數字化微笑設計在前牙美學修復中的應用及研究進展

黃進靜，陳 洛，于海洋，甘雪琦

隨著人們物質文化生活水平不斷提高，對口腔修復治療中美的追求不斷加深，前牙美學修復由此誕生并受到越來越多研究者的關注。前牙美學修復是集牙周治療、咬合治療、生理學、美學及預防學等為一體的口腔修復技術[1]。影響前牙的美學缺陷多種多樣，包括牙體硬組織缺損、牙齒顏色不良、牙齒形態不良、牙齒排列不良、牙間隙、個別牙缺失、牙齦美學不良等[2]。近年來，出現了一種利用美學設計軟件對前牙修復進行美學設計的技術——數字化微笑設計(digital smile design，DSD)。此技術運用美學原理，借助專業制圖軟件，對采集的患者口面部數碼照片和/或掃描數據深入分析，獲取直觀修復預期判斷，方便醫生與患者進行病情溝通[3]。患者可根據模擬效果提出個性化要求，從而達到最佳美學修復效果[4]。本文對數字化微笑設計在前牙美學修復中應用的發展、設計方法、臨床應用進展進行總結，以期為美學修復的臨床工作提供依據。

1 數字化微笑設計的概念及發展

數字化微笑設計是目前前牙美學的新理念修復程序，根據國際微笑標準，采集牙齒色澤、排列、輪廓等信息，對美學參數進行設計，以達到完美的修復體外形和微笑面容[5-6]。最早介紹DSD的文章發表于2002年[7]，其特點是通過錄制患者視頻進行微笑動態分析，不同于以往在打印的照片或石膏上繪制美學參考線，臨床醫生和技術人員可使用計算機軟件，如PowerPoint(Microsoft Corp)和Photoshop(Adobe Systems Inc)[8]等在電腦屏幕中的患者照片上繪制。2008年，制定了第一個DSD協議，通過一系列面部、口外和口內照片引導[6]，將二維照片與3D數字模型合并，轉到數字化格式，以驗證和確定三維美學參數[9]，并應用數據庫里的天然牙齒形態和微笑數字掃描文件來簡化“數字蠟型”，避免受臨床醫生審美或口腔技師蠟型堆塑技能的影響，便于進行美學模擬。近年來，錐形束計算機體層掃描(CBCT)及口內外光學掃描儀的出現與技術進步，使得對口腔頜面部組織結構進行詳細3D評估成為可能，并逐漸向4D評估探索。同時，一些計算機程序和軟件可使數字化美學設計效果可視化與共享，便于修復與正畸、牙周、外科等多學科聯合治療[10]。

2 數字化微笑設計方法

2.1 數據采集

采集信息首選數碼攝影，拍攝時需要補光以拍清齒頰間隙。微笑與照相角度密切相關，拍攝時應使患者頭部穩定，相機位于固定位置，垂直于患者面部進行拍攝，可以讓患者說一段話(如：Chelsea eats cheesecake on the Chesapeake)后放松微笑[7]。但僅基于照片進行面部分析是不正確的，Tarantili等[11]研究了采用視頻記錄微笑，觀察到自發微笑平均持續時間是500 μs，這增加了照片記錄微笑的難度。Chaudhary等[12]比較了靜態攝影和視頻拍攝用于微笑分析，發現視頻記錄可為分析微笑的動態特征提供更全面的信息，但標準的數字照片便于查看，是分析修復后微笑的有效工具。3D分析需使用口內掃描儀獲取牙齦和牙齒三維數據，面部掃描儀獲取面部三維數據，3種數據整合以獲得面部軟組織和牙列三維數字模型。

2.2 數據采集

首先將患者面部照片導入DSD軟件，在軟件初始頁面中央放置兩條十字交叉線，以瞳孔連線作為水平面的參考；基于面部特征，如眉間、鼻子和下巴，確定面中線，使其不受牙齒位置、角度或牙列中線干擾。然后評估患者面部的整體比例，檢查靜息和微笑時上唇的長度，確定牙齦顯示范圍。接著檢查牙齒狀況、功能異常習慣、口腔衛生、間距。隨后將十字定位線轉移到微笑區域，進行微笑定位，以此分析牙齒和面部的相對關系[13]。3D分析則是在2D分析基礎上對三維模型上進行面部、唇齒、牙齒、牙齦等美學分析[14]。

2.3 微笑設計

上頜前牙切緣連接形成的曲線被稱為“微笑弧線”，當微笑弧線與下唇彎曲弧線平行時，才能構成協調的微笑[15]。牙齒比例受自身寬長比及在牙弓和微笑結構中排列的影響，以往口腔醫生常參考黃金比例(源于經典數學理論，比值約1.618 03∶1)[10]設計，但lvarez-lvarez等[16]的研究表明大多數專業與非專業人士認為中切牙的美學最佳寬長比為85%，側切牙和尖牙為80%。Horvath等[17]通過三維測量發現人的面部和微笑并非完全對稱，于是Silva等[18]提出“面部流線”(facial flow line, FFL)的概念，即在微笑時，畫一條連接眉間、鼻梁、人中和下巴的線，所有面部結構都相對于這條線達到和諧平衡，包括微笑時的牙齒。此外，患者的文化特征、性別、體型和年齡等因素也會影響微笑設計[19]。

基于以上規則，可在電腦上模擬修復效果，但許多患者并不能完全理解DSD上的改變，因此需要診斷蠟型與診斷飾面將其具體化(堆塑或3D打印診斷蠟型，制備硅樹脂導板，翻制診斷飾面)。此時，患者可看到真實的預估結果，對修復體大小和體積有完全的感知[20]。臨床醫生可對患者口內診斷飾面進行功能評估(如前伸、側向運動及其對語音的影響)和美學評估(微笑、下唇位置和新的牙齒設計的協調)[21]。

3 DSD技術與輔助軟件

3.1 2D-DSD技術

2D-DSD技術是將二維數碼照片導入圖片處理軟件設計，現有可用的圖片處理軟件主要有Keynote (Apple Inc)、Digital Smile System(DSS-EG Solution)及國內自主研發的ezDSD Pro(西安知北信息技術有限公司)等。2D-DSD技術對數碼照片拍攝角度要求較高，至少需拍攝兩張照片(全臉正面微笑照和上頜牙列黑背景照)，并要求兩張照片的拍攝角度完全一致，使照片中的牙齒可完全重疊，再進行下一步操作[22]。使用Keynote進行數字微笑設計由Coachman等[6]首次提出，隨著軟件升級一直延續至今。DSS有兩個版本(Easy和Pro)，其特點是患者需戴配套的眼鏡拍攝全臉正面照片，借助眼鏡參考點以正確再現比例，軟件內置9個不同牙齒表面輪廓模板，設計過程所有步驟可被記錄下來并導成PDF，方便設計者與團隊或患者溝通[23]。國內研發的軟件使用較少，但也具有較好的使用價值。吳璇等[24]通過臨床隨機對照試驗評估ezDSD Pro的臨床應用效果，發現該軟件能夠提高前牙美學修復設計效率，與PowerPoint、Photoshop、Keynote等圖形處理及演示軟件比較，ezDSD Pro具有價格便宜、應用簡便、工具實用、可量化輸出指標的優點。

2D-DSD具有以下優勢：①極佳審美分析，快速模擬治療效果[25]；②患者參與決策，提高積極性與滿意度；③加強跨學科團隊溝通，促進疑難病例多學科聯合治療；④治療計劃詳細，減小侵入性損傷。同時，2D-DSD也存在局限性：①二維分析，診斷視角覆蓋不全面；②未考慮牙-牙列-整體形態功能；③圖像轉為實體模型受技師經驗技術影響；④實體模型形態、色澤欠佳等[23]。

3.2 3D-DSD技術

3D-DSD技術現已應用于臨床并解決了部分2D-DSD存在的問題，常用軟件主要有Cerec Smile Design (Sirona Dental Systems Inc)、Smile Composer(3Shape)、Planmeca Romexis Smile Design(PRSD， Planmeca Romexis?)。Cerec Smile Design從4.2版(即Cerec SW 4.2)開始可整合到Cerec椅旁和實驗室軟件中，此軟件僅需一張正面全臉微笑照,照片導入后，軟件會自動標記16個特征點(如：眼角、鼻子和下巴)并生成帶特征點圖像，使用者可通過患者的雙眼內外眥距離校準尺寸，進行2D圖像的3D轉換，軟件特色是BioCopy CAD模式，該模式可進行直接口內掃描，生成的模型可用作最終修復體設計的1∶1參考。Smile Composer于2013年進入市場，成為Dental System 2015 CAD的一個組件，其特點是標記4個相應點后，它能自動對齊3D圖像以匹配2D照片，且它對牙齒和修復體顏色還原度高，設計效果逼真，軟件內置50多個牙齒模板，最終修復的mock-up還可通過該公司的專業數字蠟型制作技術Align&Reuse實現一對一轉換。PRSD于2015年進入市場，照片要求同Cerec Smile Design，手動對齊面部照片后，軟件會自動生成特定寬長比的牙齒輪廓，軟件含5種不同個性類型的牙齒模板，最多可設計14顆牙齒，設計庫中還納入了VITA Classical和VITA 3D-Master牙齒顏色系統，可將牙齒顏色添加到虛擬診斷蠟型中[23]。

3.3 DSD軟件對比

國內外DSD軟件數量眾多，Omar等[26]通過PUBMED和谷歌學術檢索了美學相關文獻，比較了8個常用DSD軟件(表1)：Photoshop CS6、Keynote、PRSD、Cerec SW 4.2、Aesthetic Digital Smile Design(ADSD-Dr.Valerio Bini)、Smile Designer Pro(SDP-Tasty Tech Ltd)、DSD App(DSD App LLC)、VisagiSmile(Web Motion Ltd)。發現Photoshop、Keynote和ADSD包含了最多的美學分析參數，其他軟件的面部分析功能較少，牙齦及牙齒分析功能還比較全面。DSD App、Cerec SW 4.2和PRSD可執行3D分析，后兩者還可與CAD/CAM聯用。DSD App和SDP可在手機上使用。作者認為Photoshop CS6和Keynote雖不是專門口腔美學軟件，但提供了比大多數專業DSD軟件更全面的微笑分析。然而，在決定哪個DSD程序適用于個別患者的臨床設計時，也應考慮到其他程序的功能。

表1 8個DSD程序的分析參數和評分[26]Tab.1 Analysis parameters and scores of 8 DSD programs

4 DSD在前牙美學修復中的應用進展

4.1 DSD在前牙美學修復中的應用

目前多數臨床醫師使用的還是2D-DSD。3D-DSD通過構建虛擬患者模型進行美學設計，因其對軟件設備和操作者要求高，臨床使用率不高。但有學者研究對比了3D-DSD與2D-DSD的臨床應用效果，發現3D-DSD組VAS評分顯著高于2D-DSD組[27]。Lin等[28]報告了1例上前牙外傷致釉質折斷病例，通過面部掃描、虛擬微笑設計和CAD-CAM瓷貼面修復后6個月復診，效果良好。Bryan等[29]使用2D數字照片、3D面部掃描和CBCT數據來創建3D虛擬患者，輔助虛擬診斷排牙，為患者提供了與面部特征協調的術前微笑設計方案。

雖然3D-DSD相對于2D-DSD更加形象立體，但它是靜態的，不能完全模擬患者實際生活中的修復效果，4D-DSD就可解決這一問題。Jreige等[30]報道了一種結合面部成像、口內掃描、數字化設計軟件和微笑動力學虛擬動畫的技術獲取4D虛擬患者的方式,作者拍攝了患者初始全面部微笑視頻，使用動畫軟件(Maya, Autodesk)來開發從息止位到微笑時的動態路徑，再關聯3D-DSD，進行數據渲染并生成虛擬微笑視頻。也有學者直接采用3D面部掃描儀獲得患者動態微笑過程的三維面部圖像截圖，然后使用視頻編輯軟件將連續的截圖(同方向，從閉口位到微笑位/微笑位到閉口位)轉換為動態圖像生成4D虛擬患者，進行微笑設計[31]。4D-DSD技術相比于2D-DSD和3D-DSD預測美學治療效果更加可靠，但目前研究較少，隨著時間的推移和科學技術的進步，可能成為未來應用于前牙美學修復的首選方式。

4.2 DSD在多學科聯合治療中的應用

復雜的前牙美學缺陷，如牙齦曲線不協調、臨床冠長比不良、先天或后天缺牙、斷根保留等問題不能通過單一學科解決問題，只能通過多學科綜合治療獲得理想美學修復，而DSD可在多學科聯合治療中表現出極佳的美學預測效果并增強各團隊溝通協作。李崢等[32]將3D-DSD應用于牙周修復聯合治療，采用全程數字化修復方法幫助患者達到了良好的“粉白美學”。Rojas-Vizcaya[33]的文章談到了對骨吸收不平衡的無牙頜患者采用種植手術和基于DSD的骨修整術進行全牙列修復的可能性。2018年，Stanley等[34]對一名顳下頜關節疼痛、有夜磨牙習慣伴上前牙修復體破損的男性患者應用DSD聯合CAD-CAM、瓷貼面和全冠修復進行治療，為患者重建了咬合關系、恢復了面部美學、并治療緩解了顳下頜關節紊亂病。也有學者報道對骨性Ⅱ類、下頜不對稱、牙列安氏Ⅱ類2分類、平面傾斜、Spee曲線過大、低角成年的病例，通過運用DSD聯合設計牙周、口腔外科、正畸、頜面外科和修復治療，治療后使牙齒外觀、口腔功能和面部形態取得良好效果，隨訪2年發現美學和功能均穩定[35]。

5 結 語

DSD極大地優化了傳統前牙美學修復診療流程，為多學科綜合治療開辟了新路徑，更加契合患者的個性化美學需要，應該成為每一位口腔醫師都掌握的技術。未來，治療理念、制造工藝和生物材料日新月異的發展也將不斷推動DSD在口腔美學修復中更加高效、便捷、智能的應用。