多模態(tài)數(shù)據(jù)融合的可視化技術(shù)在咬合重建中的應(yīng)用

孫欣榮 馮玥 劉偉才

上海牙組織修復(fù)與再生工程技術(shù)研究中心，同濟大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，同濟大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔修復(fù)教研室，上海200072

多種牙體硬組織非齲性疾病如釉質(zhì)發(fā)育不全、酸蝕癥、重度磨耗均可能導(dǎo)致咬合垂直距離（oc‐clusal vertical dimension，OVD）的降低，一旦治療，則可能需要升高患者咬合垂直距離并進行咬合重建修復(fù)[1]。咬合重建技術(shù)敏感性高，容易出現(xiàn)制作的固定修復(fù)體牙位與肌位不協(xié)調(diào)的問題，醫(yī)師在升高垂直距離保證安全性的同時，還需要兼顧后牙修復(fù)空間與前牙美學(xué)功能[2-3]，是一項高風(fēng)險、高難度的多學(xué)科綜合治療手段。咬合重建前需要借助多種模態(tài)的數(shù)據(jù)對患者進行口頜系統(tǒng)整體性評估，如動靜態(tài)咬合關(guān)系、錐形束計算機斷層掃描（cone beam computed tomography，CBCT）、顳下頜關(guān)節(jié)情況等，但這些數(shù)據(jù)模態(tài)分散導(dǎo)致只能逐一評估，而多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的使用極大地彌補了此等不足。多模態(tài)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)融合技術(shù)指通過灰度或特征的匹配方法，充分利用不同模態(tài)的數(shù)據(jù)對病灶信息描述的冗余性和互補性，使用軟件手段對不同模態(tài)的數(shù)據(jù)進行智能處理和配準，使同一病灶的多源信息綜合表達在同一整體上，使不同模態(tài)的數(shù)據(jù)在同時間、同空間整體呈現(xiàn)，有利于臨床的全局診治。

目前，數(shù)字化技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)界應(yīng)用日益廣泛，三維虛擬患者已經(jīng)成為輔助臨床修復(fù)的手段[4-5]。多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及牙科數(shù)字化設(shè)備、電子面弓設(shè)備的發(fā)展[6]，使得解決過去數(shù)字化技術(shù)多模態(tài)操作系統(tǒng)分散、多種模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合及動態(tài)咬合數(shù)據(jù)整合困難、無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與對接等一系列難題成為可能。本文擬通過介紹一種基于多模態(tài)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)融合的可視化數(shù)字化技術(shù)建立四維虛擬牙科患者并升高垂直距離實現(xiàn)咬合重建的方法。其可視化、可操作的融合對象，使得對口頜系統(tǒng)進行咬合重建的同時兼顧修復(fù)空間、前牙美學(xué)、位、髁突在關(guān)節(jié)窩內(nèi)的安全位置。本方法創(chuàng)新性地融入了個性化動態(tài)咬合運動數(shù)據(jù)，打破了原有的靜態(tài)三維虛擬患者及平均值架模式，且可以對接計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造（computer-aided design and computer-aided man‐ufacturing，CAD/CAM）設(shè)備制作修復(fù)體，降低了咬合重建的技術(shù)敏感性，以期為數(shù)字化口腔固定修復(fù)提供更佳的解決方案。

1 材料和方法

1.1 多模態(tài)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)融合建立四維虛擬牙科患者

1.1.1 獲取口內(nèi)牙列掃描 首先利用口內(nèi)掃描儀3shape Trios3（3shape 公司，丹麥）對患者進行牙列的掃描（圖1），以獲得原始牙列的三維表面模型及靜態(tài)最大牙尖交錯位咬合關(guān)系，保存為STL格式（stereolithography，立體光刻格式，一種通用的3D 文件格式），記為STL-牙列。該數(shù)據(jù)易于獲取，成本低，可較直觀地分析牙列靜態(tài)的咬合情況。

圖1 3shape獲取口內(nèi)掃描模型Fig 1 3shape obtains the intraoral scan model

1.1.2 獲取CBCT 數(shù)據(jù)并進行三維重建 使用3D Accuitomo 170（Morita 公司，日本）獲取患者大視野牙尖交錯位的CBCT數(shù)據(jù)，其涵蓋了兩側(cè)完整顳下頜關(guān)節(jié)、骨性眶下緣及頜骨影像，轉(zhuǎn)為Dicom格式（Digital Imaging and Communications in Medi‐cine）后利用Invesiliu 軟件[7]（Invesalius 3.1，用于重建計算機斷層掃描和磁共振圖像的開源軟件）調(diào)整理想表面灰度閾值，隨后手動優(yōu)化髁突輪廓，以便能夠自動重建髁突表面，建立上下頜骨的三維表面模型并保存為STL-頜骨，為口內(nèi)掃描與頜骨三維表面模型的數(shù)據(jù)融合打下基礎(chǔ)（圖2）。

1.1.3 口內(nèi)掃描與頜骨三維模型配準 將STL-牙列與STL-頜骨數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXOCAD 軟件（Exocad GmbH 公司，德國），在“匹配網(wǎng)格”模塊中，利用特殊標志點匹配的方法將口內(nèi)掃描與頜骨三維表面模型進行配準及分割，使頜骨表面模型獲得與牙列一致的空間坐標系，分別保存處理后的上下頜骨表面模型（圖3），至此，獲得了集合上下頜骨CBCT 與高精度口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)二者優(yōu)點的結(jié)合體。

圖3 頜骨三維表面模型與口內(nèi)掃描的配準與分割Fig 3 Registration and segmentation of jaw surface model and intraoral scan

1.1.4 動態(tài)咬合數(shù)據(jù)的融合 在光學(xué)傳感式下頜運動分析系統(tǒng)（MODJAW 公司，法國）中導(dǎo)入上述匹配好的頜骨與牙列數(shù)據(jù)后，將與MODJAW 配套使用的頭戴式光學(xué)信號接收器戴于患者頭部以定位上頜位置，下頜光學(xué)接收器置于下頜牙列頰側(cè)，確保放置位置不影響咬合、不造成干擾的情況下利用光固化流體樹脂粘接固位，以此接收并記錄下頜運動軌跡（圖4）。使用配套的光學(xué)信號接收筆將患者口內(nèi)真實牙列與模型數(shù)據(jù)配準后，記錄自然頭位下的個性化平面并囑患者進行下頜運動，包括但不限于前伸、側(cè)方、大張口、小開閉口運動等，MODJAW 平臺上可顯示并同步實時記錄下頜骨運動狀態(tài)、顳下頜關(guān)節(jié)真實運動、咬合接觸點等。患者離開后尚可拖動進度條逐幀、慢速回放操控下頜運動（圖5），給臨床醫(yī)生提供了極其便捷的參考。

圖4 光學(xué)傳感式電子面弓裝置佩戴Fig 4 Wearing of the optical sensing electronic facebow device

圖5 操控虛擬牙科患者進行前伸及開閉口運動Fig 5 Manipulating the virtual dental patient to perform forward and open mouth movements

1.1.5 口外面部掃描（extral-oral face scan，EOS）數(shù)據(jù)的融入 將建立三維虛擬患者時使用的口腔掃描結(jié)果和面部掃描結(jié)果匹配方法應(yīng)用于此，即可將EOS 數(shù)據(jù)與處理好的頜骨及牙列數(shù)據(jù)相融合[8]。具體為：將涂有咬合記錄硅橡膠的叉置于患者上牙列后進行面部掃描，然后取患者自然微笑狀態(tài)下的面部掃描，利用帶有咬合記錄的叉為中介，在EXOCAD 中將牙列掃描模型以及面部掃描進行匹配。至此，完成“皮相”與“骨相”的融合，獲得最終的四維虛擬牙科患者（圖6）。

圖6 四維虛擬牙科患者Fig 6 4D virtual dental patient

1.2 數(shù)字化咬合分析及頜位關(guān)系確定

四維虛擬牙科患者創(chuàng)建完成后，可在該虛擬患者的任意角度進行觀察，分析靜態(tài)咬合、動態(tài)引導(dǎo)、咬合面積等，還可從矢狀面、冠狀面、水平面觀察髁突運動過程中的移位軌跡路線及范圍，快速分析其軌跡特征、重復(fù)情況等，數(shù)字化面弓實時自動計算Bennet角（Bennet angle）、髁導(dǎo)斜度（condylar inclination，CI）、偏轉(zhuǎn)角（shift angle）、迅即側(cè)移（immediate side shift，ISS）等可評價髁突功能狀態(tài)的量化指標，從而獲取髁突功能運動、牙列咬合接觸狀況等信息。

利用四維虛擬牙科患者可視化、可操縱的特性進行抬高咬合垂直距離尋找新的頜位。記錄患者下頜運動軌跡時使患者咀嚼肌去程序化，囑其進行重復(fù)性小范圍開閉口運動，運動過程中髁突在一定范圍內(nèi)在關(guān)節(jié)窩內(nèi)轉(zhuǎn)動而無滑動，以關(guān)節(jié)向前下滑動初始時為最大開口臨界點，在此頜位范圍內(nèi)模擬升高咬合垂直距離，尋找咬合重建中下頜新位置（圖7）。確定好頜位后，即可導(dǎo)出數(shù)據(jù)對接CAD/CAM 設(shè)備，融入口外面部掃描進行數(shù)字化美學(xué)蠟型設(shè)計。患者戴用打印的臨時修復(fù)體2～3 個月，每2～3 周進行一次隨訪，觀察詢問患者使用感受，如咀嚼是否有力、關(guān)節(jié)肌肉是否有酸痛跡象、睡眠狀況等。此外，每次隨訪需要對患者進行檢查，觀察患者咬合是否穩(wěn)定，前伸、側(cè)方運動時引導(dǎo)是否順滑，全牙列咬合接觸是否均勻。若出現(xiàn)不滿意的情況，可在4D 虛擬患者上重新選擇頜位并設(shè)計臨時義齒，由于有坐標系的參考，新頜位與舊頜位的對比是可視化的，可重新模擬調(diào)整治療頜位，無需患者再次就診，減少了就診次數(shù)。

圖7 保證修復(fù)空間與顳下頜關(guān)節(jié)安全的情況下虛擬升高咬合垂直距離Fig 7 Virtually elevated vertical occlusal dimension under the condition that the repair space and temporomandibular joint are safe

1.3 臨時修復(fù)體佩戴及頜位調(diào)整

圖8 可拆卸臨時修復(fù)體Fig 8 Removable temporary restoration

1.4 永久修復(fù)階段

在咬合重建時，患者適應(yīng)臨時修復(fù)體3 個月后，需要進行二次光學(xué)傳感式電子面弓記錄以獲取現(xiàn)有個性化下頜運動軌跡參數(shù)，分前牙、后牙兩部分進行牙體預(yù)備。將預(yù)備完成后的牙列掃描數(shù)據(jù)與術(shù)前設(shè)計掃描模型在EXOCAD 軟件內(nèi)匹配，提取復(fù)制面外形高點與形態(tài)，導(dǎo)入第2次動態(tài)咬合數(shù)據(jù)進行虛擬調(diào)，對接數(shù)字化切削設(shè)備切削氧化鋯全解剖冠，完成最終修復(fù)體的制作（圖9）。

圖9 永久修復(fù)體的匹配、設(shè)計與調(diào)Fig 9 Matching,design and occlusion of permanent restorations

2 結(jié)果

通過多模態(tài)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)融合及CAD/CAM 設(shè)備的對接，得到了可視化、可操控的四維虛擬牙科患者，建立了數(shù)字化升高咬合垂直距離的系統(tǒng)化流程，使咬合重建的固定修復(fù)技術(shù)更加便捷與安全。利用本研究方法升高了3個重度磨耗患者的咬合垂直距離，均表示感覺良好，無明顯抬高感，無關(guān)節(jié)疼痛或肌肉酸痛等癥狀。典型病例的修復(fù)案例見圖10。

圖10 基于此方法升高咬合垂直距離進行咬合重建的典型病例Fig 10 A typical case of occlusal reconstruction based on this method to raise the occlusal vertical dimension

3 討論

在口腔臨床中，升高患者喪失的咬合垂直距離的傳統(tǒng)方法多為手法定位下頜及髁突位置，對醫(yī)師的經(jīng)驗要求苛刻，操作技術(shù)敏感性高，因此無法大范圍的傳授及推廣。隨著一系列數(shù)字化口腔輔助設(shè)備的應(yīng)運而生，建立虛擬牙科患者已是可行的目標[10]。全程數(shù)字化（completely digital de‐sign/completely digital manufacture，CDD/CDM）這一概念及技術(shù)的誕生，使得全口咬合重建的技術(shù)得以革新。全程數(shù)字化修復(fù)即口內(nèi)掃描后直接進行修復(fù)體的數(shù)字化設(shè)計，3D 打印臨時修復(fù)體，口內(nèi)試戴并調(diào)，然后再次進行口內(nèi)掃描，全數(shù)字化設(shè)計，制作最終修復(fù)體[11]。但上訴步驟修復(fù)體的咬合設(shè)計仍然是靜態(tài)的、采用平均值而非個性化的，本研究基于多模態(tài)融合創(chuàng)建的四維虛擬牙科患者，除了包括三維空間坐標中的靜態(tài)可視化患者外，還借助下頜運動分析系統(tǒng)加入了患者真實的、個性化的咬合運動軌跡與平面，并將之融合為完整、流暢、真實的運動圖像，解決了患者真實的動態(tài)運動軌跡與修復(fù)體設(shè)計缺乏關(guān)聯(lián)的問題。

咬合重建前對顳下頜關(guān)節(jié)的狀況判斷是必不可少的一環(huán)。研究[12]表明，CBCT 對于顳下頜關(guān)節(jié)骨質(zhì)改變、關(guān)節(jié)間隙異常、關(guān)節(jié)盤移位等顳下頜關(guān)節(jié)疾病有良好的診斷意義。除影像學(xué)檢查外，動態(tài)咬合及髁突運動軌跡分析也可輔助診斷部分顳下頜關(guān)節(jié)疾病[13]。本研究將CBCT重建后的頜骨與下頜運動軌跡融合觀察顳下頜關(guān)節(jié)運動狀態(tài)可輔助診斷某些顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病，提示患者是否需要配合一些其他治療而非單純的咬合重建。若對非咬合垂直距離喪失導(dǎo)致的TMD 貿(mào)然進行咬合重建可能會加重病情。若患者髁突運動軌跡可重復(fù)性較高、無明顯抖動、絞索，且抬高咬合垂直距離獲取最小修復(fù)空間時，髁突仍處于關(guān)節(jié)窩內(nèi)、周圍關(guān)節(jié)間隙正常，即可考慮進行咬合重建。需要排除的是當(dāng)獲取最小修復(fù)空間抬高咬合垂直距離時，髁突已經(jīng)部分或全部滑出關(guān)節(jié)窩范圍，或抬高后髁突周圍關(guān)節(jié)間隙不均衡、差異大、某處關(guān)節(jié)間隙特別狹窄的情況；若觀察到髁突運動可重復(fù)性低、抖動強烈、運動范圍受限等異常，需要結(jié)合其他手段確診是否有器質(zhì)性病變。

經(jīng)過多模態(tài)數(shù)據(jù)融合后，可精準顯示下頜任意牙位升高的距離，這樣既保證了顳下頜關(guān)節(jié)的安全性，又有足夠固定義齒修復(fù)空間。循證醫(yī)學(xué)證據(jù)[14]表明，咬合重建患者需要升高的咬合垂直距離平均為3 mm，在1～9 mm 的范圍內(nèi)是相對比較安全的。

此外，數(shù)字化修復(fù)中的精度問題一直備受關(guān)注。數(shù)字化印模是多模態(tài)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)融合過程中的基礎(chǔ)元素之一，獲得的信息便于儲存且可降低模型變形的概率[15]。基于CBCT數(shù)據(jù)的髁突三維重建的半自動分割方法重建出的髁突精確性、可重復(fù)性都較好，能充分跟蹤骨組織的形態(tài)學(xué)變化[16]。雖然基于大視野CBCT 三維重建的表面模型涵蓋了上下牙列數(shù)據(jù)，但是口內(nèi)掃描牙列的精度及準確度仍然遠遠高于CBCT。因此，將二者數(shù)據(jù)融合，即可獲得擁有高精度的牙列模型和顱面部硬組織、顳下頜關(guān)節(jié)整體大局觀的融合產(chǎn)物。匹配后可通過剖面圖觀察口內(nèi)掃描與CBCT重疊是否良好，基本上可以達到臨床牙冠各面重疊或偏差小于0.5 mm。該多模態(tài)融合的四維虛擬患者數(shù)據(jù)對接CAD/CAM 簡便快捷，其他電子面弓數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXOCAD 軟件后，都需要上虛擬架重新調(diào)整平面。而MODJAW 中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)自帶個性化平面，無需上平均值虛擬架，避免二次調(diào)整所帶來的誤差。

咬合重建需要從最終美學(xué)重建的目標逆向出發(fā)，將功能與美學(xué)相協(xié)調(diào)[17]。口外面部掃描的加入，有利于醫(yī)技聯(lián)合，按照以面部美學(xué)以及前牙美學(xué)四要素[18]為引導(dǎo)的方案進行多學(xué)科聯(lián)合設(shè)計。數(shù)字化設(shè)計暫時修復(fù)體面形態(tài)有利于達到可預(yù)測的功能和美學(xué)效果，同時降低了調(diào)難度[19]。此方法設(shè)計的可拆卸臨時冠橋，比傳統(tǒng)mock up流體樹脂粘接恢復(fù)牙齒形態(tài)的方法更加便捷，若出現(xiàn)不適隨時可拆卸，對牙齒零損傷，保證了患者的牙周健康。因此，不管是在術(shù)前、術(shù)中還是術(shù)后，本研究方法都兼顧了功能、健康與美學(xué)的平衡。

但是此方法仍有一些局限性，如數(shù)字化設(shè)備成本較高，難以廣泛普及；患者口頜面部功能情況不一，需要醫(yī)師根據(jù)具體情況靈活調(diào)整數(shù)字化咬合重建步驟等。綜上所述，本研究所介紹的數(shù)字化咬合重建方案具有可視化、個性化、實用性、開放性強等優(yōu)點，具有系統(tǒng)性的建立路徑，突破了靜態(tài)數(shù)字化修復(fù)模式，兼顧了美學(xué)與功能的全局修復(fù)，改善了醫(yī)患溝通壁壘，有利于多學(xué)科之間的合作以獲得更加滿意的治療效果，也為臨床醫(yī)生提供了一定的參考。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。