數字化牙牙合模型在口腔醫學中的應用

李節龍，呂虹瑤，史金怡，侯彥

（1.河北醫科大學，河北 石家莊；2. 河北醫科大學口腔醫學院&河北省口腔醫學重點實驗室，河北 石家莊）

0 引言

1983年，第一臺牙科計算機輔助設計與制作，開創了以計算機技術為支撐的國際口腔數字化醫學時代。30余年來的研究證明，計算機輔助數字口腔醫學技術,可顯著提高口腔臨床診斷治的效果與效率，數字化牙牙合模型在口腔臨床各方面中的應用涉及到牙牙合模型制作的各階段,包括：患者牙牙合模型掃描、分析診斷、數字化排牙、追蹤隨訪等。隨著計算機技術在口腔治療中的廣泛應用,建立一套健全規范的數字化矯治流程有助提高臨床工作的效率,減少存放模型的空間成本,提高治療的準確性。數字化牙牙合模型不僅是簡單的將牙牙合模型轉換為三維數據，也包括數字化模型、數字化排牙、數字化影像資料等,需要各個環節的完善與緊密接合。所以近年來數字化牙牙合模型技術在口腔中的應用尤為廣泛。

1 數字化牙牙合模型的掃描

在口腔臨床治療中，患者的普通石膏牙牙合模型不易于保存，而且易發生磨損[1]，這會對患者的治療精確度造成誤差，除此之外還不易于攜帶，在教學中導致不能直觀的展示各個結構的三維關系以及三維重合關系，對教學造成一定影響。20 世紀 70 年代，計算機技術的不斷發展以及高端電子技術與醫學事業融合，數字化掃描技術應運而生，其中模型數字化方法又分為接觸式機械掃描，激光掃描、結構光掃描、計算機X線體層掃描和口內掃描技術等多種方法[2]，為口腔臨床治療提供了一種新思路。這些掃描技術可以通過直接掃描患者口腔內部或者掃描牙牙合模型而獲得精確的口腔內三維數字化數據。能夠較為簡便地得到由計算機分析出的數據，這些數據可以直接應用于各種軟件進行分析。

1.1 接觸式機械掃描

接觸式機械掃描是一種通過計算機控制探頭，對物體表面進行掃描，以一定的步長和行距進行自動掃描并記錄物體表面數據。掃描儀內有傳感器記錄探頭的三維坐標，然后在計算機輔助下重建其三維模型。接觸式掃描具有精度高（可達±0.005mm）、成本低、無掃描盲區等優點，但接觸式掃描費時且運用范圍有限，某些精細結構受探頭形狀限制，可能出現掃不到或者導致物體表面發生形變。因此接觸式掃描只適用于一些質地硬，結構簡單和一些不易損壞的物體表面[3]。

1.2 激光掃描

激光掃描是一種非接觸式光學掃描，運用三角測距原理進行構建三維數字模型。針對現有三維實物（樣品或模型）在沒有技術文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓集合數據，并嫁衣建構，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數字化模型。激光掃描分為線激光和點激光兩種，點激光用時較長，精確度較低。線激光速度快、精確度高、重建模型清晰，在口腔牙列石膏模型掃描中發揮重要作用。但如被掃描物體表面粗糙、漫反射率敏感，易出現掃描盲區，需要復雜的后期處理。

1.3 結構光掃描

結構光掃描使用安全無害的白熾光將正弦或矩形光柵投射到物體表面，由CCD攝像機獲取被凹凸表面調制而產生的變形光柵條紋，在軟件中計算出各空間點的高度信息，得到空間三維坐標，通過軟件分析和處理得到三維圖像。光學掃描的優點是速度快，獲取完整面部信息僅需5.5s，而且掃描模型精度優于CBCT重新建模，但對于結構較為復雜的物體、曲率變化大的表面，很容易出現掃描盲區，需切換視角進行多次掃描[5-6]，而且當模型出現誤差時，也會影響最后獲得正確的結果。

1.4 計算機X線體層掃描

計算機X線體層掃描（computerized tomography，CT）利用高分辨率的CT機發射精確準直的X線束（也成倫琴射線）掃描物體某一層面，由靈敏度極高的探測器接受該層面的X線束，形成可觀性的圖像。接觸機械式和光學掃描得到的僅是物體的表面信息，而CT可獲取內部三維數據，且其操作簡單快捷、偽影少、無光學掃描盲區等問題，可同時掃描多個模型[8]，其精度主要受掃描層厚和象素大小影響。目前，應用于口腔修復領域的CT主要有螺旋CT、錐形束CT（conebeam computed tomography，CBCT）和微焦X射線CT（micro-focus X-ray CT）。

2 數字化牙牙合模型的制作及同其他三維數字化模型的結合

我們對患者牙體通過數字化光學掃描后，口掃可以直接獲得數字化牙牙合模型，但是如果是通過倉掃，在掃描結束后還需要通過3 Shape Analyse等軟件對牙牙合模型進行處理，下面以3 Shape Analyse處理牙牙合模型為例。

在倉掃結束后我們得到的是整體石膏色的牙牙合模型，牙體和軟組織界限不清（FIG.1）。我們需要手動標定點，將軟組織和牙體分離，在這個過程中我們可以調整軟組織的覆蓋面積及范圍（FIG.2），為后期排牙奠定基礎。在完整的標定點后選擇自己需要的方式分割牙體和周圍軟組織后完成下頜數字化牙牙合模型的制作（FIG.3）。

數字化牙牙合模型可以獲得一個等比原型，包含患者口腔牙體形狀信息的三維數字化模型，更大程度的配合正畸需求，可以實現不同角度的旋轉觀察，而且在牙標定點后牙位置保持不變，相比使用黃銅絲和圓規的傳統石膏模型測量方法更加精確，而且通過計算機可以很快地計算出各種面積以及長度。數字化牙牙合模型與傳統的石膏模型更利于保存，精確度更高，方法簡便，利于治療后期的處理。

傳統牙牙合模型使用石膏制作而成，石膏易于磨損破壞，不易于保存。在對患者治療方案的設計討論過程中不易向患者展示牙牙合的三維變化。數字化三維牙體模型可實現從多角度、不同層面，利用豐富的圖像內容直接地觀察牙體的形態結構和結構間的空間變化關系，并且還可以結合別的數字化模型進行分析，如CBCT X射線：根管系統中的副根管、側枝根管、根尖分歧等根管系統的重要組分，與數字化牙牙合模型進行牙冠牙根的重疊，使同學們更好理解根管影像重疊和微細結構難以觀察和顯示，同時可實現將髓腔解剖由傳統的二維平面轉換為三維立體透視數字模型，利于學生對髓腔系統知識的全面認識，幫助學生構建髓腔空間概念，為口腔專業學生實施牙體充填修復和牙髓根管治療打下良好的理論基礎[8]。

3 數字化牙牙合模型的應用

3.1 在口腔正畸的臨床治療排牙的過程中，原始的排牙技術是在牙牙合模型和牙合架上進行的，通過分割模型的方法使得牙冠重新定位，這種傳統的排牙方式會很大程度上損傷模型，不可避免的破壞了牙齒的鄰接點，減少了牙冠的遠近中徑，不同程度上縮短了牙弓的長度。傳統的排牙方式人為影響較大，精確度不能保證。在教學方面，可以直觀的展示各個牙齒的移動，但是操作困難，學生們在學習過程中掌握困難，不能精確的掌握對牙齒模型的磨損程度[9]。

研究表明[10-11]，在進行牙的大小、尖牙間牙弓寬度、牙列間隙、磨牙間牙弓寬度、牙列擁擠度、Bolton分析等常規在石膏模型上進行的測量分析時，其與傳統石膏牙齒模型相比，二者測量數據的并無明顯差異。三維數字化牙牙合模型在正畸領域中占據很大地位，主要體現在以下幾個方面：

1）牙牙合模型資料的存儲、分析和醫患交流；

2）利用三維數字化模型，可減少實體會議的召開，節省時間、精力，可嘗試進行遠程正畸會診，減少地理因素對病患造成的影響；

3）可以完成在三維重疊測量，進行三維診斷，對每一顆牙齒矯正前后的三維方向位移進行測量，可提前預知術后效果，更好的讓患者了解術后的模樣，更利于正畸治療計劃的擬定；

4）無托槽隱形矯治系統，較傳統托槽而言，更加美觀，更大程度地減少患者在治療過程中的頻繁復診；

5）個性化舌側矯治系統，是通過電腦軟件虛擬牙齒的移動和定位，模擬患者牙齒的走向，可以實現高效準確地制作托槽，利用個體數字化牙牙合模型，實現托槽的間接粘接，簡化臨床操作，有效的完成牙齒移動和舌側托槽定位的設計；

6）使用三維虛擬架輔助定位板的制作，增加了正頜外科手術輔助設計的精確性，提升再定位上、下頜骨的準確度，可以使正畸、外科效果協同達到最佳[12-17]。

3.2 在口腔外科的種植臨床治療中，制作患者的數字化牙牙合模型相應數字化導板，在手術前對患者的口腔內部進行數字化影像信息的三維重建和可視化處理，利用特定的軟件模擬進行種植手術操作。通過數字化牙牙合模型制作修復體。與傳統的種植手術相比，數字化種植的設計更加充分地考慮到了牙頜骨內部較精細的解剖情況，可以有效的避免術中誤傷到下頜神經管、上頜竇底等重要解剖結構，同時使醫生更直觀的決定種植體的理想植入位置、深度和角度，從而降低手術風險、提高種植修復的成功率。

與傳統的種植手術相比，傳統種植手術需要借助實物模型進行推演，且模型并不能隨醫生的想法改變形態。而數字化種植手術導板的制作過程則可以更直觀更精確的進行虛擬的演習。醫生要做的只有設計和制作帶有預期修復體信息的診斷導板，然后讓患者進行頜骨CT掃描，將得到的DICOM影像數據導入種植導板設計軟件中，進行閾值分割和圖像配準，在三維重建后的頜骨影像上進行模擬手術，設計出合理的種植方案，確定種植體的數量和位置。確定種植方案以后，在軟件中生成相應的種植模板，最后進行手術導板的數字化加工制造，其中最常用的加工方式主要是快速成型技術和數控切割技術。隨著光學掃描技術的發展，現在也可以通過牙牙合石膏模型掃描或口內掃描快速、精確地獲取患者口內的軟硬組織輪廓形態。

3.3 在口腔修復的修復體制作中，采用口掃的方式，掃描設備探頭深入口內直接對口腔內軟硬組織進行掃描,收集的數據通過軟件設計構建三維數字化牙牙合模型,經過一系列處理,實現高精度的三維牙牙合實體重建,最后實施3D打印。特別在口腔頜面修復與整形手術中所需要的植入體或修復體的個性化要求相當高,這對牙牙合模型的相匹配程度要求較高，數字化牙牙合模型技術的個性化定制特點無疑在口腔頜面修復領域中具有獨特的優勢[19]。

圖1初始掃描

圖2牙體標定

圖3模型完成