劉春煦 高靜 趙雨薇 范琳 賈璐銘 胡楠 梅子彧 董博 張倩倩 于海洋

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心四川大學華西口腔醫(yī)院修復科，成都 610041

牙體預備是每位口腔醫(yī)生必知必會的臨床技術(shù)，牙體預備的傳統(tǒng)方法一是憑借經(jīng)驗，自由手備牙；二是借助金剛砂車針打定深溝備牙；三是在硅橡膠導板指導下備牙。這些傳統(tǒng)方法都存在相似的問題，定量控制差，可重復性和精準性低，更依靠醫(yī)生的經(jīng)驗[1-2]，而且很難真正以最終修復效果為指導進行預備，全過程數(shù)量和空間關(guān)系控制不準。顯微精準定深孔預備技術(shù)是基于目標修復體空間（target restoration space，TRS）理論，在數(shù)量可控的前提下，精準地預備出最終修復所需要的基牙大小，最大程度保留牙體組織，是目前比較準的備牙引導方法[3-5]。另外還有備牙機器人的相關(guān)研究，有基于數(shù)控切削系統(tǒng)的[6-7]，也有通過高功率脈沖激光的[8]，但都尚在研究階段，而且存在精度不高，機器尺寸過大，對鄰近健康硬組織保護不足等問題，所以在牙體預備方面機器人暫時不能替代人類。數(shù)字化診療技術(shù)讓整個口腔醫(yī)療越來越精準和快捷；采用數(shù)字化種植導板，通過圖形處理技術(shù)，在電腦上完成手術(shù)規(guī)劃和導板設(shè)計，然后通過切削或3D打印完成制造[9]，最終實現(xiàn)了對種植手術(shù)的指導。同樣，根據(jù)TRS理論，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計與逆向工程原理，在計算機上設(shè)計目標修復體并進行虛擬的牙體磨除和空間數(shù)量的設(shè)計，最終利用3D打印生成備牙導板，完成從現(xiàn)實到虛擬，從虛擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變，全臨床路徑控制TRS的空間獲得及修復體再現(xiàn)，對最少量的理想臨床備牙進行精準化指導。

1 技術(shù)

1.1 采集患者數(shù)據(jù)

采集患者數(shù)據(jù)包括牙及牙列的數(shù)據(jù)、面部數(shù)據(jù)、咬合頜位的數(shù)據(jù)，必要時可以拍攝錐形束CT（cone beam CT，CBCT）獲取骨的數(shù)據(jù)。本文以上頜前牙氟斑牙的貼面修復作為例子進行數(shù)字化備牙導板技術(shù)的講述；牙及牙列的三維數(shù)據(jù)通過取模、灌模并模型掃描獲得，也可以直接進行口內(nèi)掃描，更加方便快捷，節(jié)約材料和時間[10]，但長牙弓的口內(nèi)掃描存在精度低的問題[11-13]。為了不改變前牙的功能運動，也獲取了咬合的數(shù)據(jù)，并在虛擬架上進行咬合調(diào)整。使用面部掃描儀獲取了面部三維數(shù)據(jù)，通過面部三維數(shù)據(jù)進行美學預測和相應(yīng)調(diào)改（圖1）。

1.2 設(shè)計目標修復體

根據(jù)患者的主訴，綜合美觀和功能，設(shè)計最終的義齒排列和形態(tài)，也就是制作數(shù)字化的美觀診斷蠟型；按照患者的要求，對中切牙和側(cè)切牙切端進行適當?shù)膬?nèi)收，邊緣嵴和線角內(nèi)收，擴寬外展隙，從而使視覺效果更修長，并在虛擬架上做前伸頜側(cè)方的調(diào)整，在面部三維數(shù)據(jù)上進行美學判斷和適當修改。這樣的目的是事先確定最終修復體在患者口內(nèi)的空間位置關(guān)系，之后的所有設(shè)計都以目標修復體的這個空間為基礎(chǔ)，再向前推算，類似逆向工程技術(shù)[14]。

圖1 三維數(shù)字數(shù)據(jù)的獲取流程Fig 1 Acquisition of 3D digital data

1.3 虛擬牙體預備

在完成的目標修復體上，進行數(shù)字化的牙體預備手術(shù)（圖2）；預備前需要確定好修復的類型和材料，然后根據(jù)修復類型和材料進行標準化的預備，預備完成得到一個理想化的預備體；在預備設(shè)計的過程中可對虛擬預備體、修復體和原始模型三者進行截面剖開，對數(shù)量空間進行測量，可得到實際預備量、修復體預留厚度、相對于基牙改變的量（圖3）；在設(shè)計過程中可以綜合材料力學性能、美學需求、生理功能等，不斷修改，設(shè)計成為實現(xiàn)目標修復的最佳備牙空間。

1.4 設(shè)計虛擬車針

完成了虛擬預備，把虛擬轉(zhuǎn)換為實際需要利用數(shù)字化導板的方法。導板的使用原理和外形設(shè)計至關(guān)重要，本文采用打孔定深的原理，使用種植導板設(shè)計軟件進行打孔定深和外形設(shè)計。首先確定好實物車針的規(guī)格，然后在軟件上設(shè)計相一致的虛擬鉆針。規(guī)格的數(shù)據(jù)應(yīng)該包括直徑、長度、錐度等，方便設(shè)計最好使用柱狀的車針。本文使用車針的直徑為1.2 mm，選擇4.0 mm的刻度線，所以車針長度設(shè)計為4.0 mm，為了適應(yīng)3D打印機的補償和車針能順暢進入，虛擬車針直徑為1.3 mm。

圖2 虛擬目標修復體及在目標修復體上的虛擬牙體預備Fig 2 Target restoration aesthetic wax-up and virtual preparation on target restoration

圖3 對虛擬預備體、目標修復體和術(shù)前基牙的三維空間分析Fig 3 3D analysis of virtual preparation, target prosthesis and preoperative abutment tooth

1.5 虛擬鉆孔

每顆牙17個孔，唇舌側(cè)分別7個孔，在長軸中線和橫向三等分線的中點上，切端3個孔橫向均勻分布。鉆孔的方法是導入虛擬車針和虛擬預備體模型的數(shù)據(jù)，調(diào)整虛擬車針的位置和方向，使其垂直于虛擬預備體表面，且兩者剛好觸碰（圖4）；實際意義是4.0 mm長的車針以垂直于表面的方向進入，切端剛好鉆到虛擬預備體的位置，實現(xiàn)定深的孔洞設(shè)計。

1.6 導板設(shè)計

導板設(shè)計和大部分的咬合板和種植導板類似。本研究采用的病例為前牙預備，所以設(shè)計的導板使用牙支持式，為了保證足夠的支持，導板后端延伸到第一磨牙處；為了方便就位且穩(wěn)定性足夠，導板的邊緣設(shè)計在鄰牙的頸三分之一處，基牙處導板邊緣蓋過齦緣，導板的基底模型數(shù)據(jù)使用初始模型，導板設(shè)計完成后進行樹脂3D打印成型（圖5）。

1.7 導板指導下的牙體預備

首先進行試戴，確定完全密合后，開始打孔，直接鉆到之前設(shè)計的虛擬鉆針長度的刻度線上，使刻度線和導板外表面平齊，邊鉆孔邊沖水冷卻，鉆孔完成后取下導板，用筆標記孔底，磨除其他多余牙體組織，形成肩臺，精修拋光（圖6）。

1.8 最終修復

前期工作為后續(xù)打下良好基礎(chǔ)，預備完成后口內(nèi)掃描，然后利用其余健康牙體組織將目標修復體數(shù)據(jù)與口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)匹配，軟件計算生成最終修復體。修復體數(shù)據(jù)進行數(shù)控切削和其余后續(xù)制作，最終修復體完成后進行試戴和粘接。

2 測試

2.1 虛擬鉆孔設(shè)計及算法的精準度研究

研究本技術(shù)虛擬鉆孔導板的精度，使用三維測量軟件對本病例生成的導板和虛擬備牙的模型進行測量，以垂直于每個鉆孔引導環(huán)表面的方向進行三維剖面處理，測量上下孔緣到虛擬預備體的垂直距離，每個孔測量得2個數(shù)據(jù)，本研究展示的病例為6顆前牙的貼面修復，舌側(cè)未打孔，所以每顆牙10個孔，一共測得120個數(shù)據(jù)。測得數(shù)據(jù)的散點圖，并繪制回歸直線（圖7）；由圖可見，散點的集中趨勢很好，回歸直線方程y=0.000 2x+3.982 3，與理想直線y=4非常接近。然后用Bland-Altman分析[15-17]進行實際深度和理論深度的一致性檢驗，并繪制Bland-Altman圖（圖8）；X軸為每個實際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的平均值，Y軸為實際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的差值。在Bland-Altman一致性范圍之外的點共有6個，所以有95%的點在范圍之內(nèi)，即實際數(shù)值和理論數(shù)值的一致性較好。本樣本的標準差為0.029 95 mm，差值絕對值的平均數(shù)為0.025 mm，接近于3D打印的每層厚度。綜上說明了這種虛擬鉆孔的導板的設(shè)計方式及其算法有很高的精確性。

圖4 虛擬鉆針的設(shè)計和在虛擬預備體進行鉆孔模擬Fig 4 Design of virtual drill and drilling simulation in virtual preparation

圖5 牙體預備導板的三維模型和實體Fig 5 3D model and printed object of tooth preparation guide plate

圖6 3D打印牙體預備導板的臨床操作步驟Fig 6 Clinical procedure of tooth preparation with 3D printing guide plate

圖7 虛擬打孔深度的散點圖及回歸直線Fig 7 Scatter plot and regression line of virtual drilling depth

圖8 虛擬打孔深度的Bland-Altman分析圖Fig 8 Bland-Altman analysis diagram of virtual drilling depth

2.2 實際預備與虛擬預備吻合度研究

研究本病例實際預備體和虛擬預備體的差別，對預備完成的基牙和鄰牙進行口內(nèi)掃描，將掃描數(shù)據(jù)與虛擬預備的數(shù)據(jù)基于后牙進行匹配（圖9），并對每顆牙唇面的頸1/3、中1/3、切1/3、切端分別測量2個三維表面的距離，以理想差值0作為對照組，對5組數(shù)據(jù)進行方差分析和LSD多重對比，結(jié)果顯示：切1/3和頸1/3與對照組的差異存在統(tǒng)計學意義（P＜0.05），切1/3與其余各組的差異均存在統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。從匹配圖中也可看出，后牙牙面基本為藍色，匹配效果較好，有一側(cè)后牙為綠色，由長牙弓口內(nèi)掃描產(chǎn)生的誤差導致；預備基牙的偏差與統(tǒng)計分析結(jié)果一致，主要出現(xiàn)在切緣線角處。

圖 9 實際預備與虛擬預備匹配偏差分析Fig 9 Analysis of deviation between actual preparation and virtual preparation

3 討論

本文講述了一種新的備牙引導技術(shù)：數(shù)字化定深孔導板引導的精準牙體預備技術(shù)，通過把牙體預備的操作轉(zhuǎn)移到計算機上，再在計算機上用虛擬的預備體指導實際臨床的預備操作。這種技術(shù)的優(yōu)點是：術(shù)前預設(shè)計，基牙、預備體和修復體三者的數(shù)量關(guān)系和空間關(guān)系完全量化和可視化，而且可以從各個角度進行調(diào)整修改；通過備牙導板的設(shè)計，把數(shù)字化的虛擬向?qū)嶓w轉(zhuǎn)換，把臺前的操作轉(zhuǎn)移到了幕后，而且大大減少了臨床操作時間，降低了醫(yī)生操作難度。通過測試分析，本技術(shù)中備牙導板的鉆孔設(shè)計及其算法非常精準，可以認為每一個孔都精確地止于虛擬預備體的空間位置。因此當導板戴到位，實際車針長度準確的情況下，實際的鉆孔深度可以非常精準。

在實施上述技術(shù)過程的基礎(chǔ)上，可根據(jù)不同實際情況進行一些細節(jié)的改變：1）在虛擬預備前，可以CBCT建?；蛲ㄟ^研究數(shù)據(jù)設(shè)計出牙髓、牙本質(zhì)的三維圖形，虛擬預備中能得到更好的提示，在嚴重傾斜或扭轉(zhuǎn)的活髓牙病例中，能更好防止穿髓，貼面病例中也可以更好實現(xiàn)釉質(zhì)粘接；2）鉆針可以進行改進，設(shè)計止停裝置，鉆孔操作時更方便；3）在保證強度的前提下，導板可采用更多的鏤空設(shè)計，提高沖水冷卻的效率；4）可以使用更細的車針，設(shè)計更多的鉆孔，可以更好指導臨床預備，但是會增加臨床操作時間。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。