两种计算机配准方法下的无牙颌印模误差分析

余念 曹阳 俞青

近年来,数字化技术已经被尝试应用于全口义齿的诊疗流程当中,包括个别托盘的制作打印、电子面弓的转移、排牙等,但仍有一些问题亟需解决,尤其是全口义齿的口内印模技术方面。随着越来越精确的口内扫描仪面世,口内扫描技术已经广泛应用于牙体缺损修复和局部牙列缺损修复[1],无牙颌的扫描精度误差也在逐渐缩小,难点之一在于数字化光学扫描只能获取患者无压力时的黏膜状态,在全口义齿的修复过程中,如果不获取功能性印模,当产生咬合力时,缓冲区的黏膜下沉,使承托区受到较大的压力,导致黏膜压痛,全口义齿的成功率降低,无牙颌的数字化印模因此受到了限制。提高无牙颌数字化印模的准确性,关键在于能否量化压力和非压力下黏膜下沉量的差异。

全口义齿的功能性印模指的是模拟无牙颌黏膜在生理性咬合状态下获取的印模,临床上通常使用二次印模法来制取,使用该方法制作的最终修复体有助于引导患者的咬合力均匀分布于牙槽嵴上,从而减少修复后压痛的发生[2]。目前的全口义齿取模效果主要依靠于医生的个人决定和临床手法,对于年轻的修复医师来说,全口义齿印模的获取仍然存在着一定难度。

目前口腔数字化技术常用Geomagic软件进行模型的配准分析,使用最佳拟合法进行数据间的比较,该方法操作简便但精度尚不明确[3]。本研究将对20 例上颌无牙颌的患者取具有一定压力的功能性印模,使用Rhino 3D和Geomagic Wrap 2015软件对模型进行常规最佳拟合配准后偏差分析,以获得各功能区的一般下沉规则。在此基础上同时尝试使用一种新的拟合配准方法分析各区域偏差,与传统方法比较,验证新方法的可行性。

1 材料与方法

1.1 病例选择

从南京市口腔医院修复科随机选取20 例上颌无牙颌病例。纳入标准:上颌牙齿缺失3 个月以上,且牙槽嵴吸收为I类;上颌无牙颌黏膜无骨突、骨尖,无其他黏膜疾病;患者张口度正常,无颞下颌关节病变;无严重的系统性疾病,有较高的配合度。所有参与者签署知情同意书,并进行了初步检查,包括影像学检查。南京大学医学院附属口腔医院伦理委员会对该研究进行了伦理批准[批号:2018NL-033(KS)]。

1.2 印模采集

使用藻酸盐印模材料(Dentsply Sirona,美国)和金属无牙颌托盘(Schreinemakers金属无牙印模托盘,Clan Dental Products,Maarheeze,荷兰)进行初印模制取,作为对照组(C组)。通过自凝树脂(Ambient curable resin for individual tray,Aichi Prefecture,Japan)制作个别托盘,托盘要求有一层材料,边缘止于黏膜转折2 mm的线上,托盘表面没有孔,模型上没有铺蜡。印模要求由同一名有经验的医生来制取,使用硅橡胶重体(Virtual Heavy Body,Ivoclar Vivadent,Liechtenstein)和轻体材料(Virtual Light Body,Ivoclar Vivadent),开口状态下获取印模并及时灌注石膏模型,标记为压力印模组(P组)(图1)。

图1 获取上颌无牙颌初印模及压力式印模

1.3 模型数字化

使用口外扫描仪(D810 Scanner,3 Shape,Denmark)扫描两组模型,根据模型的大小确定扫描范围边界,最后保存为STL格式。

1.4 模型分区

为了便于获取更精确的数据,并探讨无牙颌不同区域解剖关系对结果的影响,由两位经验丰富的医生共同进行上颌无牙颌测量区域的划分。根据功能性分区将其按照主承托区、副承托区、缓冲区和边缘封闭区4类区域划分:主承托区主要为牙槽嵴区域位置,分为前牙牙槽嵴和后牙牙槽嵴;副承托区为上颌硬区,腭皱区为缓冲区,边缘封闭区选取能够明确识别的后堤区作参照[4-5]。具体分区方法如下:以AB弧线内外侧各3 mm作平行于AB的弧线,内侧区域为前牙牙槽嵴;BC弧线内外侧各4 mm作平行于BC的弧线,该区域为后牙牙槽嵴。两侧弧线相连,最终止于C点,此区域即为主承托区;前牙牙槽嵴内侧弧线与BB连线相交,自腭中缝向两侧放射状的软组织横嵴即为腭皱区域。在口内确定后堤区:首先确认翼上颌切迹位置,嘱患者发“啊”音确定后颤动线,用标记笔涂记后并将印模复位于患者口内,转移涂记区域。剩余区域即为上颌硬区(图2)。

图2 上颌无牙颌功能性区域划分 图3 C组与P组的最佳拟合3D偏差分析图

1.5 匹配和数据分析

在逆向工程软件(Geomagic wrap 2015,Raindrop,USA)中将P组与C 组采用“最佳拟合配准”方法进行模型匹配,计算总体偏差以及模型各区域内的偏差(图3)。同时使用本实验自定义配准方法:基于P组与C组牙槽嵴区域完全一致的前提假设,对两对模型进行配准。模型被导入CAD软件(Rhino 6.0,Robert McNeel,USA),利用“投影”功能获得沿硬腭中线的牙槽脊轮廓线,轮廓线的最高点被标记为A点,通过A点生成与牙槽嵴轮廓线垂直的平面A。平面A被设定为参考平面,每5 mm生成与之平行的平面,最后一个平面位于上颌结节前。平面与上颌模型相交的最高点将被提取出来,并用一条平滑的曲线连接。曲线在牙弓前段向唇侧以及舌侧均匀偏移3 mm,在后段偏移5 mm,连接唇向以及舌向偏移的曲线形成一多重曲面。该多重曲面和上颌模型进行布尔运算,得到上颌牙槽嵴的模型,该模型在不同的印模制取条件下被认为是稳定不变的(图4)。两种不同的印模方法下的上颌牙槽嵴模型使用Geomagic Wrap中的“最佳拟合配准”进行了拟合。经过矩阵转换,上颌模型的其余部分也将进行配准分析(图5)。

图4 运用Rhino 软件得出上颌牙槽嵴模型

图5 分割后的牙槽嵴模型采用旋转矩阵重新模型配准

1.6 统计学分析

2 结 果

比较压力组P组里两种配准方法的偏差结果,结果显示两种方法在模型整体、上颌硬区和后堤区均具有统计学差异(P<0.05),在牙槽嵴和腭皱区无统计学差异(P>0.05)。两种方法在不同区域的偏差大小趋势相同,均显示牙槽嵴处黏膜变化最小,分别为(0.158±0.052) mm和(0.129±0.065) mm,后堤区变化最大(0.267±0.159) mm和(0.366±0.154) mm(表1)。在区域拟合法里假设牙槽嵴处偏差最小为0,最大偏差值出现在后堤区为0.620 mm(表2)。

表1 两种配准方法在上颌无牙颌各区域的偏差值

表2 两种配准方法在上颌无牙颌各区域的偏差极值

3 讨 论

数字化技术目前在口腔修复中被广泛应用,其中,数字化印模技术作为固定义齿印模方式已经普及临床,而活动义齿仍旧采用传统印模方式,其原因主要在于:牵拉嘴唇、口角等操作造成的黏膜动度无法避免;光学扫描获取的为无压力状态下印模,与传统的二次印模势必具有软组织误差等。无牙颌中,其软组织依靠的硬组织解剖结构不同,上部黏膜的厚度与弹性也不一致,这就决定了各个区域在承受患者相同咬合力负荷的时候,其黏膜的下沉量是不同的[6]。本实验分别从不同区域下分析无牙颌模型的组织偏差结果发现,牙槽嵴的下沉量最小,后堤区最大。有研究认为主承托区骨面上覆盖的黏膜组织厚度均匀适中,黏膜下纤维组织坚韧致密而富有弹性,承受正常的咬合力时牙槽嵴区域黏膜让度约为0.14～0.35 mm(平均0.2 mm),其余区域的黏膜让度此时可达到其5～10 倍[7]。腭皱处的黏膜组织没有活动性,在临床上由于印模压力大,常常导致牙槽嵴和腭皱部位的压痛[8]。实验结果显示,它是变化仅次于牙槽嵴的区域,这与它的解剖学特征是一致的。无牙颌的后堤区位于软腭和前后震颤线之间,是保证义齿固位的首要因素。接触面积越大,吸附力越强[9]。根据Litvak等[10]的研究,其宽度约为4～12 mm,平均为8.2 mm。张涛等[11]在2013 年即采用手工传统测量方法测定上颌无牙颌模型深度,分析解剖式印模与压力式印模的差异,得出在压力下各个功能区组织面黏膜变形程度如下:牙列区(0.085±0.316) mm,腭皱区为(0.459±0.197) mm,硬区为(0.369±0.146) mm,后堤区为(0.035±0.107) mm。在该实验中认为腭皱区在压力下的变形量最大,与本实验结果有所差异。

牙科模型的空间三维测量目前是在体外进行临床研究的重要方法之一[12]。逆向工程软件运用于牙科的主要原理是将实物数字化获得点云数据,以此为基础来获取实物模型的数据信息,从而进行相关指标的测量与分析。由于通过不同方式获得的三维模型具有不同的坐标系,所以模型配准是牙科数字化过程中几乎不可避免的一部分[13]。目前普遍采用的方法是Geomagic系列中的“最佳拟合”方法,即软件自动以参考模型为基准,将实验测试模型通过变换矩阵尽可能接近与参考模型的点集重合在一起。这种方法处理起来简单易于操作,由于重合点的差异可能会导致模型间出现正负误差均存在的现象[14-15],与本实验结果对应。Geomagic软件还可以进行手动注册和全局注册来配准模型,通过三点确定平面的原理,选取两个模型上3 个或以上特征点即可以进行匹配[16]。岳广娜等[17]和杨鑫等[18]在实验中使用Geomagic进行模型拟合和注册的误差分析,他们在扫描前进行了固定模型区域的操作,将该区域转移到计算机中,从而进行区域的配准。对于有牙颌,可以利用特征性的牙齿标志点来进行精确的配准,而无牙颌的配准相对来说较为困难,选取一个相对稳定、变形小的区域作为对准基础或许可以提高配准精度。徐敏等[19]利用腭皱襞联合腭中缝区域配准的方法,获得了良好的匹配精度。本实验以此作出假设,先将偏差最小的牙槽嵴区域进行最佳配准后,再进行其它区域的对准。结果与预期一致,模型间的偏差均为一个方向,且牙槽嵴偏差最小。尽管配准方法不同,但两种分析都得出了相同的压力下沉趋势。证明这两种方法都是合理的,并证实了趋势的真实性。然而,本实验的结果表明,在自定义的配准方法中,黏膜下沉的差异更加明显,这可能是由于该方法首先对变化小的区域进行了局部完全对准,从而减少了最佳配准阶段的正负偏差。本实验通过选择扫描相对较为方便的上颌无牙颌,在研究其口扫精度、压力式印模下的黏膜偏差等基础上,在本实验中探索了一种相对较为准确的模型配准方法。通过探索新的配准方法,或许可以提高模型匹配的精度,为数字化修复的三维数据评估提供可靠的参考依据。