計算機(jī)數(shù)控銑削技術(shù)對不同牙預(yù)備體的鈦金屬冠三維適合性的影響

喻娜，陳劍，譚發(fā)兵，周后祺，王鵬

（1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)工藝科，重慶 400015；2.口腔疾病與生物醫(yī)學(xué)重慶市重點實驗室，重慶 400015；3.重慶市高校市級口腔生物醫(yī)學(xué)工程重點實驗室，重慶 400015；4.重慶市藥品技術(shù)審評認(rèn)證中心醫(yī)療器械生產(chǎn)審查科，重慶 401120；5.重慶晶美義齒制作有限公司，重慶 400015）

盡管全瓷修復(fù)體已經(jīng)在牙科領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但對于磨牙癥或咬合空間不足的患者，金屬修復(fù)體仍具有不可替代的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的金屬修復(fù)體主要采用失蠟鑄造工藝制作，容易出現(xiàn)鑄造不全、鑄孔和金屬瘤子等問題［1］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于計算機(jī)輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）的計算機(jī)數(shù)控（computer numerical control，CNC）銑削技術(shù)逐漸被用于制作金屬修復(fù)體。CNC銑削技術(shù)結(jié)合了CAD和銑削加工2個數(shù)字化工作流程。研究［2］發(fā)現(xiàn)，這些數(shù)字化生產(chǎn)過程易產(chǎn)生誤差，可能影響最終修復(fù)體的精確度和可重復(fù)性。

研究［3-4］發(fā)現(xiàn)，牙預(yù)備體設(shè)計會對修復(fù)體的適合性產(chǎn)生顯著影響。然而，到目前為止，仍缺乏CNC銑削技術(shù)中CAD和銑削步驟對鈦金屬冠三維適合性影響的研究。本研究在先前的研究基礎(chǔ)上，通過CNC銑削技術(shù)制作不同牙預(yù)備體的鈦金屬冠，采用Studio軟件半定量和定量評價其三維適合性偏差，以明確CAD和CNC銑削步驟對不同牙預(yù)備體的鈦金屬冠三維適合性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

Imageware 13.2軟件（美國EDS公司），Studio Wrap 2015軟件（德國Geomagic 公司），Dental system牙科設(shè)計軟件、E4模型掃描儀（丹麥3Shape A/S公司），308B 6軸5聯(lián)動加工單元（瑞士威力銘-馬科黛爾公司），齒科純鈦圓盤（南通今日高科技新材料股份有限公司），噴砂機(jī)（德國Hager &Werken 公司）

1.2 方法

1.2.1 構(gòu)建不同形態(tài)的牙預(yù)備體數(shù)據(jù)：參照先前的研究［4-5］，將高4.5 mm、聚合度6°、肩臺0.80 mm寬的上頜第一磨牙標(biāo)準(zhǔn)預(yù)備體在Imageware軟件中重新設(shè)計構(gòu)造，得到深凹形、135°、羽狀、90°翹邊、尖銳線角共5種形態(tài)的牙預(yù)備體數(shù)據(jù)。與深凹形組相比，135°、羽狀、90°翹邊3種預(yù)備體只改變邊緣形態(tài)，尖銳線角組則保留深凹形邊緣不變，只改變內(nèi)部線角，形成0.5 mm突出［5］。每種牙預(yù)備體的詳細(xì)信息見圖1，數(shù)據(jù)保存為STL格式備用。

圖1 5種牙預(yù)備體設(shè)計圖Fig.1 The design drawing of five types of tooth preparations

1.2.2 牙冠設(shè)計：將5種牙預(yù)備體數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)牙科設(shè)計軟件中，每組設(shè)計10個牙冠數(shù)據(jù)。牙冠設(shè)計參數(shù)如下：邊緣線補(bǔ)償0.15 mm，補(bǔ)償角度65°，延伸補(bǔ)償0.15 mm。最薄厚度0.50 mm，內(nèi)部粘接間隙50 μm，邊緣粘接間隙30 μm，頸緣到邊緣線的距離0.80 mm，平滑距離0.20 mm，選擇“移除倒凹”。最后將牙冠數(shù)據(jù)保存為STL格式備用。

1.2.3 牙冠加工制作：將牙冠數(shù)據(jù)導(dǎo)入6軸5聯(lián)動多工序加工中心，定位精度5 μm，各直線軸分辨率1 μm。根據(jù)設(shè)備的廠家說明銑削得到各組牙冠實物，選擇球頭刀具，規(guī)格尺寸分別為R2.0L 15 mm（T1）、R1.0L 12 mm（T5）、R0.5L 8 mm（T7），每加工完成一組牙冠更換新刀具。刀具對應(yīng)加工策略：T1進(jìn)行毛坯粗加工，S=18 000 r/min，F(xiàn)=2 000 mm/min；T5進(jìn)行優(yōu)化半精加工，S=18 000 r/min，F(xiàn)=1 000 mm/min；T7進(jìn)行精加工，S=18 000 r/min，F(xiàn)=800 mm/min；T5最后切斷支撐，S=18 000 r/min，F(xiàn)=1 000 mm/min；選擇圓盤夾具，純鈦金屬盤料厚度16 mm，直徑98 mm；排版時將牙冠凹面（粘接面）朝上，與純鈦圓盤平面保持垂直角度，設(shè)定加工模式為自動加工，進(jìn)給速度100%。銑削完成后，將牙冠凹面（粘接面）在噴砂機(jī)中用50 μm Al2O3顆粒在0.5 MPa氣壓條件下噴砂處理30 s，以獲取掃描數(shù)據(jù)。

1.2.4 數(shù)據(jù)獲取與配準(zhǔn)分析：

1.2.4.1 牙冠粘接面數(shù)據(jù)獲取 根據(jù)廠家說明，采用E4模型掃描儀（說明書標(biāo)示ISO標(biāo)準(zhǔn)掃描精度為4 μm）掃描鈦金屬冠凹面，獲取牙冠實物數(shù)據(jù)。為確保每個牙冠的掃描條件（角度和位置）相同，掃描前用橡皮泥將牙冠固定在掃描盤上，凹面保持向上并垂直于底座平面。每組掃描得到10個清晰、完整的牙冠實物數(shù)據(jù)。

1.2.4.2 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與評價 將牙冠設(shè)計數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Studio軟件中，與對應(yīng)的牙預(yù)備體數(shù)據(jù)進(jìn)行“最佳擬合計算”。其中，牙冠設(shè)計數(shù)據(jù)與牙預(yù)備體數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)結(jié)果，代表CAD步驟對牙冠適合性的影響；牙冠實物數(shù)據(jù)與牙預(yù)備體數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)結(jié)果，代表CAD和CNC銑削2個步驟對牙冠適合性的綜合影響。上述2個過程配準(zhǔn)結(jié)果的差值，代表CNC銑削步驟本身對牙冠適合性的影響。詳細(xì)過程的示意圖見圖2。

圖2 鈦金屬冠三維適合性評價示意圖Fig.2 Schematic diagram for evaluating the three-dimensional fit of titanium crown

采用顏色偏差圖半定量評價牙冠的適合性偏差程度。正值偏差表示外向遠(yuǎn)離牙預(yù)備體表面的距離（牙冠較大），負(fù)值偏差表示內(nèi)向遠(yuǎn)離牙預(yù)備體表面的距離（牙冠較小）。同時，采用均方根誤差（root mean square error，RMSE）定量評價牙冠與牙預(yù)備體間的適合性偏差。

其中，x1，i為牙預(yù)備體（參考）上的測量點i，x2，i為牙冠粘接面（測試）上的測量點i，n為每個樣本上測量點的總數(shù)。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。計量資料以表示。數(shù)據(jù)若方差齊且服從正態(tài)分布，采用單因素方差分析進(jìn)行比較。若組間存在差異，采用Tukey檢驗進(jìn)行多重比較。非正態(tài)分布或異質(zhì)性分布的樣本，采用Kruskal-WallisH檢驗進(jìn)行比較。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 CAD和銑削步驟中各設(shè)計組牙冠三維適合性的半定量分析

經(jīng)CAD步驟后，5個設(shè)計組的顏色偏差圖不完全相同（圖3A）。深凹形、羽狀、尖銳線角組的邊緣區(qū)域顏色偏差圖相似，均為-15～15 μm的綠色，但135°與90°翹邊組則主要表現(xiàn)為-30～-15 μm的淺藍(lán)色。5個設(shè)計組的牙合面均呈現(xiàn)出-15～15 μm的綠色，但軸面區(qū)域則為15～60 μm的黃色正偏移。其中，深凹形、羽狀組為15～30 μm偏移的黃色，而135°、90°翹邊、尖銳線角組為淺黃（15～30 μm）和深黃色（30～60 μm）相間分布狀態(tài)。

經(jīng)CAD和銑削步驟后，5個設(shè)計組的顏色偏差圖發(fā)生了變化（圖3B）。其中，深凹形、135°、羽狀組的邊緣和內(nèi)部顏色偏差以綠色為主，相間少量黃色分布，但90°翹邊組的邊緣（正負(fù)偏移的黃色與藍(lán)色相間分布）和內(nèi)部（軸面呈大面積藍(lán)色負(fù)偏移，范圍-90～-15 μm）與其他組相比明顯不同。此外，在尖銳線角組的內(nèi)部尖銳線角處，還可見顯著的藍(lán)色負(fù)偏移（范圍-90～-30 μm）分布。

圖3 5個牙預(yù)備體設(shè)計組牙冠的典型顏色偏差圖Fig.3 The typical color-coded images of the five types of titanium crowns

結(jié)果顯示，與設(shè)計步驟的顏色偏移狀態(tài)相比，經(jīng)銑削步驟后的5個設(shè)計組顏色偏差發(fā)生了變化，90°翹邊組的顏色偏差變化最顯著。

2.2 CAD和銑削步驟中各設(shè)計組牙冠三維適合性的定量分析

CAD步驟對各設(shè)計組的適合性影響不完全相同（H=37.401，P＜0.001），RMSE均值范圍為27.99～31.01 μm。其中，90°翹邊組和135°組的RMSE 分別為（31.01±0.32）μm和（30.08±0.29）μm，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），但與深凹形、羽狀、尖銳線角組比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。見表1。

經(jīng)CAD和銑削步驟后，各設(shè)計組的適合性偏差也明顯不同（F=78.436，P＜0.001），RMSE均值范圍為22.62～55.20 μm。其中90°翹邊組的RMSE最大，為（31.01±0.32）μm，與其他4個設(shè)計組比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）；其他4個設(shè)計組兩兩比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。

銑削步驟中，各設(shè)計組的RMSE均值范圍為-6.26～24.19 μm。各設(shè)計組的適合性偏差有顯著差異（F=71.628，P＜0.001），其中，90°翹邊組的RMSE為（24.19±7.48）μm，較其他組大，差異有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.01）；其他4個設(shè)計組兩兩比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。

此外，銑削步驟對各設(shè)計組的適合性偏差影響程度較CAD步驟小，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）?？傮w上，銑削步驟減少了深凹形、135°、羽狀、尖銳線角4個設(shè)計組的適合性偏差，但增加了90°翹邊組的適合性偏差。見表1。

表1 各設(shè)計組牙冠的RMSE比較（n=10，，μm）Tab.1 Comparison of the RMSE values of crowns between the five design groups（n=10，，μm）

表1 各設(shè)計組牙冠的RMSE比較（n=10，，μm）Tab.1 Comparison of the RMSE values of crowns between the five design groups（n=10，，μm）

1）P＜0.05 vs chamfer；2）P＜0.05 vs 135°；3）P＜0.05 vs feather；4）P＜0.05 vs 90° with lipped margins；5）P＜0.05 vs CAD；6）P＜0.05 vs CAD +milling.

3 討論

以往的研究［6-8］多采用印模、掃描電子顯微鏡或微計算機(jī)顯微斷層技術(shù)等方式評價修復(fù)體的適合性，存在試件破壞、有限的測量點和間接數(shù)據(jù)采集等局限性。本研究采用Studio 軟件最佳擬合計算后的顏色偏差圖（半定量）和各空間點距離的RMSE（定量），評估鈦金屬冠的適合性。顏色偏差圖可以顯示牙冠各部位的正負(fù)偏移狀態(tài)，可以彌補(bǔ)只提供RMSE的局限。本研究發(fā)現(xiàn)，CAD或銑削步驟均易對鈦金屬冠三維適合性產(chǎn)生影響，且影響程度因預(yù)備體形態(tài)而存在差異。

CAD步驟是修復(fù)體加工前的第一個重要工作流程，以往很少有研究關(guān)注其對修復(fù)體適合性的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，90°翹邊組與135°組相比RMSE的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），但與深凹形、羽狀、尖銳線角組相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。在牙冠的CAD過程中，需要先提取邊緣特征線，然后根據(jù)閉合的邊緣特征線，沿牙預(yù)備體表面數(shù)據(jù)的徑向和軸向生成所需的修復(fù)體數(shù)據(jù)。在這一過程中，邊緣特征線的提取是關(guān)鍵步驟，它包括三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)預(yù)處理、估算網(wǎng)格點曲率、搜索關(guān)鍵特征點和劃分特征區(qū)域等流程［9］。面對薄邊或鋒銳線角等曲率變化較大的表面特征時，設(shè)計軟件通常會自動計算補(bǔ)償或進(jìn)行一定的平滑處理，經(jīng)軟件補(bǔ)償或平滑處理后的修復(fù)體與預(yù)備體表面可能出現(xiàn)較大的偏差［10］。本研究中，90°翹邊設(shè)計為曲率變化較大的設(shè)計，這種偏差不僅會影響生成的修復(fù)體質(zhì)量，還可能對后續(xù)銑削加工的工作流程帶來不利影響。

CNC銑削加工步驟是繼CAD后的第二個重要工作流程。本研究發(fā)現(xiàn)，銑削步驟在一定程度上減少了深凹形、135°、羽狀、尖銳線角4個設(shè)計組的適合性偏差，但進(jìn)一步增加了90°翹邊組的適合性偏差。在CNC銑削技術(shù)中，定期更換銑削刀具、編寫合理的加工路徑以及調(diào)節(jié)合適的進(jìn)給速度均可以改進(jìn)加工效果，但銑削刀具的形態(tài)是制約銑削物件幾何形狀、粗糙度和曲面尺寸誤差的主要因素［11-12］。牙預(yù)備體上的凸起將導(dǎo)致修復(fù)體內(nèi)表面相應(yīng)位置出現(xiàn)凹表面，反之將出現(xiàn)凸表面。如果銑削刀具本身的半徑大于銑削凹表面的半徑或加工路徑補(bǔ)償過多，銑削過程將出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致修復(fù)體內(nèi)表面過大。反之，如果銑削刀具本身的半徑小于銑削表面凸起的半徑或加工路徑限制補(bǔ)償，可能會導(dǎo)致切削量不足［2］。本研究中，90°翹邊設(shè)計顯示了更大的適合性偏差，而內(nèi)部尖銳線角設(shè)計則無明顯體現(xiàn)，主要原因可能與尖銳線角表面點云的數(shù)據(jù)量較少有關(guān)。提示與傳統(tǒng)手工制作技術(shù)相比，在CAD步驟中預(yù)設(shè)較小粘接空間（邊緣30 μm，內(nèi)部50 μm）情況下，牙預(yù)備體上較小的尖銳線角凸起量（0.5 mm）可能不會對牙冠的適合性偏差造成顯著影響。下一步的研究還應(yīng)繼續(xù)探討尖銳線角凸起量與CAD步驟中粘接層設(shè)計或車針補(bǔ)償量之間的關(guān)系。但為避免曲率強(qiáng)變的牙預(yù)備體表面對CAD及后續(xù)銑削加工步驟帶來的不利影響，建議臨床上仍應(yīng)避免薄壁弱尖這類曲率變化較大的牙預(yù)備體設(shè)計。

同時，本研究還發(fā)現(xiàn)，與CAD步驟相比，經(jīng)銑削步驟后各設(shè)計組的顏色偏差發(fā)生了明顯變化，尤其是90°翹邊組。事實上，本研究經(jīng)銑削步驟后的鈦金屬冠適合性偏差是CAD和銑削2個步驟疊加或抵消的結(jié)果。這2個步驟對牙冠適合性偏差可能產(chǎn)生同向疊加影響，也可能產(chǎn)生正負(fù)抵消效應(yīng)，且這種效應(yīng)因牙預(yù)備體設(shè)計形態(tài)而不同。本研究中90°翹邊組總體上體現(xiàn)的是CAD和銑削2個步驟的正偏移疊加效應(yīng)，而其余4個設(shè)計組則反映了2個步驟正負(fù)偏移抵消效應(yīng)。

目前，大多學(xué)者認(rèn)為固定修復(fù)體邊緣間隙＜120 μm、內(nèi)部間隙在200～300 μm是臨床可接受的［4，13］。本研究發(fā)現(xiàn)，各設(shè)計組在CAD步驟（＜35 μm）、銑削步驟（＜25 μm）以及經(jīng)CAD和銑削步驟后（＜60 μm）獲得的適合性偏差值均小于以往研究［4，13-14］報道的臨床可接受適合性間隙值。本研究結(jié)果可能與CAD步驟預(yù)設(shè)的粘接值（邊緣30 μm，內(nèi)部50 μm）有一定關(guān)系。有研究［15］發(fā)現(xiàn)，調(diào)整CAD步驟間隙值設(shè)置可以改變修復(fù)體各部位的適合性間隙值。此外，本研究采用了軟件數(shù)字點云（10萬個數(shù)據(jù)點以上）的“最佳擬合計算”后的顏色和RMSE代表虛擬適合性差異，這種數(shù)字點云的排列有將牙預(yù)備體與牙冠距離數(shù)學(xué)最小化的固有趨勢。而在實際的粘接層研究中，位于牙冠邊緣或內(nèi)部的任何物理“障礙點”都會將牙冠與預(yù)備體的不匹配放大成粘接層厚度，而這些障礙點通常在修復(fù)體臨床粘接前需要磨除［2］。

本研究還存在一些不足。首先，為獲得加工完成牙冠粘接面數(shù)據(jù)，研究中各設(shè)計組引入了噴砂、光學(xué)掃描等處理因素，導(dǎo)致最終牙冠的適合性偏差值是多因素共同影響的結(jié)果。其次，Studio軟件的“最佳擬合配準(zhǔn)”過程尚無法完全模擬臨床牙冠戴入牙預(yù)備體的實際“運(yùn)行軌跡”，因而得到的適合性差異值與臨床就位后的實際適合性差異可能不同。最后，本研究僅設(shè)置了一組粘接層值研究鈦金屬冠的適合性，后續(xù)還應(yīng)設(shè)置多組粘接層預(yù)設(shè)值研究CAD與加工步驟分別對修復(fù)體適合性的影響程度。

綜上所述，在本研究條件下，CNC銑削技術(shù)中的CAD或銑削步驟均易對鈦金屬冠的三維適合性產(chǎn)生影響，且影響程度因預(yù)備體形態(tài)而存在差異，但這種差異與臨床可接受的適合性偏差相比較小。