陳 虎，趙 甜，王 勇，孫玉春

(北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院,口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心，口腔修復(fù)教研室 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實驗室 衛(wèi)生部口腔醫(yī)學(xué)計算機(jī)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點實驗室，北京 100081)

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·論著·

基于初印模三維掃描的無牙頜上頜個性化托盤計算機(jī)輔助設(shè)計及三維打印

陳 虎，趙 甜，王 勇△，孫玉春△

(北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院,口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心，口腔修復(fù)教研室 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國家工程實驗室 衛(wèi)生部口腔醫(yī)學(xué)計算機(jī)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 口腔數(shù)字醫(yī)學(xué)北京市重點實驗室，北京 100081)

目的：基于紅色打樣膏初印模三維掃描，建立一種無牙頜個性化托盤的計算機(jī)輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)和工藝熔融沉積制造(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)制作方法，定量評價加工精度。方法：在標(biāo)準(zhǔn)上頜無牙頜石膏模型上制取紅色打樣膏初印模，用牙頜模型三維掃描儀掃描紅色打樣膏初印模，得到掃描數(shù)據(jù)，在Gemomagic 2012軟件中用交互繪制曲線、局部填補(bǔ)空洞、局部增厚、整體偏移、整體抽殼等命令，完成提取托盤邊界、填倒凹、緩沖、預(yù)留終印模三維空間和生成托盤厚度的操作，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)形狀手柄，得到個性化托盤三維設(shè)計數(shù)據(jù)。將托盤設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入與FDM三維打印設(shè)備連接的電腦系統(tǒng)，打印聚乳酸(polylactic acid，PLA)材質(zhì)的無牙頜個性化印模托盤，用牙頜模型三維掃描儀掃描托盤整體。在Gemomagic 2012軟件中，以托盤組織面為共同區(qū)域，將個性化托盤CAD數(shù)據(jù)和個性化托盤三維掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，利用Imageware 13.0的點云偏差分析功能測量三維設(shè)計數(shù)據(jù)和三維掃描數(shù)據(jù)之間的偏差。掃描石膏模型得到其表面三維數(shù)據(jù)，將石膏模型數(shù)據(jù)對齊于印模數(shù)據(jù)，同時個性化托盤掃描數(shù)據(jù)對齊于個性化托盤三維設(shè)計數(shù)據(jù)，利用Imageware 13.0的點云偏差分析功能測量三維掃描數(shù)據(jù)和石膏模型數(shù)據(jù)表面的距離。結(jié)果：與CAD數(shù)據(jù)對比，加工完成的上頜個性化托盤內(nèi)表面整體平均偏差為(0.17±0.20) mm，主承托區(qū)平均偏差為(0.19±0.18) mm，副承托區(qū)平均偏差為(0.17±0.22) mm，邊緣封閉區(qū)平均偏差為(0.30±0.29) mm，緩沖區(qū)平均偏差為(0.08±0.06) mm；托盤內(nèi)表面與石膏模型表面平均間隙大小為(1.98±0.40) mm，主承托區(qū)平均間隙量為(1.85±0.24) mm，副承托區(qū)平均間隙量為(1.86±0.26) mm，邊緣封閉區(qū)平均間隙量為(1.77±0.36) mm，緩沖區(qū)平均間隙量為(2.90±0.26) mm。結(jié)論：結(jié)合紅色打樣膏初印模三維掃描、CAD和FDM技術(shù)，可成功實現(xiàn)上頜無牙頜個性化托盤的數(shù)字化設(shè)計和制作。

義齒, 全口；計算機(jī)輔助設(shè)計；工藝熔融沉積制造；個性化托盤

根據(jù)《中國口腔健康發(fā)展報告(2012)》[1]，在65～74歲年齡組受檢者中牙列缺失率達(dá)到6.8%，約10 00萬無牙頜患者，并且隨著社會老齡化的進(jìn)程牙列缺失仍將在人群中保持一定的增長比例。目前對無牙頜患者的常規(guī)修復(fù)治療方法是采用全口義齒修復(fù)，因此臨床對于全口義齒的需求及潛力仍將持續(xù)增長。全口義齒在臨床診療中包含4個關(guān)鍵步驟，即印模和模型、頜位關(guān)系、義齒設(shè)計與制作，以及臨床試戴，其中,印模和模型是基礎(chǔ)，有了準(zhǔn)確的印模和模型，全口義齒才能獲得良好的固位和支持[2]。制取無牙頜印模需要滿足精確的組織解剖形態(tài)、適度的伸展范圍、周圍組織的功能形態(tài)三方面要求[3]。根據(jù)取印模的次數(shù)分為一次印模法和二次印模法[4]。一次印模法是用合適的成品托盤及印模材一次性完成工作印模的方法，由于成品托盤常常不能與患者牙弓和牙槽嵴的形態(tài)相吻合，這種方法無法保證合適的邊緣伸展和均勻的印模材厚度，難以掌握且有失準(zhǔn)確，除了患有硬皮病、極度惡心、年老體弱等不能耐受多次取模的患者，一般較少采用[4]；二次印模法由初印模和終印模組成，首先用制作成品托盤的藻酸鹽或印模膏制取初印模，灌制初模型，經(jīng)過填倒凹處理后，將一定厚度(一般約2 mm)的蠟片烤軟后鋪在模型表面，為個性化托盤組織面和模型表面之間預(yù)留終印模材料的空間，蠟片上方再鋪一層厚約2 mm的化學(xué)固化樹脂或者光固化樹脂，修整至適度的伸展范圍，經(jīng)固化后得到個性化托盤，最后再利用個性化托盤制取終印模[5]。與一次印模法相比，二次印模法易于掌握，所取的印模較為準(zhǔn)確，但是由于增加了個性化托盤的制作步驟，操作較繁瑣，費工費時，而且將軟化的蠟片加壓貼合到模型表面時，蠟片常常發(fā)生變形，無法為終印模預(yù)留理想的均勻空間。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，口腔修復(fù)中越來越多的手工操作可以通過數(shù)字化的方法進(jìn)行替代，不僅節(jié)省了復(fù)雜的勞動，而且更為精確。在固定修復(fù)方面，從光學(xué)印模到計算機(jī)輔助設(shè)計，再到計算機(jī)輔助制造，已經(jīng)形成了較為成熟的數(shù)字化解決方案[6-8]。然而，由于無牙頜患者全口義齒修復(fù)治療的復(fù)雜性，目前僅有少量文獻(xiàn)研究了全口義齒的數(shù)字化設(shè)計和制作[9-11]，在全口義齒的印模制取方面，尚缺乏數(shù)字化的方法研究。為了輔助全口義齒的印模制取，本研究嘗試探索一種數(shù)字化的個性化托盤設(shè)計方法，利用三維掃描技術(shù)獲取初印模組織面數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，虛擬設(shè)計出具有合適邊緣伸展并且為終印模預(yù)留均勻的三維空間的個性化托盤，最終通過三維打印技術(shù)制作出托盤實體。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

牙頜模型三維掃描儀(Activity 880，精度0.02 mm)購自德國Smartoptics公司，Replicator 2X三維打印機(jī)購自美國MakerBot公司(分層精度為0.1～0.3 mm),計算機(jī)硬件系統(tǒng)包括Intel?CoreTMi5-3550 處理器，內(nèi)存8 GB，硬盤1 TB，優(yōu)派VG920彩色顯示器，逆向工程軟件(Geomagic 2012)購自美國Raindrop 公司，Imageware 13.0購自美國EDS公司。

1.2 方法

1.2.1 樣本制取 選取北京大學(xué)口腔醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)無牙上頜石膏模型一個，用通用無牙頜托盤、紅色打樣膏常規(guī)制取初印模。

1.2.2 三維數(shù)據(jù)獲取 使用牙頜模型三維掃描儀以全牙弓掃描的方式掃描上頜模型以及紅色打樣膏初印的組織面數(shù)據(jù)，以三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)(stereolithography，STL)格式保存。

1.2.3 個性化托盤的計算機(jī)輔助設(shè)計 將紅色打樣膏初印模掃描數(shù)據(jù)調(diào)入Geomagic 2012軟件，提取上頜黏膜返折線為邊緣線，以邊緣線為邊界，截取上頜無牙頜初印模的組織面數(shù)據(jù)，去除多余數(shù)據(jù)；選取一個合適的就位方向，在該就位方向上，上前牙頰側(cè)存在倒凹，圈選并刪除倒凹區(qū)域，以補(bǔ)洞的方式將其填平，完成虛擬去除倒凹的操作；選擇上頜切牙乳突區(qū)、上頜隆突區(qū)域，沿法線方向偏移1 mm，完成虛擬緩沖；保持曲面邊界不變，沿曲面法向均勻放大2 mm，形成托盤的內(nèi)表面，為印模材預(yù)留均勻一致的三維空間；將虛擬托盤內(nèi)表面沿法向均勻增厚2 mm，形成托盤實體；設(shè)計手柄三維形態(tài)，與虛擬托盤實體進(jìn)行邊界融合，得到虛擬托盤的完整形態(tài)數(shù)據(jù)，以STL格式保存。

1.2.4 個性化托盤三維打印 將STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入Replicator 2X三維打印機(jī)配套軟件進(jìn)行切片處理，通過3D打印設(shè)備，制作聚乳酸(polylactic acid，PLA)材質(zhì)的無牙頜個性化印模托盤。

1.2.5 個性化印模托盤的三維打印誤差分析 用牙頜模型三維掃描儀掃描個性化托盤，獲得其組織面數(shù)據(jù)。在Geomagic 2012軟件中，用N點對齊和最佳擬合對齊命令，將個性化托盤虛擬設(shè)計數(shù)據(jù)對齊于個性化托盤掃描數(shù)據(jù)，用偏差分析工具測量設(shè)計數(shù)據(jù)和掃描數(shù)據(jù)之間的偏差，結(jié)合Imageware 13.0 軟件的點云偏差分析功能，計算偏差的最大值、最小值、平均距離及標(biāo)準(zhǔn)偏差。對個性化托盤組織面數(shù)據(jù)按全口義齒的功能性分區(qū)劃分為主承托區(qū)、副承托區(qū)、邊緣封閉區(qū)、緩沖區(qū)，分別測量各區(qū)域與個性化托盤掃描數(shù)據(jù)之間的偏差。

1.2.6 個性化印模托盤與石膏模型間預(yù)留間隙測量分析 在Gemomagic 2012軟件中，用N點對齊和最佳擬合對齊命令，將上頜模型數(shù)據(jù)對齊于初印模組織面數(shù)據(jù)，將個性化托盤組織面數(shù)據(jù)對齊于個性化托盤虛擬設(shè)計數(shù)據(jù)，從而得到上頜模型數(shù)據(jù)與個性化托盤組織面數(shù)據(jù)的相對位置關(guān)系，利用Imageware 13.0軟件的偏差分析功能，計算個性化托盤組織面與模型表面之間距離的最大值、最小值、平均距離及標(biāo)準(zhǔn)偏差，分析個性化托盤與石膏模型間預(yù)留間隙的分布情況。同樣根據(jù)前述對個性化托盤組織面數(shù)據(jù)的功能性分區(qū)，分別測量主承托區(qū)、副承托區(qū)、邊緣封閉區(qū)、緩沖區(qū)與模型表面的間隙大小。

2 結(jié)果

本實驗用數(shù)字化的方法經(jīng)過紅膏初印模的三維掃描、計算機(jī)輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)以及三維打印等步驟，制作出了個性化的無牙頜上頜托盤，與上頜模型匹配良好(圖1)。

A,the standardmaxillary edentulous plaster cast model; B, primary impression by red modeling compound, sprayed for scan; C, the scanned data of primary impression; D, the impression data was trimmed according to the coverage area of final impression; E,F, the anterior undercut area was deleted and refilled to be flat, simulating the process of filling undercut; G, buffer in the incisive papilla area and maxillary hard area; H, the completed design of the custom tray; I, the 3D printed tray; J, a good fit of the printed custom tray to the cast model.

圖1 上頜個性化托盤計算機(jī)輔助設(shè)計流程
Figure 1 Computer aided design process of maxillary custom tray

如圖2所示，與CAD數(shù)據(jù)對比，雙側(cè)上頜結(jié)節(jié)及其頰側(cè)存在正向誤差(托盤組織面法向為正)，上腭中部存在負(fù)向誤差，加工完成的上頜個性化托盤內(nèi)表面整體平均偏差為(0.17±0.20) mm，最大偏差為1.04 mm；主承托區(qū)平均偏差為(0.19±0.18) mm，最大偏差為1.01 mm；副承托區(qū)平均偏差為(0.17±0.22) mm，最大偏差為0.93 mm；邊緣封閉區(qū)平均偏差為(0.30±0.29) mm，最大偏差為1.04 mm；緩沖區(qū)平均偏差為(0.08±0.06) mm，最大偏差為0.45 mm。。

A, overall area; B, the primary stress-bearing area; C, the secondary stress-bearing area; D, the border seal area; E, the buffer area.

圖2 使用Geomagic 2012軟件對加工后個性化托盤組織面掃描數(shù)據(jù)與計算機(jī)輔助設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，
綠色區(qū)域表示匹配良好，紅色表示正向誤差，藍(lán)色表示負(fù)向誤差
Figure 2 Analysis of the deviation between the scan data and computer aided design data of tissue surface of custom tray in Geomagic 2012 software, where green area present a good fit, red present positive, blue present negative

如圖3所示，加工完成的上頜個性化托盤內(nèi)表面與石膏模型表面大部分區(qū)域間隙比較均勻，緩沖區(qū)有較大的間隙量，與設(shè)計一致，雙側(cè)上頜結(jié)節(jié)區(qū)域間隙較小。整體平均間隙大小為(1.98±0.40)mm，最大間隙為3.63 mm，最小間隙為0.96 mm；主承托區(qū)平均間隙量為(1.85±0.24) mm，最大間隙為2.61 mm，最小間隙為0.96 mm；副承托區(qū)平均間隙量為(1.86±0.26) mm，最大間隙為2.30 mm，最小間隙為1.06 mm；邊緣封閉區(qū)平均間隙量為(1.77±0.36) mm，最大間隙為2.79 mm，最小間隙為0.96 mm；緩沖區(qū)平均間隙量為(2.90±0.26) mm，最大間隙為3.63 mm，最小間隙為2.03 mm。

A, overall area; B, the primary stress-bearing area; C, the secondary stress-bearing area; D, the border seal area; E, the buffer area.

圖3 使用Imageware 13.0軟件測量加工后個性化托盤組織面到石膏模型表面的間隙，
參考右上角色階圖，紅色區(qū)域表示間隙量較大，綠色區(qū)域表示間隙量較小
Figure 3 Measurement of the space between the fabricated custom tray and cast model in Imageware 13.0 software: red area present a larger space, while green area present smaller (refer to the color scale)

3 討論

個性化的無牙頜托盤組織面與患者口內(nèi)軟組織形態(tài)精確匹配是準(zhǔn)確制取印模的重要保證，因此本研究的無牙頜托盤在數(shù)字化設(shè)計過程中采用軟件特有的偏移功能，沿牙槽嵴表面法向?qū)⒀啦坩毡砻婢鶆蚍糯? mm，為最終的無牙頜個性化印模托盤預(yù)留均勻一致的三維空間，獲得虛擬托盤內(nèi)表面，為印模材料預(yù)留足夠的空間并精準(zhǔn)保證了數(shù)字化設(shè)計的托盤內(nèi)表面與患者口內(nèi)軟組織形態(tài)的一致性，進(jìn)一步確保了全口義齒戴用及功能狀態(tài)下的固位與穩(wěn)定。數(shù)字化設(shè)計還有效縮短了制作個性化托盤的手工操作時間，取代了傳統(tǒng)臨床采用鉛筆在石膏模型上勾勒個性化托盤邊緣、涂蠟緩沖、填倒凹以及鋪樹脂片等步驟，有效節(jié)約了臨床時間。三維打印是一種直接數(shù)字化制造技術(shù)，由三維模型可直接制造出產(chǎn)品，減少或省略了毛坯準(zhǔn)備、零件加工、裝配等中間工序，并且可以最大限度地發(fā)揮材料的特性，減少材料的浪費。

分析整個數(shù)字化制作流程，可能產(chǎn)生誤差的步驟主要包括：(1)初印模制取時產(chǎn)生的誤差；(2)初印模三維掃描的誤差；(3)個性化托盤三維打印的誤差。實驗中所采用的三維模型掃描儀掃描精度在10 μm以內(nèi)，相對于其他來源的誤差非常小，基本可以忽略不計。實驗中產(chǎn)生較大誤差的步驟是初印模制取(最大偏差1.14 mm)和個性化托盤的三維打印(最大偏差0.58 mm)。制取初印模采用的是紅色打樣膏印模材，紅色打樣膏在常溫下呈固體塊狀，放置在60 ℃～70 ℃的水中可軟化，具有一定的可塑性，臨床上將軟化的紅色打樣膏作為印模材放置在成品托盤上，放置在患者口內(nèi)通過功能整塑制取無牙頜的初印模。由于紅色打樣膏的流動性差，無法精細(xì)呈現(xiàn)紋理細(xì)節(jié)，印模精度差。如果改用較為精細(xì)的印模材代替紅色打樣膏制取全口義齒初印模，可能有助于減小這一步驟的誤差。在工藝熔融沉積制造成形過程中, 影響成形件精度的主要因素有[12-14]：計算機(jī)輔助設(shè)計的離散化過程、噴絲材料的性能、噴涂過程中噴絲寬度誤差以及溫度(噴嘴的溫度和成形室的溫度)、擠出速度和填充速度、分層厚度及分層方向等。MakerBot三維打印機(jī)噴嘴直徑為0.4 mm，噴頭X和Y軸定位精度11 μm，Z軸定位精度2.5 μm，打印機(jī)的層高精度有高精度(100 μm)、中等精度(270 μm)、低精度(340 μm)三檔可選，本實驗選擇的是中等精度，托盤打印時間約為1.5 h，PLA打印材料收縮率為0.3%。如果對托盤打印精度有更高的要求，可以選擇更高的打印層高精度，當(dāng)然打印時間也會相應(yīng)增加。

實驗中打印出的個性化托盤虛擬就位到石膏模型上方理想的位置時，主承托區(qū)、副承托區(qū)、邊緣封閉區(qū)的印模材間隙量平均值分別為1.85、1.86和1.77 mm，與預(yù)設(shè)的毫米間隙量相差在0.3 mm以內(nèi)，緩沖區(qū)的印模材間隙平均值為2.90 mm，與預(yù)設(shè)的3 mm間隙量相差0.1 mm,實際間隙量與預(yù)設(shè)值相比均偏小，可能與三維打印后的材料收縮有關(guān)。本研究制作的個性化托盤實際制取終印模的效果還需要進(jìn)一步的臨床驗證。

無論是傳統(tǒng)個性化托盤技術(shù)，還是本研究的數(shù)字化技術(shù)制作的無牙頜個性化托盤，在應(yīng)用其無牙頜終印模制取時，承載了流動性終印模的個性化托盤，其外表面會被終印模覆蓋，在患者口腔內(nèi)很難準(zhǔn)確確定其空間位置和姿態(tài)，經(jīng)驗不足時常導(dǎo)致較大的就位誤差，終印模厚度分布不均，甚至托盤表面直接壓迫牙槽嵴黏膜，導(dǎo)致黏膜不可控變形，影響終印模的制取精度和質(zhì)量，因此，應(yīng)用數(shù)字化定量設(shè)計與制作技術(shù)，解決無牙頜個性化托盤在患者口腔內(nèi)精確定位的問題是我們下一步的研究方向。

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(2014-12-15收稿)

(本文編輯：劉淑萍)

Computer aided design and 3-dimensional printing for the production of custom trays of maxillary edentulous jaws based on 3-dimensional scan of primary impression

CHEN Hu, ZHAO Tian, WANG Yong△, SUN Yu-chun△

(Center for Digital Dentistry, Department of Prosthodontics, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Research Center of Engineering and Technology for Digital Dentistry of Ministry of Health & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China)

Objective：To establish a digital method for production of custom trays for edentulous jaws using fused deposition modeling (FDM) based on three-dimensional (3D) scans of primary jaw impressions, and to quantitatively evaluate the accuracy. Methods: A red modeling compound was used to make a primary impression of a standard maxillary edentulous plaster model. The plaster model data and the primary impression tissue surface data were obtained using a 3D scanner. In the Gemomagic 2012 software, several commands were used, such as interactive drawing curves, partial filling holes, local offset, bodily offset, bodily shell, to imitate clinical procedures of drawing tray boundary, filling undercut, buffer, and generating the tray body. A standard shape of tray handle was designed and attached to the tray body and the data saved as stereolithography (STL) format. The data were imported into a computer system connected to a 3D FDM printing device, and the custom tray for the edentulous jaw model was printed layer upon layer at 0.2 mm/layer, using polylactic acid (PLA) filament, the tissue surface of the tray was then scanned with a 3D scanner. The registration functions of Geomagic 2012 was used to register the 3-dimentional surface data, and the point-cloud deviation analysis function of the Imageware 13.0 system was used to analyze the error. The CAD data of the custom tray was registered to the scan data, and the error between them was analyzed. The scanned plaster model surface was registered to the scanned impression surface and the scanned tray data to the CAD data, then the distance between the surface of plaster model and the scanned tissue surface of the custom tray was measured in Imageware 13.0. Results: The deviation between the computer aided design data and the scanned data of the custom tray was (0.17±0.20) mm, with (0.19±0.18) mm in the primary stress-bearing area, (0.17±0.22) mm in the secondary stress-bearing area, (0.30±0.29) mm in the border seal area, (0.08±0.06) mm in the buffer area; the space between the tissue faces of the plaster model and the scanned tissue surface of custom tray was (1.98±0.40) mm, with (1.85±0.24) mm in the primary stress-bearing area, (1.86±0.26) mm in the secondary stress-bearing area, (1.77±0.36) mm in the border seal area, (2.90±0.26) mm in the buffer area. Conclusion: With 3D scanning, computer aided design and FDM technology, an efficient means of custom tray production was established.

Denture, complete; Computer aided design; Fused deposition modeling; Custom tray

國家自然科學(xué)基金(81271181)和首都衛(wèi)生發(fā)展科研專項重點攻關(guān)項目(首發(fā)2016-1-4101)資助Supported by the National Natural Science Foundation of China (81271181) and the Capital Health Research and Development of Special (2016-1-4101)

時間：2016-9-5 9：41：32

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4691.R.20160905.0941.030.html

R783.1

A

1671-167X(2016)05-0900-05

10.3969/j.issn.1671-167X.2016.05.028

△Corresponding author’s e-mail,kqcadc@bjmu.edu.cn,polarshining@163.com