劉一帆 鄭秀麗 王偉娜 高勃

學(xué)習(xí)園地

數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在口腔修復(fù)中的應(yīng)用

劉一帆 鄭秀麗 王偉娜 高勃

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)憑借精準(zhǔn)、高效等特點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用到口腔修復(fù)各領(lǐng)域，并且有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)口腔修復(fù)的完全數(shù)字化。該文將簡(jiǎn)要介紹數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在固定和可摘義齒修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述其技術(shù)原理和設(shè)計(jì)流程；總結(jié)了常見的口腔修復(fù)數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的分類，并概述3D數(shù)字微笑設(shè)計(jì)的工作流程。

數(shù)字化設(shè)計(jì)； 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)； CAD/CAM； 微笑設(shè)計(jì)； 口腔修復(fù)

數(shù)字化設(shè)計(jì)，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是集計(jì)算、繪圖設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息管理等多領(lǐng)域知識(shí)于一體的高新技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，也是口腔修復(fù)CAD/CAM流程中的中間環(huán)節(jié)。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖文處理功能來(lái)輔助口腔醫(yī)師和技師進(jìn)行修復(fù)規(guī)劃、修復(fù)體設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理，極大的提高了修復(fù)體設(shè)計(jì)效率，避免了傳統(tǒng)手工制作的繁瑣流程，節(jié)省了大量的人力和時(shí)間；利用數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)修復(fù)設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)算與驗(yàn)算，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)也提高了修復(fù)體質(zhì)量；同時(shí)，計(jì)算機(jī)輔助下的反向計(jì)劃(backward planning)方法在前牙微笑設(shè)計(jì)和種植規(guī)劃的應(yīng)用，有利于多學(xué)科間交流，也保證了修復(fù)結(jié)果的可預(yù)測(cè)性。

1 口腔修復(fù)CAD軟件介紹

目前市面上有諸多商業(yè)化的口腔修復(fù)CAD軟件，其可設(shè)計(jì)的修復(fù)體幾乎涵蓋了口腔固定義齒、可摘局部義齒、全口義齒、種植手術(shù)規(guī)劃及種植修復(fù)體、頜面贗復(fù)體等多種類型。

1.1 專用CAD軟件和通用CAD軟件

根據(jù)軟件可設(shè)計(jì)修復(fù)體類型的多寡，可分為專用CAD軟件和通用CAD軟件2 大類。前者主要用于某一種修復(fù)體的設(shè)計(jì)，如用于數(shù)字化微笑設(shè)計(jì)的NemoDSD 3D軟件(Nemotec，西班牙),用于設(shè)計(jì)可摘局部義齒的DIGISTELL軟件(C4W，法國(guó))，用于全口義齒設(shè)計(jì)的Baltic Denture System軟件(Merz Dental，德國(guó))，用于種植規(guī)劃、導(dǎo)板設(shè)計(jì)的SIMPLANT軟件(DENTSPLY Implants，瑞士)，功能較為單一，且兼容性較差。而通用CAD軟件則可設(shè)計(jì)臨床上常見的口腔修復(fù)體，如固定、可摘、種植修復(fù)體等，功能更為健全，其兼容性更好。

1.2 椅旁CAD軟件和技工室CAD軟件

根據(jù)面向人群的不同，可分為椅旁CAD軟件和技工室CAD軟件。椅旁CAD軟件位于口腔診室內(nèi)，主要供口腔醫(yī)師或其助手使用，多與相關(guān)的口內(nèi)掃描儀和數(shù)控切削設(shè)備高度集成，CAD軟件直接在口內(nèi)掃描儀掃描獲取的數(shù)字化工作模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的修復(fù)體，并經(jīng)集成的CAM軟件處理后，直接由配套的數(shù)控切削設(shè)備制作出相應(yīng)的修復(fù)體，目前國(guó)際上有西諾德和普蘭梅卡2 家廠商提供完善的椅旁CAD/CAM數(shù)字化解決方案，相應(yīng)的椅旁CAD軟件分別為CEREC SW(Sirona，德國(guó))、PlanCADTMEasy(Planmeca，芬蘭)。受口內(nèi)掃描儀、數(shù)控切削設(shè)備及可切削材料的限制，椅旁CAD軟件只能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的嵌體、貼面、冠橋、種植基臺(tái)等修復(fù)體。

技工室CAD軟件主要配備于口腔技工中心，主要面向口腔專業(yè)技師，功能更為強(qiáng)大，可設(shè)計(jì)各種臨床上常見的修復(fù)體。根據(jù)軟件是否有配套的掃描儀、數(shù)控切削可分為3 類：①擁有配套的掃描儀、數(shù)控切削設(shè)備，如Amann Girrbach公司的Ceramill系列、Sirona公司的inLab SW軟件、Planmeca公司的PlanCAD?Premium軟件、KaVo公司的multiCAD系統(tǒng)、Dental Wings公司的DWOS系統(tǒng)(激光切削)、MANI SCHüTZ公司的Tizian Creativ RT等；②擁有配套的掃描儀，如3Shape公司的Dental System、Imetric 3D SA公司的3D Scanning Systems；③僅有CAD軟件，如exocad公司的DentalCAD系統(tǒng)。

2 固定修復(fù)體設(shè)計(jì)

目前，口腔CAD軟件能夠設(shè)計(jì)的固定修復(fù)體主要有全解剖型冠橋、內(nèi)冠、框架橋、馬里蘭橋、嵌體、高嵌體、貼面、咬合貼面、套筒冠、樁核冠、臨時(shí)冠等。

2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)和流程

對(duì)于全解剖型冠、橋、嵌體和貼面，其解剖形態(tài)的生成方法主要有3 種[1]：(1)標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)庫(kù)(圖 1)，該類CAD軟件內(nèi)置了一系列預(yù)先設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)牙冠的三維數(shù)據(jù)，當(dāng)在設(shè)計(jì)時(shí)，部分軟件可根據(jù)基牙預(yù)備體的解剖形態(tài)自動(dòng)挑選最佳的標(biāo)準(zhǔn)牙冠供用戶使用，也可手動(dòng)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)牙冠。此功能生成的牙冠需經(jīng)后續(xù)繁瑣的手動(dòng)調(diào)整，操作較為復(fù)雜，且高度依賴于技師個(gè)人水平，目前市面上絕大多數(shù)的CAD軟件都屬于此類；(2)生物再造(Biogeneric)，此為CEREC系統(tǒng)的專利技術(shù)，其可根據(jù)基牙鄰牙及對(duì)頜牙的位置和解剖形態(tài)，自動(dòng)生成符合臨床要求的修復(fù)體形態(tài)(圖 2)。該方法操作簡(jiǎn)便，對(duì)修復(fù)體形態(tài)僅需少量調(diào)整，設(shè)計(jì)效率極高，生成的修復(fù)體形態(tài)較為自然，與鄰近牙齒較為和諧；(3)生物復(fù)制和參照，根據(jù)復(fù)制來(lái)源的不同，又可分為3 類：①?gòu)南嗤拦膶?duì)側(cè)同名牙處復(fù)制牙冠形態(tài)(圖 3)；②從診斷蠟型的掃描件、基牙預(yù)備前的牙冠形態(tài)、之前設(shè)計(jì)的數(shù)字化臨時(shí)冠處復(fù)制牙冠形態(tài)；③從當(dāng)前設(shè)計(jì)好的對(duì)側(cè)同名牙修復(fù)體處復(fù)制其鏡像。該方法操作效率亦很高，生成的修復(fù)體形態(tài)與來(lái)源牙相似度高，但面形態(tài)多不精細(xì)，常需少量調(diào)整[2]。

圖 1 標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)庫(kù) 圖 2 生物再造功能 圖 3 生物參照功能

固定修復(fù)體的常規(guī)設(shè)計(jì)流程步驟如下：①為每個(gè)基牙添加牙位標(biāo)簽；②設(shè)置修復(fù)體的就位方向；③設(shè)置修復(fù)體邊緣線，該步驟對(duì)修復(fù)體的密合度有很大影響；④通過前述技術(shù)和工具設(shè)計(jì)最終修復(fù)體。對(duì)于固定橋或聯(lián)冠，還需設(shè)計(jì)連接體的形態(tài)。

2.2 數(shù)字微笑設(shè)計(jì)

數(shù)字微笑設(shè)計(jì)最早使用Powerpoint、keynote、Photoshop等平面設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)2D的微笑設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是根據(jù)前牙美學(xué)規(guī)律對(duì)患者的面部微笑照片中的前牙美學(xué)區(qū)域直接修圖，操作較為簡(jiǎn)單，能較快的實(shí)現(xiàn)微笑設(shè)計(jì)，但其缺點(diǎn)甚為明顯[3]：①該方法為2D平面設(shè)計(jì)，只能為技師制作診斷蠟型提供參考，蠟型與原設(shè)計(jì)的相似程度取決于技師的個(gè)人制作水平；②該方法未考慮牙齒的整體形態(tài)、功能等因素的影響，不符合口腔修復(fù)體設(shè)計(jì)原則。

2.2.1 3D微笑設(shè)計(jì) 目前國(guó)際上已有諸多軟件能實(shí)現(xiàn)3D微笑設(shè)計(jì)功能，其設(shè)計(jì)理念和具體方法稍有不同，主要包括以下2 種方式：直接法和間接法[3]。(1)直接法的特點(diǎn)主要為軟件中內(nèi)置美學(xué)相關(guān)的輔助導(dǎo)線或牙齒輪廓，在該軟件中可同時(shí)完成前牙美學(xué)區(qū)的美學(xué)分析和3D形態(tài)設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)流程大致如下[4](圖 4)：①向軟件中導(dǎo)入患者的數(shù)字化模型和正面微笑照；②擺正顏面，多以雙瞳線為參考，使照片中人面部的橫向參考與水平線平行，同時(shí)添加面中線和其他輔助參考線；③勾勒唇形，將患者的嘴唇內(nèi)緣勾勒出來(lái)；④將數(shù)字化模型上的上頜前牙與照片中的相應(yīng)位置對(duì)齊；⑤借助橫向比例尺和牙齒輪廓等美學(xué)輔助工具完成牙冠的解剖形態(tài)設(shè)計(jì)；⑥渲染牙色，用拾色器(color picker)從相鄰牙面上取色用以調(diào)整牙冠顏色。此外，Sirona公司的CEREC和inLab軟件通過定義16個(gè)面部特征點(diǎn)，可從正面微笑照生成3D面部模型，從而對(duì)設(shè)計(jì)的修復(fù)體進(jìn)行三維靜態(tài)評(píng)價(jià)(圖 5)；而3Shape公司的Dental System支持導(dǎo)入面部3D模型數(shù)據(jù)，與虛擬架相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)(圖 6)。(2)間接法的特點(diǎn)則在于美學(xué)分析和3D形態(tài)設(shè)計(jì)分別在不同軟件中前后完成。其流程如下：①借助keynote、Photoshop等平面設(shè)計(jì)軟件或?qū)I(yè)的2D微笑設(shè)計(jì)軟件完成前牙美學(xué)區(qū)的美學(xué)分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助導(dǎo)線或牙齒輪廓(圖 7)；②將含有牙齒輪廓的正面微笑照和數(shù)字化模型導(dǎo)入口腔3D設(shè)計(jì)軟件并對(duì)齊，以牙齒輪廓為參考完成前牙的3D牙冠形態(tài)設(shè)計(jì)(圖 8)。

2.2.2 數(shù)字化診斷模型 上述數(shù)字化診斷模型設(shè)計(jì)完成后，還需進(jìn)行修整，添加虛擬模型底座或簡(jiǎn)易架(圖 9)，最后通過3D打印或數(shù)控切削制作出相應(yīng)的實(shí)體診斷模型(physical diagnostic model)，用于臨床制作診斷飾面(Mock up)、指導(dǎo)備牙、指導(dǎo)冠延長(zhǎng)術(shù)、制作臨時(shí)冠等[3]。此外，數(shù)字化診斷模型還可用于常規(guī)的口腔數(shù)字化修復(fù)流程，具體步驟如下：①導(dǎo)入未行牙體預(yù)備的數(shù)字化模型；②添加牙位標(biāo)簽；③設(shè)置修復(fù)體就位方向；④設(shè)置修復(fù)體邊緣線；⑤直接在模型對(duì)應(yīng)牙位上設(shè)計(jì)新的牙冠解剖形態(tài)；⑥對(duì)數(shù)字化模型上的基牙還可進(jìn)行虛擬備牙，按全冠要求設(shè)置肩臺(tái)形態(tài)、各牙面預(yù)備量、軸面聚攏度等參數(shù)，并生成相應(yīng)的數(shù)字化臨時(shí)冠；也可模擬拔牙并對(duì)缺牙區(qū)黏膜進(jìn)行修整，隨后在該處設(shè)計(jì)相應(yīng)的臨時(shí)橋體(圖 10)。

A： 擺正顏面并添加參考線； B： 勾勒唇形； C： 對(duì)齊模型； D： 設(shè)計(jì)牙冠； E： 渲染牙色

圖 5 面部3D模型(CEREC SW) 圖 6 面部3D模型和虛擬架結(jié)合(3Shape) 圖 7 2D微笑設(shè)計(jì)(Keynote)

圖 8 3D形態(tài)設(shè)計(jì)(NemoDSD 3D) 圖 9 數(shù)字化診斷模型 圖 10 虛擬拔除中切牙、預(yù)備側(cè)切牙并生成臨時(shí)橋

2.2.3 最終修復(fù)體設(shè)計(jì) 包括常規(guī)法和數(shù)字化法2 種設(shè)計(jì)方法：(1)常規(guī)法。臨床完成基牙預(yù)備后，常規(guī)取模翻制石膏模型，隨后在診斷模型上制作相應(yīng)的硅橡膠導(dǎo)板用于指導(dǎo)和調(diào)整最終修復(fù)體設(shè)計(jì)；(2)數(shù)字化法。制取相應(yīng)的數(shù)字化印模，通過生物復(fù)制或“重新使用設(shè)計(jì)”功能快速的將之前設(shè)計(jì)好的牙冠應(yīng)用于最終修復(fù)體設(shè)計(jì)。

3 可摘修復(fù)體設(shè)計(jì)

當(dāng)前市面上常見的商業(yè)化可摘義齒CAD設(shè)計(jì)軟件主要有SensAble公司的SensAble System、3Shape公司的Dental System、Amann Girrbach 公司的Ceramill系統(tǒng)等產(chǎn)品。其中，3Shape Dental System發(fā)展較為快速，其最新版本加入了諸多新穎且實(shí)用的功能。

3.1 可摘局部義齒

以3Shape Dental System為例，其CAD流程如下：①模型觀測(cè)并選擇合適的就位道。通過彩虹圖可了解當(dāng)前就位道方向下各軟硬組織的倒凹深度，可根據(jù)需要調(diào)整就位道；②平行填倒凹。軟件自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前就位道方向用虛擬蠟進(jìn)行平行填倒凹，通過蠟刀雕刻工具可以手動(dòng)去除卡環(huán)處多余的蠟，同時(shí)可緩沖基牙齦溝和支架下方的組織凹陷，最后平滑蠟的表面；③繪制支架部件。在缺牙區(qū)設(shè)置網(wǎng)狀連接體，并繪制大連接體、鄰面板、卡環(huán)、支托及外部終止線等結(jié)構(gòu)，部分廠家的掃描儀支持紋理掃描功能，可以捕獲模型上手繪的支架輪廓線，方便設(shè)計(jì)支架；④部分軟件還支持在缺牙區(qū)添加虛擬牙冠，用于指導(dǎo)支架的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到最佳美觀效果及穩(wěn)定性(圖 11)；還可將虛擬牙冠或其根據(jù)解剖形態(tài)修整后的牙齒與支架合并形成一個(gè)整體，并在虛擬架上觀察和調(diào)整牙冠的咬合(圖 12)；⑤預(yù)制造(圖 13)。通過厚度檢查工具查看支架的厚度，并使用雕刻工具調(diào)整支架外形，在大連接體光滑面添加橘皮樣花紋；此處可以為遠(yuǎn)中游離端的網(wǎng)狀連接體添加組織止點(diǎn)；對(duì)于后期運(yùn)用快速成型技術(shù)制作蠟型或樹脂熔模，此處還可添加支撐桿、鑄道及儲(chǔ)金池等結(jié)構(gòu)。

圖 11 手繪紋理及虛擬牙冠 圖 12 牙冠與支架合并 圖 13 支架上添加止點(diǎn)、花紋、鑄道

3.2 個(gè)別托盤

個(gè)別托盤是為牙列缺損或牙列缺失患者定制的印模托盤，可以更準(zhǔn)確地獲取余留牙解剖形態(tài)、牙槽嵴黏膜功能形態(tài)以及印模邊緣的準(zhǔn)確位置和形態(tài)，主要用于制取混合支持式、黏膜支持式可摘局部義齒或全口義齒的功能性印模[5]。其數(shù)字化設(shè)計(jì)流程如下：①模型觀測(cè)及填倒凹。該步驟與可摘局部義齒部分相同；②繪制托盤邊緣線。個(gè)別托盤的邊緣通常位于前庭溝底和下頜舌側(cè)黏膜反折處溝底所形成的連線向牙槽嵴方向均勻離開2 mm的地方，為邊緣整塑提供空間；另外，對(duì)于牙列缺損且后期擬使用不可逆性水膠體材料取印模者，還應(yīng)使用“緩壓”工具在牙齒表面再添加一層蠟(圖 14)；也可使用“開窗”工具設(shè)計(jì)牙槽嵴頂開窗式個(gè)別托盤，多用于下頜嚴(yán)重低平的無(wú)牙頜患者，其牙槽嵴頂表面常被覆有呈條索狀的松軟黏膜組織；③添加托盤手柄與指支托。托盤的手柄分別位于上頜、下頜前部牙槽嵴頂中線位置，指支托僅設(shè)置在下頜托盤雙側(cè)前磨牙區(qū)；如后期擬使用不可逆性水膠體材料制取印模，此處還可通過“開孔”工具在托盤上每隔5 mm左右鉆一個(gè)8 號(hào)鉆直徑大小的孔，牙槽嵴頂除外[6-7](圖 15)。

圖 14 繪制托盤邊緣并緩壓 圖 15 上頜牙列缺損個(gè)別托盤 圖 16 上下頜AMD

3.3 全口義齒

當(dāng)前國(guó)際上有AvaDent和Dentca兩家公司提供成熟的全口義齒數(shù)字化制作方案，且都能在第2次就診時(shí)完成全口義齒修復(fù)。其中，患者第1次就診時(shí)將完成數(shù)據(jù)收集(包括制取印模，記錄頜位關(guān)系，確定咬合平面，選擇牙齒形態(tài)和顏色)，第2次就診時(shí)即可完成全口義齒佩戴，部分情況下還可通過3D打印制作出全口義齒的樹脂型，用于臨床供患者試戴并評(píng)價(jià)該義齒設(shè)計(jì)[8-9]。以下以AvaDent公司為例介紹其全口義齒的數(shù)字化制作流程。

患者第1次就診時(shí)，醫(yī)師使用AvaDent公司的熱塑性個(gè)別托盤在邊緣整塑后制取硅橡膠終印模，隨后通過類似的方法用硅橡膠將配套的解剖測(cè)量設(shè)備(anatomic measuring device, AMD)固定于口內(nèi)(圖 16)，該設(shè)備包括一個(gè)下頜托盤及其光滑面上的咬合追蹤平板，一個(gè)上頜托盤，其中央有可調(diào)節(jié)觸筆，用于支撐AMD位于通過常規(guī)方式確定的咬合垂直距離處，同時(shí)作為哥特式弓的追蹤器用于獲取水平頜位關(guān)系(圖 17)，托盤前方的可調(diào)節(jié)翼板用于記錄上唇的支持形態(tài)。調(diào)節(jié)配套的平面定位尺，使其與雙瞳線平行并記錄其值(圖 18)，隨后記錄患者的面中線及笑線并挑選合適的牙齒形態(tài)，最后用咬合記錄硅橡膠將位于正確頜位關(guān)系的AMD固定住(圖 19)，同終印模一同送往牙科技工室[8-9]。

圖 17 口內(nèi)記錄頜位關(guān)系[8]圖 18 確定咬合平面[9]圖 19 頜位關(guān)系記錄和牙齒形態(tài)[8]

牙科技工室將分別掃描上下頜終印模和AMD，并將獲取的上下頜數(shù)字化模型分別擬合到AMD上的上下頜位置，從而獲得其咬合關(guān)系，隨后確定并標(biāo)記出模型的邊緣(圖 20)，形成義齒基托的組織面，根據(jù)平面和咬合關(guān)系進(jìn)行排牙(圖 21)，最后形成完整的義齒基托。完成后即可使用數(shù)控切削分別加工出人工牙和帶有相應(yīng)牙齒凹槽的義齒基托，并粘接為一體?；颊叩?次就診時(shí)將按常規(guī)方式調(diào)改和配戴義齒[8-9]。

4 結(jié)束語(yǔ)

最早的CEREC 1系統(tǒng)只能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的嵌體，智能化水平較低，而如今通用的口腔修復(fù)CAD軟件幾乎可設(shè)計(jì)所有臨床上常見的修復(fù)體，功能更為強(qiáng)大。然而，還存在著諸多問題，限制了口腔修復(fù)流程完全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)。牙列缺損或牙列缺失患者常需采用臨床常規(guī)方式制取功能性印模，無(wú)法實(shí)現(xiàn)活動(dòng)修復(fù)的全程數(shù)字化；口腔修復(fù)CAD系統(tǒng)的使用高度依賴于口腔修復(fù)技師的專業(yè)知識(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)；修復(fù)體的功能和美學(xué)性能常需通過臨床佩戴或試戴來(lái)評(píng)價(jià)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等，以上將是未來(lái)亟待解決的問題。

圖 20 上頜模型邊緣[8]圖 21 虛擬排牙[8]

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(收稿： 2016-12-20)

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)： 2015KTCQ01-90)

710032 西安， 軍事口腔醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，口腔疾病國(guó)家臨床醫(yī)學(xué)研究中心,陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科(劉一帆 王偉娜 高勃)； 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科(鄭秀麗)

高勃 029-84776469 E-mail: gaobo@fmmu.edu.cn