基于兩種不同設(shè)計理論的數(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,陜西省顱頜面精準醫(yī)學(xué)研究重點實驗室,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,基于計算機輔助設(shè)計(computer-aided design, CAD)與計算機輔助制造(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-制造為主要步驟的數(shù)字化工作流程中,牙冠外形的設(shè)計主要是依靠CAD軟件實現(xiàn)[2-4]。目前有關(guān)牙冠外形設(shè)計的理論有數(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)含有一個或多個牙形數(shù)據(jù)庫,在設(shè)計時根據(jù)掃描數(shù)據(jù)操作者手動或軟件自動從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的牙齒元素來完成牙冠設(shè)計,也可稱之為個性化設(shè)計法;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,同時具有功能強大的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軟件基于標準牙庫建立,在挑選完牙齒元素后,需要手工調(diào)整進行個體適應(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)知識和個人經(jīng)驗,耗費大量的時間,且在臨床試戴時需要較多的調(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)的進步,后期的CAD軟件在升級過程中加入了模擬下頜運動的虛擬關(guān)節(jié)等功能[10],在一定程度上彌補了這方面的設(shè)計缺陷。那么經(jīng)過改善和優(yōu)化升級后的CAD/CAM系統(tǒng),在實際使用中兩種設(shè)計理論指導(dǎo)下的牙冠設(shè)計是否具有差異,仍有待探究;同時目前國內(nèi)外研究中關(guān)于數(shù)字化設(shè)計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)計方法下的牙冠設(shè)計精度,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)計方法,為臨床修復(fù)治療使用提供參考。

1 材料和方法

本實驗選取10名志愿者進行研究,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(xjkqll[2021]NO.06)批準,實驗將按照如下步驟進行(實驗流程見圖1)。

圖1 3Shape軟件的兩種數(shù)字化設(shè)計模式牙冠設(shè)計精度比較實驗流程圖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 自動設(shè)計冠的獲取

將上一步獲取的牙列掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3Shape CAD設(shè)計軟件中,根據(jù)軟件使用說明及臨床標準設(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)庫模式自動生成牙冠,記為復(fù)制組和個性化設(shè)計組,導(dǎo)出兩組自動設(shè)計冠的STL數(shù)據(jù)。

1.3 技師調(diào)整冠的獲取

將自動設(shè)計冠的數(shù)據(jù)交由同一名經(jīng)驗豐富的技師,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詣釉O(shè)計冠進行調(diào)整,并導(dǎo)出調(diào)整冠的數(shù)據(jù),分別記為復(fù)制組和個性化設(shè)計組。

1.4 三維方法測量外形精度

A.復(fù)制組 B.個性化設(shè)計組圖2 自動設(shè)計冠與原始牙齒形態(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)計分析

使用SPSS 26.0軟件對上述兩組代表自動設(shè)計冠與原始牙齒形態(tài)差異及兩組代表自動設(shè)計冠與技師調(diào)整冠差異的平均正偏差、平均負偏差、標準偏差、RMS值4個指標值進行統(tǒng)計分析。由于數(shù)據(jù)不能同時滿足正態(tài)性檢驗及方差齊性檢驗,故采用曼-惠特尼秩和檢驗的方法分別比較復(fù)制組與個性化設(shè)計組間自動設(shè)計冠與原始形態(tài)的差異、調(diào)整冠與自動設(shè)計冠的差異,檢驗的α水平為0.05。

2 結(jié)果

2.1 自動設(shè)計冠的外形精度

復(fù)制組和個性化設(shè)計組的平均正偏差、平均負偏差、標準偏差及均方根(RMS)各指標曼-惠特尼秩和檢驗結(jié)果表明,復(fù)制組和個性化設(shè)計組自動設(shè)計冠與原始牙齒形態(tài)間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,見圖3),即復(fù)制法較個性化設(shè)計法獲取的自主牙冠設(shè)計精度更優(yōu)。

2.2 技師調(diào)整量的大小評價

復(fù)制組和個性化設(shè)計組平均正偏差、平均負偏差、標準偏差及均方根(RMS值)曼-惠特尼秩和檢驗結(jié)果表明,復(fù)制組和個性化設(shè)計組間技師調(diào)整量的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05,見圖4)。

與復(fù)制組比較,*P<0.05圖3 3Shape設(shè)計軟件兩種模式的自動設(shè)計冠與原始牙齒形態(tài)差異的平均正偏差、平均負偏差、標準偏差、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)計軟件兩種模式的自動設(shè)計冠與技師調(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)的同時實現(xiàn)功能性的完全重建,從而完全去除后續(xù)手工修飾工作,實現(xiàn)全面數(shù)字化,節(jié)省臨床操作時間[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。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)近年取得突破性進步,能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準獲取掃描數(shù)字文件,為后續(xù)設(shè)計與制造提供最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息[14,15];對天然牙光學(xué)質(zhì)感的數(shù)字化描述與重構(gòu)對后續(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];最早基于標準數(shù)據(jù)庫建立的CAD軟件難以滿足個體化設(shè)計需求,為了實現(xiàn)功能性的咬合重建、更好地模擬下頜運動,增加了虛擬關(guān)節(jié)等功能,在一定程度上彌補了標準數(shù)據(jù)庫設(shè)計的不足,但這一功能需要較大的設(shè)備和人力才能實現(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),減少椅旁佩戴時的調(diào)整時間,減少調(diào)整量以減少對于全冠修復(fù)體的磨削,保證修復(fù)體的強度[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,三維測量自動設(shè)計牙冠與原始牙冠間的差異。在輸出的4個指標值中,RMS值是主要的評價指標,是正負偏差的綜合體現(xiàn),消除了正負偏差相加抵消而縮小實際偏差的可能性,較標準偏差(SD)相比更能反映兩三維平面間各點的距離[4]。

本研究結(jié)論表明復(fù)制法(correlation method)自主牙冠設(shè)計效果優(yōu)于個性化設(shè)計法(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價法,與本研究相比缺少一定的客觀性;Arslan等[19]評價了CEREC系統(tǒng)3種設(shè)計模式(BI/BC/BR)下的設(shè)計精度,結(jié)果表明BC/BR優(yōu)于BI即復(fù)制法(correlation method)優(yōu)于個性化設(shè)計法(library method),但由于在評價時僅評價了咬合面形態(tài)的設(shè)計精度,缺少軸面形態(tài)在內(nèi)的整體牙冠外形精度的評價,與本研究相比評價內(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)計方法,總結(jié)了一定的使用規(guī)律[18,20]。同樣的,對于3Shape系統(tǒng),當(dāng)原始牙冠形態(tài)存在的情況下例如對臨時冠效果滿意的牙齒,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,則采用數(shù)據(jù)庫模式進行設(shè)計,軟件自動設(shè)計后可能需要技師及醫(yī)生進行一定的椅旁調(diào)整才能達到較好的修復(fù)效果。

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