三维数字化技术在正畸诊断和治疗设计中的应用

作者：白玉兴 首都医科大学口腔医学院正畸科

一、三维数字化技术在正畸检查及诊断中的应用

1．三维头影测量分析：

X线头影测量是正畸检查诊断和科学研究的重要手段，而其由于重叠、扭曲、变形和不规则放大等缺点，可影响测量结果的准确性。锥形束CT辐射量较传统CT小、无扭曲、放大和重叠，基于锥形束CT图像进行三维头影测量可精确反映颅面部结构的三维关系。传统头影测量有头颅定位仪及自然头位等成熟的体系帮助建立坐标系，获得水平及矢状面参照系，而锥形束CT三维重建图像缺乏定位坐标体系。三维测量中，原有二维测量中的角度多转化为面角，面角如何解读目前还不成熟。新的三维测量坐标系统应包括坐标原点、基准平面、测量标志点、三维参考平面和测量项目等。梁舒然等探讨了锥形束CT三维图像中标志点定位的可重复性和可靠性，从39个常用骨性和牙性标志点中筛选出可靠性高的三维标志点30个，并以此为基础，最终筛选出32项可靠性高的测量项目，包括SNA角、SNB角、ANB角、Y轴角、颌凸角、面角、下颌平面角和Wits值等。通过这些测量项目，可进行上下颌骨和牙齿矢状、冠状和垂直向测量，为三维头影测量分析标准的建立提供依据。值得注意的是，用锥形束CT行三维头影测量分析时，较多测量项目的含义与二维头影测量不同。如Wits值既包含上下颌骨矢状向关系，同时也包含冠状向关系。下颌平面角既体现下颌平面垂直向倾斜角度，同时也体现下颌骨下缘与正中矢状面的角度。因此，同一测量项目在三维和二维头影测量中的差异，尚待深入研究。

2．数字化牙颌模型：

牙颌模型对正畸检查和诊断有重要作用，目前最常用的是石膏模型，但石膏模型存在易磨损、易丢失、物理存储空间大等缺点。牙颌模型三维数字化技术是指通过特定的三维扫描设备和三维重建算法，获取牙颌表面或石膏模型表面一系列离散点的空间三维坐标数据，在此基础上进行数据处理和曲面重建，获得一个接近原型、包含形状信息的三维数字化牙颌模型。牙颌模型数字化的方法有激光扫描、CT图像重构、接触式三坐标测量仪以及层析法。其中层析法最常用，其一次可处理多个牙颌模型，并仅在准备切削试件时需要人工干预，切削加工和扫描过程可自动完成，自动化程度较高。图像重建过程已有成熟的算法支持，获取的数字化三维牙颌模型能真实反映口腔内微小的解剖结构，精度较高，且大批量生产成本较低。但层析扫描法耗时长，属于破坏性扫描，其精度取决于每次切削的厚度，获取数据的过程有破坏性，一旦扫描完成原始模型不复存在，单个模型的扫描成本较高。而且硅橡胶印模材料性能的差异、取印模时操作者技术熟练程度的差异，印模寄送时的损坏变形等因素，均可影响层析扫描后数字化牙颌模型的精确度。近年，随着数字化技术的发展，出现了口内直接扫描技术，避免了传统手工取模对患者造成的不适感以及印模材料的不准确性，并透过内建的无线设备将文件传输至隐形矫治设计公司进行后续加工处理。省略了取印模以及印模寄送等相对繁琐的步骤，使操作简单、方便、快捷；直接从患者口内获得牙颌三维信息，避免了模型变形导致的数字化牙颌模型准确度降低等缺点，是一种新型的牙颌模型数字化方法。口内直接扫描获取数字化模型是一种非侵入式的牙颌模型获取方法，提高了模型测量的速度和精度，获得的数字化模型便于存储，不占用空间。数字化模型方便传输，有利于远程会诊，同时可模拟正畸牙移动，进行个性化矫治器设计。

3．三维颜面成像技术：

正畸治疗过程中，患者的软组织变化一直是正畸医师关注的热点。随着数字化技术的发展，三维颜面成像技术已应用于面部软组织重建和三维测量中。目前常用的三维颜面成像技术包括三维激光颜面扫描、立体摄影、结构光三维扫描技术等。非接触式三维激光扫描技术通过发射激光，照射至被测物体表面产生光的漫反射，反射光由传感器接收，通过三角测量原理，计算出到被扫描物体的距离，并转化为三维坐标数据；通过旋转被测物体，获取物体表面的全部信息；通过软件拼接扫描数据，得到物体表面的三维点云数据；通过三维重建真实客观地反映面部三维形态，并进行三维几何测量，实现定量分析。三维颜面成像技术可获取健康人群的颜面部软组织信息，形成标准化数据库，从而发现个体差异；同时，也可以获取患者治疗各阶段的三维软组织面像，并进行三维重叠分析，明确患者治疗各阶段的软组织变化。另外，可以将患者三维软、硬组织和三维牙颌模型进行数字化整合，形成虚拟患者，用于制定正畸治疗方案，并有利于医患沟通。

4．牙槽骨的评估：

5．颞下颌关节（temporomandibular joint，TMJ）的评估：

TMJ是下颌骨的生长发育中心，其随生长发育而改建和生长，从而促进下颌骨和面部的生长发育。锥形束CT提供三维的图像信息，使得对治疗前后的评价效果更直观准确，可直观评价髁突形态和位置的变化。锥形束CT为纵向评价下颌骨髁突生长变化提供了有效而安全的检测手段。同时，锥形束CT可帮助医师准确评估关节形态、移位以及骨皮质状况，规避治疗风险，指导治疗设计。锥形束CT可准确显示TMJ硬组织结构，但不能显示关节盘等软组织结构，因此建议用于明确存在骨性问题的评估，如关节不对称、关节移位、骨质破坏等。MRI可准确显示关节盘等软组织结构，但不能清晰显示硬组织结构。锥形束CT与MRI结合分析可完整反映TMJ状况。

6．埋伏牙评估：

埋伏牙是人体牙颌系统中较常见的发育异常，包括阻生牙和多生牙。传统X线检查无法提供埋伏牙形状、方向、位置和毗邻关系的准确信息。医师只能综合多张X线片进行观察比较，结果主观性较强。埋伏牙的治疗包括手术拔除、正畸牵引、自体牙移植和手术暴露后待其自然萌出，正确的治疗计划应建立在明确诊断的基础上。锥形束CT可为临床医师提供阻生牙部位的三维图像信息，如阻生牙位置、与邻近神经等结构的关系以及牙根是否弯曲、牙齿覆盖的骨量等信息，辅助临床医师确定开窗部位以及牵引方式。锥形束CT可明确诊断：①埋伏牙数目、形态、大小；②埋伏牙长轴方向；③埋伏牙与邻牙的关系；④牙根吸收情况；⑤埋伏牙与上颌窦或下颌神经管的位置关系；⑥埋伏牙在颌骨中的位置与表面骨壁厚度。可视化的三维图像便于正畸医师与外科医师沟通，更利于患者理解病情及治疗全程，从而积极配合。

7．颈椎骨龄分析：

正畸治疗的对象主要是生长发育期儿童，正确预测儿童的生长方向、时间和生长量对正畸治疗有重要意义。因此，正畸医师对青春发育期的正确预测尤其重要。研究发现，年龄、身高、体质量、牙龄和第二性征均不是评估生长发育的最佳指标。多数学者认为，骨龄是预测青春发育期较准确的评价指标，并提出了多种评价方法。传统观点认为手腕骨骨龄与生长高峰期高度相关，是判断骨龄的最佳指标，近年众多学者开始关注颈椎骨龄与生长发育的关系。与手腕骨相比，颈椎骨化中心较少，但生长发育变化明显，与颅面关系更密切，且颈椎形态在头颅侧位X线片中即可见，避免了加照手腕骨X线片的二次放射伤害，并减少了患者的经济支出。Chen等利用锥形束CT行颈椎三维测量，观察颈椎三维大小和形态的变化规律，确定三维视图上可靠性高的颈椎标志点和相关测量项目，初步建立了一种三维颈椎测量方法，具有重要的临床指导和研究意义。

二、三维数字化技术在口腔正畸治疗设计中的应用

1．支抗种植体导板的辅助治疗设计：

种植体支抗已成为重要的正畸支抗形式，但由于植入部位骨量有限，植入方向和操作不当等问题，种植体植入可能损伤牙根，影响治疗效果，因此植入部位和骨量是种植体成功的关键。为增加种植体植入的准确性，有学者在植入区牙邻间隙插入铜丝等阻射标志物，用三维外科引导装置、三维放摄照像外科引导装置降低种植体钻孔和植入时的轨道偏差。然而，以上装置均在X线片的基础上制作，将二维信息传递至三维植入区，可能存在偏差。计算机辅助设计与辅助制作（computer aided design and computer aided manufacutre，CAD/CAM）技术目前已用于牙种植体导板的设计和制作，为增加正畸种植体植入的准确性，有学者利用牙种植体导板系统进行正畸种植体导板设计与制作，但存在导板制作过程复杂、成本高等问题；而且利用目前商业化牙种植体导板的制作方法与流程，无法准确模拟正畸种植体植入并解决导板的充足固位与植入时充分引导的问题。近期，国内学者利用锥形束CT和3D打印技术设计并制作出微螺钉种植体导板。首先，应用锥形束CT不同断面图像对上下颌牙根间植入位置的骨量进行测量，确定植入位置的安全区间，指导种植体植入。然后，用锥形束CT数据三维重建，利用快速成形技术制作正畸种植体导板，提高种植体植入的精度和安全性。

2．3D打印钛板前方牵引的辅助治疗设计：

3．无托槽隐形矫治技术：

无托槽隐形矫治技术是将计算机图像处理和辅助设计技术、快速成形技术应用于口腔正畸领域的产物。该技术从出现至今，在技术手段、材料方法和临床应用等方面均取得了显著的成就。无托槽隐形矫治技术中的关键步骤是三维数字化牙颌模型的获取、软件设计虚拟牙移动及无托槽隐形矫治器的生产制作。随着数字化技术的飞速发展，在无托槽隐形矫治技术诊断与设计中，具有不同功能的设计与加工软件均使无托槽隐形矫治技术在可操作性、设计精度、工作效率、可视化程度等各方面不断升级与提高。无托槽隐形矫治技术的出现顺应了人们追求美观、舒适、健康的现代治疗观念。虽然目前该技术的使用仍有一定的局限性，但随着三维数字化技术的发展，以及专用于制作隐形矫治器的热压膜材料的研制，必将会使越来越多的正畸人群受益。

4．个性化舌侧矫治技术：

个性化舌侧矫治器是应用CAD/CAM技术数字化模拟排牙后，在计算机上三维建模完成个性化舌侧托槽设计。托槽底板形态与各牙舌侧面完全吻合，精密铸造托槽。机械手完成弓丝的精确成形，克服了传统舌侧矫治器的局限性。近年，我国学者利用数字化三维重建技术进行国产个性化舌侧矫治器的研究，并应用于临床，获得较好的效果。随着成年正畸患者的不断增加，患者对矫治器的隐蔽性和舒适性的要求越来越高。无托槽隐形矫治技术虽然一定程度上满足了部分患者的需要，但由于材料和软件等方面的原因，尚不能满足所有正畸患者的需要。舌侧矫治技术出现于20世纪70年代，虽然其隐蔽性较好，但由于设计和操作相对复杂，并未在我国广泛使用。随着数字化技术的不断发展，数字化模拟排牙取代了手工排牙，机械手弯制弓丝取代了人工弯制弓丝，并且个性化舌侧托槽与牙齿舌侧面完全吻合，这些变化和发展均大大降低了舌侧矫治技术的操作难度，同时增加了患者的舒适度，推动了舌侧矫治技术的发展及应用，满足了患者的需求。

三、三维数字化技术应用中的问题和展望

三维数字化技术已在口腔正畸领域中广泛用于检查诊断、临床治疗和疗效评估等方面，极大提高了诊疗的精确性，但同时也存在问题，尤其是锥形束CT的安全性问题。对患者行锥形束CT检查前，必须考虑辐射风险。建议对存在牙槽骨和牙根吸收风险以及关节问题的患者，考虑拍摄锥形束CT。而对埋伏牙和正颌患者，建议常规拍摄锥形束CT。随着各种减少辐射手段的发展，锥形束CT的辐射剂量将进一步降低。同时，随着数字化技术的发展，医师可根据临床需要自由定义视野大小和形状，实现不同区域的随机自由选择。医师还可根据临床需要自由定义拍摄区域的分辨率，如普通区域低分辨率、重点区域高分辨率等。

来源：中华口腔医学杂志2016年第51卷第6期