三維數(shù)字化技術(shù)在正畸診斷和治療設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

作者：白玉興 首都醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院正畸科

一、三維數(shù)字化技術(shù)在正畸檢查及診斷中的應(yīng)用

1．三維頭影測(cè)量分析：

X線頭影測(cè)量是正畸檢查診斷和科學(xué)研究的重要手段，而其由于重疊、扭曲、變形和不規(guī)則放大等缺點(diǎn)，可影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。錐形束CT輻射量較傳統(tǒng)CT小、無扭曲、放大和重疊，基于錐形束CT圖像進(jìn)行三維頭影測(cè)量可精確反映顱面部結(jié)構(gòu)的三維關(guān)系。傳統(tǒng)頭影測(cè)量有頭顱定位儀及自然頭位等成熟的體系幫助建立坐標(biāo)系，獲得水平及矢狀面參照系，而錐形束CT三維重建圖像缺乏定位坐標(biāo)體系。三維測(cè)量中，原有二維測(cè)量中的角度多轉(zhuǎn)化為面角，面角如何解讀目前還不成熟。新的三維測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)包括坐標(biāo)原點(diǎn)、基準(zhǔn)平面、測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)、三維參考平面和測(cè)量項(xiàng)目等。梁舒然等探討了錐形束CT三維圖像中標(biāo)志點(diǎn)定位的可重復(fù)性和可靠性，從39個(gè)常用骨性和牙性標(biāo)志點(diǎn)中篩選出可靠性高的三維標(biāo)志點(diǎn)30個(gè)，并以此為基礎(chǔ)，最終篩選出32項(xiàng)可靠性高的測(cè)量項(xiàng)目，包括SNA角、SNB角、ANB角、Y軸角、頜凸角、面角、下頜平面角和Wits值等。通過這些測(cè)量項(xiàng)目，可進(jìn)行上下頜骨和牙齒矢狀、冠狀和垂直向測(cè)量，為三維頭影測(cè)量分析標(biāo)準(zhǔn)的建立提供依據(jù)。值得注意的是，用錐形束CT行三維頭影測(cè)量分析時(shí)，較多測(cè)量項(xiàng)目的含義與二維頭影測(cè)量不同。如Wits值既包含上下頜骨矢狀向關(guān)系，同時(shí)也包含冠狀向關(guān)系。下頜平面角既體現(xiàn)下頜平面垂直向傾斜角度，同時(shí)也體現(xiàn)下頜骨下緣與正中矢狀面的角度。因此，同一測(cè)量項(xiàng)目在三維和二維頭影測(cè)量中的差異，尚待深入研究。

2．?dāng)?shù)字化牙頜模型：

牙頜模型對(duì)正畸檢查和診斷有重要作用，目前最常用的是石膏模型，但石膏模型存在易磨損、易丟失、物理存儲(chǔ)空間大等缺點(diǎn)。牙頜模型三維數(shù)字化技術(shù)是指通過特定的三維掃描設(shè)備和三維重建算法，獲取牙頜表面或石膏模型表面一系列離散點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和曲面重建，獲得一個(gè)接近原型、包含形狀信息的三維數(shù)字化牙頜模型。牙頜模型數(shù)字化的方法有激光掃描、CT圖像重構(gòu)、接觸式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x以及層析法。其中層析法最常用，其一次可處理多個(gè)牙頜模型，并僅在準(zhǔn)備切削試件時(shí)需要人工干預(yù)，切削加工和掃描過程可自動(dòng)完成，自動(dòng)化程度較高。圖像重建過程已有成熟的算法支持，獲取的數(shù)字化三維牙頜模型能真實(shí)反映口腔內(nèi)微小的解剖結(jié)構(gòu)，精度較高，且大批量生產(chǎn)成本較低。但層析掃描法耗時(shí)長(zhǎng)，屬于破壞性掃描，其精度取決于每次切削的厚度，獲取數(shù)據(jù)的過程有破壞性，一旦掃描完成原始模型不復(fù)存在，單個(gè)模型的掃描成本較高。而且硅橡膠印模材料性能的差異、取印模時(shí)操作者技術(shù)熟練程度的差異，印模寄送時(shí)的損壞變形等因素，均可影響層析掃描后數(shù)字化牙頜模型的精確度。近年，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了口內(nèi)直接掃描技術(shù)，避免了傳統(tǒng)手工取模對(duì)患者造成的不適感以及印模材料的不準(zhǔn)確性，并透過內(nèi)建的無線設(shè)備將文件傳輸至隱形矯治設(shè)計(jì)公司進(jìn)行后續(xù)加工處理。省略了取印模以及印模寄送等相對(duì)繁瑣的步驟，使操作簡(jiǎn)單、方便、快捷；直接從患者口內(nèi)獲得牙頜三維信息，避免了模型變形導(dǎo)致的數(shù)字化牙頜模型準(zhǔn)確度降低等缺點(diǎn)，是一種新型的牙頜模型數(shù)字化方法?？趦?nèi)直接掃描獲取數(shù)字化模型是一種非侵入式的牙頜模型獲取方法，提高了模型測(cè)量的速度和精度，獲得的數(shù)字化模型便于存儲(chǔ)，不占用空間。數(shù)字化模型方便傳輸，有利于遠(yuǎn)程會(huì)診，同時(shí)可模擬正畸牙移動(dòng)，進(jìn)行個(gè)性化矯治器設(shè)計(jì)。

3．三維顏面成像技術(shù)：

正畸治療過程中，患者的軟組織變化一直是正畸醫(yī)師關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，三維顏面成像技術(shù)已應(yīng)用于面部軟組織重建和三維測(cè)量中。目前常用的三維顏面成像技術(shù)包括三維激光顏面掃描、立體攝影、結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)等。非接觸式三維激光掃描技術(shù)通過發(fā)射激光，照射至被測(cè)物體表面產(chǎn)生光的漫反射，反射光由傳感器接收，通過三角測(cè)量原理，計(jì)算出到被掃描物體的距離，并轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；通過旋轉(zhuǎn)被測(cè)物體，獲取物體表面的全部信息；通過軟件拼接掃描數(shù)據(jù)，得到物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過三維重建真實(shí)客觀地反映面部三維形態(tài)，并進(jìn)行三維幾何測(cè)量，實(shí)現(xiàn)定量分析。三維顏面成像技術(shù)可獲取健康人群的顏面部軟組織信息，形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)，從而發(fā)現(xiàn)個(gè)體差異；同時(shí)，也可以獲取患者治療各階段的三維軟組織面像，并進(jìn)行三維重疊分析，明確患者治療各階段的軟組織變化。另外，可以將患者三維軟、硬組織和三維牙頜模型進(jìn)行數(shù)字化整合，形成虛擬患者，用于制定正畸治療方案，并有利于醫(yī)患溝通。

4．牙槽骨的評(píng)估：

5．顳下頜關(guān)節(jié)（temporomandibular joint，TMJ）的評(píng)估：

TMJ是下頜骨的生長(zhǎng)發(fā)育中心，其隨生長(zhǎng)發(fā)育而改建和生長(zhǎng)，從而促進(jìn)下頜骨和面部的生長(zhǎng)發(fā)育。錐形束CT提供三維的圖像信息，使得對(duì)治療前后的評(píng)價(jià)效果更直觀準(zhǔn)確，可直觀評(píng)價(jià)髁突形態(tài)和位置的變化。錐形束CT為縱向評(píng)價(jià)下頜骨髁突生長(zhǎng)變化提供了有效而安全的檢測(cè)手段。同時(shí)，錐形束CT可幫助醫(yī)師準(zhǔn)確評(píng)估關(guān)節(jié)形態(tài)、移位以及骨皮質(zhì)狀況，規(guī)避治療風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)治療設(shè)計(jì)。錐形束CT可準(zhǔn)確顯示TMJ硬組織結(jié)構(gòu)，但不能顯示關(guān)節(jié)盤等軟組織結(jié)構(gòu)，因此建議用于明確存在骨性問題的評(píng)估，如關(guān)節(jié)不對(duì)稱、關(guān)節(jié)移位、骨質(zhì)破壞等。MRI可準(zhǔn)確顯示關(guān)節(jié)盤等軟組織結(jié)構(gòu)，但不能清晰顯示硬組織結(jié)構(gòu)。錐形束CT與MRI結(jié)合分析可完整反映TMJ狀況。

6．埋伏牙評(píng)估：

埋伏牙是人體牙頜系統(tǒng)中較常見的發(fā)育異常，包括阻生牙和多生牙。傳統(tǒng)X線檢查無法提供埋伏牙形狀、方向、位置和毗鄰關(guān)系的準(zhǔn)確信息。醫(yī)師只能綜合多張X線片進(jìn)行觀察比較，結(jié)果主觀性較強(qiáng)。埋伏牙的治療包括手術(shù)拔除、正畸牽引、自體牙移植和手術(shù)暴露后待其自然萌出，正確的治療計(jì)劃應(yīng)建立在明確診斷的基礎(chǔ)上。錐形束CT可為臨床醫(yī)師提供阻生牙部位的三維圖像信息，如阻生牙位置、與鄰近神經(jīng)等結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及牙根是否彎曲、牙齒覆蓋的骨量等信息，輔助臨床醫(yī)師確定開窗部位以及牽引方式。錐形束CT可明確診斷：①埋伏牙數(shù)目、形態(tài)、大??；②埋伏牙長(zhǎng)軸方向；③埋伏牙與鄰牙的關(guān)系；④牙根吸收情況；⑤埋伏牙與上頜竇或下頜神經(jīng)管的位置關(guān)系；⑥埋伏牙在頜骨中的位置與表面骨壁厚度?？梢暬娜S圖像便于正畸醫(yī)師與外科醫(yī)師溝通，更利于患者理解病情及治療全程，從而積極配合。

7．頸椎骨齡分析：

正畸治療的對(duì)象主要是生長(zhǎng)發(fā)育期兒童，正確預(yù)測(cè)兒童的生長(zhǎng)方向、時(shí)間和生長(zhǎng)量對(duì)正畸治療有重要意義。因此，正畸醫(yī)師對(duì)青春發(fā)育期的正確預(yù)測(cè)尤其重要。研究發(fā)現(xiàn)，年齡、身高、體質(zhì)量、牙齡和第二性征均不是評(píng)估生長(zhǎng)發(fā)育的最佳指標(biāo)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，骨齡是預(yù)測(cè)青春發(fā)育期較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并提出了多種評(píng)價(jià)方法。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為手腕骨骨齡與生長(zhǎng)高峰期高度相關(guān)，是判斷骨齡的最佳指標(biāo)，近年眾多學(xué)者開始關(guān)注頸椎骨齡與生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系。與手腕骨相比，頸椎骨化中心較少，但生長(zhǎng)發(fā)育變化明顯，與顱面關(guān)系更密切，且頸椎形態(tài)在頭顱側(cè)位X線片中即可見，避免了加照手腕骨X線片的二次放射傷害，并減少了患者的經(jīng)濟(jì)支出。Chen等利用錐形束CT行頸椎三維測(cè)量，觀察頸椎三維大小和形態(tài)的變化規(guī)律，確定三維視圖上可靠性高的頸椎標(biāo)志點(diǎn)和相關(guān)測(cè)量項(xiàng)目，初步建立了一種三維頸椎測(cè)量方法，具有重要的臨床指導(dǎo)和研究意義。

二、三維數(shù)字化技術(shù)在口腔正畸治療設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1．支抗種植體導(dǎo)板的輔助治療設(shè)計(jì)：

種植體支抗已成為重要的正畸支抗形式，但由于植入部位骨量有限，植入方向和操作不當(dāng)?shù)葐栴}，種植體植入可能損傷牙根，影響治療效果，因此植入部位和骨量是種植體成功的關(guān)鍵。為增加種植體植入的準(zhǔn)確性，有學(xué)者在植入?yún)^(qū)牙鄰間隙插入銅絲等阻射標(biāo)志物，用三維外科引導(dǎo)裝置、三維放攝照像外科引導(dǎo)裝置降低種植體鉆孔和植入時(shí)的軌道偏差。然而，以上裝置均在X線片的基礎(chǔ)上制作，將二維信息傳遞至三維植入?yún)^(qū)，可能存在偏差。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制作（computer aided design and computer aided manufacutre，CAD/CAM）技術(shù)目前已用于牙種植體導(dǎo)板的設(shè)計(jì)和制作，為增加正畸種植體植入的準(zhǔn)確性，有學(xué)者利用牙種植體導(dǎo)板系統(tǒng)進(jìn)行正畸種植體導(dǎo)板設(shè)計(jì)與制作，但存在導(dǎo)板制作過程復(fù)雜、成本高等問題；而且利用目前商業(yè)化牙種植體導(dǎo)板的制作方法與流程，無法準(zhǔn)確模擬正畸種植體植入并解決導(dǎo)板的充足固位與植入時(shí)充分引導(dǎo)的問題。近期，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用錐形束CT和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作出微螺釘種植體導(dǎo)板。首先，應(yīng)用錐形束CT不同斷面圖像對(duì)上下頜牙根間植入位置的骨量進(jìn)行測(cè)量，確定植入位置的安全區(qū)間，指導(dǎo)種植體植入。然后，用錐形束CT數(shù)據(jù)三維重建，利用快速成形技術(shù)制作正畸種植體導(dǎo)板，提高種植體植入的精度和安全性。

2．3D打印鈦板前方牽引的輔助治療設(shè)計(jì)：

3．無托槽隱形矯治技術(shù)：

無托槽隱形矯治技術(shù)是將計(jì)算機(jī)圖像處理和輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、快速成形技術(shù)應(yīng)用于口腔正畸領(lǐng)域的產(chǎn)物。該技術(shù)從出現(xiàn)至今，在技術(shù)手段、材料方法和臨床應(yīng)用等方面均取得了顯著的成就。無托槽隱形矯治技術(shù)中的關(guān)鍵步驟是三維數(shù)字化牙頜模型的獲取、軟件設(shè)計(jì)虛擬牙移動(dòng)及無托槽隱形矯治器的生產(chǎn)制作。隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，在無托槽隱形矯治技術(shù)診斷與設(shè)計(jì)中，具有不同功能的設(shè)計(jì)與加工軟件均使無托槽隱形矯治技術(shù)在可操作性、設(shè)計(jì)精度、工作效率、可視化程度等各方面不斷升級(jí)與提高。無托槽隱形矯治技術(shù)的出現(xiàn)順應(yīng)了人們追求美觀、舒適、健康的現(xiàn)代治療觀念。雖然目前該技術(shù)的使用仍有一定的局限性，但隨著三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，以及專用于制作隱形矯治器的熱壓膜材料的研制，必將會(huì)使越來越多的正畸人群受益。

4．個(gè)性化舌側(cè)矯治技術(shù)：

個(gè)性化舌側(cè)矯治器是應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)數(shù)字化模擬排牙后，在計(jì)算機(jī)上三維建模完成個(gè)性化舌側(cè)托槽設(shè)計(jì)。托槽底板形態(tài)與各牙舌側(cè)面完全吻合，精密鑄造托槽。機(jī)械手完成弓絲的精確成形，克服了傳統(tǒng)舌側(cè)矯治器的局限性。近年，我國(guó)學(xué)者利用數(shù)字化三維重建技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)個(gè)性化舌側(cè)矯治器的研究，并應(yīng)用于臨床，獲得較好的效果。隨著成年正畸患者的不斷增加，患者對(duì)矯治器的隱蔽性和舒適性的要求越來越高。無托槽隱形矯治技術(shù)雖然一定程度上滿足了部分患者的需要，但由于材料和軟件等方面的原因，尚不能滿足所有正畸患者的需要。舌側(cè)矯治技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，雖然其隱蔽性較好，但由于設(shè)計(jì)和操作相對(duì)復(fù)雜，并未在我國(guó)廣泛使用。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化模擬排牙取代了手工排牙，機(jī)械手彎制弓絲取代了人工彎制弓絲，并且個(gè)性化舌側(cè)托槽與牙齒舌側(cè)面完全吻合，這些變化和發(fā)展均大大降低了舌側(cè)矯治技術(shù)的操作難度，同時(shí)增加了患者的舒適度，推動(dòng)了舌側(cè)矯治技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，滿足了患者的需求。

三、三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中的問題和展望

三維數(shù)字化技術(shù)已在口腔正畸領(lǐng)域中廣泛用于檢查診斷、臨床治療和療效評(píng)估等方面，極大提高了診療的精確性，但同時(shí)也存在問題，尤其是錐形束CT的安全性問題。對(duì)患者行錐形束CT檢查前，必須考慮輻射風(fēng)險(xiǎn)。建議對(duì)存在牙槽骨和牙根吸收風(fēng)險(xiǎn)以及關(guān)節(jié)問題的患者，考慮拍攝錐形束CT。而對(duì)埋伏牙和正頜患者，建議常規(guī)拍攝錐形束CT。隨著各種減少輻射手段的發(fā)展，錐形束CT的輻射劑量將進(jìn)一步降低。同時(shí)，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)師可根據(jù)臨床需要自由定義視野大小和形狀，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的隨機(jī)自由選擇。醫(yī)師還可根據(jù)臨床需要自由定義拍攝區(qū)域的分辨率，如普通區(qū)域低分辨率、重點(diǎn)區(qū)域高分辨率等。

來源：中華口腔醫(yī)學(xué)雜志2016年第51卷第6期