數字化技術在口腔正畸診療中的應用

李 彬，段沛沛，白 丁

隨著3D打印、人工智能(artificial intelligence, AI)、虛擬仿真(virtual reality, VR)和5G等技術不斷出現，數字化的內涵更加豐富。數字化技術在口腔領域發展迅速，它使口腔診療更加直觀、精確、安全和有效。但是，數字化技術在正畸領域綜述較少。故本文將結合以上技術，對數字化技術的發展及特點、數字化牙頜模型(牙)、數字化三維頭影測量(頜骨)、三維顏面成像(軟組織)及數字化外科中的應用進行綜述，以促進數字化技術在口腔正畸領域的發展應用。

1 數字化技術的特點及發展

數字化技術是指運用0和1兩種數字編碼，通過電子計算機、光纜、無線網絡、衛星等設備，存儲、傳輸、控制和表達信息的技術。數字化技術作為一種信息處理的方式，具有存儲信息量大、存儲空間少、傳輸速度快、信息丟失少、信息查詢方便等特點，目前已在數控車床、三維建模、3D打印中廣泛應用，對制造業、信息產業等領域的發展有舉足輕重的作用。在醫療領域，國家出臺“智慧醫療”政策，以大力促進數字化技術在醫學領域的更新和發展。

在口腔領域，數字化技術通過融合三維數據采集技術、數學建模技術、計算機輔助設計與輔助制作(computer aided design and computer aided manufacture, CAD/CAM)、手術導航技術及相關材料技術輔助疾病的診療。數字化全瓷義齒加工、導板貼面預備已應用于臨床，這提示著數字化技術輔助下，口腔診療已更加微創、精確、高效和智能化。

2 數字化牙頜模型

牙頜模型是患者牙齒、牙弓、牙槽、基骨等形態及口腔牙周軟組織的精確復制，是正畸診斷的基礎。傳統模型采用石膏翻制而成，石膏在凝固時會發生膨脹，因而傳統石膏模型精度欠佳，且存在占據空間大、易磨損斷裂、易丟失等不足[1]。數字化牙頜模型最早誕生于20世紀80年代，并最終在10年內全面商業化并應用于臨床，目前這項技術因精度與傳統印模一致[2]，且取模過程簡單快捷、不易引起患者不適[3]而在正畸診療中廣泛應用。

數字化牙頜模型經數據采集、數據預處理、曲面重構三步獲得精確的口內軟硬組織重建[4]。其中，數據采集是最為關鍵的步驟，目前獲取口內軟硬組織的數據采集方式主要有三角測量技術、干涉及相移測量技術、動態三維捕捉技術、平行共聚焦成像技術等，其中前兩者是目前應用最廣泛的技術。干涉及相移測量技術測量精度高、能處理復雜窩溝但掃描時間較長，三角測量技術掃描速度非常快但對復雜圖像處理能力不足、對計算機要求較高，而平行共聚焦成像技術因成像與物體共焦，對窩溝等細節成像效果更優，其改良后的超快光學分割技術分辨率更高、速度更快(每秒采集3 000幅圖像)。

數字化牙頜模型按掃描方式可以分為間接法(口外掃描)和直接法(口內掃描)。前者利用桌面掃描儀掃描牙頜石膏模型獲得數字化模型，后者則用探入式光學掃描頭直接在患者口內獲取軟硬組織信息并建立三維模型。直接法因為探頭移位、唾液和口內光線影響，數據經多次處理，準確度偏低[5]，且掃描全牙列的準確性低于局部牙列[5]。但因直接法操作方便且省時省力，近年來在臨床上得到更廣泛的應用。

目前常用的直接掃描系統有CEREC?、True Definition?、Lava COS?、Trios?、iTero?和Lythos?等，見表1。基于各掃描系統采用的光源、數據采集技術等各有差異，其可重復性和準確性目前尚難以直接比較，一般認為CEREC?全牙弓掃描的可重復性和準確性[6-7]均較Trios?[8]、iTero?[9]、Lava COS?[9]和True Definition?[10]低。

表1 幾種常用的口內掃描儀原理Tab.1 Common camera technologies of various intraoral scanners

數字化的牙頜模型除了成為牙頜信息的載體外，在正畸的診療過程中還發揮了其他作用。①個性化診斷設計：借助如Ortho CADTM、Ortho AnalyzerTM、UnitekTM等軟件對牙、牙列進行三維測量分析；②輔助方案制定：使用InsigniaTM等數字化矯治系統完成排牙實驗，模擬治療過程中牙齒的移動，展示如推磨牙向遠中[11]、擴弓[12]等治療的效果；③聯合應用CAD/CAM和3D打印技術設計并制作矯治器，如3Shape公司的Appliance DesignerTM設計系統；④促進醫患、醫院間的溝通，構建網絡共享數據庫；⑤在三維數字模型上進行模擬托槽粘接[13]；⑥無托槽隱形矯治技術：在三維層析、模擬矯治和個性化排牙基礎上，借助3D打印和壓膜技術制作各矯治階段的透明壓膜矯治器以完成矯治，還可輔助分析牙移動機制[14]，主流產品有美國的隱適美?(Invisalign?)和國產時代天使?、易美齊?等；⑦個性化舌側矯治技術：借助計算機設計個性化、完全貼合舌面的精密舌側托槽，主要產品有德國的Incognito?、韓國的Orapix?及國產eBrace?。

3 數字化三維頭影測量分析

X線頭影測量技術自1931年Broadbent開始應用于臨床，目前仍是正畸診療和科研的重要手段，但因為影像重疊、扭曲、變形、偽影等因素導致測量結果的準確性受影響[15]。自電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT，1972年)及牙科領域更常用的錐形束CT(cone beam computed tomography, CBCT， 2001年)投入使用以來，顱面部結構得以在三維方向準確呈現并分析測量[16]，大大提升醫生觀察的視野、范圍和清晰度。

數字化三維頭影測量在正畸領域主要應用如下：①在三維空間上實現測距、測角和測比例；②利用Dolphin3D等軟件的輔助，能任意方向旋轉頭顱，還能夠對顱骨的兩側單獨測量，輔助面部不對稱等復雜病例的診治；③輔助手術導板的設計制作，詳見第5部分；④輔助個性化托槽或隱性矯治的設計，利用CBCT的牙根及牙槽骨數據，通過表面匹配技術與口內掃描牙冠數據整合，建立包括牙冠-牙根-牙周軟硬組織的高精度數字化三維模型[17]，精確實現可個性化的牙移動及牙根控制，例如Ormco公司的InsigniaTM數字化矯治系統就建立模擬牙根，并據此為牙齒移動設計托槽轉矩等，真正實現牙齒移動的三維設計、模擬和控制，國內易美齊隱形矯治系統亦能建立模擬牙根，并據此模擬無托槽矯治時牙冠及牙根的移動，設計隱形矯治方案。

然而，目前三維頭影測量也存在一些不足：①缺少普遍認同的分析方法，如坐標系和標志點的確定方法、面角的測量等，目前僅有為數不多的研究；②使用安全性(輻射風險)上要盡可能減少患者接受的輻射，目前認為除了埋伏牙、正頜、牙槽骨和牙根吸收風險和關節問題患者外，不應常規拍攝CT[18]。

4 三維顏面成像

顏面部軟組織在正畸治療過程中備受患者及醫生的關注。傳統照相雖然從正面、側面和45°斜向三個方向對患者的顏面信息進行記錄，但仍存在難以量化、測量和分析等不足。隨著數字化技術的發展，安全、快捷、無輻射的三維顏面成像廣泛應用于面部軟組織重建和三維測量成為可能[19]。

目前的三維顏面成像主要產品有3dMD?和FaceScan?，他們利用非接觸式三維激光顏面掃描、立體攝影、干涉及相移測量等技術，高分辨率地三維重建患者的顏面部軟組織形態，并進行三維測量和定量分析[19]。目前3dMD?能達到約1.0 mm[20]的掃描誤差，并能發現5.9 mL的面部體積變化[21]。三維顏面成像已被證實是一種有效、可靠的顏面分析工具。

三維顏面成像目前在臨床上已有廣泛的應用：①建立治療前中后的三維面相數據，實現動態分析；②構建虛擬患者并預測治療后的軟組織變化，如正畸后面容改變[22]、擴弓后的上頜及軟腭變化[23]等；③構建人群顏面特征數據庫[24-25]；④進行微笑分析[26]、不對稱軟組織分析[27]等；⑤三維顏面、口內掃描和CBCT的三重結合，構建更詳細的評估治療前模型[23,28]，為醫生提供直觀的患者面部數據和信息，同時也更有利于醫患溝通的進行。

盡管三維顏面成像技術具備上述各種優勢，但因價格昂貴、維護困難和技術門檻高等因素，其推廣受到一定限制。隨著三維顏面成像技術的發展，目前已經研發出了動態四維面部細節捕捉的方法(如RealSense F200)[29]，日后有望應用于臨床，用以記錄更詳細的動態顏面信息。相信隨著數字化時代信息技術的不斷發展，三維顏面成像日后定有更廣闊的前景。

5 數字化外科

醫療美容技術被越來越多的大眾接受，隨之更多的嚴重骨性錯牙合畸形患者尋求正畸-正頜聯合治療以達到更理想的矯治效果。傳統的手術制定方法主要包括臨床檢查、X線頭影測量分析、VTO分析和模型外科。前三種方法僅能從二維角度進行分析模擬，模擬外科費時費力，精確性差，而數字化外科精確高效，更能滿足當今的臨床需求。

數字化外科的主要技術包括個體數字化設計、快速成型和手術導航，通過整合CT、口內掃描等數字化信息，利用相關軟件(如Mimics、Dolphin 3D、Geomagic Studio和Magic RP等)，建立高精度的三維模型，實現牙齒、頜骨、顏面軟組織和顳下頜關節運動的整合，從而有效輔助臨床診斷和方案制定[30]。在我國，數字化外科在臨床的初步應用已經取得了良好的效果[31]，但目前此類軟件主要用于硬組織的評估，在軟組織重建和術后預測等方面尚未獲得穩定的模擬結果[32]。

在正畸領域，數字化外科主要應用有：①AI輔助容貌分析和診斷[33]；②虛擬手術設計，可以精確模擬治療過程中牙齒和頜骨的變化[34]；③制作數字化咬合導板、截骨導板、墊片等，提高正畸-正頜的可預見性和確定性，減少術后并發癥[35]；④輔助支抗種植體的植入：三維評估植入部位的骨量，借助于3D打印、CAD/CAM等技術能快速制作植入導板[36]；⑤數字化融合體層攝影技術[37]、螺旋CT等為正畸治療中的顳下頜關節手術患者顯示更加直觀的影像；⑥使用Dolphin等軟件三維重建氣道[38]，模擬術后氣道位置[39]，輔助下頜后縮、合并阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征等病例的分析。

6 小 結

隨著數字化技術的發展和國家政策的大力支持，大數據與AI聯合應用于正畸學將是未來的趨勢之一，口腔正畸的診療過程也會出現很大的變化。

AI在口腔正畸診斷及治療中發展迅猛，但其成果尚需更多數據的支持及臨床驗證。在診斷方面，盡管首個具有自動定點功能的頭影測量分析系統發明于20世紀末[40]，現在系統通過卷積神經網絡[25]深度學習能完成圖像預處理、自動定位標志點[41-42](如國內Uceph、智貝云等)、測距測角等工作，但是也存在不同質量的圖像，AI分析結果誤差較大的情況，這說明AI完全替代傳統定點測量尚需進一步的積累和研究。目前已有軟件在開展AI分析測量數據并對治療難度進行評估的測試，但尚未用于正畸臨床。在治療方面，大數據正在構建不同錯牙合畸形患者的臨床治療路徑，以輔助設計臨床治療方案。比如目前隱適美的病例數據庫來自全球，通過大數據整合多中心的數據資源，運算及與臨床效果比對，算出推磨牙向遠中、拔牙、排齊整平中的推薦路徑，以提高隱形矯治的成功率。如果未來AI能夠結合大數據及患者的個體生物學特征，精準快速評估患者狀況、遠程模型分析和頭影測量分析、自動生成矯治方案和模擬矯治效果，將是正畸學發展的一個飛躍。

數字化在正畸診療中的另一發展趨勢就是實現三維到四維的飛躍，也即構建實時動態模型，顯示運動過程中患者牙齒、牙列、關節和肌肉的運動情況[29]，例如動態牙頜模型、動態三維面像等。將關節和肌肉的運動軌跡進行記錄并能真正模擬患者的功能咬合，以達到更加精準的治療。但目前這種技術僅處于起步階段，存在掃描時間過長、會引起患者不適等弊端，尚需要更多的研究和開發。

最后，數字化技術在正畸應用中尚有不足。以目前相對成熟的數字化牙頜模型為例，口內掃描的精度現仍是限制其發展的主要原因之一。其根本是技術上尚無法克服牙齒半透性和高反光等瓶頸；掃描方式仍需通過局部掃描后多次整合為全牙列。除此以外，正畸數字化三維技術也還存在三維數據的操縱和渲染很難在二維屏幕上完成、大量數字化信息的實時傳輸有較大延時等問題。但隨著AI、VR、5G等技術的引入、支持和云端化發展，相信在不久的將來，數字化技術在口腔正畸診療過程中會愈加常態化，正畸學的發展將進入一個新時代。