基于逆向工程研究不同牙體預(yù)備形態(tài)對全冠三維適合性的影響

夏媛 譚發(fā)兵 王璐 吳樹洪

1.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)科；2.口腔疾病與生物醫(yī)學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401147；3.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院修復(fù)工藝科，重慶 400015

適合性作為影響修復(fù)體長期使用壽命的重要標(biāo)準(zhǔn)，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的重視[1]。以往的學(xué)者[2-3]研究修復(fù)體適合性的方法多為破壞性且選擇的測量位點(diǎn)有限，僅能反映修復(fù)體的局部適合性信息，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、結(jié)論并不可靠。而三維印模法又存在復(fù)位不完全導(dǎo)致適合性偏大等問題[4]。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維分析法運(yùn)用于修復(fù)體的適合性分析已成為可能。它能夠在不破壞樣本的情況下直觀分析修復(fù)體的三維適合性[5]。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技術(shù)作為一種標(biāo)準(zhǔn)化、可復(fù)制及高效的口腔醫(yī)學(xué)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但臨床上對于應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)后何種牙預(yù)備體形態(tài)獲得的適合性最佳，仍存在諸多爭議。本實(shí)驗(yàn)基于逆向工程構(gòu)建不同形態(tài)的預(yù)備體數(shù)字化模型，從三維方向分析牙預(yù)備體各區(qū)域的適合性情況，為口腔臨床醫(yī)生制備合理的牙預(yù)備體形態(tài)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

26牙預(yù)備體石膏模型（重慶晶美義齒制作有限公司），NX Imageware 13.2（EDS公司，美國），F(xiàn)reedom結(jié)構(gòu)光掃描儀（Degree of Freedom公司，韓國），exocad?Dental CAD（exocad GmbH公司，德國），可切削樹脂圓盤（山東滬鴿齒科材料有限公司），Roland DWX-50數(shù)碼切削機(jī)（Roland DG公司，日本）。

1.2 方法

1.2.1 掃描并導(dǎo)入數(shù)字化牙預(yù)備體 選取左上頜第一磨牙線角圓鈍、深凹面形肩臺(tái)的牙預(yù)備體石膏模型，在標(biāo)記固定掃描位置的Freedom結(jié)構(gòu)光掃描儀中進(jìn)行掃描。掃描結(jié)束存STL格式文件，并將其導(dǎo)入NX Imageware 13.2軟件中，設(shè)計(jì)得到光潔無缺陷的數(shù)字化牙預(yù)備體。

1.2.2 構(gòu)建不同形態(tài)的數(shù)字化牙預(yù)備體 對數(shù)字化牙預(yù)備體進(jìn)行修改設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)牙預(yù)備體形態(tài)的改變。最終得到深凹面形肩臺(tái)、135°肩臺(tái)、羽狀肩臺(tái)、直角翹邊肩臺(tái)及尖銳牙尖5種形態(tài)的數(shù)字化牙預(yù)備體，保存STL格式文件備用（圖1）。各組預(yù)備體聚合度均為5°，除羽狀肩臺(tái)外各組肩臺(tái)寬度均為0.8 mm。各組模型僅改變肩臺(tái)或牙尖處形態(tài)，其余保持不變，以保證影響因素的單一性[6]。

圖1 5種形態(tài)牙預(yù)備體數(shù)字化模型和截面圖Fig 1 Digital models and sections of five different tooth preparations

1.2.3 導(dǎo)入5種牙預(yù)備體數(shù)據(jù)并設(shè)計(jì)制作內(nèi)冠 將構(gòu)建的5種牙預(yù)備體文件導(dǎo)入exocad?DentalCAD設(shè)計(jì)軟件。計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成邊緣線，設(shè)置統(tǒng)一的修復(fù)體參數(shù)：內(nèi)冠最薄厚度0.5 mm，垂直以及水平粘接間隙60 μm，頸緣粘接間隙20 μm，到邊緣線的距離1.2 mm，回切角65°，鉆孔半徑0.5 mm[5]。將設(shè)計(jì)好的內(nèi)冠數(shù)據(jù)導(dǎo)入同一臺(tái)數(shù)碼切削機(jī)進(jìn)行樹脂內(nèi)冠的切削加工。在樹脂全冠制作之前，機(jī)床參數(shù)依照制造商說明書進(jìn)行校準(zhǔn)并更換全新的刀具。

1.2.4 掃描樹脂內(nèi)冠粘接面 將得到的5組（n=8）樹脂內(nèi)冠分別編號(hào)后，依次放入Freedom結(jié)構(gòu)光掃描儀內(nèi)標(biāo)記位置進(jìn)行粘接面的掃描。軟件計(jì)算出各空間點(diǎn)的高度信息，得到三維坐標(biāo)，分析處理后得到三維圖像，將數(shù)據(jù)存為STL文件格式。

1.2.5 導(dǎo)入并配準(zhǔn)樹脂冠掃描數(shù)據(jù) 將STL文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Qualify 12軟件，分別與各組對應(yīng)的數(shù)字化模型進(jìn)行最佳擬合配對，進(jìn)行整體適合性的3D比較。在配對過程中軟件將根據(jù)掃描捕捉的每個(gè)點(diǎn)云計(jì)算三維適合性，即軟件自動(dòng)計(jì)算配對后的均方根用于定量分析。差異幅度可以在偏差色譜圖上以正負(fù)值具體反映，用于定性分析。在偏差色譜圖中以牙預(yù)備體表面為原點(diǎn)，正值代表正向遠(yuǎn)離牙預(yù)備體表面的距離，此時(shí)存在粘接間隙；而負(fù)值反映負(fù)向遠(yuǎn)離牙預(yù)備體表面的距離，不存在粘接間隙。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析，Geomagic Qualify 12軟件運(yùn)算所得的數(shù)據(jù)均為正負(fù)值偏差，都以絕對值納入計(jì)算；Levene檢驗(yàn)用于方差齊性檢驗(yàn)，采用單因素方差分析評價(jià)各組三維適合性差異；Scheffe事后檢驗(yàn)分析每組兩兩之間的三維適合性差異。

2 結(jié)果

2.1 不同牙預(yù)備形態(tài)三維適合性的定性分析

Geomagic Qualify 12軟件3D分析后提供的偏差色譜圖見圖2。由圖2可見，在冠的邊緣區(qū)域，深凹面形肩臺(tái)組適合性最好，大部分區(qū)域的偏移值在-0.020～0.020 mm；135°肩臺(tái)組次之，但在肩臺(tái)內(nèi)側(cè)至軸壁轉(zhuǎn)角處偏移較大；而羽狀肩臺(tái)組、直角翹邊肩臺(tái)組、尖銳牙尖形態(tài)組的邊緣區(qū)域均有較大面積顏色不均的負(fù)值區(qū)域（≤-0.020 mm），尤其是直角翹邊肩臺(tái)組，大部分顯示為無法就位的藍(lán)色區(qū)域。在冠的內(nèi)部區(qū)域，深凹面形肩臺(tái)組和135°肩臺(tái)組各區(qū)域顏色較其他3組均勻，即便是在牙尖、窩溝、軸面等區(qū)域的偏移量也較小，特別是深凹面形肩臺(tái)組（偏移值≤0.065 mm）。而羽狀肩臺(tái)組、直角翹邊肩臺(tái)組、尖銳牙尖形態(tài)組內(nèi)部各區(qū)域的顏色很不均勻，窩溝、牙尖、軸面區(qū)域偏移量相差很大，尤其是尖銳牙尖形態(tài)組窩溝、牙尖處出現(xiàn)了多處深藍(lán)色負(fù)值區(qū)域（≤-0.110 mm）。結(jié)果反映了在牙預(yù)備體線角尖銳的區(qū)域（如牙尖嵴、軸壁線角）等處偏差較大，而在線角圓鈍的區(qū)域則能獲得較好的匹配性。邊緣三維適合性良好的組，其內(nèi)部三維適合性也較好；邊緣適合性較差的組，即便是有相同的內(nèi)部形態(tài)，其內(nèi)部三維適合性仍較差。反映了冠邊緣的三維適合性與內(nèi)部三維適合性是密切聯(lián)系的。

2.2 不同牙預(yù)備形態(tài)三維適合性的定量分析

Levene方差齊性檢測顯示各組的方差齊（P=0.241）。單因素方差分析顯示各組整體間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P=0.000）。深凹面形肩臺(tái)、135°肩臺(tái)、羽狀肩臺(tái)、直角翹邊肩臺(tái)、尖銳牙尖形態(tài)組偏差值分別為（16.88±2.83）、（26.88±3.61）、（53.56±4.30）、（51.38±4.46）、（47.19±4.62） μm。深凹面形肩臺(tái)組適合性最好，偏差值最小，135°組次之，2組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。而羽狀肩臺(tái)組、直角翹邊肩臺(tái)組及尖銳牙尖形態(tài)組適合性差，偏差值較大，3組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果亦提示，深凹面形肩臺(tái)整體適合性最佳，而其他含有尖銳牙尖形態(tài)或尖銳線角肩臺(tái)設(shè)計(jì)均會(huì)影響修復(fù)體的整體適合性。

圖2 5種不同牙體預(yù)備形態(tài)偏差色譜圖Fig 2 The color-coded deviation image of five different tooth preparations

3 討論

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為邊緣間隙在120 μm以內(nèi)[2]，內(nèi)部間隙在200～300 μm是臨床可接受的范圍[3]。在臨床實(shí)際應(yīng)用中，適合性偏移負(fù)值的出現(xiàn)將導(dǎo)致冠不能完全就位，從而嚴(yán)重影響冠的整體適合性。因而，研究全冠的三維適合性就顯得尤為重要。

3.1 適合性的研究方法

傳統(tǒng)適合性的研究方法很多，有學(xué)者[7]利用三維印模技術(shù)研究邊緣及內(nèi)部三維適合性，但該法難以保證硅橡膠的完整性及完全就位，使得測量值不精確。同時(shí)牙冠掃描前進(jìn)行了噴粉處理，已有實(shí)驗(yàn)報(bào)道[8]光學(xué)成像粉對全冠數(shù)字化模型的精度是有影響的，且各區(qū)域影響不同。Micro-CT法雖是在不破壞樣本的情況下進(jìn)行測定，但仍是針對幾個(gè)不同截面進(jìn)行測定，未能真正實(shí)現(xiàn)三維分析，且該方法對設(shè)備要求高[9]。

相對于從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)過程而言，逆向工程是從產(chǎn)品到設(shè)計(jì)的逆向過程。將其與三維分析法結(jié)合是研究全冠三維適合性的有效且可信的研究方法[10]。三維分析法是通過偏差色譜圖定性觀察整體適合性。而且該方法將所有配對點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算用于定量分析，因而能夠得到更多的適合性信息，避免了實(shí)驗(yàn)對象因人為處理而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的問題。本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，三維分析法得到邊緣適合性良好的組，其內(nèi)部適合性也較好，這在一定程度上反映了臨床戴冠的實(shí)際情況。

3.2 三維掃描對不同牙預(yù)備體形態(tài)三維適合性的影響

三維掃描的原理是數(shù)學(xué)上的三角測量法。掃描機(jī)將光柵投射于內(nèi)冠的粘接面，由攝像機(jī)捕獲被不平的表面調(diào)制產(chǎn)生的光柵條紋，從而在軟件中計(jì)算出各空間點(diǎn)的高度信息，即點(diǎn)云[11]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在135°組的肩臺(tái)內(nèi)側(cè)與軸壁轉(zhuǎn)角處，尖銳牙尖形態(tài)組牙尖、線角處，偏差值明顯增大。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)成像過程中軟件會(huì)根據(jù)曲率計(jì)算，對掃描數(shù)據(jù)量不足的線角尖銳區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償導(dǎo)致偏移較大的緣故。本實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，羽狀肩臺(tái)組、直角翹邊肩臺(tái)組的邊緣和內(nèi)部區(qū)域偏差不均勻，有的區(qū)域可見正負(fù)值色塊相鄰。其原因可能是較尖銳或隱匿的牙尖和窩溝形態(tài)掃描所得點(diǎn)云密度較低，導(dǎo)致三角測量、表面成像的過程不精確[10]。此外，因?yàn)檫吘壍狞c(diǎn)云密度低，難以形成完整的邊緣圖像，在內(nèi)冠設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算機(jī)無法自動(dòng)生成邊緣線，導(dǎo)致偏差更大。盡管全冠的三維適合性還受到切削設(shè)備等因素的影響，但本實(shí)驗(yàn)采用的是同一臺(tái)切削設(shè)備，得到的全冠三維適合性存在差異，其原因仍然是不同的牙預(yù)備體形態(tài)導(dǎo)致的。

3.3 不同牙預(yù)備體形態(tài)三維適合性的臨床意義

雖然實(shí)驗(yàn)所得的三維適合性為計(jì)算機(jī)掃描、配準(zhǔn)、切削形成的合成精度。但因每種牙預(yù)備體采取了相同的處理方法，得到不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸根結(jié)底是因牙預(yù)備體形態(tài)不同導(dǎo)致的。軟件最后配準(zhǔn)所得的正負(fù)值代表了測試冠粘接面至牙預(yù)備體表面的正負(fù)距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，表面線角圓鈍的深凹面形肩臺(tái)組在邊緣和內(nèi)部均能獲得較好的適合性，而牙預(yù)備體線角較尖銳的區(qū)域，如牙尖嵴、軸壁線角等處卻適合性較差，尤其是直角翹邊肩臺(tái)組的邊緣區(qū)域以及尖銳牙尖形態(tài)組的內(nèi)部區(qū)域均出現(xiàn)了較大面積的藍(lán)色負(fù)值區(qū)域，說明臨床上此類牙預(yù)備體形態(tài)制作的全冠可能會(huì)出現(xiàn)翹動(dòng)、就位困難現(xiàn)象，即使勉強(qiáng)就位也難以獲得較好的邊緣和內(nèi)部適合性。因而推薦臨床醫(yī)生制備線角圓鈍、深凹面形肩臺(tái)的牙預(yù)備體，避免制備羽狀、直角翹邊邊緣以及線角尖銳表面形態(tài)的牙預(yù)備體。

當(dāng)然，本實(shí)驗(yàn)采用的計(jì)算機(jī)三維分析法尚無法完全模擬臨床實(shí)際戴冠的運(yùn)行軌跡，得到的三維適合性與臨床情況也可能存在差異。此外，本實(shí)驗(yàn)僅研究了不同牙預(yù)備形態(tài)對CAD/CAM全冠三維適合性的影響。牙預(yù)備體形態(tài)的不同還可能對牙冠受力情況產(chǎn)生影響，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)研究不同牙體預(yù)備形態(tài)對全冠機(jī)械強(qiáng)度的影響，為臨床提供完善的理論支撐。

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