基于三维冠根整合模型在无托槽隐形矫治中的临床疗效研究

杨锦涛，范 典，苏 明，单丹妮，郑芃芃，陈红嫣，杨新宇，张 良，

自从1997年Align公司推出了无托槽隐形矫治系统(Invisalign)以来，隐形矫治器凭借其独有的美观，可摘戴，舒适等优点，广泛应用于临床矫治之中，然而，隐形矫治疗效评估多以拔牙病例为主[1]，有关小范围移动下的非拔牙病例的临床疗效却鲜有研究。

目前，隐形矫治器的临床疗效评价主要通过扫描口内图像获得牙冠三维影像。虽然口扫图像具有较高的分辨率，但忽略了牙根与颌骨的关系，同时，锥形束投照计算机体层摄影系统(cone beam computed tomography，CBCT)获取的分辨率较低，牙冠图像部分并不准确[2]。

因此将颌骨、牙冠、牙龈、牙根融合，建立完整的数字化牙颌模型，能够得到更精确的临床效果，避免因为缺少牙根数据，出现骨开窗、骨开裂，甚至牙根外露[3-7]。本研究在此基础上，通过配准三维重建与口内扫描数据，建立治疗后患者完整冠根融合模型，以预测模型为基准，测量小范围移动下前牙转矩和轴倾的差异，以期为临床应用提供指导。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取2020年12月—2021年12月来徐州医科大学附属口腔医院就诊的错牙合畸形患者11例，年龄(20±2)岁。

纳入标准：①年龄>12岁；②错牙合畸形患者，能理解并配合完成治疗。排除标准：①曾经完成正畸治疗的患者；②曾经做过正颌手术的患者；③唇腭裂患者；④颞下颌关节紊乱病的患者；⑤需要使用功能矫治器的患者；⑥有传染性疾病和(或)系统性疾病；⑦氟斑牙、釉质发育不全的患者；⑧口内有烤瓷牙、种植牙的患者；⑨严重牙周病患者；⑩不能完成治疗的患者。本研究通过徐州市口腔医院伦理委员会审核(2021-012)，患者对研究方案签署知情同意书。

1.2 治疗方法

1.2.1 数据采集 首先运用CBCT，口内扫描进行数据采集。通过CBCT对全口牙列进行扫描，并以DICOM(digital imaging and communications in medicine)格式保存。再用iTero扫描系统(Align公司，美国)，对患者进行直接口内扫描，并且以STL(Standard Template Library)格式导出。

1.2.2 模型配准 对之前获取的CBCT以及口内扫描模型通过E-guide软件(EnvisionTEC，德国)进行初步配准，获得较为精确的模型(不带牙根)。

1.2.3 模型分割 对保存的CBCT模型进行分割，通过Mimics 19.0(Materialise公司，比利时)软件利用不同的灰度值进行分割，去除牙根周围的牙槽骨，来获得带有牙根的CBCT模型，并以STL格式导出(图1)。

图1 CT图像的获取以及根据Mimics分割牙根Fig.1 CT image acquisition and root segmentation based on Mimics

1.2.4 模型重建 将配准后的模型和带有牙根的CBCT模型导入Geomagic Studio 2014(Geomagic公司，美国)中，利用“N点对齐”“布尔合并”功能，融合牙冠及牙根数据，建立一个全口牙列带有牙根的三维模型(图2)。

图2 口扫模型与CBCT模型配准Fig.2 Dentition scan data registered with CBCT data

1.2.5 虚拟排牙以及三维打印 将带牙根的数据导入Maestro 3D Dental Studio(Maestro公司，意大利)中(图3)，并根据 Andrews 六要素进行排牙[8]，成治疗过程的设计，并以STL格式导出，获取治疗结束时的预期牙列模型。

图3 将带牙根数据导入排牙软件并排牙Fig.3 Importing data with roots into the software and arranging the teeth

1.2.6 数据再收集以及模型再重建 经过复查，在矫治完成以后可以得到术后的照片并与术前照片对比，再次获取术后的CBCT以及口内扫描图像，并进行模型的配准，分割，以及重建，最终获取术后带有牙根的三维模型，以便于前牙转矩，轴倾的测量。

1.2.7 纳入病例的方案设计 14—24垂直矩形附件，附件大小3 mm×2 mm×1 mm，唇侧转矩均值为4.74，舌侧转矩均值为3.97，唇侧轴倾均值为1.67，舌侧轴倾均值为2.24，同时前牙牙冠大小基本一致。根据医师指示：①维持上切牙矢状向位置，通过上颌扩弓，必要时推磨牙向后解除牙列拥挤；②下颌推磨牙向后，必要时结合邻面去釉解除拥挤；③以面部中线为基准，调整上下颌中线；④根据 Andrews 六要素进行排牙，最终使牙列排齐整平，建立正常覆牙合覆盖及Ⅰ类咬合关系。

1.3 测量项目

1.3.1 前牙转矩角 本研究使用的测量方法是激光扫描测量法指的是前牙在唇舌方向倾斜的角度，是临床牙冠牙长轴即定位龈缘最凹点、切缘中点并连接与牙合平面即连接中切牙切缘与双侧第一磨牙远中颊尖的直线构成的平面的垂线在唇舌方向上的交角[9]。并且牙冠唇向倾斜时为正值，舌向倾斜时为负值。

1.3.2 前牙轴倾角 指的是前牙在近远中方向倾斜的角度，是临床牙冠牙长轴与牙合平面的垂线在近远中方向上的交角，并且牙冠近中倾斜为正值，远中倾斜为负值。

1.4 测量软件以及方法

首先将得到的术前术后的模型通过在后牙牙尖等选取相同的点，进行“N点对齐”(对每个对象至少有3个对应点对齐对象)和“最佳拟合对齐”，以获得重叠模型。再通过使用3-matic Research 11.0软件(Materialise公司，比利时)，进行术前术后前牙转矩和轴倾的测量(图4)，通过将重叠后的术前术后的模型导入3-matic，分别以牙体牙合面、唇舌面、近远中面为轴，建立新的坐标系[10]，将之前得到的临床冠长轴带入坐标系中，通过得到在相应平面的投影即可得到转矩和轴倾。对测量结果左右同名牙进行合并计算，并且由两位测量者分别进行3次测量，将实际测量值与预测值相比较得到实现率，最后取平均值得到平均实现率。

图4 轴倾和转矩的测量Fig.4 The measurement of tip and torque

1.5 统计学方法

采用 SPSS 22.0 统计学软件，采用Shapiro-Wilk检验(SW检验)验证正态性，采用配对t检验，将各样本相应前牙转矩和轴倾的目标值和实际值进行自身配对对照研究，P<0.05，表明差异有统计学意义。

2 结 果

根据方案不同，不同牙位的转矩与轴倾的表达不一致。最终纳入病例中设计转矩的样本量为14例中切牙、12例侧切牙、10例尖牙，而设计轴倾的样本量为7例中切牙、9例侧切牙、6例尖牙。

测量显示在三维冠根整合数字化模型并用隐形矫治的过程中，中切牙、侧切牙、尖牙的实际转矩都小于预测转矩，具有统计学差异(P<0.05，表1)，其中中切牙具有显著差异(P<0.01，表1)；中切牙、侧切牙、尖牙的实际轴倾也同样小于预测轴倾，均具有显著差异(P<0.01，表2)。

表1 前牙转矩的实现率Tab.1 Realization of the torque of anterior teeth

同时在转矩的实现率方面，侧切牙的实现率最高达到了77.55%，中切牙最低为60.70%；在轴倾的实现率方面，中切牙最高达到了81.49%，尖牙最低为74.95%。

表2 前牙轴倾的实现率Tab.2 Realization of the axial of anterior teeth

3 讨 论

在数字化正畸矫治中，CBCT成像和口内扫描技术在临床中广泛使用。CBCT具有分辨率低等局限性[11-12]，而口内扫描也因缺乏牙根数据可能会使医师无法准确掌控疗效，出现严重并发症[13]，而加强对牙根的转矩和轴倾的控制将会极大改善这一问题[14]。因此通过将口内扫描与CBCT扫描模型相融合建立冠根整合数字化模型就可以将牙根可视化[6]，除了减少并发症的发生，也可以保证牙根的平行度，具有更好的转矩和轴倾效果[15]，同时减少正畸术后的复发。

在以往的研究当中，大多仅可见冠根融合模型的建立，或对于改善根外露等并发症的效果进行相对评估[1]。而隐形矫治作为逐渐兴起的矫治方式，面临着实现率较低等问题，尤其在前牙转矩等方面[16]。因此冠根整合数字化模型与隐形矫治相结合是否真的能够获得理想的临床效果，根据李苏娜等[4]的研究已经验证了可行性，具有建模的意义，但缺乏对于实际疗效的研究。而本研究建立一种冠根融合的三维模型，并首次对无托槽隐形矫治器在非拔牙病例中前牙区的实际临床效果即转矩和轴倾进行分析。

本研究结果表明，切牙和尖牙实际转矩小于预测转矩，二者差异具有统计学意义(P<0.05)，Haouili等[17]的前瞻性研究发现上颌侧切牙的转矩实现率达到了70%，这与本实验的研究结果相似。然而Kravitz等[18]的研究表明，侧切牙转矩实现率最高为 47.6%，其次尖牙的转矩实现率为44.6%，中切牙的转矩实现率最低为 40.3%。此外对于前牙的转矩，侧切牙相对于其他前牙来说有着更好的控制率。而造成前述研究的实现率相对较低的原因可能与多种因素相关，如Kravitz等的研究移动量设计较大，导致实现难度相对提高；而本研究结合牙根数据，牙根在牙槽骨中的高度决定其阻力中心，准确判断阻力中心位置，有利于选择合适力系统矫治[19]；同时由于隐形矫治器的特性能够提供较好的颊向移动的力，而本研究唇颊向移动病例相对较多，故实现率相对较高；而前牙附件的设置以及矫治器的更换频率等都可能是影响因素[20-21]。另外Simon等[10]和Weir[22]通过回顾性研究发现前牙转矩改变在10°以下的病例调控相对简单，实现率较高，这同样与本研究的结果类似。其中侧切牙的转矩实现率最高为77.55%，其次尖牙的转矩实现率为65.99%，中切牙的转矩实现率最低为60.70%。侧切牙实现率显著高于尖牙与中切牙，与以往结果类似[17]。笔者认为隐形矫治器的矫治力来自矫治器与牙面间的外形不匹配、挤压产生的反作用力，侧切牙体积较小，牙周膜面积小，相同矫治力下引起牙槽骨改建更加明显。

本研究结果表明，前牙的实际轴倾均显著小于预测值(P<0.01)，其中中切牙的实现率最高为81.49%，其次侧切牙为77.62%，尖牙的实现率最低为74.95%。相对于转矩实现率较高，与前述研究相比，尖牙的轴倾实现率较低，可能是因为相较于其他牙，尖牙牙根截面为圆形，牙根更长，同时牙冠为锥形缺少倒凹，矫治器固位力较低，矫治效果不良，这与袁惠芳等[23]研究结果相同；同时尖牙位于牙弓转折处，与前磨牙牙根间空间较小，导致矫治效果较差[5]。而切牙轴倾实现率相对较高可能是因为切牙牙冠扁平，牙根相对较小所致。

虽然隐形矫治在前牙区小范围移动拥有更高的实现率，但与预测值相比仍有一定的差距，在了解最终牙齿位置的基础上，临床医生能够在矫治中通过过矫治建立必要的补偿[24]，也可以在早期做颌间牵引或者是添加附件或微种植钉来达到目标位置[25-26]。

无托槽隐形矫治技术结合冠根整合模型进行临床矫治的优势具有相当大的潜力，未来可进一步进行骨松质与骨皮质的精密分割，以动态反映正畸牙移动过程中牙槽骨的改建规律，通过更深入的技术融合发挥出更广泛强大的功能[21]。

本研究存在着一定的局限性：在临床上有很多研究都是以上颌腭皱作为参考点进行术前和术后的模型重叠，而我们使用未处理的后牙牙冠作为参考点进行重叠。虽然所设计的后牙不移动，但不能排除存在相对移动[8]。另一个不足之处是研究参与者的数量相对较少，矫治的设计与过程也受到临床医生经验的影响，存在着一定的误差。在治疗效果方面，本研究多数的目标角度相对较小，需要多名正畸医生进行更大样本量以及更大角度的随访研究提供更准确的结果。同时未将三维冠根整合数字化模型结合隐形矫治与其他正畸矫治器(如传统固定矫治器、舌侧矫治器)进行比较。因此需要进一步的研究比较不同正畸矫治器在前牙转矩轴倾的临床效果，以比较哪一种最为合适。

综上所述，本研究可以得出：①通过三维重建与口扫技术结合建立完整的数字化冠根模型，能够提高疗效评估的精度。②在隐形矫治非拔牙病例中，前牙区的转矩和轴倾实现率能够达到70%左右，其中轴倾相对于转矩实现率更高。③侧切牙相对于中切牙和尖牙有更高的转矩实现率，中切牙相对于侧切牙和尖牙有更高的轴倾实现率。