徐敏 白石柱 張燕 李艷 于海 洪濤 張玉梅

為了探索不同印模方式對(duì)無牙頜牙槽嵴表面黏膜組織的影響，前期研究多采用游標(biāo)卡尺定點(diǎn)測(cè)量［1］、三維有限元建模分析［2］、光學(xué)傳感系統(tǒng)投射測(cè)量［3］等方法，這些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法雖已成功應(yīng)用，但仍存在標(biāo)志點(diǎn)定位精度不足、建模困難、石膏模型灌制誤差等局限性。近年來，三維數(shù)字化掃描技術(shù)因精確度高、重建圖像清晰，無需物理存儲(chǔ)，無輻射風(fēng)險(xiǎn)，無成本傳輸和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)口腔軟、硬組織三維形態(tài)差異的量化評(píng)估方面展現(xiàn)出巨大的潛力［4］。然而，同一患者序列數(shù)字化模型如何實(shí)現(xiàn)可靠的高精度重疊仍是應(yīng)用的一大難題。趙一姣等［5］對(duì)目前常用的4種配準(zhǔn)方法的精度進(jìn)行了比較，認(rèn)為根據(jù)共有牙列區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算的全局配準(zhǔn)精度更優(yōu)，但其在無牙頜的應(yīng)用未見報(bào)道。而無牙頜模型重疊廣泛使用的最佳擬合對(duì)齊算法精度尚不明確［6］。本研究提出一種“腭皺襞特征點(diǎn)手動(dòng)配準(zhǔn)聯(lián)合腭中縫特征區(qū)域全局配準(zhǔn)”的復(fù)合配準(zhǔn)方法，并對(duì)其進(jìn)行了初步應(yīng)用，以期為臨床比較不同印模方式對(duì)無牙頜黏膜的影響提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

藻酸鹽（金瑪克，意大利）；光固化自凝樹脂（DMG，德國）；邊緣整塑蠟（GC，日本）；聚醚橡膠（3M，美國）；光固化機(jī)（上海滬鴿）；口內(nèi)掃描儀（Planmeca EmeraldTM，芬蘭）；逆向工程軟件（Geomagic Wrap 2021，3D System，美國）。

1.2 復(fù)合配準(zhǔn)方法的建立與檢驗(yàn)

1.2.1 復(fù)合配準(zhǔn)方法的建立 該方法分兩步實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型的重疊。（1）初始配準(zhǔn)：選取包括切牙乳頭中點(diǎn)、第一、第二、第三腭皺襞近中末端點(diǎn)及第三腭皺襞遠(yuǎn)中末端點(diǎn)在內(nèi)的9個(gè)特征點(diǎn)作為重疊標(biāo)志點(diǎn)，利用N點(diǎn)注冊(cè)完成模型的初始對(duì)齊；（2）精細(xì)配準(zhǔn)：選擇切牙乳頭中點(diǎn)至腭小凹中點(diǎn)連線的中2／3，橢圓短軸長約10 mm的區(qū)域作為數(shù)字化模型兩兩擬合配準(zhǔn)的公共部分，以下稱配準(zhǔn)區(qū)（圖1），利用配準(zhǔn)區(qū)進(jìn)行全局迭代完成模型的精細(xì)配準(zhǔn)。

圖1 配準(zhǔn)區(qū)的選擇Fig 1 Selection of registration area

1.2.2 復(fù)合配準(zhǔn)方法的檢驗(yàn) （1）數(shù)字模型的構(gòu)建：采用光學(xué)掃描儀獲取患者口內(nèi)無牙上頜光學(xué)印模，數(shù)據(jù)信息以STL格式保存。導(dǎo)入Geomagic Wrap 2021軟件，得到參考模型（Ref）M1（圖 2）；復(fù)制 M1，選擇包括配準(zhǔn)區(qū)在內(nèi)的5個(gè)區(qū)域保持不變（圖2），其余部分整體向偏移 0.5 mm（圖 2），得到測(cè)試模型（Test）M2（圖 2）；（2）配準(zhǔn)方法的檢驗(yàn)：將 M1、M2分別采用最佳擬合對(duì)齊及復(fù)合配準(zhǔn)方法進(jìn)行配準(zhǔn)。應(yīng)用Geomagic Wrap 2021軟件的偏差分析功能，根據(jù)色譜圖及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息比較兩者配準(zhǔn)效果。

圖2 模型構(gòu)建Fig 2 Construction of the model

1.3 復(fù)合配準(zhǔn)方法在臨床中的初步應(yīng)用

（1）研究對(duì)象：60～75歲無牙頜患者5名，入選符合以下標(biāo)準(zhǔn)：①牙槽嵴吸收分級(jí)為Atwood I-III級(jí)；②腭皺襞、腭中縫等解剖標(biāo)志清晰易辨；③能夠配合醫(yī)生完成各個(gè)動(dòng)作并按時(shí)復(fù)診。簽署臨床研究知情同意書；（2）數(shù)據(jù)獲?。河谏项M初模型制作個(gè)別托盤，選定的配準(zhǔn)區(qū)部位開窗（圖3），邊緣整塑后制取精細(xì)印模，配準(zhǔn)區(qū)完整去除印模材，聚醚槍注射二次制取，保證其無壓或僅有微小壓力，以匹配口內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的無壓狀態(tài)。口內(nèi)掃描儀分別掃描無牙頜黏模、精細(xì)印模，獲取相應(yīng)的光學(xué)印模（陰模通過軟件“翻轉(zhuǎn)法線”功能轉(zhuǎn)換為陽模），數(shù)據(jù)信息以STL格式保存；（3）標(biāo)準(zhǔn)模型建立：通過Geomagic Wrap 2021軟件“創(chuàng)建特征－球體－參數(shù)”功能于每位患者精細(xì)光模的配準(zhǔn)區(qū)添加10個(gè)直徑為0.5 mm的定位球，作為后續(xù)計(jì)算配準(zhǔn)方法差異的標(biāo)志點(diǎn)；（4）配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)：將口內(nèi)光模設(shè)置為Ref，精細(xì)印模的光模為Test，分別采用以下4種配準(zhǔn)方法完成光模間的配準(zhǔn)重疊。①最佳擬合對(duì)齊：固定Ref，浮動(dòng)Test，通過軟件自帶的最佳擬合對(duì)齊功能進(jìn)行配準(zhǔn)；②手動(dòng)配準(zhǔn)：在兩組數(shù)據(jù)的腭部區(qū)域依次選取切牙乳頭中點(diǎn)、第一、第二、第三腭皺襞近中末端點(diǎn)，第三腭皺襞的遠(yuǎn)中末端點(diǎn)9個(gè)特征點(diǎn)，通過N點(diǎn)注冊(cè)進(jìn)行配準(zhǔn)；③手動(dòng)配準(zhǔn)聯(lián)合全局配準(zhǔn)：按照上述手動(dòng)配準(zhǔn)方法完成初始對(duì)齊后，兩組數(shù)據(jù)不選擇任何區(qū)域直接應(yīng)用軟件的全局配準(zhǔn)功能進(jìn)行迭代計(jì)算配準(zhǔn)；④復(fù)合配準(zhǔn)：按照上述手動(dòng)配準(zhǔn)方法完成初始對(duì)齊后，兩組數(shù)據(jù)分別選中配準(zhǔn)區(qū)應(yīng)用全局配準(zhǔn)功能，軟件根據(jù)選中區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行代計(jì)算配準(zhǔn)；（5）標(biāo)志點(diǎn)對(duì)間空間偏差測(cè)量：應(yīng)用Geomagic Wrap 2021軟件對(duì)以上4種配準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行偏差分析，獲取預(yù)先設(shè)定的10個(gè)定位球的空間偏差值TD，各組取絕對(duì)值的均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 配準(zhǔn)區(qū)開窗設(shè)計(jì)的個(gè)別托盤Fig 3 Custom tray with window opening design in registration area

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用 SPSS 25.0軟件 Kolmogorov-Smirnov test對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，Levene檢驗(yàn)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，因部分?jǐn)?shù)據(jù)未滿足正態(tài)性分布或方差齊性要求，所有數(shù)據(jù)用“中位數(shù)（四分位數(shù)間距）［M（QR）］”表示，Kruskal-Wallis test比較4種配準(zhǔn)方法的差異，Mann-Whitney U test比較任意2種配準(zhǔn)方法的差異。檢驗(yàn)水準(zhǔn)為雙側(cè)α＝0.05，P＜0.05認(rèn)為差異具有顯著性。

2 結(jié) 果

2.1 復(fù)合配準(zhǔn)方法在無牙頜模型配準(zhǔn)中的檢驗(yàn)

模型M1、M2的復(fù)合配準(zhǔn)結(jié)果中，配準(zhǔn)區(qū)5及觀測(cè)區(qū)1、2、3、4呈現(xiàn)均勻的綠色覆蓋，擬合良好，無變形發(fā)生；處理區(qū)呈現(xiàn)均勻的橘黃色覆蓋，擬合誤差約0.5mm，呈現(xiàn)凸出變形，與預(yù)期的配準(zhǔn)結(jié)果基本一致（圖4）。

圖4 M1-M2偏差分析色譜圖 Fig 4 Deviation analysis chromatogram of M1 and M2

2.2 4種配準(zhǔn)方法在臨床應(yīng)用中配準(zhǔn)差異的研究

（1）4種配準(zhǔn)方法配準(zhǔn)區(qū)配準(zhǔn)結(jié)果如圖 5，聚醚槍注射制取的無壓力印模區(qū)域（配準(zhǔn)區(qū)），在最佳擬合對(duì)齊、手動(dòng)配準(zhǔn)、手動(dòng)配準(zhǔn)聯(lián)合全局配準(zhǔn)結(jié)果中均表現(xiàn)為橘黃色覆蓋，凸出變形，僅在復(fù)合配準(zhǔn)方法中表現(xiàn)為大面積綠色覆蓋，擬合良好。

圖5 配準(zhǔn)區(qū)偏差分析色譜圖Fig 5 Deviation analysis chromatogram of registration area

（2）對(duì)10個(gè)定位球點(diǎn)對(duì)間的空間偏差TD均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1及圖6），結(jié)果顯示，復(fù)合配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)偏差［0.026 7（0.047 9）mm］顯著低于其他 3種方法（P＜0.01）；手動(dòng)配準(zhǔn)聯(lián)合全局配準(zhǔn)方法［0.612 1（0.534 0）mm］及最佳擬合對(duì)齊［0.592 4（0.901 8）mm］的配準(zhǔn)偏差大于手動(dòng)配準(zhǔn)［0.411 0（0.347 3）mm］，各組間兩兩比較均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

表1 4種配準(zhǔn)方法配準(zhǔn)差異的比較 ［mm，M（QR），n＝5］Tab 1 Comparison of registration difference of 4 registration methods ［mm，M（QR），n＝5］

圖6 4種配準(zhǔn)方法配準(zhǔn)差異箱形圖（n＝5）Fig 6 Box plot of registration difference of 4 registration methods（n＝5）

3 討 論

目前國內(nèi)外關(guān)于無牙頜不同印模制取方式間的差異量化研究較少，結(jié)果也不盡相同，這可能與其采用的研究方法有關(guān)。隨著激光掃描儀及逆向工程軟件的開發(fā)，越來越多的臨床研究開始青睞于使用數(shù)字化三維測(cè)量分析技術(shù)。然而，模型的正確疊加與否，直接影響著最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于有牙頜患者，數(shù)字化模型能呈現(xiàn)剩余牙齒信息，作為兩兩配準(zhǔn)所需的重疊區(qū)域，利用牙齒自身穩(wěn)定的解剖學(xué)特征來完成配準(zhǔn)；而對(duì)于無牙頜患者，口腔黏膜表面通常存在形狀特征缺陷［7］。這種參考區(qū)域的缺乏給無牙頜圖像配準(zhǔn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。那么如果能夠找到相對(duì)穩(wěn)定、變形量小的區(qū)域作配準(zhǔn)區(qū)，或許可有效提高配準(zhǔn)精度。前期研究發(fā)現(xiàn)，上頜特有的解剖結(jié)構(gòu)腭皺璧，尤其是第三腭皺璧內(nèi)側(cè)2／3及背側(cè)小部分區(qū)域在生長發(fā)育過程中的位置變化很小，具有較高的解剖形態(tài)穩(wěn)定性，可視為數(shù)字化模型重疊的金標(biāo)準(zhǔn)，其與腭中縫連線的區(qū)域也可達(dá)到類似的結(jié)果［4］。組織學(xué)耐受性上，后者表面覆蓋的黏膜下層非常薄，黏膜層幾乎貼近于骨骼，對(duì)壓痛高度敏感［8］，在制取無牙頜印模時(shí)，該區(qū)域應(yīng)施加很小的應(yīng)力或沒有應(yīng)力［9］。因此，本實(shí)驗(yàn)選取切牙乳頭中點(diǎn)至腭小凹中點(diǎn)連線的中2／3，橢圓短軸約10 mm的區(qū)域作為無牙上頜數(shù)字模型兩兩配準(zhǔn)的公共部分。經(jīng)模型的構(gòu)建與觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域能夠有效限制對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)的搜索范圍，縮短搜索時(shí)間，得到較為準(zhǔn)確的配準(zhǔn)結(jié)果。

在隨后的臨床實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)制作了配準(zhǔn)區(qū)開窗的個(gè)別托盤，盡量保證該區(qū)的印模不變形或變形很小，以匹配口內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的無壓狀態(tài)。由于口內(nèi)光模為黏膜靜止式印模，所以可作后續(xù)軟件分析的參考基準(zhǔn)［10］。通過配準(zhǔn)區(qū)10個(gè)定位球的建立，確保了4種配準(zhǔn)方法測(cè)量位置的一致性。將復(fù)合配準(zhǔn)方法與常用的配準(zhǔn)方法進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn)，最佳擬合對(duì)齊［11］表現(xiàn)出較大的匹配偏差，這可能與其采用全局搜索，計(jì)算量大、運(yùn)算時(shí)間長，易受偏離點(diǎn)影響，迭代過程無法收斂到全局最優(yōu)解有關(guān)［12－13］；手動(dòng)配準(zhǔn)［14］三維偏差顯著大于復(fù)合配準(zhǔn)方法，原因可能在于選取的參考點(diǎn)位置均集中于腭皺璧區(qū)域，后部定位點(diǎn)缺乏，模型易向一側(cè)發(fā)生偏斜；參考點(diǎn)與模型的空間位置關(guān)系不夠穩(wěn)定，存在難以避免的人為定點(diǎn)誤差；解剖結(jié)構(gòu)自身形態(tài)隨時(shí)間遷移或受壓狀態(tài)發(fā)生變化等；與未選擇任何公共區(qū)域的手動(dòng)配準(zhǔn)聯(lián)合全局配準(zhǔn)方法相比，本研究提出的首先通過手動(dòng)配準(zhǔn)完成模型的初始對(duì)齊，而后利用穩(wěn)定的、變形較小的腭中縫局部特征區(qū)域進(jìn)行ICP迭代計(jì)算的復(fù)合配準(zhǔn)方法，匹配誤差顯著減小，擬合精度明顯提高，這可能與其為軟件尋找最佳的配準(zhǔn)位置提供了有效的參考區(qū)域和合理的配準(zhǔn)方向有關(guān)。

綜上所述，在無牙上頜數(shù)字模型配準(zhǔn)時(shí)，利用“腭皺璧特征點(diǎn)手動(dòng)配準(zhǔn)聯(lián)合腭中縫特征區(qū)域全局配準(zhǔn)”的復(fù)合配準(zhǔn)方法，可獲得良好的匹配精度，為后續(xù)軟組織形態(tài)差異的三維對(duì)比評(píng)估提供可靠的依據(jù)。但研究中仍存在掃描精度較低、配準(zhǔn)后標(biāo)志點(diǎn)對(duì)間空間偏差發(fā)生的方向不確定等局限性，未來還將精進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以便進(jìn)行更加深入的探討。