牙牙合石膏模型三維數字化現狀及發展前景

彭春綜述，宋錦璘審校

（1.重慶醫科大學附屬永川醫院口腔科，重慶402160；2.重慶醫科大學附屬口腔醫院，重慶401147）

牙牙合石膏模型三維數字化現狀及發展前景

彭春1綜述，宋錦璘2審校

（1.重慶醫科大學附屬永川醫院口腔科，重慶402160；2.重慶醫科大學附屬口腔醫院，重慶401147）

牙模型；口腔；正畸學；牙牙合石膏；三維數字化

牙牙合石膏模型作為患者牙牙合信息的載體在口腔臨床中應用廣泛。牙牙合模型能真實記錄患者牙齒、牙槽骨、腭部及上、下頜基骨的形態和位置。在口腔正畸學中對牙牙合石膏模型的測量和分析是臨床診治方案設計的重要步驟。在口腔正畸學中，通過測量牙冠寬度、牙弓弧形長度、牙弓寬度、牙弓長度、Moyers分析、Pont指數和Bolton指數等分析研究上、下牙合牙弓、牙齒的協調性。測量基骨的長度和寬度、Howes分析研究牙量與骨量的關系，可以對錯牙合畸形早預測，達到早矯治的目的[1]。

傳統的測量方法在牙牙合模型上直接進行，測量與分析十分不便，測量數據重復性差，精度控制也難以掌握。選擇一個精密的牙牙合模型三維數據獲取方法，讓這些工作由計算機自動處理，不僅方便迅速，而且精度高；不僅如此，將牙牙合模型數字化后，數據的管理與調閱非常方便，有利于拓展醫學統計、病例分析等領域的研究。

國內外學者探索出了接觸式機械化、激光掃描、基于機器人工作原理的牙牙合模型、結構光投影、三維CT、錐束CT、攝影測量等方法進行三維測量，但這些方法存

在對被測量對象有傷害、需要價格昂貴的專業設備、測量精度不能滿足需要、操作復雜等問題，推廣和應用受到了限制。隨著計算機科學技術的迅猛發展，普通數碼相機的普及和攝影測量理論、計算機視覺理論的發展，越來越多的學者開始關注攝影測量這一嶄新的三維測量技術在生物立體測量方面的應用。目前進行的研究旨在利用市場常見且價格低廉的非專用量測相機，利用計算機大容量、高運算處理速度的能力，吸收口腔醫學、影像學、攝影測量學、計算機視覺等多學科技術，采用多基線數字近景攝影測量技術原理，結合口腔正畸、頜面外科的工作實際，探索一種新的牙牙合石膏模型三維數字化實現方法。

1 牙牙合石膏模型三維數字化在口腔正畸學中的臨床應用價值

1.1 數字化牙牙合模型在正畸研究中的應用牙牙合模型的測量分析和臨床檢查是錯牙合畸形診斷、矯治設計、療效預測及評估的主要依據。石膏模型的長期儲存耐久性差，模型容易破損、丟失、占用空間大。由于三維數字化牙牙合模型不存在原始模型的磨耗和損壞等情況，有利于模型資料的保存與管理，測量分析操作方便、快速省時、測量精度高，醫生可任意旋轉、縮放牙牙合模型三維圖像，可進行空間任意距離、角度、曲面面積等測量項目的分析，因此，近十年來，牙牙合模型三維重建及測量技術越來越受到重視。

隨著口腔醫學的發展，對于牙齒移動的速度、方式和牙牙合模型特點的研究越來越精確，傳統的游標卡尺測量已不能滿足需要，國內外許多學者均嘗試了在三維空間分析和測量牙齒移動的規律及特點。1982年有文獻報道了用激光全息法在活體測量加力瞬間牙齒在三維空間的移動和位移量，確定受力牙齒的即刻轉動中心[2]。1985年有學者用計算機輔助的牙牙合模型立體測量系統對100例兒童牙牙合模型測量及數據保留進行了研究[3]。高一等[4]利用攝像機同時獲得牙牙合模型的頂視圖和4個側視圖。趙萍等[5]通過機械三維坐標儀觀察了預成鎳鈦搖椅弓和不同深度標準弓形搖椅弓作用于下牙弓長度、寬度和垂直向的變化趨勢。

1.2 數字化牙牙合模型在錯牙合畸形的定量分析和手術模擬中的應用嚴重的牙頜面畸形需要正畸-正頜聯合治療，隨著三維測量技術普及和計算機軟件的不斷更新可對復雜的牙合、頜面畸形患者的軟硬組織進行三維重建、測量分析并進行手術模擬。Gracco等[6]用激光掃描30例施行快速擴弓術患者的石膏牙牙合模型，得出腭頂容積的增加可降低快速擴弓術復發率。Marini等[7]也在研究中證實，施行快速擴弓術患者在擴弓后，腭頂容積的增加能降低復發率。2009年有學者用三維CT重建了日本面部協調并咬牙合關系正常的20例男、女志愿者的三維面部模型，并將其與下頜骨畸形患者治療前后的三維模型重疊后定量評估畸形程度和療效[8]?？梢?，以三維數據為基礎的研究越來越受到了國內外正畸學者的重視，也為準確、及時地判斷病情和預測療效提供了堅實的理論基礎。

2 牙牙合石膏模型三維數字化研究現狀

2.1 接觸式機械化測量技術接觸式機械化測量技術是日本學者Nakashima研究的一種有5根樞軸的測量裝置[9]。由于測量頭直徑和測量力會造成被測物體表面的變形和劃傷，所以會直接影響測量精度。

2.2 激光掃描測量技術激光掃描測量技術是一種非介入性的三維重建方法，該法的特點是非接觸、被測物無形變、測量重復性好、測量精度高等。Krey等[10]研究顯示，三維激光掃描系統對牙牙合模型測量的結果與手工測量值比較，差異無統計學意義（P＞0.05），可用于牙牙合模型的測量。

2.3 基于機器人工作原理的牙牙合模型測量技術這種牙牙合模型測量儀具有四自由度的測量臂結構，通過旋轉關節處的傳感器將牙牙合模型的空間坐標輸入計算機。上海交通大學研制的這種牙牙合模型測量儀可進行牙牙合模型的三維測量及對測量信息的存儲和輸出[11]。

2.4 結構光投影測量技術結構光投影測量技術的基本原理是利用投射于被測物體表面或利用投影儀投射一定結構和編碼的光線到測量對象表面，被測物體表面光線產生形變而產生的云紋與原始光線對比計算出空間三維坐標。

2.5 三維CT測量技術三維CT測量技術的原理是通過薄層掃描后將數據傳送到計算機工作站并應用相應的軟件進行三維重建，但掃描時間長、患者接受射線量較大、口腔內金屬物（如銀汞充填體、金屬冠、固定矯治器等）可能產生偽影，尚不能作為一種常規檢查方法[12]。

2.6 錐束CT測量技術該系統只需要圍繞受檢者旋轉360°既可獲取三維信息，具有掃描范圍靈活、圖像精確、成像迅速等優點。但軟組織分辨率低是該技術的主要缺陷，金屬充填物產生的偽影也是該技術臨床應用中不可避免的問題。

綜上所述，對于牙牙合模型三維數字化測量主要分為兩大類別。一種是接觸式的方法，另一種是非接觸式的方法。接觸式的方法對模型可能帶來表面的劃傷和損壞，特別是在脆弱的牙尖位置更容易造成缺損。非接觸式的方法對模型無損壞，更適合模型測量的使用[13]。三維CT、錐束CT測量技術雖滿足精度高、非接觸的要求，但設備較昂貴，基層醫院和診所無力承擔；另外，患者檢查費用也較大，難以普及使用。結構光投影測量技術由于精度較低，無法達到模型分析精度要求。幾種方法的優劣比較見表1。

表1 幾種方法的優劣比較

3 多基線數字近景攝影測量技術應用于牙牙合石膏模型三維數字化的可行性分析

多基線數字近景攝影測量技術是數字近景攝影測量的一種。其基于攝影測量專家張祖勛院士提出的以計算機視覺原理（多基線）代替人眼雙目視覺（單基線）傳統攝影測量原理，利用普通數碼相機，對測量對象拍攝一組序列照片，利用現代計算機高速度、大容量的數據處理能力，采用通過光束法平差進行目標空間定位的技術[14]。該技術具有以下特點：（1）能按區域對所攝影像進行整體處理，對多圖像按照一個整體來處理；（2）使用單相機拍攝就能獲得高精度的數據；（3）采用了新的匹配系統，能產生密集的點云（point clouds）；（4）能將對應點的紋理準確地反映在三維模型上，所見三維模型真實、自然。

由于多基線數字近景攝影測量技術具有設備簡單、設備投入上基層醫院和診所易于接受、多基線數字近景攝影由于其匹配算法處理上可以接受變型較大的近景拍攝等特點，所以，可以用微距鏡頭拍攝牙牙合石膏模型，可以更好地展現模型上解剖特征的細節[15]。多基線數字攝影測量技術僅需拍攝多幅大重疊的模型照片就能通過計算機軟件自動處理得到三維數字化模型，無需操作人員掌握更多的測量專業知識，易于上手操作[16]。可見，這種測量方法有應用到牙牙合石膏模型數字化的可能，有必要結合口腔正畸醫學的一些專業特點給予改進，使之更能滿足口腔正畸對模型測量和分析的要求。

國內未檢索到多基線數字近景攝影測量技術在口腔正畸學中應用的相關文獻，國外也未見相關文獻報道，但國外文獻在人臉識別、立體像對人臉建模等領域的算法和技術遠遠高于國內水平[17]，其算法和技術可以在多基線數字近景攝影測量技術在人臉建模和生物立體測量中借鑒，使該技術在生物醫學領域的應用得以發展[18]。

4 小結

石膏牙牙合模型的測量是正畸治療中常用的分析方法，雖然石膏牙牙合模型可以為正畸治療提供一些數據，但這些數據基本上是長、高、寬、角度等二維數據，無法用手工測量方式獲取表面積、容積、體積等三維數據，這給口腔正畸的效果預測和療效觀察帶來了極大不便[19]。

有研究表明，牙牙合模型測量的統計分析可以提供闡明遺傳和環境因素對牙齒的形態和發展及各種異常的病因[20]。雖然基于二維數據分析正畸醫學中的一些問題被證明是一種有效的手段，但一個可靠和快速的三維數字化牙牙合模型將大大增加從牙牙合模型得到的形態學信息，如齒頂高度、牙冠輪廓、牙面表面曲率和牙冠表面面積、牙齒體積及其他測量數據等，這些信息將最大限度地發揮相關研究的能力[21]。由于受傳統測量方式的制約，正畸治療中牙面磨損情況的研究可以說是忽略的，正畸治療中伴隨牙齒的移動、咬牙合關系的改變、牙齒磨損是否變化、是怎樣一種趨勢尚知之甚少[22]。正畸醫學研究中依靠的是生物力和物理力的合力，研究中往往利用三維有限元的方式來分析變形和變形趨勢，故毋庸置疑，三維數字化模型能為正畸力學的分析帶來方便[23]?？梢姡S數字化模型對于正畸學的研究和發展帶來的是一種進步[24]。

綜上所述，三維測量技術作為一種理想的牙牙合模型測量方法，隨著計算機軟件和醫療技術的不斷發展會變得更精確、快捷、簡便、價廉，最終會取代現有的二維頭影測量系統[25]。計算機工程、計算機視覺、攝影測量等理論的不斷發展，具有操作靈活、價格低廉、能利用普通數碼相機的多基線數字近景攝影測量技術將在口腔正畸學的研究中占有一席之地。

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2014-08-28）

重慶市永川區科學技術委員會軟科學資助項目（YCSTC2012BE5005）；重慶醫科大學附屬永川醫院2012年度院內科研課題資助項目（YJQN20120027）。

彭春（1978-），女，重慶銅梁人，碩士研究生，主治醫師，主要從事口腔醫學臨床和教學工作；E-mail：1070490456@qq.com。

宋錦璘（E-mail：soonglin@163.com）。