基于逆向工程研究不同牙體預備形態對全冠三維適合性的影響

夏媛 譚發兵 王璐 吳樹洪

1.重慶醫科大學附屬口腔醫院修復科；2.口腔疾病與生物醫學重慶市重點實驗室，重慶 401147；3.重慶醫科大學附屬口腔醫院修復工藝科，重慶 400015

適合性作為影響修復體長期使用壽命的重要標準，一直受到國內外學者的重視[1]。以往的學者[2-3]研究修復體適合性的方法多為破壞性且選擇的測量位點有限，僅能反映修復體的局部適合性信息，得到的實驗結果、結論并不可靠。而三維印模法又存在復位不完全導致適合性偏大等問題[4]。隨著計算機軟件技術的發展，計算機三維分析法運用于修復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體的三維適合性[5]。

計算機輔助設計與制作（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技術作為一種標準化、可復制及高效的口腔醫學技術得到了廣泛應用。但臨床上對于應用CAD/CAM技術后何種牙預備體形態獲得的適合性最佳，仍存在諸多爭議。本實驗基于逆向工程構建不同形態的預備體數字化模型，從三維方向分析牙預備體各區域的適合性情況，為口腔臨床醫生制備合理的牙預備體形態提供實驗依據。

1 材料和方法

1.1 材料和設備

26牙預備體石膏模型（重慶晶美義齒制作有限公司），NX Imageware 13.2（EDS公司，美國），Freedom結構光掃描儀（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數碼切削機（Roland DG公司，日本）。

1.2 方法

1.2.1 掃描并導入數字化牙預備體 選取左上頜第一磨牙線角圓鈍、深凹面形肩臺的牙預備體石膏模型，在標記固定掃描位置的Freedom結構光掃描儀中進行掃描。掃描結束存STL格式文件，并將其導入NX Imageware 13.2軟件中，設計得到光潔無缺陷的數字化牙預備體。

1.2.2 構建不同形態的數字化牙預備體 對數字化牙預備體進行修改設計，實現牙預備體形態的改變。最終得到深凹面形肩臺、135°肩臺、羽狀肩臺、直角翹邊肩臺及尖銳牙尖5種形態的數字化牙預備體，保存STL格式文件備用（圖1）。各組預備體聚合度均為5°，除羽狀肩臺外各組肩臺寬度均為0.8 mm。各組模型僅改變肩臺或牙尖處形態，其余保持不變，以保證影響因素的單一性[6]。

圖1 5種形態牙預備體數字化模型和截面圖Fig 1 Digital models and sections of five different tooth preparations

1.2.3 導入5種牙預備體數據并設計制作內冠 將構建的5種牙預備體文件導入exocad?DentalCAD設計軟件。計算機自動生成邊緣線，設置統一的修復體參數：內冠最薄厚度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]。將設計好的內冠數據導入同一臺數碼切削機進行樹脂內冠的切削加工。在樹脂全冠制作之前，機床參數依照制造商說明書進行校準并更換全新的刀具。

1.2.4 掃描樹脂內冠粘接面 將得到的5組（n=8）樹脂內冠分別編號后，依次放入Freedom結構光掃描儀內標記位置進行粘接面的掃描。軟件計算出各空間點的高度信息，得到三維坐標，分析處理后得到三維圖像，將數據存為STL文件格式。

1.2.5 導入并配準樹脂冠掃描數據 將STL文件數據導入Geomagic Qualify 12軟件，分別與各組對應的數字化模型進行最佳擬合配對，進行整體適合性的3D比較。在配對過程中軟件將根據掃描捕捉的每個點云計算三維適合性，即軟件自動計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值具體反映，用于定性分析。在偏差色譜圖中以牙預備體表面為原點，正值代表正向遠離牙預備體表面的距離，此時存在粘接間隙；而負值反映負向遠離牙預備體表面的距離，不存在粘接間隙。

1.3 統計學分析

采用SPSS 19.0軟件進行分析，Geomagic Qualify 12軟件運算所得的數據均為正負值偏差，都以絕對值納入計算；Levene檢驗用于方差齊性檢驗，采用單因素方差分析評價各組三維適合性差異；Scheffe事后檢驗分析每組兩兩之間的三維適合性差異。

2 結果

2.1 不同牙預備形態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，在冠的邊緣區域，深凹面形肩臺組適合性最好，大部分區域的偏移值在-0.020～0.020 mm；135°肩臺組次之，但在肩臺內側至軸壁轉角處偏移較大；而羽狀肩臺組、直角翹邊肩臺組、尖銳牙尖形態組的邊緣區域均有較大面積顏色不均的負值區域（≤-0.020 mm），尤其是直角翹邊肩臺組，大部分顯示為無法就位的藍色區域。在冠的內部區域，深凹面形肩臺組和135°肩臺組各區域顏色較其他3組均勻，即便是在牙尖、窩溝、軸面等區域的偏移量也較小，特別是深凹面形肩臺組（偏移值≤0.065 mm）。而羽狀肩臺組、直角翹邊肩臺組、尖銳牙尖形態組內部各區域的顏色很不均勻，窩溝、牙尖、軸面區域偏移量相差很大，尤其是尖銳牙尖形態組窩溝、牙尖處出現了多處深藍色負值區域（≤-0.110 mm）。結果反映了在牙預備體線角尖銳的區域（如牙尖嵴、軸壁線角）等處偏差較大，而在線角圓鈍的區域則能獲得較好的匹配性。邊緣三維適合性良好的組，其內部三維適合性也較好；邊緣適合性較差的組，即便是有相同的內部形態，其內部三維適合性仍較差。反映了冠邊緣的三維適合性與內部三維適合性是密切聯系的。

2.2 不同牙預備形態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計學差異（P=0.000）。深凹面形肩臺、135°肩臺、羽狀肩臺、直角翹邊肩臺、尖銳牙尖形態組偏差值分別為（16.88±2.83）、（26.88±3.61）、（53.56±4.30）、（51.38±4.46）、（47.19±4.62） μm。深凹面形肩臺組適合性最好，偏差值最小，135°組次之，2組間差異有統計學意義（P<0.05）。而羽狀肩臺組、直角翹邊肩臺組及尖銳牙尖形態組適合性差，偏差值較大，3組間差異無統計學意義（P>0.05）。統計結果亦提示，深凹面形肩臺整體適合性最佳，而其他含有尖銳牙尖形態或尖銳線角肩臺設計均會影響修復體的整體適合性。

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

3 討論

多數學者認為邊緣間隙在120 μm以內[2]，內部間隙在200～300 μm是臨床可接受的范圍[3]。在臨床實際應用中，適合性偏移負值的出現將導致冠不能完全就位，從而嚴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

傳統適合性的研究方法很多，有學者[7]利用三維印模技術研究邊緣及內部三維適合性，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。同時牙冠掃描前進行了噴粉處理，已有實驗報道[8]光學成像粉對全冠數字化模型的精度是有影響的，且各區域影響不同。Micro-CT法雖是在不破壞樣本的情況下進行測定，但仍是針對幾個不同截面進行測定，未能真正實現三維分析，且該方法對設備要求高[9]。

相對于從設計到產品的正向設計過程而言，逆向工程是從產品到設計的逆向過程。將其與三維分析法結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云進行計算用于定量分析，因而能夠得到更多的適合性信息，避免了實驗對象因人為處理而導致數據丟失的問題。本實驗還發現，三維分析法得到邊緣適合性良好的組，其內部適合性也較好，這在一定程度上反映了臨床戴冠的實際情況。

3.2 三維掃描對不同牙預備體形態三維適合性的影響

三維掃描的原理是數學上的三角測量法。掃描機將光柵投射于內冠的粘接面，由攝像機捕獲被不平的表面調制產生的光柵條紋，從而在軟件中計算出各空間點的高度信息，即點云[11]。本實驗結果發現，在135°組的肩臺內側與軸壁轉角處，尖銳牙尖形態組牙尖、線角處，偏差值明顯增大。這是因為計算機成像過程中軟件會根據曲率計算，對掃描數據量不足的線角尖銳區域進行自動補償導致偏移較大的緣故。本實驗還發現，羽狀肩臺組、直角翹邊肩臺組的邊緣和內部區域偏差不均勻，有的區域可見正負值色塊相鄰。其原因可能是較尖銳或隱匿的牙尖和窩溝形態掃描所得點云密度較低，導致三角測量、表面成像的過程不精確[10]。此外，因為邊緣的點云密度低，難以形成完整的邊緣圖像，在內冠設計時計算機無法自動生成邊緣線，導致偏差更大。盡管全冠的三維適合性還受到切削設備等因素的影響，但本實驗采用的是同一臺切削設備，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備體形態導致的。

3.3 不同牙預備體形態三維適合性的臨床意義

雖然實驗所得的三維適合性為計算機掃描、配準、切削形成的合成精度。但因每種牙預備體采取了相同的處理方法，得到不同實驗結果歸根結底是因牙預備體形態不同導致的。軟件最后配準所得的正負值代表了測試冠粘接面至牙預備體表面的正負距離。實驗結果顯示，表面線角圓鈍的深凹面形肩臺組在邊緣和內部均能獲得較好的適合性，而牙預備體線角較尖銳的區域，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組的邊緣區域以及尖銳牙尖形態組的內部區域均出現了較大面積的藍色負值區域，說明臨床上此類牙預備體形態制作的全冠可能會出現翹動、就位困難現象，即使勉強就位也難以獲得較好的邊緣和內部適合性。因而推薦臨床醫生制備線角圓鈍、深凹面形肩臺的牙預備體，避免制備羽狀、直角翹邊邊緣以及線角尖銳表面形態的牙預備體。

當然，本實驗采用的計算機三維分析法尚無法完全模擬臨床實際戴冠的運行軌跡，得到的三維適合性與臨床情況也可能存在差異。此外，本實驗僅研究了不同牙預備形態對CAD/CAM全冠三維適合性的影響。牙預備體形態的不同還可能對牙冠受力情況產生影響，后續應繼續研究不同牙體預備形態對全冠機械強度的影響，為臨床提供完善的理論支撐。

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