正頜手術(shù)三維牙頜融合模型牙列配準(zhǔn)精度檢驗(yàn)的方法建立

張正瑞 劉義聞 史雨林

[摘要]目的：應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像軟件的組合功能，建立正頜手術(shù)三維牙頜融合模型的牙列配準(zhǔn)精度檢驗(yàn)的新方法，并評(píng)價(jià)其臨床可行性。方法：收集2016年10月-2018年8月于空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院頜面外科就診的16例術(shù)前三維牙頜融合模型存在咬合誤差經(jīng)修正且已完成手術(shù)的正頜病例，基于Mimics 21.0軟件的布爾運(yùn)算功能，對(duì)修正方案前的三維牙頜融合模型的上、下牙列咬合接觸進(jìn)行檢驗(yàn)，與修正后方案做對(duì)比。采用SPSS 25.0對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，驗(yàn)證其可行性。結(jié)果：建立了正頜手術(shù)三維牙頜融合模型的牙列配準(zhǔn)精度檢驗(yàn)的新方法，通過修正前、后手術(shù)方案的對(duì)比，重疊部分平均體積224.11mm3，與重疊對(duì)照組（平均值0.22mm3）對(duì)比有顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）;開牙合部分平均體積2340.24mm3，與開牙合對(duì)照組（平均值1.47mm3）對(duì)比有顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。結(jié)論：應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像軟件的組合功能可對(duì)正頜手術(shù)三維牙頜融合模型牙列配準(zhǔn)精度進(jìn)行檢驗(yàn)，本方法可應(yīng)用于臨床虛擬手術(shù)方案的初步校正，并提高精確性。

[關(guān)鍵詞]正頜手術(shù);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);三維融合模型;配準(zhǔn)精度;咬合誤差

[中圖分類號(hào)]R783 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A ? ?[文章編號(hào)]1008-6455（2019）05-0081-05

Establishment of a Method for Dentition Registration Accuracy Test of Three-Dimensional Dental and Maxillary Fusion Model in Orthognathic Surgery

ZHANG Zheng-rui1， LIU Yi-wen1， SHI Yu-lin1， LIU Yu1， LIU Yan-pu1， BAI Shi-zhu2

（1.Department of Oral and Maxillofacial Surgery;2.Department of Prosthodontics， School of Stomatology， Air Force Military Medical University， Xi'an 710032，Shaanxi，China）

Abstract： Objective ?To establish a new method for dentition registration accuracy test of three-dimensional dental-jaw fusion model of orthognathic surgery by using the combination function of medical image software， and evaluate its clinical feasibility. Methods ?Sixteen cases whose preoperative three-dimensional dental fusion models were corrected and performed in the department of Maxillofacial Surgery， School of Stomatology from October 2016 to August 2018 were collected. Based on Mimics 21.0 software， the Boolean operation function tested the occlusal contact of the upper and lower dentition of the three-dimensional dental-jaw fusion model before the correction scheme， and compared it with the revised scheme. The results were statistically analyzed using SPSS 25.0 to verify its feasibility. Results A new method for the dentition registration accuracy test of the three-dimensional dental-jaw fusion model surgery was established. There is a significant difference （P<0.05） between the overlapping group （the average volume of the overlapping part was 224.11 mm3） and the overlapping control group （mean 0.22 mm3） by comparing the anterior and posterior surgical procedures. The average volume of the open sputum was 2340.24 mm3 in the open sputum group， which was significantly different from the open sputum control group （mean 1.47 mm3） （P<0.05）. Conclusion ?The combination function of medical image software can be used to test the dentition registration accuracy of the three-dimensional dental-jaw fusion model. This method can be applied to the correction of clinical virtual surgical plan and improve the accuracy.

Key words： orthognathic surgery; computer-aided design; three-dimensional fusion model; registration accuracy; occlusal error

正頜外科手術(shù)主要用于糾正由咬合紊亂、疾病、損傷及先天缺陷等原因?qū)е碌念M面部畸形[1]。傳統(tǒng)的正頜外科術(shù)前設(shè)計(jì)以頭影測(cè)量和石膏模型研究為主，并依賴于臨床醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)[2-3]，在治療復(fù)雜的牙頜面畸形時(shí)存在諸多限制[4]，如面部不對(duì)稱患者的標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別錯(cuò)誤，手動(dòng)分割牙頜模型存在誤差等[1];多個(gè)步驟的誤差可逐步疊加[5]，并影響最終的手術(shù)效果。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用于臨床領(lǐng)域已有多年，數(shù)字化正頜外科也日趨成熟，可以縮減正頜外科術(shù)前設(shè)計(jì)的若干步驟[5]，方便快捷，并可糾正傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法發(fā)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)誤差、截骨后重新定位時(shí)的骨塊突出、中線偏移和頦異位等問題[5]，因此可以提高手術(shù)的精準(zhǔn)度。

由于CT圖像存在精度不足，以及正畸托槽可造成金屬偽影等缺點(diǎn)[6]，數(shù)字化正頜外科重建三維頭顱模型后，牙齒的表面形態(tài)就會(huì)影響后續(xù)治療方案的精度，因而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是以數(shù)字化牙列模型代替由CT圖像重建而成的牙列，形成三維牙頜融合模型[7]，由于操作誤差及計(jì)算機(jī)配準(zhǔn)的誤差，完成牙列融合的新模型可能存在上、下頜咬合接觸問題，最常見的是上、下頜牙列開牙合及重疊（見圖1）。以往的研究多集中于提高三維融合模型軟硬組織的精確度[7-9]，而對(duì)于牙列咬合的檢測(cè)則以醫(yī)師的視覺檢驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏行之有效的檢測(cè)手段。本研究以咬合完好的數(shù)字化牙列模型為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)軟件建立檢查三維牙頜融合模型咬合狀態(tài)的新方法，并初步評(píng)價(jià)其臨床可行性。

1 ?對(duì)象和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及工具：收集2016年10月-2018年8月于空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院頜面外科就診的16例正頜病例，其中8例術(shù)前三維牙頜融合模型存在咬合重疊，8例存在開牙合，16例術(shù)前方案均經(jīng)修正且已完成手術(shù)。數(shù)字化牙列模型通過常規(guī)口內(nèi)硅橡膠印模材料制取印模，灌注石膏模型，采用馬蹄形蠟片記錄患者咬合位置，以三維掃描儀（3shape R700，丹麥）掃描石膏模型得到。采用 Mimics Research 21.0（Materialise 公司，比利時(shí)）軟件對(duì)三維牙頜融合模型進(jìn)行研究。

1.2 研究方法

1.2.1 牙列重疊檢測(cè)：將待檢測(cè)的三維牙頜融合模型文件導(dǎo)入Mimics 軟件（見圖 2A）;依次選擇菜單“3D TOOLS”→“Boolean”，分別于“Green Object（s）”和“Red Object（s）”列表中選定完成配準(zhǔn)的上、下頜牙列，選擇“Operation”選項(xiàng)卡中的“Intersect”功能，點(diǎn)擊“OK”按鈕（見圖3），完成上、下頜重疊部分的顯示。

1.2.2 牙列開牙合的檢測(cè)：將數(shù)字化牙列模型的上頜與三維融合模型的上頜進(jìn)行配準(zhǔn)，比較下頜部分的配準(zhǔn)程度，具體操作為：導(dǎo)入反映口內(nèi)真實(shí)咬合關(guān)系的數(shù)字化牙列模型（見圖2B）。經(jīng)重疊檢測(cè)無牙列重疊誤差的三維牙頜融合模型，顯示其完成替換的上、下頜牙列部分（見圖4A）。為方便后續(xù)配準(zhǔn)步驟，應(yīng)用“3D TOOLS”→“Split”功能將數(shù)字化牙列模型分為兩部分（見圖4B）。將數(shù)字化牙列模型的上頜牙列與三維牙頜融合模型的上頜牙列進(jìn)行配準(zhǔn)，具體操作為：①將數(shù)字化牙列模型大致移動(dòng)到三維牙頜融合模型的牙列位置（見圖4C，4D）;②只顯示數(shù)字化牙列模型上頜牙列，應(yīng)用多點(diǎn)配準(zhǔn)（“ALIGN”→“Point Registration”），在三維牙頜融合模型及數(shù)字化牙列模型上選取切緣、咬合面及牙尖處三個(gè)以上的點(diǎn)，同時(shí)移動(dòng)數(shù)字化牙列模型的上、下頜，進(jìn)行初步配準(zhǔn)（見圖4E）;③應(yīng)用全局配準(zhǔn)（選擇菜單“ALIGN”→“Global Registration”），將配準(zhǔn)距離界值（Distance threshold）由4mm開始縮減，每次縮小1/2，最終小于0.1mm，同時(shí)移動(dòng)數(shù)字化牙列模型的上、下頜，完成上頜配準(zhǔn)（見圖4F）。

依次選擇菜單“3D TOOLS”→“Boolean”，分別于“Green Object（s）”和“Red Object（s）”列表中選定三維牙頜融合模型及數(shù)字化牙列模型的下頜牙列，選擇“Operation”選項(xiàng)卡中的“Minus”功能，點(diǎn)擊“OK”按鈕（見圖5），顯示下頜部分的配準(zhǔn)程度，完成牙列開牙合的檢測(cè)，最終將數(shù)字化牙列模型下頜部分去除底座以方便觀察。

1.2.3 ?配準(zhǔn)精度檢驗(yàn)：將收集的8例牙列重疊（重疊組）及8例牙列開牙合病例（開牙合組）的術(shù)前設(shè)計(jì)方案設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，術(shù)后方案為對(duì)照組（重疊對(duì)照組和開牙合對(duì)照組）分別進(jìn)行自身對(duì)照，分別按步驟1.2.1和1.2.2所述方案進(jìn)行檢驗(yàn)，采用“Properties”功能獲得檢測(cè)結(jié)果的體積（見圖6）。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析：使用SPSS 25.0軟件，將對(duì)照組及實(shí)驗(yàn)組的重疊和開牙合檢測(cè)結(jié)果體積進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P<0.05時(shí)結(jié)果具有差異性。

2 ?結(jié)果

2.1 牙列重疊檢測(cè)結(jié)果：重疊組經(jīng)重疊檢驗(yàn)相交部分成連續(xù)片狀分布（見圖7A）;重疊對(duì)照組經(jīng)重疊檢驗(yàn)5例表現(xiàn)為上、下頜多點(diǎn)接觸（見圖7B），3例無咬合接觸（見圖7C）;開牙合對(duì)照組及開牙合組經(jīng)重疊檢驗(yàn)均無咬合接觸（見圖7C）。

2.2 牙列開牙合檢測(cè)結(jié)果：開牙合組經(jīng)開牙合檢驗(yàn)結(jié)果為連續(xù)的片狀分布（見圖8A）;開牙合對(duì)照組經(jīng)開牙合檢驗(yàn)結(jié)果為廣泛均勻的點(diǎn)彩狀分布（見圖8B）。

2.3 檢測(cè)結(jié)果體積的比較：重疊組上、下頜牙列重疊部分體積最大值為 324.38mm3，最小值為 156.78mm3，平均224.11mm3，與重疊對(duì)照組（平均值0.22mm3）對(duì)比，存在顯著性差異（P<0.05）。經(jīng)上頜配準(zhǔn)后，開牙合組下頜差異部分體積最大值為3755.48mm3，最小值為895.24mm3，平均2340.24mm3，與開牙合對(duì)照組（平均值1.48mm3）對(duì)比，存在顯著性差異（P<0.05）（見表1）。

3 ?討論

3.1 布爾運(yùn)算檢測(cè)牙列咬合關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字化正頜外科最終的手術(shù)效果不僅依賴于醫(yī)生的術(shù)中操作，精準(zhǔn)的術(shù)前方案設(shè)計(jì)是手術(shù)合理進(jìn)行的前提，術(shù)前數(shù)字化設(shè)計(jì)方案則需要建立一個(gè)精確的三維牙頜融合模型。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可模擬正頜手術(shù)截骨重新定位的操作，骨組織的移動(dòng)定位則依賴于牙齒（常用中切牙及雙側(cè)第一磨牙）位置的移動(dòng)。經(jīng)多年的臨床實(shí)踐，CT圖像用于構(gòu)建三維骨組織，其分辨率可滿足臨床的需要，但由于金屬偽影[6]的存在，對(duì)于構(gòu)建三維牙體形態(tài)分辨率尚有不足。限于目前材料的發(fā)展無法解決金屬偽影的問題，采用數(shù)字化牙列模型模擬口內(nèi)真實(shí)的牙列咬合關(guān)系，從而替代CT三維重建，形成清晰完整的牙列成為滿足當(dāng)下臨床需求的方案。數(shù)字化牙列替代CT牙列的過程，其本質(zhì)是前者準(zhǔn)確模擬后者位置的過程，這一過程依賴于設(shè)計(jì)軟件的算法及設(shè)計(jì)人員的操作。軟件算法帶來系統(tǒng)性誤差，經(jīng)臨床驗(yàn)證，其誤差處于臨床可接受范圍，而牙列重疊和開牙合的誤差多源于人工操作的誤差。因而建立一種檢驗(yàn)三維牙頜融合模型牙列配準(zhǔn)精度的方法勢(shì)在必行。

本研究采用布爾運(yùn)算原理，使得重疊牙列的相交部分得以可視化。在進(jìn)行開牙合檢測(cè)時(shí)，經(jīng)替代的上頜牙列來源于數(shù)字化牙列模型，形態(tài)清晰完整，可與原數(shù)字化牙列模型精準(zhǔn)重疊，配準(zhǔn)誤差可控制在0.1mm以下，在此基礎(chǔ)上對(duì)比下頜牙列位置，使得差異部分可視化。本方法解決了設(shè)計(jì)方案時(shí)視角原因造成的牙列重疊及開牙合易被忽略的問題，將隱藏的問題可視化，同時(shí)，結(jié)果可進(jìn)行定量檢測(cè)，避免了設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)性主觀判斷帶來的誤差。本方法可用于臨床實(shí)際工作中的術(shù)前方案設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)操作簡(jiǎn)便易行，提高了三維牙頜融合模型建模的精準(zhǔn)度，也為牙列配準(zhǔn)精度的評(píng)估提供了新方法和客觀依據(jù)，具有臨床應(yīng)用價(jià)值。

3.2 牙列配準(zhǔn)精度的評(píng)估：本研究對(duì)牙列重疊和開牙合的差異部分進(jìn)行了定量的體積測(cè)量，結(jié)果顯示：重疊檢測(cè)時(shí)，因重疊的部位和范圍不同，相交部分體積也存在差異，但最小值（156.78mm3）及平均值（224.11mm3）遠(yuǎn)大于重疊對(duì)照組（平均值0.22mm3）;開牙合檢測(cè)時(shí)，因開牙合的大小不同，差異部分體積也不盡相同，最小值（895.24mm3）及平均值（2340.24mm3）遠(yuǎn)大于開牙合對(duì)照組（平均值1.47mm3）。據(jù)此，筆者提出重疊檢測(cè)上、下頜牙列相交部分體積>1mm3可作為判斷上、下頜牙列重疊的依據(jù);開牙合檢測(cè)上頜配準(zhǔn)精確的前提下，下頜差異部分體積>2mm3可作為判斷上、下頜牙列開牙合的依據(jù)。

3.3 檢測(cè)過程中需注意的問題：重疊檢測(cè)相對(duì)于開牙合檢測(cè)步驟較少，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行。經(jīng)重疊檢測(cè)存在牙列重疊現(xiàn)象的三維牙頜融合模型需要重新建模，無需進(jìn)行開牙合檢測(cè)。經(jīng)重疊檢測(cè)無誤差的模型需進(jìn)行進(jìn)一步牙列開牙合檢測(cè)，在進(jìn)行上頜牙列配準(zhǔn)時(shí)應(yīng)將數(shù)字化牙列模型的上、下頜牙列共同移動(dòng)，保證數(shù)字化牙列模型精準(zhǔn)模擬口內(nèi)真實(shí)咬合關(guān)系，同時(shí)上頜配準(zhǔn)應(yīng)經(jīng)過點(diǎn)配準(zhǔn)和全局配準(zhǔn)，將上頜牙列配準(zhǔn)精度控制在0.1mm范圍內(nèi)。在進(jìn)行下頜差異部分顯示時(shí)，應(yīng)去除數(shù)字化牙列模型的底座，避免因底座帶來后續(xù)體積統(tǒng)計(jì)的誤差。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Lin HH，Lonic D，Lo LJ.3D printing in orthognathic surgery?a literature review[J].J Formos Med Assoc，2018，117（7）：547-558.

[2]Badiali G，F(xiàn)errari V，Cutolo F，et al.Augmented reality as an aid in maxillofacial surgery：validation of a wearable system allowing maxillary repositioning[J]. J Craniomaxillofac Surg，2014，42（8）：1970-1976.

[3]Lonic D，Pai BC，Yamaguchi1 K，et al.Computer-assisted orthognathic surgery for patients with cleft lip/palate：from traditional planning to three-dimensional surgical simulation[J].PLoS One，2016，11（3）：e0152014.

[4]Stokbro K，Aagaard E，Torkov P，et al.Virtual planning in orthognathic surgery[J]. Int J Oral Max Surg，2014，43（8）：957-965.

[5]Ritto FG，Schmitt ARM，Pimentel T，et al.Comparison of the accuracy of maxillary position between conventional model surgery and virtual surgical planning[J].Int J Oral Max Surg，2018，47（2）：160-166.

[6]Aboul-Hosn Centenero S，Hernández-Alfaro F.3D planning in orthognathic surgery： CAD/CAM surgical splints and prediction of the soft and hard tissues results-Our experience in 16 cases[J].J Craniomaxill Surg，2012，40（2）：162-168.

[7]de Waard O，Baan F，Verhamme L，et al.A novel method for fusion of intra-oral scans and cone-beam computed tomography scans for orthognathic surgery planning[J].J Craniomaxill Surg，2016，44（2）：160-166.

[8]Swennen GR，Mollemans W，De Clercq C，et al.A cone-beam computed tomography triple scan procedure to obtain a three-dimensional augmented virtual skull model appropriate for orthognathic ?surgery planning[J].J Craniofac Surg， 2009，20（2）：297-307.

[9]Dai J，Wang X，Hu G，et al.A new method to move mandible to intercuspal position in virtual three-dimensional orthognathic surgery by integrating primary occlusion model[J]. J Oral Maxillofac Surg，2012，70（9）：e484-e489.

[收稿日期]2019-03-18

本文引用格式：張正瑞，劉義聞，史雨林，等.正頜手術(shù)三維牙頜融合模型牙列配準(zhǔn)精度檢驗(yàn)的方法建立[J].中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2019，28（5）：81-84，149.