数字化牙牙合模型在口腔医学中的应用

李节龙，吕虹瑶，史金怡，侯彦

（1.河北医科大学，河北 石家庄；2. 河北医科大学口腔医学院&河北省口腔医学重点实验室，河北 石家庄）

0 引言

1983年，第一台牙科计算机辅助设计与制作，开创了以计算机技术为支撑的国际口腔数字化医学时代。30余年来的研究证明，计算机辅助数字口腔医学技术,可显著提高口腔临床诊断治的效果与效率，数字化牙牙合模型在口腔临床各方面中的应用涉及到牙牙合模型制作的各阶段,包括：患者牙牙合模型扫描、分析诊断、数字化排牙、追踪随访等。随着计算机技术在口腔治疗中的广泛应用,建立一套健全规范的数字化矫治流程有助提高临床工作的效率,减少存放模型的空间成本,提高治疗的准确性。数字化牙牙合模型不仅是简单的将牙牙合模型转换为三维数据，也包括数字化模型、数字化排牙、数字化影像资料等,需要各个环节的完善与紧密接合。所以近年来数字化牙牙合模型技术在口腔中的应用尤为广泛。

1 数字化牙牙合模型的扫描

在口腔临床治疗中，患者的普通石膏牙牙合模型不易于保存，而且易发生磨损[1]，这会对患者的治疗精确度造成误差，除此之外还不易于携带，在教学中导致不能直观的展示各个结构的三维关系以及三维重合关系，对教学造成一定影响。20 世纪 70 年代，计算机技术的不断发展以及高端电子技术与医学事业融合，数字化扫描技术应运而生，其中模型数字化方法又分为接触式机械扫描，激光扫描、结构光扫描、计算机X线体层扫描和口内扫描技术等多种方法[2]，为口腔临床治疗提供了一种新思路。这些扫描技术可以通过直接扫描患者口腔内部或者扫描牙牙合模型而获得精确的口腔内三维数字化数据。能够较为简便地得到由计算机分析出的数据，这些数据可以直接应用于各种软件进行分析。

1.1 接触式机械扫描

接触式机械扫描是一种通过计算机控制探头，对物体表面进行扫描，以一定的步长和行距进行自动扫描并记录物体表面数据。扫描仪内有传感器记录探头的三维坐标，然后在计算机辅助下重建其三维模型。接触式扫描具有精度高（可达±0.005mm）、成本低、无扫描盲区等优点，但接触式扫描费时且运用范围有限，某些精细结构受探头形状限制，可能出现扫不到或者导致物体表面发生形变。因此接触式扫描只适用于一些质地硬，结构简单和一些不易损坏的物体表面[3]。

1.2 激光扫描

激光扫描是一种非接触式光学扫描，运用三角测距原理进行构建三维数字模型。针对现有三维实物（样品或模型）在没有技术文档的情况下，可快速测得物体的轮廓集合数据，并嫁衣建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。激光扫描分为线激光和点激光两种，点激光用时较长，精确度较低。线激光速度快、精确度高、重建模型清晰，在口腔牙列石膏模型扫描中发挥重要作用。但如被扫描物体表面粗糙、漫反射率敏感，易出现扫描盲区，需要复杂的后期处理。

1.3 结构光扫描

结构光扫描使用安全无害的白炽光将正弦或矩形光栅投射到物体表面，由CCD摄像机获取被凹凸表面调制而产生的变形光栅条纹，在软件中计算出各空间点的高度信息，得到空间三维坐标，通过软件分析和处理得到三维图像。光学扫描的优点是速度快，获取完整面部信息仅需5.5s，而且扫描模型精度优于CBCT重新建模，但对于结构较为复杂的物体、曲率变化大的表面，很容易出现扫描盲区，需切换视角进行多次扫描[5-6]，而且当模型出现误差时，也会影响最后获得正确的结果。

1.4 计算机X线体层扫描

计算机X线体层扫描（computerized tomography，CT）利用高分辨率的CT机发射精确准直的X线束（也成伦琴射线）扫描物体某一层面，由灵敏度极高的探测器接受该层面的X线束，形成可观性的图像。接触机械式和光学扫描得到的仅是物体的表面信息，而CT可获取内部三维数据，且其操作简单快捷、伪影少、无光学扫描盲区等问题，可同时扫描多个模型[8]，其精度主要受扫描层厚和象素大小影响。目前，应用于口腔修复领域的CT主要有螺旋CT、锥形束CT（conebeam computed tomography，CBCT）和微焦X射线CT（micro-focus X-ray CT）。

2 数字化牙牙合模型的制作及同其他三维数字化模型的结合

我们对患者牙体通过数字化光学扫描后，口扫可以直接获得数字化牙牙合模型，但是如果是通过仓扫，在扫描结束后还需要通过3 Shape Analyse等软件对牙牙合模型进行处理，下面以3 Shape Analyse处理牙牙合模型为例。

在仓扫结束后我们得到的是整体石膏色的牙牙合模型，牙体和软组织界限不清（FIG.1）。我们需要手动标定点，将软组织和牙体分离，在这个过程中我们可以调整软组织的覆盖面积及范围（FIG.2），为后期排牙奠定基础。在完整的标定点后选择自己需要的方式分割牙体和周围软组织后完成下颌数字化牙牙合模型的制作（FIG.3）。

数字化牙牙合模型可以获得一个等比原型，包含患者口腔牙体形状信息的三维数字化模型，更大程度的配合正畸需求，可以实现不同角度的旋转观察，而且在牙标定点后牙位置保持不变，相比使用黄铜丝和圆规的传统石膏模型测量方法更加精确，而且通过计算机可以很快地计算出各种面积以及长度。数字化牙牙合模型与传统的石膏模型更利于保存，精确度更高，方法简便，利于治疗后期的处理。

传统牙牙合模型使用石膏制作而成，石膏易于磨损破坏，不易于保存。在对患者治疗方案的设计讨论过程中不易向患者展示牙牙合的三维变化。数字化三维牙体模型可实现从多角度、不同层面，利用丰富的图像内容直接地观察牙体的形态结构和结构间的空间变化关系，并且还可以结合别的数字化模型进行分析，如CBCT X射线：根管系统中的副根管、侧枝根管、根尖分歧等根管系统的重要组分，与数字化牙牙合模型进行牙冠牙根的重叠，使同学们更好理解根管影像重叠和微细结构难以观察和显示，同时可实现将髓腔解剖由传统的二维平面转换为三维立体透视数字模型，利于学生对髓腔系统知识的全面认识，帮助学生构建髓腔空间概念，为口腔专业学生实施牙体充填修复和牙髓根管治疗打下良好的理论基础[8]。

3 数字化牙牙合模型的应用

3.1 在口腔正畸的临床治疗排牙的过程中，原始的排牙技术是在牙牙合模型和牙合架上进行的，通过分割模型的方法使得牙冠重新定位，这种传统的排牙方式会很大程度上损伤模型，不可避免的破坏了牙齿的邻接点，减少了牙冠的远近中径，不同程度上缩短了牙弓的长度。传统的排牙方式人为影响较大，精确度不能保证。在教学方面，可以直观的展示各个牙齿的移动，但是操作困难，学生们在学习过程中掌握困难，不能精确的掌握对牙齿模型的磨损程度[9]。

研究表明[10-11]，在进行牙的大小、尖牙间牙弓宽度、牙列间隙、磨牙间牙弓宽度、牙列拥挤度、Bolton分析等常规在石膏模型上进行的测量分析时，其与传统石膏牙齿模型相比，二者测量数据的并无明显差异。三维数字化牙牙合模型在正畸领域中占据很大地位，主要体现在以下几个方面：

1）牙牙合模型资料的存储、分析和医患交流；

2）利用三维数字化模型，可减少实体会议的召开，节省时间、精力，可尝试进行远程正畸会诊，减少地理因素对病患造成的影响；

3）可以完成在三维重叠测量，进行三维诊断，对每一颗牙齿矫正前后的三维方向位移进行测量，可提前预知术后效果，更好的让患者了解术后的模样，更利于正畸治疗计划的拟定；

4）无托槽隐形矫治系统，较传统托槽而言，更加美观，更大程度地减少患者在治疗过程中的频繁复诊；

5）个性化舌侧矫治系统，是通过电脑软件虚拟牙齿的移动和定位，模拟患者牙齿的走向，可以实现高效准确地制作托槽，利用个体数字化牙牙合模型，实现托槽的间接粘接，简化临床操作，有效的完成牙齿移动和舌侧托槽定位的设计；

6）使用三维虚拟架辅助定位板的制作，增加了正颌外科手术辅助设计的精确性，提升再定位上、下颌骨的准确度，可以使正畸、外科效果协同达到最佳[12-17]。

3.2 在口腔外科的种植临床治疗中，制作患者的数字化牙牙合模型相应数字化导板，在手术前对患者的口腔内部进行数字化影像信息的三维重建和可视化处理，利用特定的软件模拟进行种植手术操作。通过数字化牙牙合模型制作修复体。与传统的种植手术相比，数字化种植的设计更加充分地考虑到了牙颌骨内部较精细的解剖情况，可以有效的避免术中误伤到下颌神经管、上颌窦底等重要解剖结构，同时使医生更直观的决定种植体的理想植入位置、深度和角度，从而降低手术风险、提高种植修复的成功率。

与传统的种植手术相比，传统种植手术需要借助实物模型进行推演，且模型并不能随医生的想法改变形态。而数字化种植手术导板的制作过程则可以更直观更精确的进行虚拟的演习。医生要做的只有设计和制作带有预期修复体信息的诊断导板，然后让患者进行颌骨CT扫描，将得到的DICOM影像数据导入种植导板设计软件中，进行阈值分割和图像配准，在三维重建后的颌骨影像上进行模拟手术，设计出合理的种植方案，确定种植体的数量和位置。确定种植方案以后，在软件中生成相应的种植模板，最后进行手术导板的数字化加工制造，其中最常用的加工方式主要是快速成型技术和数控切割技术。随着光学扫描技术的发展，现在也可以通过牙牙合石膏模型扫描或口内扫描快速、精确地获取患者口内的软硬组织轮廓形态。

3.3 在口腔修复的修复体制作中，采用口扫的方式，扫描设备探头深入口内直接对口腔内软硬组织进行扫描,收集的数据通过软件设计构建三维数字化牙牙合模型,经过一系列处理,实现高精度的三维牙牙合实体重建,最后实施3D打印。特别在口腔颌面修复与整形手术中所需要的植入体或修复体的个性化要求相当高,这对牙牙合模型的相匹配程度要求较高，数字化牙牙合模型技术的个性化定制特点无疑在口腔颌面修复领域中具有独特的优势[19]。

图1初始扫描

图2牙体标定

图3模型完成