數字化與傳統制作流程對下頜全口義齒組織面精度的影響

李愷 張燕 艾林 高鵬 劉玉紅 吳玉祿

隨著我國人口老齡化的加速,無牙頜患者的體量逐漸增加。《第四次全國口腔健康流行病學調查報告》表明,我國無牙頜患者超過2100萬[1]。全口義齒修復因其價格較低,對患者口內條件要求較低等因素,仍是無牙頜患者的首選修復方式。下頜無牙頜患者通常因為其低平的牙槽嵴難以為義齒提供形態上的固位和穩定,因此要求義齒基托組織面及邊緣封閉區與黏膜緊密貼合,為義齒提供必要的固位和穩定[2]。

隨著數字化技術在口腔醫學中的應用,數字化全口義齒在臨床中推廣。與傳統全口義齒修復過程對比,數字化全口義齒修復減少了患者就診次數,提高了患者診療舒適度,是無牙頜修復發展的一個新方向[3]。但其修復流程與傳統全口義齒修復流程中各步驟對成型的基板組織面形態與口內黏膜形態偏差值得進一步研究,為數字化全口義齒更好的臨床應用提供指導。

1 材料與方法

1.1 主要實驗材料與儀器

無牙頜標準模型〔日進齒科(昆山)有限公司〕,硅橡膠(DMG化學醫藥集團公司,德國);光敏樹脂片、光固化機(山東滬鴿口腔材料股份有限公司);超硬石膏(臨汾永興醫療器械有限公司);紅蠟片(西安尚齒齒科材料有限公司);技工打磨機(天津仁合峻成科技發展有限公司);3Shape D900掃描儀(3Shape公司,丹麥);EnvisionTEC Perfactory Vida 3D樹脂打印機(Envision公司,德國);Geomagic Studio 2014 軟件(Geomagic,美國)。

1.2 實驗方法

1.2.1 試件制備 用超硬石膏灌制下頜無牙頜標準模型6 副,確定下頜個別托盤制作邊緣后制作下頜個別托盤,用于印模制取。硅橡膠輕體與重體結合制取下頜無牙頜印模。

1.2.2 傳統制作流程偏差分析 將超硬石膏灌制的6 副無牙頜標準模型與所制取的下頜無牙頜印模放入3Shape D900倉掃設備中進行掃描,掃描結果以標準三角語言(standard triangle language,stl)格式保存,所得數據導入Geomagic Studio 2014軟件。在多邊形階段對兩組數據的組織面進行最佳擬合對齊,隨后進行偏差分析,記錄標準偏差值。然后將掃描后的印模進行超硬石膏灌注,石膏模型脫模后對石膏模型進行倉掃,石膏模型組織面掃描數據同樣以stl格式保存并導入Geomagic Studio 2014軟件中,與印模組織面數據進行最佳擬合對齊與偏差分析,記錄標準偏差值。石膏模型倉掃完成后根據石膏模型制作下頜義齒基托蠟型并掃描蠟型組織面,保存為stl格式導入軟件進行最佳擬合對齊與偏差分析,記錄標準偏差值。基托蠟型掃描后進行注塑充膠,完成基托制作并掃描基托組織面,將數據保存為stl格式導入軟件進行偏差分析,記錄標準偏差值。

1.2.3 數字化制作流程誤差分析 將6副超硬石膏灌制的下頜無牙頜標準模型與所制取的下頜無牙頜印模放入倉掃設備中進行掃描,掃描結果均以stl格式保存,導入軟件進行偏差分析,記錄標準偏差值。基于下頜印模組織面形態設計下頜義齒基板。將設計好的基板進行3D打印并掃描基板組織面形態,以stl格式保存,導入軟件進行偏差分析,記錄標準偏差值。

1.3 統計學分析

將兩種不同方法各步所得到的6組標準偏差值在統計軟件(SPSS 26,IBM,USA)中進行平均值分析,兩種方法所制作的基板與標準石膏模型組織面之間偏差數據進行配對t檢驗,P<0.05為有顯著性差異。

2 結 果

2.1 傳統全口義齒制作流程各步驟偏差產生分析

將全口義齒標準模型定義為口內形態(圖1A),依據傳統全口義齒制作流程對比標準模型與印模組織面三維形態誤差(圖1B),印模組織面與灌制石膏組織面三維形態誤差(圖1C),灌制石膏模型組織面與下頜蠟基板組織面三維形態誤差(圖1D),灌制石膏組織面與樹脂成型基板組織面三維形態誤差(圖1E)以及樹脂成型基板組織面與標準模型組織面的三維形態誤差(圖1F)。制作流程中硅橡膠印模制取后印模組織面與口內三維形態對比顯示兩者之間的均方根誤差值(root mean square error,RMSE)為(61.13±7.75) μm;基于所制取印模灌制石膏模型后石膏模型組織面形態與印模組織面形態對比顯示兩者之間的均方根誤差值為(170.5±10.63) μm;石膏模型組織面與下頜基板蠟型組織面對比顯示兩者之間的均方根誤差值為(159.2±20.30) μm;灌制石膏模型組織面與樹脂成型基板組織面對比顯示兩者之間的均方根誤差值為(82.23±6.46) μm;標準模型組織面形態與樹脂成型基板組織面對比顯示兩者之間的均方根誤差值為(165.10±12.73) μm(圖2)。

圖1 傳統全口義齒制作流程偏差分析Fig 1 Deviation analysis of the traditional complete denture fabrication

圖2 傳統全口義齒制作流程中各步之間組織面三維形態的RMSEFig 2 RMSE values of the 3D morphology of tissue surface for each step in traditional complete denture fabrication process

2.2 數字化全口義齒制作流程各步驟偏差產生分析

數字化全口義齒制作中口內形態及印模制取同傳統全口義齒制作流程:基于數字化全口義齒制作流程,依據印模組織面形態通過3Shape設計軟件設計基板(圖3A);提取基板組織面形態與印模組織面形態進行三維形態誤差對比(圖3B);CAD設計基板與3D打印制作基板組織面形態對比(圖3C);3D打印基板組織面與標準石膏模型組織面形態對比(圖3D)。 6 組數據統計分析顯示印模組織面與CAD設計基板組織面三維形態的均方根誤差值為(98.46±6.18) μm;CAD設計基板的組織面與3D打印基板組織面三維形態的均方根誤差值為(108.1±5.96) μm;3D打印基板與口內形態(標準模型)組織面三維形態的均方根誤差值為(125.06±6.59) μm(圖4)。

圖3 數字化全口義齒制作流程偏差分析Fig 3 Deviation analysis of digital fabrication process for complete denture

圖4 數字化全口義齒制作流程中各步之間組織面三維形態的RMSEFig 4 RMSE values of the 3D tissue surfaces morphology for each step in digital complete denture fabrication process

兩種不同制作方法所制作的下頜全口義齒基板與同一口內形態(標準模型)組織面三維形態均方根誤差值的對比顯示,數字化制作方法所制作的義齒基板與口內形態之間的誤差小于傳統制作方法,且兩者之間的差異有顯著性差異(表1)。

表1 下頜全口義齒數字化制作方法與傳統制作方法各步驟偏差產生Tab 1 Deviation of each step of the mandibular complete denture made by digital and the traditional fabrication method

3 討 論

良好的固位和穩定是全口義齒行使咀嚼功能的前提。全口義齒的固位是指義齒抵抗其從口內垂直脫落的能力[4]。全口義齒的固位主要由基托與黏膜的緊密貼合以及邊緣封閉產生的吸附力和大氣壓力提供。影響義齒穩定的主要因素是基托與黏膜的接觸面積與密合程度[5]。下頜全口義齒與黏膜接觸面積遠小于上頜,因此下頜義齒的固位和穩定遠較上頜差。為了提高下頜全口義齒的固位和穩定,眾多國內外學者在義齒邊緣封閉區,義齒中性區的制作等方向做了大量工作[6-7]。但隨著數字化技術在口腔醫學中的廣泛應用,數字化技術已經對口腔臨床治療產生了深遠的影響。全口義齒的制作過程中,除了口內掃描獲取數字化印模精度尚需提高外,其余步驟均可進行數字化輔助設計與數字化輔助制作, 大大減少了患者的就診次數與技工操作。與傳統全口義齒相比,數字化全口義齒制作流程的簡化減少了誤差的產生,研究報道也表明,數字化流程制作的全口義齒基板與黏膜的密合程度不亞于傳統制作工藝[8]。在此共識的基礎上應進一步了解兩種方法制作全口義齒基板過程中誤差的來源,借以提高全口義齒的制作。

本實驗將下頜無牙頜標準石膏模型視為口內形態。按照傳統全口義齒修復流程分別進行了印模制取,石膏模型灌制,基托蠟型的制作以及基板的注塑。在每一步制作完成后均對組織面進行三維掃描并進行三維形貌的擬合。結果顯示,印模組織面與灌制石膏組織面之間的標準偏差最大,為(170.50±10.63) μm,其次是石膏模型組織面與基托蠟型組織面之間的標準偏差,為(159.20±20.30) μm,再次是石膏模型與注塑基板組織面之間的標準偏差,為(82.23±6.46) μm。石膏材料的收縮產生的誤差在整個制作流程中最為顯著。本實驗使用超硬石膏材料進行了模型的灌制。超硬石膏的膨脹系數(0.07%～0.085%)遠小于硬質石膏(0.1%～0.2%)與普通石膏(1.15%)[9]。模型經三維掃描計算后得出,模型最大直徑為100 mm,因此石膏模型灌制后與標準模型之間的理論偏差值在70～85 μm之間,但受石膏水粉比,調拌方法及環境等因素影響,本實驗所顯示的(170.5±10.63) μm的偏差在可接受范圍內。其次為蠟型與石膏模型之間的偏差。但無論是通過裝盒法還是通過本實驗采用的注塑法制作義齒基托,蠟型的組織面形態均不會影響基板的組織面形態[10]。因此,在實驗中僅對石膏模型與蠟型的偏差進行了分析,未進行蠟型與基板之間的偏差分析。注塑用基托樹脂有聚酰胺,丙烯酸樹脂,聚丙烯以及聚甲基丙烯酸甲酯等材料。本實驗采用了臨床常用的聚甲基丙烯酸甲酯。該材料的吸水值約為22～36 μg/mm3[11],基托與黏膜的適合性有報道為185～441 μm[12],大于本實驗所得結果。最終成型的義齒基板與標準模型之間的偏差為(165.10±12.73) μm。

鑒于無牙頜患者口內掃描精確度的局限,數字化全口義齒通常通過掃描口內印模,并基于印模組織面進行計算機輔助設計。本實驗通過數字化全口義齒制作流程各步組織面誤差的產生(圖4)表明,數字化全口義齒組織面誤差的產生有隨制作步驟的增加而累積的趨勢。隨著掃描技術的發展,當口內掃描誤差優于傳統印模誤差后,基于口內印模的全口義齒制作不僅能提高患者就診和義齒佩戴的舒適感并且能簡化義齒制作流程,降低因步驟繁瑣而累積的工藝誤差。因此,盡管口內掃描制取全口義齒印模面臨技術瓶頸,但具有減少就診次數、精簡流程、過程舒適等優勢,是現今數字化全口義齒的發展趨勢之一。

本實驗在掃描口內形態石膏模型印模組織面后,基于組織面形態進行了全口義齒基板的設計。無牙頜印模與設計基板之間的誤差為(98.46±6.18) μm,印模掃描后在3Shape設計軟件中進行基板設計過程中軟件對基板組織面進行了平滑處理,這一過程可能導致印模與基板組織面之間誤差的產生。基于設計結果進行基板的3D打印制作,打印層厚100 μm,打印用聚甲基丙烯酸甲酯吸水率約為(14.60±1.19) μg/mm3,溶解度(5.96±0.99) μg/mm3[13]。打印成型基板組織面與CAD設計數據基板組織面偏差為(108.10±5.96),最終基板組織面與標準模型組織面的偏差(125.06±6.59)與該數值接近。結果表明數字化制作方法中,打印設備和材料的性能是義齒制作過程中偏差產生主要因素。兩種不同制作方法制作成型的基板與標準模型組織面形態的偏差對比表明,數字化制作方法制作的基板組織面與標準模型組織面偏差更小。

本實驗采用了硅橡膠作為無牙頜標準模型的印模制取材料,不同于臨床常用的藻酸鹽材料。這是考慮到本實驗中印模需要完成數字化掃描后再進行工作模型的灌注,印模從制取完成到模型灌注之間時間間隔較長,與臨床工作中藻酸鹽印模材料制取模型后立即灌注不同。硅橡膠材料在較長一段時間中形態更穩定,更接近臨床中立即灌注工作模型的狀態。全口義齒的傳統制作過程不僅要求基板與黏膜良好的密合,也包括邊緣整塑與肌功能修整等提高義齒邊緣封閉區與軟組織密合度的過程。本實驗使用的掃描印模的方式得出數字化技術提高了基板制作精度,能進一步提高義齒固位和穩定,但對義齒邊緣封閉區的對比需要進一步研究。