葉年嵩 房兵

200011， 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔正畸科， 上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院， 國家口腔醫(yī)學(xué)中心， 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 上海市口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展為口腔正畸的數(shù)據(jù)獲取、診斷設(shè)計、矯治器制作及臨床治療帶來了革命性的變化。借助數(shù)字化技術(shù)，正畸治療的模式從傳統(tǒng)“摸石頭過河”、邊診斷邊治療的模式轉(zhuǎn)變成了以“目標(biāo)引導(dǎo)”下的治療模式。數(shù)字化正畸技術(shù)可分為數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、數(shù)字化診斷技術(shù)、以及數(shù)字化加工技術(shù)及數(shù)字化定制式矯治器。本文就以上幾方面內(nèi)容的發(fā)展現(xiàn)狀作一評述和展望。

1 數(shù)字化正畸診斷數(shù)據(jù)獲取

1.1 數(shù)字化牙列模型

精準(zhǔn)的數(shù)字化牙列模型是數(shù)字化正畸診斷、方案模擬以及矯治器制作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)石膏模型相比，數(shù)字化模型的優(yōu)點在便于存儲和傳輸、不易丟失和損壞、方便測量和分析。據(jù)統(tǒng)計，存儲1 000 例患者治療前、后的石膏記存模型，需要約10 m2的物理空間，而1 000 例患者的數(shù)字STL格式模型，僅僅需要40 GB的硬盤存儲空間。目前，數(shù)字化牙列模型獲取的方法主要有光學(xué)模型掃描和口內(nèi)掃描兩種方式。光學(xué)掃描設(shè)備根據(jù)掃描光源形式不同，可分為點光掃描技術(shù)、線光掃描技術(shù)和面光掃描技術(shù)。模型掃描設(shè)備主要用于口腔技工室，作為石膏模型或硅橡膠托盤模型數(shù)據(jù)的獲取方式，完成全口牙列數(shù)據(jù)掃描僅需2～3 min，精度可達(dá)到5～15 μm[1]。近些年，隨著口內(nèi)掃描設(shè)備的普及和國產(chǎn)化，越來越多的口腔醫(yī)院和診所開始采用口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)作為初診和結(jié)束正畸患者的牙列數(shù)據(jù)記錄，口內(nèi)掃描技術(shù)通過直接從患者口內(nèi)獲取牙列模型數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)印模制取過程中的形變、氣泡等問題，同時還可以獲取牙齒和牙齦的顏色數(shù)據(jù)，提高了模型數(shù)據(jù)的精確性(精度可達(dá)5～20 μm)、減少了臨床操作時間(掃描時間5～10 min)[2]。但是口內(nèi)掃描目前仍舊存在一些不足，部分設(shè)備掃描探頭的尺寸較大，對于開口度較小的患者，以及第二磨牙的頰側(cè)和遠(yuǎn)中面可能存在掃描不全的情況。此外，患者的唾液、軟組織等可能影響圖像采集的精度和質(zhì)量。對于需要制作功能矯治器的患者，口內(nèi)掃描對于唇、頰側(cè)系帶和牙齦軟組織的掃描仍舊存在一些不足。

1.2 數(shù)字化頜骨模型

目前，數(shù)字化的二維X線片(側(cè)位片、正位片、全景片、關(guān)節(jié)片)仍舊是正畸治療術(shù)前、術(shù)后常規(guī)的影像學(xué)檢查項目，但二維X線片對顱頜面骨骼結(jié)構(gòu)的顯示存在一定局限性，容易導(dǎo)致診斷上的誤差。近年來，隨著錐形束CT(CBCT)設(shè)備在口腔臨床的普及，讓正畸醫(yī)生對阻生牙、牙根、牙槽骨、顳下頜關(guān)節(jié)、氣道、腺樣體、上頜竇等問題有了更深入的理解[3-4]。相比于傳統(tǒng)螺旋CT，CBCT具有掃描精度高(體素可達(dá)0.1 mm)、掃描速度快(10～20 s)、放射劑量少、患者坐姿體位等優(yōu)點。特別是近年來大視野掃描的CBCT設(shè)備逐漸普及，一次CBCT掃描可以獲取幾乎所有需要的顱頜面三維影像學(xué)資料，CBCT掃描獲取的DICOM格式數(shù)據(jù)，通過影像軟件也可直接轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)的二維X線片用于測量分析，或者通過軟件進(jìn)行三維重建，直接應(yīng)用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析。三維影像數(shù)據(jù)的快速發(fā)展對正畸方案的制定將產(chǎn)生重大影響，大大降低臨床上誤診的風(fēng)險，提高診斷的效率，提高臨床治療的安全性。

1.3 數(shù)字化面部軟組織模型

正畸治療過程中，患者的面部軟組織變化是正畸醫(yī)師關(guān)注的重點。目前，對于面部軟組織的病歷數(shù)據(jù)記錄大多數(shù)醫(yī)師仍舊采用二維數(shù)碼照片的方法，但由于每次用數(shù)碼相機(jī)拍攝的時候無法保證拍攝的角度及參數(shù)的一致性，無法實現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)對比。隨著立體攝影技術(shù)的快速發(fā)展，三維面部掃描已經(jīng)可以運用于正畸患者的面部數(shù)據(jù)記錄和三維測量中，獲得的面部軟組織模型包含患者的面部顏色紋理信息、軟組織幾何形態(tài)、自然頭位，甚至可以實現(xiàn)“四維”面部掃描，記錄面部咀嚼運動各個瞬間的軟組織狀態(tài)[5-6]。面部軟組織模型可以應(yīng)用于軟組織測量分析、治療前、后的軟組織面形對比、面部及微笑美學(xué)分析、軟組織面形預(yù)測及下頜運動分析[7-10]。

1.4 數(shù)字化圖像融合技術(shù)

上述的數(shù)字化牙列模型、頜骨模型及面部軟組織模型可以通過圖像融合技術(shù)，將口內(nèi)掃描的牙列數(shù)據(jù)和面部掃描的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到CBCT模型數(shù)據(jù)上，建立一個“全臉數(shù)字化”的虛擬患者數(shù)據(jù)[11-12]，用于正畸病歷資料存儲、診斷分析、治療模擬、矯治器設(shè)計制作及醫(yī)患溝通使用。

2 數(shù)字化正畸診斷技術(shù)

2.1 數(shù)字化頭影測量

自從1931年Broadbent等[13]將頭影測量方法引入到正畸學(xué)領(lǐng)域，頭影測量已成為正畸診斷分析的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。隨著數(shù)字化X線片的普及，頭影測量也從傳統(tǒng)的采用硫酸紙描記轉(zhuǎn)變成了數(shù)字化頭影測量軟件定點。近年來，隨著計算機(jī)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(CNN)的自動定點技術(shù)可以實現(xiàn)80.40%～88.43%的準(zhǔn)確率。目前，國產(chǎn)正畸頭影測量軟件Uceph、智貝云等可以實現(xiàn)在幾秒鐘的時間完成頭影測量分析，為正畸醫(yī)師節(jié)約了大量的診斷、分析時間。

2.2 數(shù)字化模型分析

隨著牙列模型的數(shù)字化，模型分析也從傳統(tǒng)的測量石膏模型轉(zhuǎn)變?yōu)樵谲浖蠝y量數(shù)字牙列模型[14]。計算機(jī)人工智能技術(shù)的成熟，模型分析可以實現(xiàn)完全的自動化分析，通過軟件自動識別每顆牙的形態(tài)，計算牙冠寬度、擁擠度、覆覆蓋、Bolton指數(shù)、牙弓寬度等數(shù)據(jù)信息。

2.3 數(shù)字化預(yù)測分析

對于兒童和青少年患者，其生長發(fā)育階段的預(yù)測分析對治療方案的制定至關(guān)重要。傳統(tǒng)的方法是正畸醫(yī)師通過評估頸椎或手腕X線片進(jìn)行分析。隨著人工智能算法的進(jìn)步，目前軟件對于頸椎成熟度的預(yù)測分析的準(zhǔn)確度可以達(dá)到58.3%～77.02%[15-16]。目前，國產(chǎn)智貝云軟件已經(jīng)可以實現(xiàn)在側(cè)位片上一鍵自動測量頸椎的形態(tài)，并自動生成頸椎骨齡定性和定量的分析報告。

2.4 數(shù)字化排牙和數(shù)字化正畸方案

傳統(tǒng)的正畸方案制定，是通過對石膏模型和側(cè)位片測量分析而得出的，缺乏對牙齒排列的精準(zhǔn)預(yù)測。數(shù)字化排牙可以實現(xiàn)在治療前對患者的牙列模型進(jìn)行一種或多種排牙方案的模擬，讓醫(yī)師選擇出一個最佳的治療方案。根據(jù)Hou等[17]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)醫(yī)師進(jìn)行了數(shù)字化排牙后，有24% 病例的治療方案會發(fā)生改變。

正畸治療方案的制定需要正畸醫(yī)師對患者牙列模型數(shù)據(jù)、頭影測量數(shù)據(jù)、面形分析數(shù)據(jù)、生長發(fā)育情況、患者主訴及病史信息進(jìn)行綜合分析后才能得出一個或多個適合的方案。然后，同一個病例在不同正畸醫(yī)師的診斷下，可能會出現(xiàn)完全不同的治療方案(例如：拔牙或不拔牙方案；手術(shù)或非手術(shù)方案)。Jung等[18]學(xué)者利用兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反向傳播算法，將12項頭影測量數(shù)據(jù)、4類模型分析數(shù)據(jù)、1類面形分析數(shù)據(jù)、患者主訴數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，將拔牙模式作為輸出數(shù)據(jù)，讓軟件進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，建立了一個正畸拔牙方案人工智能系統(tǒng)。其對是否拔牙的準(zhǔn)確率高達(dá)93%，對拔牙模式的選擇上，其準(zhǔn)確率也高達(dá)84%。Thanathornwong等[19]學(xué)者通過1 000 例恒牙列正畸患者的大數(shù)據(jù)分析建立的訓(xùn)練模型，可以預(yù)測恒牙列患者對正畸治療的需求，可以達(dá)到93%～95%的準(zhǔn)確率。

此外，現(xiàn)在國內(nèi)外的口內(nèi)掃描軟件自帶的人工智能自動排牙軟件(iTero, 先臨三維等)，可以在幾十秒的時間內(nèi)完成口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)的牙列自動分割和自動排牙。但這種人工智能排牙僅僅只能做到排齊整平。但是對于真實的正畸方案中有很多方面的考量缺失，例如：直接排齊牙列后牙量與骨量是否協(xié)調(diào)、拔牙與否、上下牙弓矢狀向和橫向位置和關(guān)系、垂直向控制、面部美學(xué)比例是否合適等問題，仍舊需要醫(yī)生進(jìn)行干預(yù)才能建立準(zhǔn)確的排牙結(jié)果。

2.5 數(shù)字化正畸-正頜模擬

對于需要正畸-正頜聯(lián)合治療的患者，傳統(tǒng)的石膏模型外科方法需要耗費大量的時間而且準(zhǔn)確性也較差。通過數(shù)字化掃描技術(shù)、圖像融合技術(shù)，可以建立患者虛擬顱頜面數(shù)據(jù)，在軟件里精準(zhǔn)模擬手術(shù)截骨及軟組織面形預(yù)測，根據(jù)虛擬手術(shù)后的頜骨位置，設(shè)計各類正頜手術(shù)截骨導(dǎo)板、頜骨定位板，并通過三維打印直接制作手術(shù)導(dǎo)板，節(jié)約了方案設(shè)計時間、提高了手術(shù)精度[20-23]。

3 數(shù)字化正畸加工技術(shù)及定制式正畸矯治器

3.1 三維打印技術(shù)

三維打印技術(shù)也稱為快速成型技術(shù)，是一類將材料逐層添加來制造三維物體的“增材制造”技術(shù)的統(tǒng)稱，其核心原理是：“分層制造，逐層疊加”。根據(jù)其成型的方式和成型材料種類的不同，可分為熔融沉積成型技術(shù)(FDM)、立體光固化技術(shù)(SLA)、聚合物噴射技術(shù)(PolyJet)選擇性激光熔融技術(shù)(SLM)等技術(shù)[1,24]。目前，在數(shù)字化口腔正畸領(lǐng)域應(yīng)用較多的是SLM技術(shù)(俗稱金屬打印)，其精度可以達(dá)到20～30 μm，可以用于金屬托槽、金屬帶環(huán)、舌側(cè)保持器等鈷鉻合金或鈦合金材料的直接金屬打??；以及DLP技術(shù)和LCD技術(shù)(俗稱樹脂打印)，其精度最高可以達(dá)到16 μm，可以應(yīng)用于各類鑄造類矯治器的蠟型打印、各類正畸導(dǎo)板打印(托槽間接粘接導(dǎo)板、種植釘導(dǎo)板、板等)、正畸模型打印等。但是，現(xiàn)階段限制三維打印技術(shù)應(yīng)用的主要瓶頸在于材料，能直接應(yīng)用于制作口腔正畸矯治器的打印材料有限，目前多數(shù)的應(yīng)用主要集中于制作臨時輔助類的導(dǎo)板矯治器。隨著三維打印材料的不斷發(fā)展，近期韓國的Graphy公司已成功開發(fā)出了一種可以直接三維打印透明牙套的樹脂材料，這種材料具有形狀記憶功能，可以記住原始打印的形狀，有望實現(xiàn)隱形牙套的直接椅旁快速打印制作。

3.2 數(shù)控加工技術(shù)

數(shù)控加工技術(shù)是一種利用數(shù)字化控制系統(tǒng)控制胚料或刀具移動，利用各種刀具對材料進(jìn)行部分切除從而得到所需形狀的機(jī)械加工方法。目前，個性化托槽、個性化鎳鈦絲成形模具、舌側(cè)保持絲、保持器或功能矯治器的塑料基托部分都可以通過這種方式進(jìn)行加工[25-27]。

3.3 個性化唇側(cè)托槽矯治器

隨著醫(yī)生和患者對矯治結(jié)果的要求越來越高，正畸醫(yī)師們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的以人種正常牙齒平均數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計的直絲弓托槽矯治器和弓形不適合所有患者牙齒和牙弓，治療中醫(yī)師仍舊需要進(jìn)行弓絲彎制、托槽再定位以補(bǔ)償解剖差異所導(dǎo)致的牙齒美觀、咬合及根骨健康關(guān)系的問題。為了提高固定正畸的臨床療效，近年來國內(nèi)外出現(xiàn)了多款通過三維打印或數(shù)控加工技術(shù)制作的個性化唇側(cè)托槽矯治器，通過在數(shù)字化排牙模型上設(shè)計個性化托槽、個性化弓絲及托槽間接粘接定位器。其中美國Insignia個性化唇側(cè)托槽矯治器，根據(jù)Brown等[28]的臨床研究，可以縮短37%的臨床治療周期。國產(chǎn)的FORMULA個性化唇側(cè)托槽矯治器，根據(jù)Wang等[29]的臨床研究發(fā)現(xiàn)，個性化托槽治療后的實際牙弓與虛擬排牙的牙弓之間的實現(xiàn)率高達(dá)96%～97%。個性化唇側(cè)托槽可以大大縮短治療周期、提高治療效果。

3.4 個性化舌側(cè)托槽矯治器

個性化舌側(cè)托槽的原理與上述個性化唇側(cè)托槽類似，也是在數(shù)字化排牙的模型上設(shè)計底板與牙面完全貼合的舌側(cè)托槽及個性化舌側(cè)弓絲，通過三維打印技術(shù)和精密鑄造技術(shù)制作出貴金屬或鈷鉻合金材質(zhì)的托槽，其個性化舌側(cè)弓絲則可通過機(jī)械手進(jìn)行個性化彎制，該項技術(shù)最早由德國的Wiechmann醫(yī)師發(fā)明，Incognito個性化舌側(cè)托槽開創(chuàng)了舌側(cè)帶狀弓系統(tǒng)的新浪潮[30]，緊隨其后的國產(chǎn)品牌如eBrace、FORMULA、Inbracket等也成功研發(fā)出了國產(chǎn)個性化舌側(cè)托槽并應(yīng)用于臨床并取得了較好的效果。個性化定制的托槽大大降低了托槽厚度，提高了患者舒適度，全套弓絲都是由機(jī)械手彎制，減少了醫(yī)師的操作時間，帶狀弓系統(tǒng)可以更有效的控制前牙轉(zhuǎn)矩、減少“垂直過山車”效應(yīng)，對于東亞人種雙頜前突、高角拔牙病例具有較好的臨床控制效果[31-33]。

3.5 透明牙套矯治器

20多年前，透明牙套矯治器剛問世的時候，受到設(shè)計軟件、三維打印精度、牙套材料性能的影響，只能適用于一些較簡單的病例。但隨著近年來隱形矯治設(shè)計軟件、三維打印技術(shù)、材料性能的不斷提高，各種輔助隱形矯治器的附件和輔助裝置(隱適美MA、Bite Ramp、優(yōu)化附件；時代天使的天使扣、天使桿；正雅S系列等)的出現(xiàn)，一些相對復(fù)雜的病例(需功能矯治病例、拔牙病例、正畸正頜聯(lián)合治療病例、牙周正畸聯(lián)合治療病例)，也可應(yīng)用隱形矯治器進(jìn)行治療[34]。

目前，也有一些透明牙套廠家和三維打印機(jī)廠家另辟蹊徑，開發(fā)了一套適用于口腔診所椅旁的排牙設(shè)計、三維打印、透明牙套壓模制作系統(tǒng)，讓醫(yī)生可以直接在診室里為患者設(shè)計制作透明牙套矯治器。但是，椅旁制作透明牙套的流程仍比較復(fù)雜，需要耗費醫(yī)師和技師大量的時間，而且透明牙套矯治器屬于二類醫(yī)療器械，診所自制透明牙套仍舊處于需要合規(guī)申請的狀態(tài)，可能需要被市場監(jiān)督管理局檢查批準(zhǔn)。

3.6 數(shù)字化正畸導(dǎo)板

隨著數(shù)字化設(shè)計軟件和三維打印技術(shù)逐漸普及，正畸醫(yī)師和技師們根據(jù)臨床需求，開發(fā)出了各種應(yīng)用于輔助正畸治療的導(dǎo)板。其中較為常用的有托槽間接粘接導(dǎo)板[35]、托槽直接粘接導(dǎo)板[36]、種植釘支抗導(dǎo)板[37]、正頜-正畸手術(shù)導(dǎo)板[38]、關(guān)節(jié)板[39]等。根據(jù)Ye等[40]研究，通過使數(shù)字模型偏置0.1 mm后，再經(jīng)過布爾運算設(shè)計的數(shù)字化導(dǎo)板，可避免因?qū)О鍩o法就位導(dǎo)致的定位誤差。

3.7 數(shù)字化正畸矯治器和保持器

在正畸臨床治療中除了托槽類矯治器，常需要用到很多傳統(tǒng)定制式正畸矯治器，比如功能矯治器、擴(kuò)弓器、支抗裝置(橫腭桿、舌弓、Nance弓等)，這類矯治器目前大多是由醫(yī)師或技師手工制作?，F(xiàn)在也有很多學(xué)者嘗試采用數(shù)字化的手段來制作這類正畸矯治器，Graf等[41]學(xué)者通過數(shù)字化軟件在虛擬架模型上設(shè)計雙頜墊矯治器，并通過三維打印的方法，采用NextDent公司具有生物相容性的丙烯酸樹脂材料打印制作，該矯治器通過基托固位，沒有設(shè)計固位卡環(huán)。為了能使三維打印的矯治器有更好的固位效果，Sofrata等[27]學(xué)者預(yù)先在軟件里的虛擬基托上設(shè)計好鋼絲槽，利用數(shù)控加工技術(shù)，通過切削聚甲基丙烯酸甲酯材料塊的方法制作矯治器基托部分，切削完成后將預(yù)先彎制的卡環(huán)和唇弓通過自凝樹脂埋入到鋼絲槽內(nèi)，同樣的方法還可以將擴(kuò)弓螺絲埋入基托內(nèi)。此外，金屬類的矯治器(如橫腭桿、舌弓、擴(kuò)弓器等)或舌側(cè)保持絲都可以通過金屬直接打印的方法或者金屬切割的方法進(jìn)行數(shù)字化定制[26,42-43]。

4 未來展望

數(shù)字化掃描技術(shù)的發(fā)展有助于正畸醫(yī)師更全面、更精確地獲取患者的牙列、頜骨及面部軟組織的三維數(shù)據(jù)資料，提高診斷效率和準(zhǔn)確性。未來隨著掃描技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，甚至可以使實現(xiàn)患者面部動態(tài)數(shù)據(jù)的追蹤和模擬，可以在元宇宙的世界里建立數(shù)字虛擬人患者與現(xiàn)實進(jìn)行互動。

現(xiàn)階段正畸數(shù)字化軟件功能越來越完善，可以涵蓋建模、診斷、分析、預(yù)測及矯治器設(shè)計制作等功能。數(shù)字化軟件現(xiàn)在正朝著人工智能的方向發(fā)展，人工智能可以幫助正畸醫(yī)生節(jié)省工作時間，并在診斷評估和預(yù)后預(yù)測方面達(dá)到與經(jīng)驗豐富的正畸醫(yī)師相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性。然而，根據(jù)目前的研究，最有應(yīng)用前景的方向是頭影測量、骨骼生長發(fā)育分型和拔牙方案決策[44]，相信未來會有更多的正畸臨床應(yīng)用場景。

隨著正畸矯治個性化的需求越來越高，3D 打印技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，相信不久的將來，將能夠在診室椅旁現(xiàn)場設(shè)計和制作各類正畸矯治器和保持器。