王汐泠，武峰*，李風(fēng)蘭，姚蔚，石晶*

(1.山西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)院，山西 太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)附屬省人民醫(yī)院，山西 太原 030012)

數(shù)字化微笑設(shè)計(jì)(DSD)是一種數(shù)字化的美學(xué)預(yù)告手段。在正式治療開始前，使用數(shù)字設(shè)備進(jìn)行虛擬微笑設(shè)計(jì)是最終達(dá)成理想修復(fù)美學(xué)效果的基礎(chǔ)。美學(xué)預(yù)告技術(shù)是指最終修復(fù)治療的美學(xué)效果可被預(yù)知和調(diào)整的技術(shù)，通過這一技術(shù)，醫(yī)生、技師、患者得以在可視化的條件中進(jìn)行治療和溝通。美學(xué)預(yù)告技術(shù)包含了三級(jí)預(yù)告：一級(jí)預(yù)告為二維數(shù)字化微笑設(shè)計(jì)(2D-DSD)，二級(jí)預(yù)告為美學(xué)診斷蠟型(wax-up)，三級(jí)預(yù)告為口內(nèi)診斷飾面(mock-up)。DSD運(yùn)用數(shù)字化手段增強(qiáng)了修復(fù)的可預(yù)測(cè)性和可視性[1]。目前，常見的DSD軟件和系統(tǒng)主要有DSD Hands On App，ADSD，CEREC，3shape，Planmeca和Exocad，其中多數(shù)軟件和平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化微笑設(shè)計(jì)(3D-DSD)，設(shè)計(jì)結(jié)果支持導(dǎo)出并兼容多種計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)系統(tǒng)，并整合DSD、口掃、面掃、錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描(CBCT)及下頜運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)信息，融入虛擬治療計(jì)劃。本文從DSD的美學(xué)參數(shù)、DSD的軟件和系統(tǒng)、2D-DSD和3D-DSD的工作流程以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。

1 DSD的美學(xué)參數(shù)

牙科美學(xué)包含一個(gè)廣泛的區(qū)域，即“美學(xué)區(qū)”。宏觀美學(xué)是指面、唇、牙齦、牙齒的良好表現(xiàn)和它們之間的相互關(guān)系；微觀美學(xué)是指牙齒的顏色、形態(tài)和比例。Alessandro等[2]將這種分類細(xì)分為宏觀水平、中觀水平和微觀水平。宏觀水平冠狀位美學(xué)參數(shù)包含瞳孔連線、口角連線、面部中線、牙齒中線和下頜中線[2]；矢狀位美學(xué)參數(shù)包含面型角、審美平面、H線、鼻唇角。中觀水平的美學(xué)分析關(guān)注唇部、牙齦、牙齒及其位置關(guān)系，包含笑線、上頜中切牙顯示量以及下唇曲線與上頜前牙切緣的關(guān)系。微觀水平的美學(xué)分析指牙齒的大小和比例，包含牙齒的長(zhǎng)寬比、上前牙寬度比、牙齒的形狀和色澤以及表面解剖特征。目前，上前牙寬度比例的設(shè)計(jì)沒有確定的標(biāo)準(zhǔn)?！把例X美學(xué)重復(fù)比例”(RED)指從正面觀察，從近到遠(yuǎn)上頜牙齒連續(xù)寬度比為定值，RED與身高和牙齒長(zhǎng)度相匹配。Ward[3]介紹了如何通過確定的RED值和尖牙間寬度(ICW)值，計(jì)算上頜各個(gè)前牙寬度值以及如何以確定的ICW值和理想的中切牙高度(CIH)值計(jì)算RED及上頜各個(gè)前牙寬度值。然而，自然的美學(xué)能夠被察覺卻難以將其復(fù)制，尤其是面下1/3的區(qū)域。Bini[4]認(rèn)為美學(xué)的真正目標(biāo)應(yīng)該是模仿自然。DSD是美學(xué)概念的整合，借助數(shù)字虛擬設(shè)計(jì)而達(dá)到不同美學(xué)水平之間和內(nèi)部的協(xié)調(diào)。符合美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的微笑在多種美學(xué)參數(shù)的共同制約下形成，DSD可以向患者和技師同時(shí)呈現(xiàn)多種微笑設(shè)計(jì)的結(jié)果。

2 DSD的軟件和系統(tǒng)

2.1 DSD App

2012年，Christian Coachman作為DSD的創(chuàng)始人，首次提出了DSD的概念。他創(chuàng)造了專業(yè)口腔美學(xué)體系服務(wù)產(chǎn)業(yè)及DSD App這一相關(guān)應(yīng)用，目前該應(yīng)用軟件名為“DSD Hands On App”。通常，DSD需要拍攝患者靜態(tài)照片作為美學(xué)分析的基礎(chǔ)，但拍攝過程會(huì)出現(xiàn)拍攝角度誤差、照片表情不自然、抓拍的技術(shù)難度較高等問題。理想的微笑來源于動(dòng)態(tài)過程中的畫面捕捉而非靜態(tài)的照片，該應(yīng)用提倡拍攝動(dòng)態(tài)微笑視頻，包含正面部、側(cè)面部、12點(diǎn)鐘位和前牙咬合4個(gè)DSD設(shè)計(jì)視頻；面部訪談、近距離180°語音分析、口腔內(nèi)功能和口腔內(nèi)結(jié)構(gòu)4個(gè)補(bǔ)充視頻。在動(dòng)態(tài)視頻中分析特定時(shí)刻的面部表情非常重要。例如，休息位和微笑狀態(tài)時(shí)上唇位置、牙齦顯示量、笑線、上中切牙顯示量等。除了傳統(tǒng)的手工蠟型，DSD Hands On App可以外接設(shè)計(jì)軟件，將2D-DSD設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化wax-up和mock-up，最終的3D文件被輸出至打印設(shè)備。DSD Hands On App與其他軟件的兼容性促成了多學(xué)科項(xiàng)目的合作，如聯(lián)合Invisalign，Ortho Analyzer，Nemo DSD Ortho，NemoCeph，Nemo DSDGuidedSurgery進(jìn)行正畸、正頜、種植的虛擬規(guī)劃。

2.2 ADSD

Bini[4]曾對(duì)ADSD這一意大利本土的DSD軟件進(jìn)行了詳盡的介紹，他建議讓患者佩戴有毫米和厘米刻度的“面部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移裝置”，將拍攝實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與照片像素值精確匹配，對(duì)牙齒和牙齦進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量。ADSD十分注重患者照片的采集質(zhì)量，比如反映審美平面的照片和頭部轉(zhuǎn)向45°和90°的照片，同時(shí)強(qiáng)調(diào)拍攝動(dòng)態(tài)視頻作為補(bǔ)充。ADSD的DSD面部分析包含正面、側(cè)面、面部形態(tài)決定因素、水平參考線、垂直參考線、面部比例和尺寸、鼻唇眼的比例和尺寸及審美平面；牙齒分析包含形狀、輪廓、比例、顏色、表面解剖特征、牙齒的構(gòu)成、牙齒的位置、鄰接的位置、鄰接的角度和牙齒傾斜度；唇齒分析包含唇部動(dòng)態(tài)分析、笑線、切牙中線、齒頰間隙、微笑的寬度和咬合平面；牙齦分析包含形狀、對(duì)稱性、平行性、生物型、牙齦乳頭和顏色；語音學(xué)分析作為唇齒分析的補(bǔ)充。ADSD是一款出色的視覺化醫(yī)患溝通工具和美學(xué)分析軟件，其里程碑般的重要意義在于與CAD/CAM系統(tǒng)兼容從而施行整形外科手術(shù)的虛擬規(guī)劃。

2.3 Planmeca

Planmeca Romexis是世界上第一款將2D和3D成像以及完整的CAD/CAM工作流程結(jié)合到同一平臺(tái)中的牙科軟件。2015年，Planmeca Romexis Smile Design啟用，作為Romexis獨(dú)立免費(fèi)模塊，它無需購(gòu)買額外的設(shè)備或軟件即可運(yùn)行。通過DSD改善了初次診療時(shí)醫(yī)患溝通的效果。目前該軟件最新版本是Romexis Smile Design 4.1。該應(yīng)用需要分析的面部照片包括全牙列咬合影像和面部影像。首先選取標(biāo)記點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)兩張照片，在同一位置對(duì)兩張照片進(jìn)行匹配，調(diào)節(jié)透明度可透過圖層觀察不同狀態(tài)的口面部影像，校準(zhǔn)實(shí)際數(shù)值和像素值。Planmeca Romexis Smile Design的美學(xué)參數(shù)分析包含瞳孔連線、面部中線、牙齒中線偏差、下頜中線、笑線、下唇曲線、齒頰間隙、牙齒的大小、形狀、表面解剖特征、色澤和上頜前牙切緣曲線，其他設(shè)計(jì)功能包括形狀數(shù)據(jù)庫(kù)、整體延展、平移、彎曲、旋轉(zhuǎn)、單牙旋轉(zhuǎn)、延展、重塑、鏡像、隱藏、重置、透明度、比色、滴管、克隆刷。Planmeca Romexis Smile Design可生成美學(xué)分析報(bào)告，還可將2D-DSD結(jié)果導(dǎo)入其他CAD/CAM系統(tǒng)。

2.4 CEREC

Cerec Smile Design是集成于CEREC SW中的模塊，目前軟件最新版本為CEREC SW 5.2。Cerec Smile Design需導(dǎo)入一張正面微笑照片，通過16個(gè)面部特征點(diǎn)的標(biāo)記，患者的正面微笑照被投射至軟件內(nèi)置的三維頭像，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DSD和CAD/CAM的后續(xù)工作[5]，設(shè)計(jì)過程中可隨時(shí)在牙列模型和面部的視圖中切換。面部掃描數(shù)據(jù)需要特定的裝置，成本較高。該簡(jiǎn)化程序的原理可能類似于3D密集臉部對(duì)齊(3DDFA)，是基于一種深度學(xué)習(xí)的算法將二維人臉圖像重建三維人臉模型[6]。然而，CEREC SW是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，一定程度上限制了其臨床應(yīng)用。

2.5 Exocad

2010年，Exocad創(chuàng)立了口腔CAD/CAM軟件公司。2020年，Align Technology將其收購(gòu)。Exocad致力于提供創(chuàng)新性的軟件技術(shù)，開拓口腔數(shù)字化的可能性。Dental CAD針對(duì)不同臨床需求提供了不同的數(shù)字化解決方案并相互兼容，是一款高度自由化的CAD/CAM軟件。2019年，Exocad推出Smile Creator模塊，導(dǎo)入的照片完成標(biāo)志點(diǎn)對(duì)齊后，將轉(zhuǎn)換為3D形狀與牙列模型匹配，操作者從牙齒形態(tài)庫(kù)中挑選合適的設(shè)計(jì)，使用簡(jiǎn)單的2D編輯工具編輯3D形狀，在CAD/CAM設(shè)計(jì)過程可以從各個(gè)角度觀察DSD的視圖。這種創(chuàng)新性的2D/3D技術(shù)，將修復(fù)體可靠性的評(píng)估納入美學(xué)預(yù)告階段。作為Dental CAD平臺(tái)的集成模塊，Smile Creator是修復(fù)體設(shè)計(jì)和種植規(guī)劃的美學(xué)輔助工具，也是診療過程中的醫(yī)患溝通工具。

2.6 3Shape

2000年，Tais Clausen與Nikolaj Deichmann在丹麥哥本哈根合作創(chuàng)立3Shape，在很短的時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)展并占據(jù)行業(yè)領(lǐng)先地位。3shape是口腔3D掃描和口腔CAD/CAM的開發(fā)商和制造商，Trios Smile Design是3Shape的微笑設(shè)計(jì)模塊，Trios Smile Design搭載Realview引擎，色彩逼真。新版本Trios Smile Design 21.2集合了自動(dòng)測(cè)量尺寸和人工智能挑選牙齒形態(tài)的功能。3Shape系統(tǒng)開放性和兼容性較好，并支持?jǐn)?shù)字化蠟型的設(shè)計(jì)和導(dǎo)出。

3 DSD的工作流程

3.1 2D-DSD的工作流程

首先采集患者的面部及口內(nèi)照片，獲取二維影像信息(見圖1-Ⅰa)。實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化的信息采集非常困難，Bini[4]建議拍攝使用單反相機(jī)、良好的照明系統(tǒng)和可重復(fù)的拍攝位置。Coachman等[7]認(rèn)為，目前智能手機(jī)拍攝的圖像質(zhì)量雖然不如單反相機(jī)，但足以用于DSD，并提出用智能手機(jī)錄制視頻來捕捉動(dòng)態(tài)微笑，改善靜態(tài)微笑的不自然[8]。不同DSD軟件和系統(tǒng)需按要求導(dǎo)入面部照片或口內(nèi)照片[9]。其次，美學(xué)參數(shù)用于美學(xué)評(píng)估和指導(dǎo)微笑設(shè)計(jì)，這是DSD技術(shù)的核心(見圖1-Ⅰb)。最后，根據(jù)DSD設(shè)計(jì)結(jié)果制作wax-up，并于患者口中制作mock-up(見圖1-Ⅰc和圖1-Ⅰd)。使用mock-up指導(dǎo)牙體預(yù)備比起直接進(jìn)行牙體預(yù)備更加保守和謹(jǐn)慎。傳統(tǒng)的mock-up利用硅橡膠翻制wax-up獲得硅橡膠導(dǎo)板，該方法簡(jiǎn)便但材料不透明。牙科透明膜片由wax-up石膏模型壓模制成，過程較復(fù)雜。

目前，不同DSD軟件和系統(tǒng)的美學(xué)分析能力存在差異。Omar和Duarte[10]比較了可評(píng)估美學(xué)參數(shù)的8 種DSD軟件，其中美學(xué)參數(shù)包括口角連線、瞳孔連線、面部中線、微笑的范圍、牙齒中線偏差、下頜中線、水平比例、垂直比例、面型角、鼻唇角、審美平面、H-線、笑線、下唇曲線、齒頰間隙、牙齒的大小、形狀修改、表面解剖特征、色澤、上頜前牙切緣曲線共20 個(gè)，結(jié)果顯示Photoshop CS6可以分析全部20 個(gè)美學(xué)參數(shù)，Keynote不能刻畫精細(xì)的牙齒表面解剖特征，ADSD具有較高水平的美學(xué)分析能力，但不能分析審美平面和H-線，其余軟件CEREC SW，DSD App，Smile Designer Pro，VisagiSMile，Planmeca Romexis Smile Design缺少7個(gè)以上的美學(xué)參數(shù)。遺漏一個(gè)或多個(gè)美學(xué)參數(shù)的分析，可能會(huì)導(dǎo)致修復(fù)體美學(xué)效果欠缺。Photoshop，Keynote，PowerPoint等軟件不是口腔專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，可提供全面的美學(xué)分析，但在易用性和臨床適用性方面存在缺陷。

Ⅰ為2D-DSD流程，Ⅱ?yàn)?D-DSD流程

3.2 3D-DSD的工作流程

3D-DSD的突破不僅在于臨床信息采集的數(shù)字化，還包括CAD/CAM和3D打印wax-up和mock-up后續(xù)模型制造方式的轉(zhuǎn)變。與2D-DSD的工作流程類似，首先拍攝患者的面部和口內(nèi)照片，口內(nèi)掃描獲取牙列的3D模型(見圖1-Ⅱa)。其次，在3D模型和2D照片上進(jìn)行DSD美學(xué)分析(見圖1-Ⅱb)，數(shù)字化wax-up和mock-up的設(shè)計(jì)過程在CAD/CAM技工端或椅旁進(jìn)行(見圖1-Ⅱc、圖1-Ⅱe)，建立在DSD美學(xué)分析的基礎(chǔ)之上。最終，wax-up和mock-up由3D打印機(jī)或CAD/CAM研磨儀加工完成[11]。2016年，Cattoni等[12]借助3D-DSS完成了2D-DSD到3D-DSD的轉(zhuǎn)化并與其他CAD/CAM系統(tǒng)兼容，導(dǎo)出DSD設(shè)計(jì)結(jié)果。2018年，Revilla-León等[13]在3Shape的CAD/CAM系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了結(jié)合DSD的全數(shù)字化修復(fù)流程。2020年，Coachman等[7]介紹了新版本DSD App，開創(chuàng)了3D-DSD椅旁工作流程并支持DSD結(jié)果的外部CAD/CAM導(dǎo)出?？趦?nèi)mock-up是患者預(yù)覽美學(xué)修復(fù)的結(jié)果，確保了最終修復(fù)的成功(見圖1-Ⅱd)，通過CAD/CAM直接打印或切削mock-up，可以最大程度地減少誤差并縮短工作時(shí)間。2019年，Cattoni等[14]研究比較切削mock-up與傳統(tǒng)模制mock-up的精確度，結(jié)果表明全數(shù)字流程切削的mock-up更準(zhǔn)確。2020年，Lo Giudice等[15]比較全數(shù)字化流程切削mock-up和3D打印mock-up的精確度，結(jié)果表明3D打印mock-up與原始wax-up的3D文件匹配度更高，然而目前研究樣本量較小，仍需要對(duì)大樣本量以及不同的切削和3D打印設(shè)備進(jìn)一步進(jìn)行體內(nèi)或體外研究。在3D-DSD的輔助下，醫(yī)生在正式治療前完成美學(xué)修復(fù)的三級(jí)預(yù)告，若患者滿意則在mock-up上進(jìn)行牙體預(yù)備，獲取數(shù)字化印模，在CAD/CAM中復(fù)制DSD結(jié)果至最終修復(fù)體。

4 融合DSD的虛擬治療計(jì)劃

對(duì)于美學(xué)修復(fù)的病例，制訂綜合治療計(jì)劃的前提是對(duì)患者進(jìn)行全面的診斷。在正式治療之前，一個(gè)詳盡的虛擬治療計(jì)劃得益于“虛擬病人”的建立，即將DSD、口內(nèi)掃描、面部掃描、CBCT、下頜運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入軟件并重疊，將不同的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)整合為一體。其中，不同模態(tài)的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)處理，使其內(nèi)外部特征在空間坐標(biāo)上相匹配，從而得到一種全新的、更全面的融合影像的過程為多模態(tài)數(shù)據(jù)融合。適當(dāng)?shù)亩嗄B(tài)數(shù)據(jù)融合可以最大限度地提取各影像中的有用信息，為診斷和治療提供更多線索[16]。

總之，創(chuàng)建一個(gè)“虛擬病人”包含兩個(gè)重要步驟：首先是信息的采集，其次是信息的重疊過程[17]。完整的信息采集覆蓋了包含牙列在內(nèi)的頜面部骨骼及面部軟組織[18]。DSD信息包含面部二維圖像和視頻信息，牙列信息可由傳統(tǒng)石膏模型進(jìn)行數(shù)字化得到，也可來自口內(nèi)掃描，頜面部軟硬組織則來自CBCT掃描，更為逼真的面部軟組織顏色和紋理需要特定的三維面部采集系統(tǒng)。CBCT文件存儲(chǔ)格式為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)，而常見的3D模型格式包括多邊形檔案(PLY)、立體光刻(STL)、OB等。此前Xin等[19]，Naudi等[20]，Wang等[21]的研究中曾詳細(xì)描述DICOM文件經(jīng)三維重建導(dǎo)出3D模型的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于缺乏DICOM處理模塊的系統(tǒng)和軟件，這是一種有效的信息匹配前的準(zhǔn)備工作。國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)創(chuàng)建“虛擬病人”進(jìn)行了不同程度的探索。2021年，Sun等[18]通過口掃、面掃、數(shù)字面弓轉(zhuǎn)移、數(shù)字交叉上頜架創(chuàng)建了一個(gè)三維“虛擬病人”，并結(jié)合DSD設(shè)計(jì)最終修復(fù)體，虛擬治療計(jì)劃從美學(xué)和功能方面共同提高了治療的成功率。目前，評(píng)估“虛擬病人”準(zhǔn)確性的文獻(xiàn)有限且不同軟件的系統(tǒng)和平臺(tái)所創(chuàng)建的“虛擬病人”在美學(xué)效果上存在差異[17]。而未來的研究可能集中在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉的4D“虛擬病人”以及數(shù)據(jù)采集的同步性以提高“虛擬病人”的準(zhǔn)確度[22]。