正颌手术三维牙颌融合模型牙列配准精度检验的方法建立

张正瑞 刘义闻 史雨林

[摘要]目的：應用医学图像软件的组合功能，建立正颌手术三维牙颌融合模型的牙列配准精度检验的新方法，并评价其临床可行性。方法：收集2016年10月-2018年8月于空军军医大学口腔医院颌面外科就诊的16例术前三维牙颌融合模型存在咬合误差经修正且已完成手术的正颌病例，基于Mimics 21.0软件的布尔运算功能，对修正方案前的三维牙颌融合模型的上、下牙列咬合接触进行检验，与修正后方案做对比。采用SPSS 25.0对结果进行统计学分析，验证其可行性。结果：建立了正颌手术三维牙颌融合模型的牙列配准精度检验的新方法，通过修正前、后手术方案的对比，重叠部分平均体积224.11mm3，与重叠对照组（平均值0.22mm3）对比有显著性差异，具有统计学意义（P<0.05）;开牙合部分平均体积2340.24mm3，与开牙合对照组（平均值1.47mm3）对比有显著性差异，具有统计学意义（P<0.05）。结论：应用医学图像软件的组合功能可对正颌手术三维牙颌融合模型牙列配准精度进行检验，本方法可应用于临床虚拟手术方案的初步校正，并提高精确性。

[关键词]正颌手术;计算机辅助设计;三维融合模型;配准精度;咬合误差

[中图分类号]R783    [文献标志码]A    [文章编号]1008-6455（2019）05-0081-05

Establishment of a Method for Dentition Registration Accuracy Test of Three-Dimensional Dental and Maxillary Fusion Model in Orthognathic Surgery

ZHANG Zheng-rui1， LIU Yi-wen1， SHI Yu-lin1， LIU Yu1， LIU Yan-pu1， BAI Shi-zhu2

（1.Department of Oral and Maxillofacial Surgery;2.Department of Prosthodontics， School of Stomatology， Air Force Military Medical University， Xi'an 710032，Shaanxi，China）

Abstract： Objective  To establish a new method for dentition registration accuracy test of three-dimensional dental-jaw fusion model of orthognathic surgery by using the combination function of medical image software， and evaluate its clinical feasibility. Methods  Sixteen cases whose preoperative three-dimensional dental fusion models were corrected and performed in the department of Maxillofacial Surgery， School of Stomatology from October 2016 to August 2018 were collected. Based on Mimics 21.0 software， the Boolean operation function tested the occlusal contact of the upper and lower dentition of the three-dimensional dental-jaw fusion model before the correction scheme， and compared it with the revised scheme. The results were statistically analyzed using SPSS 25.0 to verify its feasibility. Results A new method for the dentition registration accuracy test of the three-dimensional dental-jaw fusion model surgery was established. There is a significant difference （P<0.05） between the overlapping group （the average volume of the overlapping part was 224.11 mm3） and the overlapping control group （mean 0.22 mm3） by comparing the anterior and posterior surgical procedures. The average volume of the open sputum was 2340.24 mm3 in the open sputum group， which was significantly different from the open sputum control group （mean 1.47 mm3） （P<0.05）. Conclusion  The combination function of medical image software can be used to test the dentition registration accuracy of the three-dimensional dental-jaw fusion model. This method can be applied to the correction of clinical virtual surgical plan and improve the accuracy.

Key words： orthognathic surgery; computer-aided design; three-dimensional fusion model; registration accuracy; occlusal error

正颌外科手术主要用于纠正由咬合紊乱、疾病、损伤及先天缺陷等原因导致的颌面部畸形[1]。传统的正颌外科术前设计以头影测量和石膏模型研究为主，并依赖于临床医师的经验[2-3]，在治疗复杂的牙颌面畸形时存在诸多限制[4]，如面部不对称患者的标记点识别错误，手动分割牙颌模型存在误差等[1];多个步骤的误差可逐步叠加[5]，并影响最终的手术效果。计算机辅助设计应用于临床领域已有多年，数字化正颌外科也日趋成熟，可以缩减正颌外科术前设计的若干步骤[5]，方便快捷，并可纠正传统设计方法无法发现的旋转误差、截骨后重新定位时的骨块突出、中线偏移和颏异位等问题[5]，因此可以提高手术的精准度。

由于CT图像存在精度不足，以及正畸托槽可造成金属伪影等缺点[6]，数字化正颌外科重建三维头颅模型后，牙齿的表面形态就会影响后续治疗方案的精度，因而计算机辅助设计的关键是以数字化牙列模型代替由CT图像重建而成的牙列，形成三维牙颌融合模型[7]，由于操作误差及计算机配准的误差，完成牙列融合的新模型可能存在上、下颌咬合接触问题，最常见的是上、下颌牙列开牙合及重叠（见图1）。以往的研究多集中于提高三维融合模型软硬组织的精确度[7-9]，而对于牙列咬合的检测则以医师的视觉检验及经验为主，缺乏行之有效的检测手段。本研究以咬合完好的数字化牙列模型为基础，利用计算机软件建立检查三维牙颌融合模型咬合状态的新方法，并初步评价其临床可行性。

1  对象和方法

1.1 实验对象及工具：收集2016年10月-2018年8月于空军军医大学口腔医院颌面外科就诊的16例正颌病例，其中8例术前三维牙颌融合模型存在咬合重叠，8例存在开牙合，16例术前方案均经修正且已完成手术。数字化牙列模型通过常规口内硅橡胶印模材料制取印模，灌注石膏模型，采用马蹄形蜡片记录患者咬合位置，以三维扫描仪（3shape R700，丹麦）扫描石膏模型得到。采用 Mimics Research 21.0（Materialise 公司，比利时）软件对三维牙颌融合模型进行研究。

1.2 研究方法

1.2.1 牙列重叠检测：将待检测的三维牙颌融合模型文件导入Mimics 软件（见图 2A）;依次选择菜单“3D TOOLS”→“Boolean”，分别于“Green Object（s）”和“Red Object（s）”列表中选定完成配准的上、下颌牙列，选择“Operation”选项卡中的“Intersect”功能，点击“OK”按钮（见图3），完成上、下颌重叠部分的显示。

1.2.2 牙列开牙合的检测：将数字化牙列模型的上颌与三维融合模型的上颌进行配准，比较下颌部分的配准程度，具体操作为：导入反映口内真实咬合关系的数字化牙列模型（见图2B）。经重叠检测无牙列重叠误差的三维牙颌融合模型，显示其完成替换的上、下颌牙列部分（见图4A）。为方便后续配准步骤，应用“3D TOOLS”→“Split”功能将数字化牙列模型分为两部分（见图4B）。将数字化牙列模型的上颌牙列与三维牙颌融合模型的上颌牙列进行配准，具体操作为：①将数字化牙列模型大致移动到三维牙颌融合模型的牙列位置（见图4C，4D）;②只显示数字化牙列模型上颌牙列，应用多点配准（“ALIGN”→“Point Registration”），在三维牙颌融合模型及数字化牙列模型上选取切缘、咬合面及牙尖处三个以上的点，同时移动数字化牙列模型的上、下颌，进行初步配准（见图4E）;③應用全局配准（选择菜单“ALIGN”→“Global Registration”），将配准距离界值（Distance threshold）由4mm开始缩减，每次缩小1/2，最终小于0.1mm，同时移动数字化牙列模型的上、下颌，完成上颌配准（见图4F）。

依次选择菜单“3D TOOLS”→“Boolean”，分别于“Green Object（s）”和“Red Object（s）”列表中选定三维牙颌融合模型及数字化牙列模型的下颌牙列，选择“Operation”选项卡中的“Minus”功能，点击“OK”按钮（见图5），显示下颌部分的配准程度，完成牙列开牙合的检测，最终将数字化牙列模型下颌部分去除底座以方便观察。

1.2.3  配准精度检验：将收集的8例牙列重叠（重叠组）及8例牙列开牙合病例（开牙合组）的术前设计方案设为实验组，术后方案为对照组（重叠对照组和开牙合对照组）分别进行自身对照，分别按步骤1.2.1和1.2.2所述方案进行检验，采用“Properties”功能获得检测结果的体积（见图6）。

1.2.4 统计学分析：使用SPSS 25.0软件，将对照组及实验组的重叠和开牙合检测结果体积进行两独立样本t检验，P<0.05时结果具有差异性。

2  结果

2.1 牙列重叠检测结果：重叠组经重叠检验相交部分成连续片状分布（见图7A）;重叠对照组经重叠检验5例表现为上、下颌多点接触（见图7B），3例无咬合接触（见图7C）;开牙合对照组及开牙合组经重叠检验均无咬合接触（见图7C）。

2.2 牙列开牙合检测结果：开牙合组经开牙合检验结果为连续的片状分布（见图8A）;开牙合对照组经开牙合检验结果为广泛均匀的点彩状分布（见图8B）。

2.3 检测结果体积的比较：重叠组上、下颌牙列重叠部分体积最大值为 324.38mm3，最小值为 156.78mm3，平均224.11mm3，与重叠对照组（平均值0.22mm3）对比，存在显著性差异（P<0.05）。经上颌配准后，开牙合组下颌差异部分体积最大值为3755.48mm3，最小值为895.24mm3，平均2340.24mm3，与开牙合对照组（平均值1.48mm3）对比，存在显著性差异（P<0.05）（见表1）。

3  讨论

3.1 布尔运算检测牙列咬合关系的优点：数字化正颌外科最终的手术效果不仅依赖于医生的术中操作，精准的术前方案设计是手术合理进行的前提，术前数字化设计方案则需要建立一个精确的三维牙颌融合模型。计算机辅助设计可模拟正颌手术截骨重新定位的操作，骨组织的移动定位则依赖于牙齿（常用中切牙及双侧第一磨牙）位置的移动。经多年的临床实践，CT图像用于构建三维骨组织，其分辨率可满足临床的需要，但由于金属伪影[6]的存在，对于构建三维牙体形态分辨率尚有不足。限于目前材料的发展无法解决金属伪影的问题，采用数字化牙列模型模拟口内真实的牙列咬合关系，从而替代CT三维重建，形成清晰完整的牙列成为满足当下临床需求的方案。数字化牙列替代CT牙列的过程，其本质是前者准确模拟后者位置的过程，这一过程依赖于设计软件的算法及设计人员的操作。软件算法带来系统性误差，经临床验证，其误差处于临床可接受范围，而牙列重叠和开牙合的误差多源于人工操作的误差。因而建立一种检验三维牙颌融合模型牙列配准精度的方法势在必行。

本研究采用布尔运算原理，使得重叠牙列的相交部分得以可视化。在进行开牙合检测时，经替代的上颌牙列来源于数字化牙列模型，形态清晰完整，可与原数字化牙列模型精准重叠，配准误差可控制在0.1mm以下，在此基础上对比下颌牙列位置，使得差异部分可视化。本方法解决了设计方案时视角原因造成的牙列重叠及开牙合易被忽略的问题，将隐藏的问题可视化，同时，结果可进行定量检测，避免了设计人员经验性主观判断带来的误差。本方法可用于临床实际工作中的术前方案设计，计算机操作简便易行，提高了三维牙颌融合模型建模的精准度，也为牙列配准精度的评估提供了新方法和客观依据，具有临床应用价值。

3.2 牙列配准精度的评估：本研究对牙列重叠和开牙合的差异部分进行了定量的体积测量，结果显示：重叠检测时，因重叠的部位和范围不同，相交部分体积也存在差异，但最小值（156.78mm3）及平均值（224.11mm3）远大于重叠对照组（平均值0.22mm3）;开牙合检测时，因开牙合的大小不同，差异部分体积也不尽相同，最小值（895.24mm3）及平均值（2340.24mm3）远大于开牙合对照组（平均值1.47mm3）。据此，笔者提出重叠检测上、下颌牙列相交部分体积>1mm3可作为判断上、下颌牙列重叠的依据;开牙合检测上颌配准精确的前提下，下颌差异部分体积>2mm3可作为判断上、下颌牙列开牙合的依据。

3.3 检测过程中需注意的问题：重叠检测相对于开牙合检测步骤较少，应优先进行。经重叠检测存在牙列重叠现象的三维牙颌融合模型需要重新建模，无需进行开牙合检测。经重叠检测无误差的模型需进行进一步牙列开牙合检测，在进行上颌牙列配准时应将数字化牙列模型的上、下颌牙列共同移动，保证数字化牙列模型精准模拟口内真实咬合关系，同时上颌配准应经过点配准和全局配准，将上颌牙列配准精度控制在0.1mm范围内。在进行下颌差异部分显示时，应去除数字化牙列模型的底座，避免因底座带来后续体积统计的误差。

[参考文献]

[1]Lin HH，Lonic D，Lo LJ.3D printing in orthognathic surgery?a literature review[J].J Formos Med Assoc，2018，117（7）：547-558.

[2]Badiali G，Ferrari V，Cutolo F，et al.Augmented reality as an aid in maxillofacial surgery：validation of a wearable system allowing maxillary repositioning[J]. J Craniomaxillofac Surg，2014，42（8）：1970-1976.

[3]Lonic D，Pai BC，Yamaguchi1 K，et al.Computer-assisted orthognathic surgery for patients with cleft lip/palate：from traditional planning to three-dimensional surgical simulation[J].PLoS One，2016，11（3）：e0152014.

[4]Stokbro K，Aagaard E，Torkov P，et al.Virtual planning in orthognathic surgery[J]. Int J Oral Max Surg，2014，43（8）：957-965.

[5]Ritto FG，Schmitt ARM，Pimentel T，et al.Comparison of the accuracy of maxillary position between conventional model surgery and virtual surgical planning[J].Int J Oral Max Surg，2018，47（2）：160-166.

[6]Aboul-Hosn Centenero S，Hernández-Alfaro F.3D planning in orthognathic surgery： CAD/CAM surgical splints and prediction of the soft and hard tissues results-Our experience in 16 cases[J].J Craniomaxill Surg，2012，40（2）：162-168.

[7]de Waard O，Baan F，Verhamme L，et al.A novel method for fusion of intra-oral scans and cone-beam computed tomography scans for orthognathic surgery planning[J].J Craniomaxill Surg，2016，44（2）：160-166.

[8]Swennen GR，Mollemans W，De Clercq C，et al.A cone-beam computed tomography triple scan procedure to obtain a three-dimensional augmented virtual skull model appropriate for orthognathic  surgery planning[J].J Craniofac Surg， 2009，20（2）：297-307.

[9]Dai J，Wang X，Hu G，et al.A new method to move mandible to intercuspal position in virtual three-dimensional orthognathic surgery by integrating primary occlusion model[J]. J Oral Maxillofac Surg，2012，70（9）：e484-e489.

[收稿日期]2019-03-18

本文引用格式：張正瑞，刘义闻，史雨林，等.正颌手术三维牙颌融合模型牙列配准精度检验的方法建立[J].中国美容医学，2019，28（5）：81-84，149.