CAD/CAM技术在全口义齿修复中的研究与应用

赵鹏娜 武 峰 王文强 赵 彬

我国正逐渐步入老龄化社会，无牙颌人口数量依然在增长。对于完全无牙颌患者而言，种植修复是未来发展的趋势，但对于许多人来说，通过全口义齿修复仍然是首选的选择。全口义齿主要是通过手工设计和制作的，其质量在很大程度上取决于牙医和技术人员的技术，难以保证最佳质量。随着数字化技术的发展，其在口腔固定修复领域已被广泛应用，如全冠、贴面、嵌体、种植上部修复等制作。数字化模型、比色及数字化设计和加工技术使得数字化技术与传统修复技术相比具有明显的时效性、美观性、节约性[1-3]。40多年前，计算机辅助设计和计算机辅助制造(CAD-CAM)技术便开始应用于全口义齿修复中[4]。全口义齿制作过程的复杂性是数字技术晚于其他固定修复体应用于全口义齿的主要原因[5]。随着数字化技术的发展，全口义齿修复中越来越多的手工操作可以通过数字化的方法进行，不仅节省了复杂的劳动，而且更为精确，并且通过存储数字模型的数据库可以在任何时间复制出精确的重复义齿。

传统全口义齿的设计和制作包括一系列的临床和技工操作，通常需要就诊五次，包括制取初印模、制取终印模、颌位关系记录和转移、试戴和戴入终义齿。而CAD/CAM技术主要从以下几个方面改善全口义齿的设计和制作。

1.上下颌模型制取

无牙颌患者的上下颌模型制取是全口义齿制作的基础，印模与模型的准确性会影响全口义齿的质量。口腔数字印模技术可分为直接和间接两种，而代表性技术又可分为口内直接扫描和无牙颌印模或模型三维扫描。

1.1 口内直接扫描法 口内直接扫描法是将小型口内三维扫描设备直接伸入无牙颌患者口腔，对牙槽嵴及周围软组织进行扫描测量，获取直接数字印模数据。与传统技术相比，该方法避免了应用各种流动性印模材料所造成的恶心感，可实时补充扫描，同时避免印模表面缺陷、伸展不足等问题。但是目前口内三维扫描应用于无牙颌患者功能印模获取时存在以下缺陷：①扫描无牙颌时，需要扫描的范围大，耗时较长；②由于无牙颌牙槽嵴表面缺乏明显曲率变化，目前使用的口内三维扫描仪扫描数据拼接时易出现拼接误差，较难完整、准确获取无牙颌黏膜表面数据[6]；③无牙颌全口义齿修复需获取承载个体肌功能整塑的肌静力边界，而口内光学三维扫描技术从原理上很难获取此边界。因此，目前基于口内三维扫描的口腔直接数字化印模技术尚不适用于无牙颌功能数字化印模的获取，适宜通过扫描牙颌印模或模型间接获取无牙颌功能模型数据。

1.2 间接化数字印模法 间接化数字印模法与传统全口义齿制取印模步骤相同，主要区别是个别托盘的制作。传统个别托盘在手工制作时操作步骤繁琐，技术要求高，经验技巧依赖性强，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。数字化技术制作个别托盘的具体过程为三维扫描获取初印模组织面数据，CAD虚拟设计具有合适边缘伸展并为终印模材料预留均匀一致三维空间的个别托盘，并且可根据患者的口内情况设计个性化托盘，最后三维打印合适的托盘实体。Sun[7]研究提出3D打印个别托盘可有效提高终印模精确度。目前打印个别托盘主要技术有光固化成型技术(stereo lithography apparatus，SLA)与熔融堆积成型技术(fused deposition modeling，FDM)。与传统手工方法相比，SLA和FDM制作上颌无牙颌3D打印个别托盘的精确度高，预留空间分布更接近于1mm，同时SLA比FDM制作的个别托盘精确度更高，采用光固化成型技术3D打印机制作个别托盘值得临床推广[8-9]。同时CAD设计可增加辅助装置，例如可设计增加组织止点装置，提高印模精确度[10]；Fang Qu等[11]采用3D打印定制闭口式托盘，因其带有哥特式弓装置，可用于颌位关系记录和完成终印模的制作，减少了患者的就诊次数及时间；孙玉春等[12]在设计制取初印模的同时采用传统方法记录颌位关系，随后3D打印制作带有牙列的闭口式托盘，即“诊断义齿”，同时可用于再次检查颌位关系及制取终印模。

数字化设计个别托盘有效缩短了制作个别托盘的手工操作时间[13-14]，取代了临床上铅笔在石膏模型上划线、涂蜡缓冲填倒凹以及铺树脂片等步骤，也节约了患者的临床等待时间，并且患者可在1次就诊中完成终印模制取，并且提高了终印模的精确度。同时3D打印是一种直接数字化制造技术，省略了材料的加工程序，减少材料的浪费，值得临床应用。

2.颌位关系的记录和转移

传统临床操作时，无牙颌患者颌位关系的确定是借助蜡制合托在口内完成的，再通过面弓转移上颌架的方法将颌位关系转移至机械颌架上。牙科医生和技师在运用机械式颌架模拟下颌运动时，通常靠经验法对上下义齿人工牙列的空间关系、运动状态进行肉眼观察和估计，无法准确的记录牙列咬合面上的咬合早接触区及干扰区的体积，因此无法进行精确的调合。随着数字化技术在临床中的逐步应用，Korda等和Cartner学者成功获得数字化上下颌模型，并使用下颌运动轨迹描记仪(jaw motion analyzer，JMA)获得下颌运动轨迹，初步建立了虚拟颌架系统。数字化的虚拟颌架(virtual articulator，VA)可以对静态和动态咬合进行详尽分析，使修复体咬合面的形态更符合生理要求；同时可动态模拟个体的下颌运动特征，避免机械颌架的误差和局限性。上述文献中指出VA可以模拟下颌运动、检测咬合接触关系，并且可利用颜色梯度显示接触点的位置、接触区的范围和上、下牙列非接触区的空间距离[15-16]。Cramer v等[17]利用 Digident(CAD/CAM)系统开发的虚拟颌架程序输入患者下颌运动轨迹后，模拟患者的个性化下颌运动，并且利用减法机制去除咬合干扰点。Wimmer等[18]用三维坐标测量仪获得机械颌架前伸运动轨迹，建立了虚拟颌架，通过虚拟蜡刀消除颌干扰点。孙玉春等[19]学者对全口义齿计算机辅助设计(CAD)的虚拟颌架程序进行研究，用三维扫描仪对半可调颌架进行扫描，开发了用于全口义齿平衡颌的三维咬合运动模拟、动态咬合状态检测及虚拟选磨调合模块，进行自动调合。但是因为下颌运动轨迹记录装置及软件操作复杂，需要专业技术人员操作；现有的文献对颌位关系的记录大多是通过对机械颌架的扫描建立虚拟颌架，此法无法完全反映个性化下颌运动轨迹，所以需继续深入研究颌位关系的直接数字记录技术。

3.排牙

在传统制作流程中，人工牙排列的优劣取决于技师的经验和排牙理论在修复体制作过程中的体现程度和表达精确度。由于现实排牙操作的客观局限性，技师很难准确实现排牙理论。在虚拟环境中，可以将教科书上的全口义齿排牙原则参数化，利用排牙控制程序定位人工牙并调整其空间位置，准确设定人工牙之间以及人工牙与合平面之间的三维位置关系。华先明和程祥荣等[20]对无牙颌模型、基托和人工牙进行三维测量，以牙槽嵴顶连线及其在合平面上的投影创建排牙线排列人工牙，为数字化排牙奠定基础。吕培军[21]及Yong-de Z等[22]通过测量石膏模型的长、宽和周长，用函数生成排牙线，编制全口义齿排牙程序，驱动机器手排列人工牙，建立完整的机器人辅助全口义齿人工牙列制作系统。Fan Q.L[23]研发出一套虚拟排牙系统，进行虚拟牙齿排列后虚拟对全口义齿咬合面调整。通过将数字化技术与中性区理论的结合，孙玉春等[24]学者研发出个性化全口义齿设计软件，能自动选择人工牙型号、排列人工牙以及创建基托，解决了全口义齿平衡合排牙的精确设计问题。AvaDent和Dentca系统中CAD设计排牙步骤简单，是根据合平面在牙槽嵴上排列上下颌人工牙，自动调整人工牙位置，排牙后软件自动生成基托和牙龈外形，完成全口义齿设计[25]。Han等[26]使用CAD/CAM软件(3Shape Dental System 2013)自动排列全口义齿人工牙后，医师可对单颗牙或区域牙进行在合平面、矢状面和冠状面上的自由移动，自由度较高。

数字化排牙大大缩短了全口义齿的制作时间，提高排牙的规范程度，同时实现个性化平衡合排牙，并兼顾美学形态[27]。但是全口义齿人工牙的三维数据库使用的是国外数据，我们应尽快建立自己的数据库，以指导适合国人的个性化排牙。

4.试戴义齿

目前数字化全口义齿修复系统可在患者制取终印模、确定颌位关系后直接设计并制作终义齿。但跳过试戴义齿的步骤使临床医师无法校准义齿的美学、发音以及咬合功能，以及无法与患者进行关于前牙美学要求的沟通，可能导致终义齿不适合[28]。因此，多数学者仍建议制作试戴义齿以校准前期制作过程中可能出现的误差。整体三维打印和切削蜡基托后人工插牙是全口试戴义齿数字化制作的两种主要方式。整体三维打印制作的试戴义齿椅旁操作时间较传统方式短，且不易变形，但存在打印材料颜色单一，美观性较差的问题[29]。更多的学者选择数控切削蜡基托后人工插牙制作试戴义齿[5，30，31]，Infante等学者[30]数控切削蜡型基托，逐个插入人工牙完成试戴义齿的制作；也有文献报道通过三维打印一体式牙列，插入蜡型基托内完成试戴义齿的制作。Chen[31]将数控切削的全口义齿试戴蜡型与传统手工制作的蜡型在模型上就位的精确度进行对比后发现两种方法制作的义齿蜡型并无明显差异，证实三维打印技术制作的试戴全口义齿可满足临床需要。但在全口试戴义齿数字化制作的过程中，手动将人工牙插入到蜡型基托会出现人工牙轻度移位的问题[32]。

利用数字化技术制作试戴义齿，制作时间缩短，三维打印的试戴义齿试戴时不易变形，精度高，但美观性差。所以研究多色一体化打印技术，提升三维打印试戴义齿的美观性，是未来的主要研究方向。

5.终义齿

传统全口义齿基托材料甲基丙烯酸甲酯的净体积收缩、残留甲基丙烯酸甲酯单体的存在、白色念珠菌对丙烯酸树脂的粘附引起了普遍的关注，而数控加工切削的预聚合丙烯酸树脂基托能有效弥补上述不足，使基托更贴合[33]。目前数字化全口义齿最终修复体制作的主要方式是在数控切削的树脂基托上逐一粘接成品人工牙。最早Maeda等[34]利用将牙色、基托色流动树脂充入数控加工牙列和塑料基托外壳中，制作全口义齿，但该全口义齿无临床实用性。不断有学者对终义齿的加工方式进行探讨研究，Janeva等[35]使用AvaDent系统在完成全口义齿设计后由切削树脂基托，将人工牙逐个插入并粘接于基托上完成全口义齿的制作；Bilgin等[5]在三维打印牙列插入蜡型基托后，通过传统方法制作终义齿，结果显示制作完成的全口义齿有良好的咬合和颌位关系，并且一体式设计的牙列增加了人工牙与基托间的结合强度；孙玉春等[36]采用快速成形技术制作全口义齿装胶前阴模，手工插入人工牙并完成全口义齿制作。

终义齿的加工方式，无论是切削树脂基托后手工粘接人工牙，还是三维打印蜡基托或阴模并在技工室完成终义齿，均是两步制作，难以避免误差，所以多色多材质全口义齿的一体化数字化制作技术值得我们继续研究。综上，相比于传统纯手工制作全口义齿，数字化制作技术有明显的优势：设计加工精度稳定可靠，对主观经验技巧依赖性降低；医师临床操作时间及患者就诊次数减少，方便医师和患者；基托聚合收缩少更贴合，减少白色念珠菌粘附；全口义齿易被复制。但数字化全口义齿的临床应用仍有诸多限制，数字化记录颌位关系、建立国内牙列数据库、多色多材质牙列基托一体化制作技术是我们接下来攻克的主要难题。