基于初印模三维扫描的无牙颌上颌个性化托盘计算机辅助设计及三维打印

陈 虎，赵 甜，王 勇，孙玉春

(北京大学口腔医学院·口腔医院,口腔医学数字化研究中心，口腔修复教研室 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室 卫生部口腔医学计算机应用工程技术研究中心 口腔数字医学北京市重点实验室，北京 100081)



·论著·

基于初印模三维扫描的无牙颌上颌个性化托盘计算机辅助设计及三维打印

陈 虎，赵 甜，王 勇△，孙玉春△

(北京大学口腔医学院·口腔医院,口腔医学数字化研究中心，口腔修复教研室 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室 卫生部口腔医学计算机应用工程技术研究中心 口腔数字医学北京市重点实验室，北京 100081)

目的：基于红色打样膏初印模三维扫描，建立一种无牙颌个性化托盘的计算机辅助设计(computer aided design，CAD)和工艺熔融沉积制造(fused deposition modeling，FDM)制作方法，定量评价加工精度。方法：在标准上颌无牙颌石膏模型上制取红色打样膏初印模，用牙颌模型三维扫描仪扫描红色打样膏初印模，得到扫描数据，在Gemomagic 2012软件中用交互绘制曲线、局部填补空洞、局部增厚、整体偏移、整体抽壳等命令，完成提取托盘边界、填倒凹、缓冲、预留终印模三维空间和生成托盘厚度的操作，设计标准形状手柄，得到个性化托盘三维设计数据。将托盘设计数据导入与FDM三维打印设备连接的电脑系统，打印聚乳酸(polylactic acid，PLA)材质的无牙颌个性化印模托盘，用牙颌模型三维扫描仪扫描托盘整体。在Gemomagic 2012软件中，以托盘组织面为共同区域，将个性化托盘CAD数据和个性化托盘三维扫描数据进行配准，利用Imageware 13.0的点云偏差分析功能测量三维设计数据和三维扫描数据之间的偏差。扫描石膏模型得到其表面三维数据，将石膏模型数据对齐于印模数据，同时个性化托盘扫描数据对齐于个性化托盘三维设计数据，利用Imageware 13.0的点云偏差分析功能测量三维扫描数据和石膏模型数据表面的距离。结果：与CAD数据对比，加工完成的上颌个性化托盘内表面整体平均偏差为(0.17±0.20) mm，主承托区平均偏差为(0.19±0.18) mm，副承托区平均偏差为(0.17±0.22) mm，边缘封闭区平均偏差为(0.30±0.29) mm，缓冲区平均偏差为(0.08±0.06) mm；托盘内表面与石膏模型表面平均间隙大小为(1.98±0.40) mm，主承托区平均间隙量为(1.85±0.24) mm，副承托区平均间隙量为(1.86±0.26) mm，边缘封闭区平均间隙量为(1.77±0.36) mm，缓冲区平均间隙量为(2.90±0.26) mm。结论：结合红色打样膏初印模三维扫描、CAD和FDM技术，可成功实现上颌无牙颌个性化托盘的数字化设计和制作。

义齿, 全口；计算机辅助设计；工艺熔融沉积制造；个性化托盘

根据《中国口腔健康发展报告(2012)》[1]，在65～74岁年龄组受检者中牙列缺失率达到6.8%，约10 00万无牙颌患者，并且随着社会老龄化的进程牙列缺失仍将在人群中保持一定的增长比例。目前对无牙颌患者的常规修复治疗方法是采用全口义齿修复，因此临床对于全口义齿的需求及潜力仍将持续增长。全口义齿在临床诊疗中包含4个关键步骤，即印模和模型、颌位关系、义齿设计与制作，以及临床试戴，其中,印模和模型是基础，有了准确的印模和模型，全口义齿才能获得良好的固位和支持[2]。制取无牙颌印模需要满足精确的组织解剖形态、适度的伸展范围、周围组织的功能形态三方面要求[3]。根据取印模的次数分为一次印模法和二次印模法[4]。一次印模法是用合适的成品托盘及印模材一次性完成工作印模的方法，由于成品托盘常常不能与患者牙弓和牙槽嵴的形态相吻合，这种方法无法保证合适的边缘伸展和均匀的印模材厚度，难以掌握且有失准确，除了患有硬皮病、极度恶心、年老体弱等不能耐受多次取模的患者，一般较少采用[4]；二次印模法由初印模和终印模组成，首先用制作成品托盘的藻酸盐或印模膏制取初印模，灌制初模型，经过填倒凹处理后，将一定厚度(一般约2 mm)的蜡片烤软后铺在模型表面，为个性化托盘组织面和模型表面之间预留终印模材料的空间，蜡片上方再铺一层厚约2 mm的化学固化树脂或者光固化树脂，修整至适度的伸展范围，经固化后得到个性化托盘，最后再利用个性化托盘制取终印模[5]。与一次印模法相比，二次印模法易于掌握，所取的印模较为准确，但是由于增加了个性化托盘的制作步骤，操作较繁琐，费工费时，而且将软化的蜡片加压贴合到模型表面时，蜡片常常发生变形，无法为终印模预留理想的均匀空间。

随着数字化技术的发展，口腔修复中越来越多的手工操作可以通过数字化的方法进行替代，不仅节省了复杂的劳动，而且更为精确。在固定修复方面，从光学印模到计算机辅助设计，再到计算机辅助制造，已经形成了较为成熟的数字化解决方案[6-8]。然而，由于无牙颌患者全口义齿修复治疗的复杂性，目前仅有少量文献研究了全口义齿的数字化设计和制作[9-11]，在全口义齿的印模制取方面，尚缺乏数字化的方法研究。为了辅助全口义齿的印模制取，本研究尝试探索一种数字化的个性化托盘设计方法，利用三维扫描技术获取初印模组织面数据，通过计算机辅助设计技术，虚拟设计出具有合适边缘伸展并且为终印模预留均匀的三维空间的个性化托盘，最终通过三维打印技术制作出托盘实体。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

牙颌模型三维扫描仪(Activity 880，精度0.02 mm)购自德国Smartoptics公司，Replicator 2X三维打印机购自美国MakerBot公司(分层精度为0.1～0.3 mm),计算机硬件系统包括Intel®CoreTMi5-3550 处理器，内存8 GB，硬盘1 TB，优派VG920彩色显示器，逆向工程软件(Geomagic 2012)购自美国Raindrop 公司，Imageware 13.0购自美国EDS公司。

1.2 方法

1.2.1 样本制取 选取北京大学口腔医院标准无牙上颌石膏模型一个，用通用无牙颌托盘、红色打样膏常规制取初印模。

1.2.2 三维数据获取 使用牙颌模型三维扫描仪以全牙弓扫描的方式扫描上颌模型以及红色打样膏初印的组织面数据，以三角网格数据(stereolithography，STL)格式保存。

1.2.3 个性化托盘的计算机辅助设计 将红色打样膏初印模扫描数据调入Geomagic 2012软件，提取上颌黏膜返折线为边缘线，以边缘线为边界，截取上颌无牙颌初印模的组织面数据，去除多余数据；选取一个合适的就位方向，在该就位方向上，上前牙颊侧存在倒凹，圈选并删除倒凹区域，以补洞的方式将其填平，完成虚拟去除倒凹的操作；选择上颌切牙乳突区、上颌隆突区域，沿法线方向偏移1 mm，完成虚拟缓冲；保持曲面边界不变，沿曲面法向均匀放大2 mm，形成托盘的内表面，为印模材预留均匀一致的三维空间；将虚拟托盘内表面沿法向均匀增厚2 mm，形成托盘实体；设计手柄三维形态，与虚拟托盘实体进行边界融合，得到虚拟托盘的完整形态数据，以STL格式保存。

1.2.4 个性化托盘三维打印 将STL数据导入Replicator 2X三维打印机配套软件进行切片处理，通过3D打印设备，制作聚乳酸(polylactic acid，PLA)材质的无牙颌个性化印模托盘。

1.2.5 个性化印模托盘的三维打印误差分析 用牙颌模型三维扫描仪扫描个性化托盘，获得其组织面数据。在Geomagic 2012软件中，用N点对齐和最佳拟合对齐命令，将个性化托盘虚拟设计数据对齐于个性化托盘扫描数据，用偏差分析工具测量设计数据和扫描数据之间的偏差，结合Imageware 13.0 软件的点云偏差分析功能，计算偏差的最大值、最小值、平均距离及标准偏差。对个性化托盘组织面数据按全口义齿的功能性分区划分为主承托区、副承托区、边缘封闭区、缓冲区，分别测量各区域与个性化托盘扫描数据之间的偏差。

1.2.6 个性化印模托盘与石膏模型间预留间隙测量分析 在Gemomagic 2012软件中，用N点对齐和最佳拟合对齐命令，将上颌模型数据对齐于初印模组织面数据，将个性化托盘组织面数据对齐于个性化托盘虚拟设计数据，从而得到上颌模型数据与个性化托盘组织面数据的相对位置关系，利用Imageware 13.0软件的偏差分析功能，计算个性化托盘组织面与模型表面之间距离的最大值、最小值、平均距离及标准偏差，分析个性化托盘与石膏模型间预留间隙的分布情况。同样根据前述对个性化托盘组织面数据的功能性分区，分别测量主承托区、副承托区、边缘封闭区、缓冲区与模型表面的间隙大小。

2 结果

本实验用数字化的方法经过红膏初印模的三维扫描、计算机辅助设计(computer aided design，CAD)以及三维打印等步骤，制作出了个性化的无牙颌上颌托盘，与上颌模型匹配良好(图1)。

A,the standardmaxillary edentulous plaster cast model; B, primary impression by red modeling compound, sprayed for scan; C, the scanned data of primary impression; D, the impression data was trimmed according to the coverage area of final impression; E,F, the anterior undercut area was deleted and refilled to be flat, simulating the process of filling undercut; G, buffer in the incisive papilla area and maxillary hard area; H, the completed design of the custom tray; I, the 3D printed tray; J, a good fit of the printed custom tray to the cast model.

图1 上颌个性化托盘计算机辅助设计流程
Figure 1 Computer aided design process of maxillary custom tray

如图2所示，与CAD数据对比，双侧上颌结节及其颊侧存在正向误差(托盘组织面法向为正)，上腭中部存在负向误差，加工完成的上颌个性化托盘内表面整体平均偏差为(0.17±0.20) mm，最大偏差为1.04 mm；主承托区平均偏差为(0.19±0.18) mm，最大偏差为1.01 mm；副承托区平均偏差为(0.17±0.22) mm，最大偏差为0.93 mm；边缘封闭区平均偏差为(0.30±0.29) mm，最大偏差为1.04 mm；缓冲区平均偏差为(0.08±0.06) mm，最大偏差为0.45 mm。。

A, overall area; B, the primary stress-bearing area; C, the secondary stress-bearing area; D, the border seal area; E, the buffer area.

图2 使用Geomagic 2012软件对加工后个性化托盘组织面扫描数据与计算机辅助设计数据进行误差分析，
绿色区域表示匹配良好，红色表示正向误差，蓝色表示负向误差
Figure 2 Analysis of the deviation between the scan data and computer aided design data of tissue surface of custom tray in Geomagic 2012 software, where green area present a good fit, red present positive, blue present negative

如图3所示，加工完成的上颌个性化托盘内表面与石膏模型表面大部分区域间隙比较均匀，缓冲区有较大的间隙量，与设计一致，双侧上颌结节区域间隙较小。整体平均间隙大小为(1.98±0.40)mm，最大间隙为3.63 mm，最小间隙为0.96 mm；主承托区平均间隙量为(1.85±0.24) mm，最大间隙为2.61 mm，最小间隙为0.96 mm；副承托区平均间隙量为(1.86±0.26) mm，最大间隙为2.30 mm，最小间隙为1.06 mm；边缘封闭区平均间隙量为(1.77±0.36) mm，最大间隙为2.79 mm，最小间隙为0.96 mm；缓冲区平均间隙量为(2.90±0.26) mm，最大间隙为3.63 mm，最小间隙为2.03 mm。

A, overall area; B, the primary stress-bearing area; C, the secondary stress-bearing area; D, the border seal area; E, the buffer area.

图3 使用Imageware 13.0软件测量加工后个性化托盘组织面到石膏模型表面的间隙，
参考右上角色阶图，红色区域表示间隙量较大，绿色区域表示间隙量较小
Figure 3 Measurement of the space between the fabricated custom tray and cast model in Imageware 13.0 software: red area present a larger space, while green area present smaller (refer to the color scale)

3 讨论

个性化的无牙颌托盘组织面与患者口内软组织形态精确匹配是准确制取印模的重要保证，因此本研究的无牙颌托盘在数字化设计过程中采用软件特有的偏移功能，沿牙槽嵴表面法向将牙槽嵴表面均匀放大2 mm，为最终的无牙颌个性化印模托盘预留均匀一致的三维空间，获得虚拟托盘内表面，为印模材料预留足够的空间并精准保证了数字化设计的托盘内表面与患者口内软组织形态的一致性，进一步确保了全口义齿戴用及功能状态下的固位与稳定。数字化设计还有效缩短了制作个性化托盘的手工操作时间，取代了传统临床采用铅笔在石膏模型上勾勒个性化托盘边缘、涂蜡缓冲、填倒凹以及铺树脂片等步骤，有效节约了临床时间。三维打印是一种直接数字化制造技术，由三维模型可直接制造出产品，减少或省略了毛坯准备、零件加工、装配等中间工序，并且可以最大限度地发挥材料的特性，减少材料的浪费。

分析整个数字化制作流程，可能产生误差的步骤主要包括：(1)初印模制取时产生的误差；(2)初印模三维扫描的误差；(3)个性化托盘三维打印的误差。实验中所采用的三维模型扫描仪扫描精度在10 μm以内，相对于其他来源的误差非常小，基本可以忽略不计。实验中产生较大误差的步骤是初印模制取(最大偏差1.14 mm)和个性化托盘的三维打印(最大偏差0.58 mm)。制取初印模采用的是红色打样膏印模材，红色打样膏在常温下呈固体块状，放置在60 ℃～70 ℃的水中可软化，具有一定的可塑性，临床上将软化的红色打样膏作为印模材放置在成品托盘上，放置在患者口内通过功能整塑制取无牙颌的初印模。由于红色打样膏的流动性差，无法精细呈现纹理细节，印模精度差。如果改用较为精细的印模材代替红色打样膏制取全口义齿初印模，可能有助于减小这一步骤的误差。在工艺熔融沉积制造成形过程中, 影响成形件精度的主要因素有[12-14]：计算机辅助设计的离散化过程、喷丝材料的性能、喷涂过程中喷丝宽度误差以及温度(喷嘴的温度和成形室的温度)、挤出速度和填充速度、分层厚度及分层方向等。MakerBot三维打印机喷嘴直径为0.4 mm，喷头X和Y轴定位精度11 μm，Z轴定位精度2.5 μm，打印机的层高精度有高精度(100 μm)、中等精度(270 μm)、低精度(340 μm)三档可选，本实验选择的是中等精度，托盘打印时间约为1.5 h，PLA打印材料收缩率为0.3%。如果对托盘打印精度有更高的要求，可以选择更高的打印层高精度，当然打印时间也会相应增加。

实验中打印出的个性化托盘虚拟就位到石膏模型上方理想的位置时，主承托区、副承托区、边缘封闭区的印模材间隙量平均值分别为1.85、1.86和1.77 mm，与预设的毫米间隙量相差在0.3 mm以内，缓冲区的印模材间隙平均值为2.90 mm，与预设的3 mm间隙量相差0.1 mm,实际间隙量与预设值相比均偏小，可能与三维打印后的材料收缩有关。本研究制作的个性化托盘实际制取终印模的效果还需要进一步的临床验证。

无论是传统个性化托盘技术，还是本研究的数字化技术制作的无牙颌个性化托盘，在应用其无牙颌终印模制取时，承载了流动性终印模的个性化托盘，其外表面会被终印模覆盖，在患者口腔内很难准确确定其空间位置和姿态，经验不足时常导致较大的就位误差，终印模厚度分布不均，甚至托盘表面直接压迫牙槽嵴黏膜，导致黏膜不可控变形，影响终印模的制取精度和质量，因此，应用数字化定量设计与制作技术，解决无牙颌个性化托盘在患者口腔内精确定位的问题是我们下一步的研究方向。

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(2014-12-15收稿)

(本文编辑：刘淑萍)

Computer aided design and 3-dimensional printing for the production of custom trays of maxillary edentulous jaws based on 3-dimensional scan of primary impression

CHEN Hu, ZHAO Tian, WANG Yong△, SUN Yu-chun△

(Center for Digital Dentistry, Department of Prosthodontics, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Research Center of Engineering and Technology for Digital Dentistry of Ministry of Health & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China)

Objective：To establish a digital method for production of custom trays for edentulous jaws using fused deposition modeling (FDM) based on three-dimensional (3D) scans of primary jaw impressions, and to quantitatively evaluate the accuracy. Methods: A red modeling compound was used to make a primary impression of a standard maxillary edentulous plaster model. The plaster model data and the primary impression tissue surface data were obtained using a 3D scanner. In the Gemomagic 2012 software, several commands were used, such as interactive drawing curves, partial filling holes, local offset, bodily offset, bodily shell, to imitate clinical procedures of drawing tray boundary, filling undercut, buffer, and generating the tray body. A standard shape of tray handle was designed and attached to the tray body and the data saved as stereolithography (STL) format. The data were imported into a computer system connected to a 3D FDM printing device, and the custom tray for the edentulous jaw model was printed layer upon layer at 0.2 mm/layer, using polylactic acid (PLA) filament, the tissue surface of the tray was then scanned with a 3D scanner. The registration functions of Geomagic 2012 was used to register the 3-dimentional surface data, and the point-cloud deviation analysis function of the Imageware 13.0 system was used to analyze the error. The CAD data of the custom tray was registered to the scan data, and the error between them was analyzed. The scanned plaster model surface was registered to the scanned impression surface and the scanned tray data to the CAD data, then the distance between the surface of plaster model and the scanned tissue surface of the custom tray was measured in Imageware 13.0. Results: The deviation between the computer aided design data and the scanned data of the custom tray was (0.17±0.20) mm, with (0.19±0.18) mm in the primary stress-bearing area, (0.17±0.22) mm in the secondary stress-bearing area, (0.30±0.29) mm in the border seal area, (0.08±0.06) mm in the buffer area; the space between the tissue faces of the plaster model and the scanned tissue surface of custom tray was (1.98±0.40) mm, with (1.85±0.24) mm in the primary stress-bearing area, (1.86±0.26) mm in the secondary stress-bearing area, (1.77±0.36) mm in the border seal area, (2.90±0.26) mm in the buffer area. Conclusion: With 3D scanning, computer aided design and FDM technology, an efficient means of custom tray production was established.

Denture, complete; Computer aided design; Fused deposition modeling; Custom tray

国家自然科学基金(81271181)和首都卫生发展科研专项重点攻关项目(首发2016-1-4101)资助Supported by the National Natural Science Foundation of China (81271181) and the Capital Health Research and Development of Special (2016-1-4101)

时间：2016-9-5 9：41：32

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4691.R.20160905.0941.030.html

R783.1

A

1671-167X(2016)05-0900-05

10.3969/j.issn.1671-167X.2016.05.028

△Corresponding author’s e-mail,kqcadc@bjmu.edu.cn,polarshining@163.com