網(wǎng)格數(shù)量簡(jiǎn)化對(duì)單冠修復(fù)體外形體積及正確度影響的研究

王馨 馬旦 劉琛 劉昱晨 白石柱

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用,數(shù)字化口腔模型的應(yīng)用逐漸取代了傳統(tǒng)的實(shí)體模型[1-2]。這種數(shù)字化模型不僅有助于減少材料浪費(fèi),還提供了更便捷的數(shù)字存儲(chǔ)和跟蹤功能,為醫(yī)生和患者提供了更便捷的服務(wù)。這些CAD模型通常以三維網(wǎng)格形式存在,由頂點(diǎn)、邊和多邊形構(gòu)成[3-4]。數(shù)字化掃描儀通過(guò)捕捉口腔內(nèi)的各種細(xì)節(jié),生成大量的頂點(diǎn)數(shù)據(jù),點(diǎn)與點(diǎn)連接成邊構(gòu)成多邊形用于構(gòu)建表面網(wǎng)格,這些多邊形以及它們的連接方式形成了口腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜表面[5]。多邊形的密度和排列方式會(huì)影響口腔模型的精細(xì)程度和正確性。簡(jiǎn)而言之,更多的細(xì)節(jié)、體積和網(wǎng)格質(zhì)量意味著三維網(wǎng)格中存在更多的多邊形,從而增加了整個(gè)三維模型文件的大小[6-7]。

在口腔修復(fù)體的設(shè)計(jì)中,幾何細(xì)節(jié)對(duì)于其臨床適合性和美觀性至關(guān)重要[1]。然而,當(dāng)使用配置較低的計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜修復(fù)體設(shè)計(jì)時(shí),可能需要更多的計(jì)算資源,這可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)性能下降,表現(xiàn)為運(yùn)行速度減緩、應(yīng)用程序響應(yīng)時(shí)間延遲和系統(tǒng)卡頓,進(jìn)而降低工作效率[6,8]。簡(jiǎn)化修復(fù)體的網(wǎng)格數(shù)量是一種提高工作效率的解決方式,但需注意的是,過(guò)度簡(jiǎn)化可能導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量下降以及修復(fù)體細(xì)節(jié)喪失。特別是對(duì)于精度要求較高的固定義齒修復(fù),可能會(huì)導(dǎo)致就位不佳、邊緣不密合、咬合不適等問(wèn)題的出現(xiàn)[9]。

本研究目的是比較不同簡(jiǎn)化比例下單冠修復(fù)體的外形正確性、體積、文件大小以及網(wǎng)格邊長(zhǎng)的變化，以幫助臨床醫(yī)生在臨床可接受的范圍內(nèi)確定最佳的簡(jiǎn)化比例，有助于為口腔修復(fù)體的數(shù)字設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，確保在保持質(zhì)量的前提下提高工作效率。零假設(shè)是在簡(jiǎn)化網(wǎng)格數(shù)量后，單冠修復(fù)體的肩臺(tái)、組織面和咬合面的正確性、體積、文件大小以及網(wǎng)格邊長(zhǎng)不會(huì)發(fā)生顯著變化。

1 材料與方法

1.1 模型選擇

從空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院數(shù)字化中心數(shù)據(jù)庫(kù)中隨機(jī)選取15 例上頜第一磨牙單冠修復(fù)體的數(shù)字化文件，以標(biāo)準(zhǔn)三角形語(yǔ)言(standard triangle language，STL)格式導(dǎo)出。以上修復(fù)體均為同一技師在牙科設(shè)計(jì)軟件 (DentalCAD，Exocad GmbH，德國(guó))中設(shè)計(jì)完成。

1.2 網(wǎng)格簡(jiǎn)化

將每個(gè)修復(fù)體單獨(dú)導(dǎo)入逆向工程軟件(Geomagic Wrap, 3DSystems, 美國(guó))中,通過(guò)多邊形簡(jiǎn)化功能減少三角形面片數(shù)量,減少至原文件的75%,然后導(dǎo)出簡(jiǎn)化后STL文件并重命名為“Crown75%”,按照相同的流程,減少面片數(shù)量至50%、 25%、 10%、 5%, 分別導(dǎo)出STL文件并記錄其文件大小。最終實(shí)驗(yàn)組共獲得了15 個(gè)修復(fù)體的75 個(gè)簡(jiǎn)化修復(fù)體文件。參考模型則是未經(jīng)簡(jiǎn)化的數(shù)字模型。

1.3 修復(fù)體網(wǎng)格邊長(zhǎng)的計(jì)算以及外形正確度的評(píng)價(jià)

在Geomagic軟件中，記錄不同簡(jiǎn)化比例修復(fù)體的體積并測(cè)量相同區(qū)域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)。在參考模型中選擇肩臺(tái)，組織面(除肩臺(tái))，咬合面區(qū)域，提取對(duì)應(yīng)的曲線。通過(guò)曲線裁剪實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?duì)應(yīng)部位。使用“3D比較”功能分別對(duì)實(shí)驗(yàn)組的肩臺(tái)、組織面(除肩臺(tái))以及咬合面區(qū)域與參考模型的相應(yīng)部位進(jìn)行偏差分析。正確度用均方根誤差(root mean square error，RMSE)值表示，RMSE被認(rèn)為是衡量?jī)蓚€(gè)3D數(shù)據(jù)之間差異的標(biāo)準(zhǔn)化變量[10]。RMSE值越小，簡(jiǎn)化后的修復(fù)體的精度越高，其計(jì)算公式為

式中x1,i為參考模型上的測(cè)量點(diǎn),x2,i為簡(jiǎn)化修復(fù)體數(shù)據(jù)上的測(cè)量點(diǎn),i,n為每個(gè)樣本上測(cè)量點(diǎn)對(duì)總數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用SPSS 25(IBM,美國(guó))軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)和Levene檢驗(yàn)分析數(shù)據(jù)正態(tài)性及方差齊性。采用單因素方差分析檢驗(yàn)分析差異,如果單因素分析顯示存在顯著差異,將進(jìn)行Tukey組間多重比較。顯著性水平設(shè)定為P<0.05。

2 結(jié) 果

不同簡(jiǎn)化比例下單冠修復(fù)體的肩臺(tái)、組織面和咬合面的3D偏差、文件大小以及網(wǎng)格邊長(zhǎng)變化如表1所示。

表1 不同簡(jiǎn)化比例修復(fù)體的體積,文件大小、網(wǎng)格邊長(zhǎng)及外形正確度的比較 (n=15)

2.1 修復(fù)體體積、文件大小以及網(wǎng)格邊長(zhǎng)

網(wǎng)格數(shù)量減少得越多,簡(jiǎn)化后修復(fù)體的體積與參考數(shù)據(jù)相比降低得越多,但其結(jié)果無(wú)顯著性差異(P>0.05)。隨著網(wǎng)格數(shù)量減少,修復(fù)體文件大小均勻的減少,網(wǎng)格邊長(zhǎng)均勻增加,且均具有顯著性差異(P<0.001)。

2.2 修復(fù)體外形的正確度

簡(jiǎn)化單冠修復(fù)體的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)修復(fù)體肩臺(tái)(P<0.001)、組織面(P<0.001)和咬合面(P<0.001)的正確度均產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)將網(wǎng)格數(shù)量簡(jiǎn)化至75%時(shí),修復(fù)體的肩臺(tái)(P<0.001)、組織面(P<0.001)和咬合面的正確度仍然較高。當(dāng)將網(wǎng)格數(shù)量簡(jiǎn)化至5%時(shí),修復(fù)體的肩臺(tái)(25.55±2.09) μm、組織面(19.76±1.55) μm和咬合面(18.18±1.69) μm的正確度最低。對(duì)不同簡(jiǎn)化比例下的修復(fù)體進(jìn)行了多重比較分析發(fā)現(xiàn),除了Crown75%與Crown50%兩組之間的修復(fù)體肩臺(tái)、組織面和咬合面的正確度沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)外,其余組間多重比較均存在顯著性差異(圖1～3)。

圖1 不同簡(jiǎn)化比例修復(fù)體在不同區(qū)域的正確度比較(含有不同字母表示組間差異顯著)

3 討 論

本研究的目標(biāo)是探究網(wǎng)格簡(jiǎn)化的比例對(duì)單冠修復(fù)體的外形正確度和體積的影響。對(duì)于修復(fù)體的體積,未發(fā)現(xiàn)顯著差異,因此接受零假設(shè)。然而,對(duì)于修復(fù)體的肩臺(tái)、組織面和咬合面的正確度,文件大小以及網(wǎng)格邊長(zhǎng),拒絕了零假設(shè),表明網(wǎng)格簡(jiǎn)化對(duì)這些方面產(chǎn)生了顯著影響。

隨著科技的不斷發(fā)展,數(shù)字化模型和修復(fù)體在口腔醫(yī)學(xué)中變得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的手工方法逐漸被數(shù)字化工作流程所取代,這使得口腔醫(yī)生和技師能夠更準(zhǔn)確、更高效地進(jìn)行口腔修復(fù)工作。為了將數(shù)字化模型的數(shù)據(jù)應(yīng)用于CAD程序,必須將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為3D模型并導(dǎo)出為適合的文件格式,如STL[11]。在口腔數(shù)字化操作中,醫(yī)生和技師追求的目標(biāo)是在數(shù)字修復(fù)體的最低分辨率下,仍能夠保持符合口腔醫(yī)學(xué)臨床標(biāo)準(zhǔn)的精確度。這種追求不僅有助于確保患者的治療和修復(fù)滿足專業(yè)要求,還考慮到當(dāng)前有限的計(jì)算機(jī)性能,以確保數(shù)字化操作的高效性。

影像學(xué)中的有損圖像壓縮通過(guò)犧牲一些圖像細(xì)節(jié)和信息來(lái)減小圖像文件的大小。這種壓縮方法依賴于分析和編碼圖像信息,刪除或減少不太重要的數(shù)據(jù),同時(shí)保留對(duì)于人眼或特定應(yīng)用而言最關(guān)鍵的信息[12-13]。同理,在數(shù)字化模型中,可以通過(guò)從網(wǎng)格中移除部分頂點(diǎn)和三角形,減小文件大小。然而含有復(fù)雜曲率和精細(xì)細(xì)節(jié)的曲面通常由密集的頂點(diǎn)組成[14]。在修復(fù)體等具有明顯特征區(qū)域周圍,例如磨牙的咬合面,通常存在高密度的頂點(diǎn),而用于表示平坦形態(tài)的區(qū)域,如牙齒的唇頰舌面,通常采用較稀疏的頂點(diǎn)密度。網(wǎng)格減少后,模型的幾何形態(tài)可能會(huì)在其原始結(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上發(fā)生變化,特別是在涉及高曲率變化的區(qū)域可能會(huì)更大。因此本研究通過(guò)減少單冠修復(fù)體三角形數(shù)量,分析網(wǎng)格簡(jiǎn)化對(duì)具有復(fù)雜曲率和精度要求嚴(yán)格的區(qū)域(肩臺(tái)、組織面和咬合面)外形正確度,體積,文件大小以及網(wǎng)格邊長(zhǎng)的影響。

本研究中,隨著網(wǎng)格數(shù)量的減少,簡(jiǎn)化后的修復(fù)體的體積相對(duì)于參考數(shù)據(jù)有所降低,但這一降低并不顯著。這意味著即使進(jìn)行了不同程度的網(wǎng)格簡(jiǎn)化,修復(fù)體的整體體積變化較小。與體積不同,網(wǎng)格簡(jiǎn)化對(duì)修復(fù)體外形的正確度產(chǎn)生了顯著影響。將三角形網(wǎng)格減小到50%的面片數(shù)量并未導(dǎo)致顯著的三維偏差且文件大小減少了接近50%。這一結(jié)果與以前的研究一致[15-17]。相比之下,Elbashti等[17]將CBCT重建的STL文件簡(jiǎn)化網(wǎng)格數(shù)量至75%時(shí)觀察到的三維偏差為7.8 μm,本研究中將STL模型網(wǎng)格數(shù)量減小到75%顯示出較小的三維偏差(咬合面0.39 μm、組織面0.69 μm、肩臺(tái)0.44 μm)。總結(jié)而言,與Elbashti等的比較顱骨的實(shí)驗(yàn)不同,對(duì)于單冠來(lái)說(shuō),小幅度減小網(wǎng)格數(shù)量對(duì)修復(fù)體的正確度影響不大。當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量大于75%,修復(fù)體的三角形數(shù)量顯著減少,網(wǎng)格面片邊長(zhǎng)增加,會(huì)導(dǎo)致在明顯特征區(qū)域處喪失細(xì)節(jié),正如圖2～3所示,這樣加工出來(lái)的修復(fù)體則可能出現(xiàn)就位不佳,咬合不適,冠邊緣不密合等問(wèn)題。這一研究為單冠修復(fù)體的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供了設(shè)置文件大小和正確度的參考。

圖2 不同簡(jiǎn)化比例修復(fù)體組織面以及肩臺(tái)部分的網(wǎng)格密度比較

圖3 不同簡(jiǎn)化比例修復(fù)體咬合面部分的網(wǎng)格密度比較

本研究局限在體外環(huán)境,未評(píng)價(jià)在口內(nèi)的臨床適合性。未來(lái)的研究可以繼續(xù)探討不同簡(jiǎn)化比例下的修復(fù)體在臨床中的實(shí)際效果,以確定最佳的簡(jiǎn)化策略。此外,還可以研究不同修復(fù)體類型在不同軟件下的簡(jiǎn)化效果,以制定更具體的網(wǎng)格簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

本研究表明在單冠修復(fù)體設(shè)計(jì)中,簡(jiǎn)化網(wǎng)格數(shù)量對(duì)修復(fù)體的整體體積影響較小,但對(duì)其正確性有顯著影響。在平衡計(jì)算需求和正確性時(shí),可以適度簡(jiǎn)化修復(fù)體模型,以減小文件大小,降低計(jì)算需求,而對(duì)單冠修復(fù)體的正確性影響相對(duì)較小。