dòng)設(shè)計(jì)冠與原始牙齒形態(tài)差異的平均正偏差、平均負(fù)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、RMS值比較Figure 3 Comparison of morphological discrepancy between autogenerated crowns designed by two design modes of 3Shape software and original teeth

與復(fù)制組比較,*P<0.05圖4 3Shape設(shè)計(jì)軟件兩種模式的自動(dòng)設(shè)計(jì)冠與技師調(diào)整冠形態(tài)差異比較Figure 4 Comparison of morphological discrepancy between autogenerated crowns designed by two design modes of 3Shape software and technician modified crowns

3 討論

修復(fù)體數(shù)字化制造的核心應(yīng)基于完整的臨床數(shù)據(jù),“完整”意味著天然牙與修復(fù)體的幾何外形、光學(xué)質(zhì)感、生物特性等諸多結(jié)構(gòu)與功能特性均需通過數(shù)字化技術(shù)獲取與重構(gòu),更重要的是能以適當(dāng)?shù)臄?shù)字化形式直接被制造端讀取并在修復(fù)體上實(shí)現(xiàn)直接的物化,換言之,數(shù)字化制造應(yīng)在塑造最終形態(tài)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能性的完全重建,從而完全去除后續(xù)手工修飾工作,實(shí)現(xiàn)全面數(shù)字化,節(jié)省臨床操作時(shí)間[1]。

基于上述全面數(shù)字化的要求,CAD/CAM系統(tǒng)在經(jīng)過多年的升級(jí)優(yōu)化后,在目前臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出較好的潛力及發(fā)展趨勢(shì)。例如,通過口內(nèi)掃描直接獲取牙齒幾何形態(tài)及咬合關(guān)系數(shù)字模型的技術(shù)近年取得突破性進(jìn)步,能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)獲取掃描數(shù)字文件,為后續(xù)設(shè)計(jì)與制造提供最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息[14,15];對(duì)天然牙光學(xué)質(zhì)感的數(shù)字化描述與重構(gòu)對(duì)后續(xù)的數(shù)字化制造有關(guān)鍵性作用,因而近年引入了比色儀等數(shù)字化設(shè)備精確獲取天然牙顏色信息[16];最早基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫建立的CAD軟件難以滿足個(gè)體化設(shè)計(jì)需求,為了實(shí)現(xiàn)功能性的咬合重建、更好地模擬下頜運(yùn)動(dòng),增加了虛擬關(guān)節(jié)等功能,在一定程度上彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的不足,但這一功能需要較大的設(shè)備和人力才能實(shí)現(xiàn)[17]。而復(fù)制法(correlation method)是復(fù)制原有解剖形態(tài)到最終修復(fù)體的方法,能夠盡可能恢復(fù)原有形態(tài),減少椅旁佩戴時(shí)的調(diào)整時(shí)間,減少調(diào)整量以減少對(duì)于全冠修復(fù)體的磨削,保證修復(fù)體的強(qiáng)度[18]。目前有關(guān)數(shù)據(jù)庫法和復(fù)制法外形精度比較的相關(guān)研究較少,探討最優(yōu)數(shù)字化設(shè)計(jì)方法將有利于指導(dǎo)臨床醫(yī)生的日常診療工作,提高修復(fù)治療的成功率。因此本研究探討了常見的3shape數(shù)字化系統(tǒng)兩種設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)下的自主牙冠外形精度差異。

本研究采用Geomagic qualify逆向工程軟件,三維測(cè)量自動(dòng)設(shè)計(jì)牙冠與原始牙冠間的差異。在輸出的4個(gè)指標(biāo)值中,RMS值是主要的評(píng)價(jià)指標(biāo),是正負(fù)偏差的綜合體現(xiàn),消除了正負(fù)偏差相加抵消而縮小實(shí)際偏差的可能性,較標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)相比更能反映兩三維平面間各點(diǎn)的距離[4]。

本研究結(jié)論表明復(fù)制法(correlation method)自主牙冠設(shè)計(jì)效果優(yōu)于個(gè)性化設(shè)計(jì)法(library method),這與Zhang等[6]的研究結(jié)果相同,它采取的比較方法為二維比較及主觀評(píng)價(jià)法,與本研究相比缺少一定的客觀性;Arslan等[19]評(píng)價(jià)了CEREC系統(tǒng)3種設(shè)計(jì)模式(BI/BC/BR)下的設(shè)計(jì)精度,結(jié)果表明BC/BR優(yōu)于BI即復(fù)制法(correlation method)優(yōu)于個(gè)性化設(shè)計(jì)法(library method),但由于在評(píng)價(jià)時(shí)僅評(píng)價(jià)了咬合面形態(tài)的設(shè)計(jì)精度,缺少軸面形態(tài)在內(nèi)的整體牙冠外形精度的評(píng)價(jià),與本研究相比評(píng)價(jià)內(nèi)容的全面性有所欠缺。

本課題組的前期研究中,比較了CEREC椅旁系統(tǒng)的3種設(shè)計(jì)方法,總結(jié)了一定的使用規(guī)律[18,20]。同樣的,對(duì)于3Shape系統(tǒng),當(dāng)原始牙冠形態(tài)存在的情況下例如對(duì)臨時(shí)冠效果滿意的牙齒,或形態(tài)完整但需要根管治療的牙齒,采用復(fù)制法即預(yù)制備體模式較數(shù)據(jù)庫模式更能夠獲得穩(wěn)定的咬合關(guān)系,有利于口頜系統(tǒng)的健康;當(dāng)齲齒或外傷、磨耗造成牙齒原有的解剖形態(tài)喪失時(shí),則采用數(shù)據(jù)庫模式進(jìn)行設(shè)計(jì),軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)后可能需要技師及醫(yī)生進(jìn)行一定的椅旁調(diào)整才能達(dá)到較好的修復(fù)效果。

綜上,本研究采用三維客觀測(cè)量的方法探究3Shape系統(tǒng)兩種設(shè)計(jì)理論的自主設(shè)計(jì)牙冠外形精度,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)是基于牙冠原始形態(tài)完整且患者對(duì)于外形適應(yīng)良好、外觀滿意的標(biāo)準(zhǔn)牙列模型,所得結(jié)論具有一定的臨床指導(dǎo)意義。課題組計(jì)劃下一步增加磨耗、牙列缺損等類型下的軟件精度的實(shí)驗(yàn)探究,以期獲取更具臨床指導(dǎo)意義的結(jié)論,推動(dòng)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展。