三維數(shù)字化技術在全口義齒修復中的應用進展

王莉莉 劉洪臣

我國已步入了老齡化階段，隨著老齡人口的逐漸增多，無牙頜患者也呈增多趨勢。目前，全口義齒的修復方式主要為粘膜支持式，制作方式仍是傳統(tǒng)的手工方式。對于手工方式而言，存在很多的不足，比如復診次數(shù)過多、椅旁操作時間過長、人為造成的各種誤差等。三維數(shù)字化技術即計算機輔助設計及輔助制造技術，它于20世紀80年代開始被逐漸應用于口腔領域[1]。隨著三維數(shù)字化技術的高速發(fā)展，如今它已被廣泛應用于全冠、嵌體、貼面、種植基臺、頜面贗復體等多項口腔修復技術之中，但在全口義齒修復的應用中起步則較晚[2]。本文將對三維數(shù)字化技術在全口義齒修復中的應用情況進行如下的綜述。

1.三維數(shù)字化技術的優(yōu)勢及存在的問題

1.1 三維數(shù)字化技術的優(yōu)勢 全口義齒因為不規(guī)則的形態(tài)以及義齒需要多色多材質[3]，因此全口義齒數(shù)字化的研究仍進展較慢，一體化數(shù)字化制作全口義齒仍是尚需攻克的難題。傳統(tǒng)的通過熱聚合方式制作出的樹脂基托，在聚合過程中不可避免的會出現(xiàn)由于冷卻收縮和聚合收縮造成的尺寸細微變化，從而可能會影響腭部的密封性[4]。但是，通過計算機輔助設計及輔助制作(Computer-aided Design and Computer-aided Manufacturing,CAD/CAM)制作出的樹脂基托在受控條件的溫度及壓力下，與常規(guī)制作出的樹脂基托相比，不僅機械性能相同，其抗彎曲性能也更高，與傳統(tǒng)方法相比，數(shù)字化加工制作出的樹脂基托更能有效的降低聚合收縮[5]。國外有研究人員證實，通過CAD/CAM技術制作出的樹脂基托比傳統(tǒng)技術制作出的基托適合性及邊緣封閉性更佳，固位力及穩(wěn)定性更好。同時，通過數(shù)字化加工出來的基托孔隙率低，表面也更光滑，細菌及微生物也不易滋生[6,7]。

此外，無需人工排牙，大大降低了技師的勞動強度。數(shù)字化技術還可以將病人的資料以數(shù)字化保存，當義齒短期內損壞或丟失時，若口內無變化，則可重新即刻制作全口義齒。對于舊義齒，可利用數(shù)字化技術進行掃描作為個別托盤，減少了義齒制作工序[8]。

1.2 三維數(shù)字化技術存在的問題 無牙頜患者由于長期失牙，口腔內的軟硬組織形態(tài)、頜位關系已經(jīng)發(fā)生了改變，數(shù)字化技術還不能將人體精細的咀嚼活動全部復制下來，直接制作成型。對于直接口內掃描的數(shù)字化印模技術還不能獲取無牙頜的功能性壓力印模，靜態(tài)光學掃描亦難以獲得“肌肉靜力區(qū)”的軟組織整塑信息。而且，已有的全口義齒數(shù)字化修復系統(tǒng)中，有的系統(tǒng)仍需要依賴于成品的人工牙，在這方面未體現(xiàn)數(shù)字化的優(yōu)勢。此外，制作全口義齒的數(shù)字化軟硬件成本仍較高，全口義齒的工序繁雜，很難用單一的設備或工序來完成[9]，因此也需要臨床醫(yī)生對于數(shù)字化系統(tǒng)的操控有熟練的掌握。對于全口義齒的數(shù)字化印模的獲得，多采用口外數(shù)字化印模技術，因為口內印模技術的精確度尚不能滿足臨床的需求，掃描的牙弓范圍越大，精確度越降低。

目前，相關的數(shù)字化技術主要集中在數(shù)據(jù)的獲取、CAD等方面，目前已出現(xiàn)了數(shù)套全口義齒系統(tǒng)，如加拿大的Avadent、丹麥的3shape、北大口腔醫(yī)學數(shù)字化研究中心自主研發(fā)的CAD軟件等，但臨床上義齒直接數(shù)字控制加工方面仍未見突破性進展。

2.三維數(shù)字化技術在全口義齒制作中的應用現(xiàn)狀

2.1 全口義齒虛擬排牙及基托設計制作方面的研究 制作全口義齒，排牙是影響全口義齒修復效果的關鍵因素之一。傳統(tǒng)的排牙一直是通過技師手工來操作，既費時又費力，且排牙效果受技師的技術水平影響較大。因此，有學者研發(fā)了6自由度的單操作機排牙機器人，利用排牙軟件中整合的專家排牙系統(tǒng)進行自動的預排牙，然后醫(yī)師進行局部的調改，最終形成排牙方案，將方案以指令形式輸入計算機，開始自動排牙的操作[10]。還有學者在此基礎上又研發(fā)了多操作機排牙機器人，對其結構進行優(yōu)化，整合了牙弓曲線發(fā)生器，進一步提高了排牙的精確度，排牙效率也得到了提高[11]。近幾年來，隨著計算機技術、快速成型技術的發(fā)展，數(shù)字化的排牙技術已被提出并應用到全口義齒的設計制作當中。對于全口義齒的虛擬排牙，與傳統(tǒng)的手工排牙和機器人輔助排牙相比，虛擬排牙有更明顯的優(yōu)勢，虛擬排牙的精準度更穩(wěn)定可靠，而且虛擬排牙可在電腦上直接觀察排牙情況，可以隨意調整排牙形態(tài)。Yu X[12]等提出了一種虛擬排牙的方法，利用計算機數(shù)控技術、快速成型技術及三維打印技術進行制作，最后將人工牙嵌入蠟緣，該研究對于技工選擇牙齒有輔助作用，提高了牙齒排列的準確性。目前，用于商業(yè)的全口義齒軟件眾多，如奧地利的Ceramill FDS系統(tǒng)，在軟件中進行虛擬排牙后，通過數(shù)控工藝制作出帶齒槽的蠟型基托，再將合適的人工牙加入齒槽內完成全口義齒的制作[13]；美國的Dentca系統(tǒng)在進行全口義齒虛擬排牙和基托設計后使用3D打印機進行整體加工[14]。對于數(shù)字化全口義齒基托的制作，早期的研究中，有學者利用數(shù)控機床制作了牙列和基托的塑料外殼，然后分別注入牙色和基托色的流動樹脂來制作仿全口義齒[15]。目前，數(shù)字化全口義齒基托部分主要依靠所得的數(shù)據(jù)輸入軟件，基托形態(tài)由軟件自動生成，基托從粉紅色的聚甲基丙烯酸甲酯盤中切割成型，然后用樹脂水門汀將人工牙粘接到義齒的基托上[16]。Bilgin等首先制作了3D打印的牙列，將其插入蠟基托后，也是通過與傳統(tǒng)制作方法相結合的方式制做出了終義齒，制作出的全口義齒咬合及頜位關系良好，并且這種一體式的牙列對于提高人工牙和基托之間的粘接強度有很大幫助[17]。此外，有研究人員提出，如能合理設置全口義齒的基托設計系統(tǒng)，充分發(fā)揮三角網(wǎng)格、NURBS曲面等的最大效應，構建出混合造型技術，從而達到重建基托美觀性的效果[18]。還有學者提出，利用曲線驅動變形建模方式，可以獲得高質量的牙及表面形態(tài)相關的數(shù)據(jù)信息，從而保障全口義齒基托建模設計的效果[19]。Deng、Chen H等先后利用三維數(shù)字技術對下頜全口義齒聚乳酸蠟型進行打印，與傳統(tǒng)蠟型相比較，對其精確度及組織面密合性進行評價，證實其可滿足臨床使用的需求[20，21]。Chen等通過三維技術制作出的蠟型，與傳統(tǒng)手工制作的蠟型相比，無明顯差異，均符合臨床應用的要求[22]。有學者利用CAD/RP技術制作了全口義齒的樹脂陰模，然后進行計算機排牙，最后對樹脂基托進行鑄壓，完成最終的全口義齒。通過此種數(shù)字化的設計和制作減少了取模時的誤差，避免了基托邊緣的不準確，更有利于臨床上的推廣應用[23]。還有研究者應用CBCT測量出無牙頜的組織面以及成品人工牙的形態(tài)，通過快速成型技術制作出全口義齒，對此全口義齒進行數(shù)據(jù)分析，顯示其頰側磨光面的精確度高于牙合面[24]。

2.2 數(shù)字化技術在全口義齒個別托盤制作方面的研究 數(shù)字化技術還可應用于制作全口義齒的個別托盤等方面。魏菱等學者通過三維數(shù)字軟件制作出了全口義齒的個別托盤，整個過程靈活精確，制作出的個別托盤精確度高，且能夠符合個性化設計，減少了患者的就診次數(shù)，同時也減少了椅旁的操作時間[25]。Sun Y等[26]對無牙頜患者分別制作了數(shù)字化的個別托盤及手工化的個別托盤，比較兩者的邊緣伸展差異及形態(tài)差異，結果證實數(shù)字化個別托盤制取的印模厚度分布優(yōu)于手工制作的托盤，但兩者的印模形態(tài)無明顯差異。Chen H[27]等亦應用制作的數(shù)字化個別托盤與手工個別托盤相比，前者精確度更高，與模型的匹配度更好。陳虎等[28]基于紅色打樣膏制取的初印模獲得個性化托盤的三維設計數(shù)據(jù)，打印出聚乳酸材質的個性化托盤，與CAD獲得的數(shù)據(jù)相比，各承托區(qū)、緩沖區(qū)的間隙無明顯差異，可成功實現(xiàn)上頜無牙頜個性化托盤的數(shù)字化設計和制作。因此，應用數(shù)字化技術建立了一種高效的個別托盤制作方法，具有較高的重現(xiàn)性及準確性。

2.3 數(shù)字化技術在面型預測、虛擬調牙合等方面的研究 虛擬現(xiàn)實的出現(xiàn)，為進一步提高醫(yī)療實踐能力提供了幫助。對于無牙頜患者，口腔治療不僅要改善功能，同時也要恢復美觀的外貌。隨著口腔治療的數(shù)字化發(fā)展，全口義齒的設計也需要提前預測面型來作為參考。目前，基于數(shù)字化技術的面型仿真主要以頭面部軟組織的變形方法為主要研究對象，還缺少具有針對性的預測方法。成誠等[29]應用Oral Treat System軟件系統(tǒng)，以牙齒及牙齦作為驅動，研究了新的排牙算法和面形預測方法，其中部分功能已經(jīng)在北京大學口腔醫(yī)學院進行了臨床試用。虛擬現(xiàn)實在全口義齒中的應用，還體現(xiàn)在虛擬調牙合中。它是在CAD的設計中，通過改變牙齒咬合面的局部形態(tài)從而消除與對頜牙之間的不合理干擾。虛擬調牙合的工具為虛擬牙合架，應用它可降低技師對機械牙合架的依賴，消除牙合干擾[30]。另有學者采用計算機設計牙齒的形態(tài)，在體外模擬牙齒的運動軌跡，動態(tài)掌握牙合力的大小，這樣制作出的全口義齒咬合接觸能夠更加準確[31]。

3.結語

三維數(shù)字化技術應用于全口義齒的加工制作中，可大大改善全口義齒的制作工藝，用數(shù)字系統(tǒng)來代替手工的制作基托、代替人工的排牙，不但以數(shù)字的方式更精準的重復操作，還能避免技師及醫(yī)生因個人經(jīng)驗、技巧等主觀因素對全口義齒最終效果的影響，同時數(shù)字化系統(tǒng)還可以把醫(yī)師所設計的特殊咬合關系、牙合面形態(tài)等都體現(xiàn)在最終的全口義齒上，使全口義齒的設計及制作進入到一個既能滿足牙列缺失患者個體生理功能及美觀需求，又能達到規(guī)范化、標準化、自動化、工業(yè)化流程的水平。但目前數(shù)字化技術存在費用高昂、技術人員匱乏、難以推廣到基層醫(yī)院等問題。此外，三維數(shù)字化系統(tǒng)大多數(shù)集中在CAD排牙、虛擬調牙合等方面，若能對全口義齒印模制取的數(shù)字化解決方案、無牙頜個別托盤的臨床適用性、直接數(shù)字化確定頜位關系等環(huán)節(jié)逐步實現(xiàn)，將是具有重要的現(xiàn)實意義。這需要生物材料學、分子生物學、計算機科學以及數(shù)字化打印設備等多學科的發(fā)展以及交叉應用，這將是數(shù)字化技術在口腔全口義齒修復乃至整個醫(yī)學領域發(fā)展的趨勢和熱點[32]。