數字化設計技術在口腔修復中的應用

劉一帆 鄭秀麗 王偉娜 高勃

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數字化設計技術在口腔修復中的應用

劉一帆 鄭秀麗 王偉娜 高勃

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，數字化設計技術憑借精準、高效等特點，已經越來越多的應用到口腔修復各領域，并且有望在未來實現口腔修復的完全數字化。該文將簡要介紹數字化設計技術在固定和可摘義齒修復領域的應用，闡述其技術原理和設計流程；總結了常見的口腔修復數字化設計軟件的分類，并概述3D數字微笑設計的工作流程。

數字化設計； 計算機輔助設計； CAD/CAM； 微笑設計； 口腔修復

數字化設計，即計算機輔助設計，是集計算、繪圖設計、網絡通訊、信息管理等多領域知識于一體的高新技術，是先進制造技術的重要組成部分，也是口腔修復CAD/CAM流程中的中間環節。利用計算機強大的計算能力和圖文處理功能來輔助口腔醫師和技師進行修復規劃、修復體設計和數據管理，極大的提高了修復體設計效率，避免了傳統手工制作的繁瑣流程，節省了大量的人力和時間；利用數字化設計系統對修復設計相關數據進行自動化計算與驗算，在提高設計效率的同時也提高了修復體質量；同時，計算機輔助下的反向計劃(backward planning)方法在前牙微笑設計和種植規劃的應用，有利于多學科間交流，也保證了修復結果的可預測性。

1 口腔修復CAD軟件介紹

目前市面上有諸多商業化的口腔修復CAD軟件，其可設計的修復體幾乎涵蓋了口腔固定義齒、可摘局部義齒、全口義齒、種植手術規劃及種植修復體、頜面贗復體等多種類型。

1.1 專用CAD軟件和通用CAD軟件

根據軟件可設計修復體類型的多寡，可分為專用CAD軟件和通用CAD軟件2 大類。前者主要用于某一種修復體的設計，如用于數字化微笑設計的NemoDSD 3D軟件(Nemotec，西班牙),用于設計可摘局部義齒的DIGISTELL軟件(C4W，法國)，用于全口義齒設計的Baltic Denture System軟件(Merz Dental，德國)，用于種植規劃、導板設計的SIMPLANT軟件(DENTSPLY Implants，瑞士)，功能較為單一，且兼容性較差。而通用CAD軟件則可設計臨床上常見的口腔修復體，如固定、可摘、種植修復體等，功能更為健全，其兼容性更好。

1.2 椅旁CAD軟件和技工室CAD軟件

根據面向人群的不同，可分為椅旁CAD軟件和技工室CAD軟件。椅旁CAD軟件位于口腔診室內，主要供口腔醫師或其助手使用，多與相關的口內掃描儀和數控切削設備高度集成，CAD軟件直接在口內掃描儀掃描獲取的數字化工作模型設計相應的修復體，并經集成的CAM軟件處理后，直接由配套的數控切削設備制作出相應的修復體，目前國際上有西諾德和普蘭梅卡2 家廠商提供完善的椅旁CAD/CAM數字化解決方案，相應的椅旁CAD軟件分別為CEREC SW(Sirona，德國)、PlanCADTMEasy(Planmeca，芬蘭)。受口內掃描儀、數控切削設備及可切削材料的限制，椅旁CAD軟件只能設計簡單的嵌體、貼面、冠橋、種植基臺等修復體。

技工室CAD軟件主要配備于口腔技工中心，主要面向口腔專業技師，功能更為強大，可設計各種臨床上常見的修復體。根據軟件是否有配套的掃描儀、數控切削可分為3 類：①擁有配套的掃描儀、數控切削設備，如Amann Girrbach公司的Ceramill系列、Sirona公司的inLab SW軟件、Planmeca公司的PlanCAD?Premium軟件、KaVo公司的multiCAD系統、Dental Wings公司的DWOS系統(激光切削)、MANI SCHüTZ公司的Tizian Creativ RT等；②擁有配套的掃描儀，如3Shape公司的Dental System、Imetric 3D SA公司的3D Scanning Systems；③僅有CAD軟件，如exocad公司的DentalCAD系統。

2 固定修復體設計

目前，口腔CAD軟件能夠設計的固定修復體主要有全解剖型冠橋、內冠、框架橋、馬里蘭橋、嵌體、高嵌體、貼面、咬合貼面、套筒冠、樁核冠、臨時冠等。

2.1 設計技術和流程

對于全解剖型冠、橋、嵌體和貼面，其解剖形態的生成方法主要有3 種[1]：(1)標準牙數據庫(圖 1)，該類CAD軟件內置了一系列預先設計好的標準牙冠的三維數據，當在設計時，部分軟件可根據基牙預備體的解剖形態自動挑選最佳的標準牙冠供用戶使用，也可手動選擇合適的標準牙冠。此功能生成的牙冠需經后續繁瑣的手動調整，操作較為復雜，且高度依賴于技師個人水平，目前市面上絕大多數的CAD軟件都屬于此類；(2)生物再造(Biogeneric)，此為CEREC系統的專利技術，其可根據基牙鄰牙及對頜牙的位置和解剖形態，自動生成符合臨床要求的修復體形態(圖 2)。該方法操作簡便，對修復體形態僅需少量調整，設計效率極高，生成的修復體形態較為自然，與鄰近牙齒較為和諧；(3)生物復制和參照，根據復制來源的不同，又可分為3 類：①從相同牙弓的對側同名牙處復制牙冠形態(圖 3)；②從診斷蠟型的掃描件、基牙預備前的牙冠形態、之前設計的數字化臨時冠處復制牙冠形態；③從當前設計好的對側同名牙修復體處復制其鏡像。該方法操作效率亦很高，生成的修復體形態與來源牙相似度高，但面形態多不精細，常需少量調整[2]。

圖 1 標準牙數據庫 圖 2 生物再造功能 圖 3 生物參照功能

固定修復體的常規設計流程步驟如下：①為每個基牙添加牙位標簽；②設置修復體的就位方向；③設置修復體邊緣線，該步驟對修復體的密合度有很大影響；④通過前述技術和工具設計最終修復體。對于固定橋或聯冠，還需設計連接體的形態。

2.2 數字微笑設計

數字微笑設計最早使用Powerpoint、keynote、Photoshop等平面設計軟件來實現2D的微笑設計，本質上是根據前牙美學規律對患者的面部微笑照片中的前牙美學區域直接修圖，操作較為簡單，能較快的實現微笑設計，但其缺點甚為明顯[3]：①該方法為2D平面設計，只能為技師制作診斷蠟型提供參考，蠟型與原設計的相似程度取決于技師的個人制作水平；②該方法未考慮牙齒的整體形態、功能等因素的影響，不符合口腔修復體設計原則。

2.2.1 3D微笑設計 目前國際上已有諸多軟件能實現3D微笑設計功能，其設計理念和具體方法稍有不同，主要包括以下2 種方式：直接法和間接法[3]。(1)直接法的特點主要為軟件中內置美學相關的輔助導線或牙齒輪廓，在該軟件中可同時完成前牙美學區的美學分析和3D形態設計。其設計流程大致如下[4](圖 4)：①向軟件中導入患者的數字化模型和正面微笑照；②擺正顏面，多以雙瞳線為參考，使照片中人面部的橫向參考與水平線平行，同時添加面中線和其他輔助參考線；③勾勒唇形，將患者的嘴唇內緣勾勒出來；④將數字化模型上的上頜前牙與照片中的相應位置對齊；⑤借助橫向比例尺和牙齒輪廓等美學輔助工具完成牙冠的解剖形態設計；⑥渲染牙色，用拾色器(color picker)從相鄰牙面上取色用以調整牙冠顏色。此外，Sirona公司的CEREC和inLab軟件通過定義16個面部特征點，可從正面微笑照生成3D面部模型，從而對設計的修復體進行三維靜態評價(圖 5)；而3Shape公司的Dental System支持導入面部3D模型數據，與虛擬架相結合，可實現三維動態評價(圖 6)。(2)間接法的特點則在于美學分析和3D形態設計分別在不同軟件中前后完成。其流程如下：①借助keynote、Photoshop等平面設計軟件或專業的2D微笑設計軟件完成前牙美學區的美學分析，設計相應的輔助導線或牙齒輪廓(圖 7)；②將含有牙齒輪廓的正面微笑照和數字化模型導入口腔3D設計軟件并對齊，以牙齒輪廓為參考完成前牙的3D牙冠形態設計(圖 8)。

2.2.2 數字化診斷模型 上述數字化診斷模型設計完成后，還需進行修整，添加虛擬模型底座或簡易架(圖 9)，最后通過3D打印或數控切削制作出相應的實體診斷模型(physical diagnostic model)，用于臨床制作診斷飾面(Mock up)、指導備牙、指導冠延長術、制作臨時冠等[3]。此外，數字化診斷模型還可用于常規的口腔數字化修復流程，具體步驟如下：①導入未行牙體預備的數字化模型；②添加牙位標簽；③設置修復體就位方向；④設置修復體邊緣線；⑤直接在模型對應牙位上設計新的牙冠解剖形態；⑥對數字化模型上的基牙還可進行虛擬備牙，按全冠要求設置肩臺形態、各牙面預備量、軸面聚攏度等參數，并生成相應的數字化臨時冠；也可模擬拔牙并對缺牙區黏膜進行修整，隨后在該處設計相應的臨時橋體(圖 10)。

A： 擺正顏面并添加參考線； B： 勾勒唇形； C： 對齊模型； D： 設計牙冠； E： 渲染牙色

圖 5 面部3D模型(CEREC SW) 圖 6 面部3D模型和虛擬架結合(3Shape) 圖 7 2D微笑設計(Keynote)

圖 8 3D形態設計(NemoDSD 3D) 圖 9 數字化診斷模型 圖 10 虛擬拔除中切牙、預備側切牙并生成臨時橋

2.2.3 最終修復體設計 包括常規法和數字化法2 種設計方法：(1)常規法。臨床完成基牙預備后，常規取模翻制石膏模型，隨后在診斷模型上制作相應的硅橡膠導板用于指導和調整最終修復體設計；(2)數字化法。制取相應的數字化印模，通過生物復制或“重新使用設計”功能快速的將之前設計好的牙冠應用于最終修復體設計。

3 可摘修復體設計

當前市面上常見的商業化可摘義齒CAD設計軟件主要有SensAble公司的SensAble System、3Shape公司的Dental System、Amann Girrbach 公司的Ceramill系統等產品。其中，3Shape Dental System發展較為快速，其最新版本加入了諸多新穎且實用的功能。

3.1 可摘局部義齒

以3Shape Dental System為例，其CAD流程如下：①模型觀測并選擇合適的就位道。通過彩虹圖可了解當前就位道方向下各軟硬組織的倒凹深度，可根據需要調整就位道；②平行填倒凹。軟件自動根據當前就位道方向用虛擬蠟進行平行填倒凹，通過蠟刀雕刻工具可以手動去除卡環處多余的蠟，同時可緩沖基牙齦溝和支架下方的組織凹陷，最后平滑蠟的表面；③繪制支架部件。在缺牙區設置網狀連接體，并繪制大連接體、鄰面板、卡環、支托及外部終止線等結構，部分廠家的掃描儀支持紋理掃描功能，可以捕獲模型上手繪的支架輪廓線，方便設計支架；④部分軟件還支持在缺牙區添加虛擬牙冠，用于指導支架的設計，從而達到最佳美觀效果及穩定性(圖 11)；還可將虛擬牙冠或其根據解剖形態修整后的牙齒與支架合并形成一個整體，并在虛擬架上觀察和調整牙冠的咬合(圖 12)；⑤預制造(圖 13)。通過厚度檢查工具查看支架的厚度，并使用雕刻工具調整支架外形，在大連接體光滑面添加橘皮樣花紋；此處可以為遠中游離端的網狀連接體添加組織止點；對于后期運用快速成型技術制作蠟型或樹脂熔模，此處還可添加支撐桿、鑄道及儲金池等結構。

圖 11 手繪紋理及虛擬牙冠 圖 12 牙冠與支架合并 圖 13 支架上添加止點、花紋、鑄道

3.2 個別托盤

個別托盤是為牙列缺損或牙列缺失患者定制的印模托盤，可以更準確地獲取余留牙解剖形態、牙槽嵴黏膜功能形態以及印模邊緣的準確位置和形態，主要用于制取混合支持式、黏膜支持式可摘局部義齒或全口義齒的功能性印模[5]。其數字化設計流程如下：①模型觀測及填倒凹。該步驟與可摘局部義齒部分相同；②繪制托盤邊緣線。個別托盤的邊緣通常位于前庭溝底和下頜舌側黏膜反折處溝底所形成的連線向牙槽嵴方向均勻離開2 mm的地方，為邊緣整塑提供空間；另外，對于牙列缺損且后期擬使用不可逆性水膠體材料取印模者，還應使用“緩壓”工具在牙齒表面再添加一層蠟(圖 14)；也可使用“開窗”工具設計牙槽嵴頂開窗式個別托盤，多用于下頜嚴重低平的無牙頜患者，其牙槽嵴頂表面常被覆有呈條索狀的松軟黏膜組織；③添加托盤手柄與指支托。托盤的手柄分別位于上頜、下頜前部牙槽嵴頂中線位置，指支托僅設置在下頜托盤雙側前磨牙區；如后期擬使用不可逆性水膠體材料制取印模，此處還可通過“開孔”工具在托盤上每隔5 mm左右鉆一個8 號鉆直徑大小的孔，牙槽嵴頂除外[6-7](圖 15)。

圖 14 繪制托盤邊緣并緩壓 圖 15 上頜牙列缺損個別托盤 圖 16 上下頜AMD

3.3 全口義齒

當前國際上有AvaDent和Dentca兩家公司提供成熟的全口義齒數字化制作方案，且都能在第2次就診時完成全口義齒修復。其中，患者第1次就診時將完成數據收集(包括制取印模，記錄頜位關系，確定咬合平面，選擇牙齒形態和顏色)，第2次就診時即可完成全口義齒佩戴，部分情況下還可通過3D打印制作出全口義齒的樹脂型，用于臨床供患者試戴并評價該義齒設計[8-9]。以下以AvaDent公司為例介紹其全口義齒的數字化制作流程。

患者第1次就診時，醫師使用AvaDent公司的熱塑性個別托盤在邊緣整塑后制取硅橡膠終印模，隨后通過類似的方法用硅橡膠將配套的解剖測量設備(anatomic measuring device, AMD)固定于口內(圖 16)，該設備包括一個下頜托盤及其光滑面上的咬合追蹤平板，一個上頜托盤，其中央有可調節觸筆，用于支撐AMD位于通過常規方式確定的咬合垂直距離處，同時作為哥特式弓的追蹤器用于獲取水平頜位關系(圖 17)，托盤前方的可調節翼板用于記錄上唇的支持形態。調節配套的平面定位尺，使其與雙瞳線平行并記錄其值(圖 18)，隨后記錄患者的面中線及笑線并挑選合適的牙齒形態，最后用咬合記錄硅橡膠將位于正確頜位關系的AMD固定住(圖 19)，同終印模一同送往牙科技工室[8-9]。

圖 17 口內記錄頜位關系[8]圖 18 確定咬合平面[9]圖 19 頜位關系記錄和牙齒形態[8]

牙科技工室將分別掃描上下頜終印模和AMD，并將獲取的上下頜數字化模型分別擬合到AMD上的上下頜位置，從而獲得其咬合關系，隨后確定并標記出模型的邊緣(圖 20)，形成義齒基托的組織面，根據平面和咬合關系進行排牙(圖 21)，最后形成完整的義齒基托。完成后即可使用數控切削分別加工出人工牙和帶有相應牙齒凹槽的義齒基托，并粘接為一體?；颊叩?次就診時將按常規方式調改和配戴義齒[8-9]。

4 結束語

最早的CEREC 1系統只能設計簡單的嵌體，智能化水平較低，而如今通用的口腔修復CAD軟件幾乎可設計所有臨床上常見的修復體，功能更為強大。然而，還存在著諸多問題，限制了口腔修復流程完全數字化的實現。牙列缺損或牙列缺失患者常需采用臨床常規方式制取功能性印模，無法實現活動修復的全程數字化；口腔修復CAD系統的使用高度依賴于口腔修復技師的專業知識，無法實現自動化設計；修復體的功能和美學性能常需通過臨床佩戴或試戴來評價，無法實現自動化評價和結構拓撲優化等，以上將是未來亟待解決的問題。

圖 20 上頜模型邊緣[8]圖 21 虛擬排牙[8]

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(收稿： 2016-12-20)

陜西省科技統籌創新工程計劃項目(編號： 2015KTCQ01-90)

710032 西安， 軍事口腔醫學國家重點實驗室，口腔疾病國家臨床醫學研究中心,陜西省口腔醫學重點實驗室,第四軍醫大學口腔醫院修復科(劉一帆 王偉娜 高勃)； 哈爾濱醫科大學口腔醫院修復科(鄭秀麗)

高勃 029-84776469 E-mail: gaobo@fmmu.edu.cn