數字化輔助確定再定位牙合墊頜位方法的探索和精度評價

房碩博，楊廣聚，康艷鳳，孫玉春，謝秋菲△

(北京大學口腔醫學院·口腔醫院， 1. 修復科， 2. 口頜功能診療研究中心 國家口腔疾病臨床醫學研究中心 口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室 口腔數字醫學北京市重點實驗室，北京 100081)

再定位牙合墊是一種覆蓋全牙列的導向型牙合墊，通過牙合面明顯的引導斜面和尖窩形態誘導下頜到達治療性頜位，常用于治療盤突關系紊亂和咬合重建前的診斷性治療。應用再定位牙合墊的理論假設是改變髁突位于關節窩中的位置可以改變盤突關系和改善下頜功能[1]，治療效果極大程度上取決于改變后的頜位。

臨床上通常使用手法確定再定位牙合墊的頜位，由于操作時無法直接觀察髁突的移動，醫生僅能通過上下頜牙列位置與彈響發生的位置推測髁突與關節盤、關節窩的相對位置變化，無法直觀評價手法確定的頜位是否到達預期位置，治療效果比較依賴于醫生的操作經驗。再定位牙合墊在口外制作時，需要將臨床確定的頜位轉移到牙合架上，然后經過雕蠟型和裝膠等制作，這些過程中的誤差都會對確定的頜位產生影響。

機械牙合架采用機械結構模擬人體顳下頜關節形態，通過設置參數模擬下頜運動。虛擬牙合架是口腔數字化軟件中模擬人體口頜系統的模塊，共有兩類，一類虛擬牙合架類似機械牙合架，模擬參數化運動；另一類虛擬牙合架通過應用錐形束CT(cone beam computed tomography，CBCT)獲取人體真實的顳下頜關節圖像，并與個體的下頜運動數據結合，可以在體外重現個體的下頜運動。目前模擬個體下頜運動的虛擬牙合架多用于觀察關節結構的動態變化[2-3]，尚未見將其應用于確定再定位牙合墊頜位的研究。

本研究探索建立一種基于多源數據融合和個體下頜運動輔助確定再定位牙合墊頜位的方法，并進行再定位牙合墊的數字化設計與3D打印制作。在體外實驗中模擬這一流程并計算產生的偏差，評價這種方法的精度，為進一步的臨床評價提供參考。

1 資料與方法

1.1 設備與軟件

研究中使用全可調牙合架KaVo PROTARevo(德國KaVo)，牙頜模型掃描儀Shining(中國先臨三維)， 超聲下頜運動軌跡描記儀JMAnalyser+(德國Zebris)，光固化三維打印機Objet30 Pro(美國Stratasys)，錐形束計算機體層攝影設備NewTom VGI(意大利NewTom)，三維測量分析軟件Geomagic Studio 2013(美國3D System)，三維測量分析軟件Geomagic Qualify 2013(美國3D System)，牙科設計軟件DentalCAD(德國Exocad)，統計分析軟件IBM SPSS Statistics 18(美國IBM)，醫學影像處理軟件Mimics Medical 20.0(比利時Materialise)。

1.2 建立數字化輔助確定再定位牙合墊頜位及數字化設計制作的流程

為探索應用數字化技術輔助確定再定位牙合墊頜位的流程，在北京大學口腔醫院研究生中招募1名受試者，女性，25歲，無顳下頜關節疼痛和彈響，無口面部肌肉疼痛，張口度大于37 mm。CBCT檢查顯示受試者雙側髁突后移位，左側髁突前斜面骨質增生及髁突頂凹陷。

獲得受試者知情同意后，制取受試者上下頜牙列印模并灌注超硬石膏模型，應用牙頜模型掃描儀Shining掃描建立數字化牙列模型。在醫學影像處理軟件Mimics Medical 20.0中進行CBCT數據重建，分割并導出上下頜頜骨牙列數據。應用超聲下頜運動軌跡描記儀JMAnalyser+記錄個體的下頜運動，通過牙合記錄固定牙合叉與上頜石膏牙列并進行掃描，獲得帶有上頜牙列掃描數據的數字化牙合叉。

在Geomagic Studio 2013中，選取牙列齦緣以上部分為共同區域，采用全局配準方法將光學掃描的牙列與CBCT重建的頜骨牙列參考系進行統一。保留光學掃描的牙列部分與CBCT重建的頜骨部分，組合形成復合上下頜數字模型。選取牙列頰側部分為共同區域，將復合上頜數字模型與數字化牙合叉數據配準，實現復合上下頜模型與下頜運動參考系的統一。在探索方法中，再定位牙合墊設計為垂直距離升高3 mm、矢狀位上髁突位于關節窩中部且前牙淺覆蓋的頜位。

將復合上下頜數字模型導入牙科設計軟件DentalCAD，按軟件設計流程設計就位道方向、倒凹保留量、牙合墊覆蓋范圍等，形成牙合墊基本形態。設計牙合墊牙合面時，啟用頜骨運動導入功能和顯示咬合空間功能，依據設計的頜位進行虛擬調牙合，形成前牙區的引導斜面和后牙區的牙尖形態，同時保證正中咬合均勻接觸，保存再定位牙合墊的設計數據。

將設計數據進行打印前設置，保證組織面為非支撐面。使用透明樹脂材料與光固化三維打印機Objet30 Pro，用數字光處理(digital light processing, DLP)3D打印技術制作再定位牙合墊，制作完成后去除支撐材料。

將再定位牙合墊進行臨床試戴，少量調改后牙合墊完全就位，評價固位與穩定后，調牙合至正中咬合均勻接觸，受試者佩戴牙合墊再次進行CBCT檢查，觀察戴入牙合墊后髁突在關節窩中位置的改變以及與設計的髁突位置的一致性。

1.3 體外評價數字化輔助確定再定位牙合墊頜位及數字化設計制作的精度

1.3.1實驗模型 選擇成品標準牙列橡膠陰模，使用V型高強度中等膨脹模型石膏(美國Garreco)灌制一副標準上下頜石膏牙列模型。在AutoCAD 2014軟件中設計直徑為5 mm的3/4球體，3D打印制作8個樹脂標志球，分別粘固于上下頜模型底座雙側的尖牙區和第一磨牙區，形成組合模型，上下頜標志球從右至左分別命名為標志球U1～U4、標志球L1～L4(圖1)。設置牙合架參數為前伸髁導斜度30°、側方髁導斜度15°、側移角0°、后退0 mm，模型按牙尖交錯位上全可調牙合架，使用白色零膨脹石膏(德國丹特納)連接模型與架環。在牙頜模型掃描儀Shining上，采用牙合架轉動掃描模式獲取上下頜石膏牙列牙尖交錯位頰側位置關系，下一步分別掃描上下頜石膏牙列模型，在配套軟件中按提示建立上下頜數字化牙列模型，以STL格式保存數據。

1.3.2記錄下頜運動 因為牙合架通過移動上頜模擬下頜運動，所以實驗中將超聲下頜運動軌跡描記儀JMAnalyser+的發射器固定于上頜石膏牙列唇頰側，接收器固定于相對于下頜位置不變的實驗平臺上。在牙合叉前后牙區段孔洞位置注射咬合記錄硅橡膠材料，壓置于下頜牙列正中位置，用于記錄下頜參考平面。操作者在下頜運動軌跡描記儀配套軟件中選擇對應的記錄模塊，驅動牙合架模擬開閉口運動、前伸及側方運動并進行記錄，保存下頜運動數據為XML格式文件。重復下頜運動記錄過程3次，共獲得3組牙合叉與對應的下頜運動數據。修整牙合叉硅橡膠記錄，保證牙合叉與下頜石膏牙列模型對位良好，固定牙合叉與下頜石膏牙列模型，置于牙頜模型掃描儀Shining上進行掃描，保存帶有下頜牙列模型數據的數字化牙合叉STL格式數據。

1.3.3數字化輔助確定再定位牙合墊頜位 從DentalCAD軟件中導出虛擬牙合架中配準用牙合叉的STL格式數據，將此數據導入Geomagic Studio 2013軟件中作為固定對象，將其和1.3.2小節中的數字化牙合叉數據進行配準。導入建立的數字化牙列模型，以下頜牙列模型頰側和底座為共同區域進行最佳擬合對齊，測量切點坐標。根據下頜運動的XML格式數據，計算切點的運動軌跡。根據垂直距離升高4 mm、5 mm、6 mm找到運動軌跡上的切點坐標，再模擬下頜前伸2 mm變換切點坐標。根據變換后的切點坐標，將下頜運動的XML格式數據對應調整(圖2)。

1.3.4數字化設計并制作再定位牙合墊 同1.2小節的步驟設計再定位牙合墊，保存設計數據為STL格式，并保存設計頜位的STL格式數據。每一次記錄的下頜運動設計出3個頜位的再定位牙合墊，3組下頜運動數據共設計出9個再定位牙合墊，同1.2小節的步驟3D打印制作再定位牙合墊。

Ball markers of upper and lower casts registered as U1-U4 and L1-L4 from right to left respectively.

1.4 頜位關系實現精度評價

1.4.1整體偏差分析 制作完成的牙合墊在上頜模型上就位，使用100 μm紅色咬合紙(德國寶詩)檢查正中咬合接觸是否均勻，必要時進行調改。將再定位牙合墊戴入牙合架上的模型，連同牙合架在牙頜模型掃描儀Shining上以牙合架轉動掃描模式進行掃描，獲得掃描頜位，重復戴入并掃描3次，獲得同一個牙合墊的3次掃描頜位數據。將設計頜位數據與掃描頜位數據導入Geomagic Studio 2013軟件中，以下頜牙列模型為共同區域進行最佳擬合對齊。保留設計與掃描頜位的上頜模型導入Geomagic Qualify 2013軟件中，將設計頜位中的上頜模型設置為參考對象，掃描頜位中的上頜模型設置為測試對象，進行三維偏差分析(圖3)，得到均方根誤差。本實驗共進行3次下頜運動記錄，分別設計了3種頜位，制作出9個再定位牙合墊，每個牙合墊重復掃描頜位關系3次，所有設計頜位與對應的掃描頜位進行三維偏差分析，共得到27組數據。以均方根誤差為偏差統計量，使用SPSS 18.0軟件進行分析，采用均數±標準差描述，單因素方差分析，雙側檢驗，顯著性水平α取0.05。

Digital models and mandibular movement trajectory during this workflow: intercuspal position (A), raising 6 mm of the vertical dimension (B), protrusion 2 mm of the mandible (C).

圖3 設計頜位與掃描頜位的上頜模型三維偏差色階圖

1.4.2標志球球心在X、Y、Z軸方向的偏差分析 在Geomagic Studio 2013軟件中，擬合設計頜位與掃描頜位中上頜標志球U1～U4球心的坐標，計算掃描與設計數據的球心在X、Y、Z軸三個方向差值的絕對值。以下頜牙列模型為參照，參考系X軸正向為水平向右、Y軸正向為垂直向下、Z軸正向為水平向前。以差值絕對值為偏差統計量，使用SPSS 18.0進行分析，差值絕對值采用均數±標準差描述，單因素方差分析，雙側檢驗，顯著性水平α取0.05。

2 結果

2.1 建立數字化輔助確定再定位牙合墊頜位的流程

初步建立應用數字化技術輔助確定再定位牙合墊頜位的臨床流程，流程包括獲取并融合CBCT數據、牙列數據、下頜運動數據建立虛擬牙合架，并基于下頜運動數據進行頜位確定。在牙科設計軟件中設計再定位牙合墊，進行3D打印制作。定性觀察發現，受試者戴入再定位牙合墊后，右側髁突在關節窩中的位置基本實現了預期的調整，左側較設計的位置稍偏前下(圖4)。

Positions of the condyle in the fossa in the sagittal view of design software: before (A) and after (B) designing the repositioning splint on the right, before (C) and after (D) designing the repositioning splint on the left. Positions of the condyle in the fossa in the corrected sagittal view of CBCT image: before (E) and after (F) wearing the repositioning splint on the right, before (G) and after (H) wearing the repositioning splint in the left.

2.2 整體偏差分析

設計頜位與掃描頜位的上頜模型三維偏差中，最大偏差值為0.32 mm，最小偏差值為0.19 mm，平均偏差為(0.25±0.04) mm。垂直距離升高4 mm、5 mm、6 mm時，上頜模型的三維偏差分別為(0.22±0.03) mm、(0.28±0.02) mm、(0.25±0.07) mm，單因素方差分析顯示，不同垂直距離升高量的上頜模型三維偏差均值的差異無統計學意義(P=0.384)。

2.3 標志球球心在X、Y、Z軸方向的偏差分析

設計位置上頜球心與掃描位置上頜球心在X、Y、Z軸三個方向差值絕對值的均值如表1所示，Y軸方向垂直距離升高6 mm偏差最大，為(0.33±0.04) mm，X軸方向垂直距離升高6 mm偏差最小，為(0.06±0.01) mm。X、Y、Z軸方向偏差均值分別為(0.08±0.01) mm、(0.30±0.02) mm、(0.21±0.04) mm，單因素方差分析顯示，三個方向不同垂直距離升高量的三維偏差均值的差異均無統計學意義。

3 討論

本研究通過多源數據融合在體外重現個體下頜運動，并應用下頜運動數據輔助確定再定位牙合墊的頜位，結合計算機輔助設計與計算機輔助制作技術加工再定位牙合墊，建立了數字化輔助確定再定位牙合墊頜位的方法以及臨床應用此方法的流程。受試者的檢查結果基本實現了預期的頜位調整，表明這種方法可用于再定位牙合墊頜位的確定，但結果中也出現了與預期不符之處，提示此方法需要進一步的評價與改進。

表1 上頜標志球球心在X、Y、Z軸方向的差值絕對值分析

3.1 再定位牙合墊頜位的確定方法

采用再定位牙合墊治療可復性關節盤前移位時，臨床上通常以彈響消失位作為治療頜位[1]。確定方法是囑患者大張口，彈響發生后閉口于對刃位，逐漸后退至張閉口彈響消失、前伸最小的位置[4]。陳慧敏等[5]的研究發現，在彈響消失位仍有相當一部分患者關節盤未達到良好的盤-髁關系，而前伸對刃位時大部分患者能達到正常的盤-髁關系，并據此提出應盡可能前伸下頜，由于前伸到反牙合關系會引起患者產生咀嚼不適等癥狀，通常最大前伸位是對刃位。當再定位牙合墊用于需咬合重建治療的患者且明顯存在因牙列異常導致的關節結構異常時(如牙列重度磨耗垂直距離降低導致的雙側髁突后移位等)，確定的治療性頜位應對盤突關系進行改善，經過患者口內檢驗與調整后進行最終修復，以實現修復后的盤突位置關系長期健康穩定。

通過手法確定再定位牙合墊的頜位，存在不能直接評價盤突位置關系的問題，一旦最終實現的頜位與預期頜位產生較大偏差，治療效果也會受到影響，重新制作也很難確保改善這種偏差。為了確保建立合適的盤突位置關系，早期的研究中曾提出利用關節片、CT、MRI等技術輔助確定再定位牙合墊的頜位[6]。這種做法雖然提高了確定頜位的準確性，但由于操作難度大，且確定的頜位在后續轉移和制作中仍然難以控制誤差，故臨床工作中并不實用。數字化技術在口腔醫學領域中的應用逐漸廣泛，但目前應用于頜位關系確定的相關研究還較少，以往研究報道了不同的利用下頜運動軌跡記錄或確定無牙頜頜位關系的方法。佘文珺等[7]應用下頜運動軌跡描記法記錄無牙頜頜位關系，其頜位關系是通過臨床引導確定，下頜運動軌跡描記儀主要起到觀察與記錄作用。Li等[8]通過分析無牙頜患者下頜運動軌跡的集中趨勢直接確定并記錄頜位關系，這種方法確定的頜位多位于肌力閉合道上。

本研究探索的方法是通過多源數據融合，輔助口外分析幾個因素確定頜位，主要可以分析升高的垂直距離、前牙覆蓋關系、彈響消失時的頜位以及髁突在關節窩中的位置。與常規手法確定再定位牙合墊的頜位相比，這種方法通過實時觀察髁突關節窩的位置關系確定頜位，并且確定的頜位可以直接應用于再定位牙合墊的數字化設計制作，使后續過程的誤差更加可控。再定位牙合墊理想的頜位是建立起正常的盤突位置關系，目前技術條件下關節盤、神經與肌肉等口頜系統組成部分尚無法進行數字化動態考量，因此本方法制作的再定位牙合墊同樣需要臨床進一步調整。

3.2 數據獲取與數據融合的精度分析

本研究建立的方法涉及口頜系統多源數據的融合應用，在口腔數字化領域中屬于虛擬牙合架的范疇。虛擬牙合架包括兩類，一類虛擬牙合架模擬機械牙合架的結構與運動，另一類虛擬牙合架通過將下頜運動數據與數字化牙列模型結合，可以模擬更加個性化的下頜運動[9]。第二類虛擬牙合架應用前景更為廣闊，可根據需要結合更加多源的口頜系統數據，例如將CBCT重建的頜骨數據加以融合，理論上可以模擬出真實可視的咬合接觸關系和髁突與關節窩位置關系[10]。

對于多種類型數據的融合，數據獲取與數據融合過程中的誤差都會影響其應用。第二類虛擬牙合架在數據獲取部分的誤差主要包括光學牙列掃描、CBCT掃描、下頜運動記錄三個部分。光學牙列掃描主要有口內掃描與模型掃描兩種方法，口內掃描總體上的正確度約為0.017～0.378 mm，準確度約為 0.055～0.116 mm[11]；模型掃描的精度約為0.005～0.020 mm[12-13]。CBCT的重建精度受到掃描視野、掃描層厚和分辨率大小的影響，以往研究報道其誤差范圍為0.106～0.760 mm[11]，下頜運動電子記錄設備的精度約為0.156～0.400 mm[14-15]。

本研究的體外模型實驗中，整體偏差為(0.25±0.04) mm，其中3D打印應用的Objet30 Pro打印機的分層精度為0.016 mm，數據獲取與數據融合的偏差主要涉及光學牙列掃描與下頜運動記錄，陳磊等[16]的研究顯示，融合這兩種數據模擬側方咬合時的偏差為(0.18±0.05) mm。臨床流程中還涉及CBCT重建數據與光學掃描牙列數據的融合，這兩種數據存在多種配準方法，各種方法的配準誤差為0.02～0.66 mm[17-19]。本研究采用了趙一姣等[20]推薦的全局配準方法，可以在盡量減少拍攝次數的情況下獲得較好的配準結果。受試者左側設計的髁突調整與試戴結果之間存在差異，除體外實驗中分析的誤差外，考慮一方面可能是CT重建的牙列與光學掃描牙列融合的誤差，另一方面由于受試者的神經肌肉會對數字化確定的頜位進一步調整，使得戴入牙合墊后的頜位與神經肌肉更加協調，可能也會導致結果與設計產生差異。

3.3 再定位牙合墊的設計與制作

目前再定位牙合墊的制作有口內和口外兩種方法。口外法需要臨床確定頜位關系并轉移上牙合架，之后在技工室雕蠟型、裝盒及裝膠制作；口內法需在模型上先用樹脂片真空壓膜、裁剪制作輪廓，再用自凝樹脂在口內確定頜位，形成并調改咬合接觸[21]。口外法從頜位確定到制作完成涉及多個手工操作步驟，誤差較難控制。口內法一次性確定治療性頜位的難度較高，并且制作時材料異味大，臨床調牙合量大。

隨著數字化技術在口腔修復領域應用的逐漸深入，牙合墊正在逐步實現數字化的設計與制作。有研究建立了穩定型牙合墊的數字化設計與制作流程，并取得了較好的效果[22-25]。近年來，多種商業牙科軟件都加入了牙合墊設計模塊，借助設計軟件中牙合墊設計模塊與虛擬牙合架模塊，本研究可以將基于下頜運動數據確定的頜位直接用于再定位牙合墊的設計，加上計算機輔助制作技術，數字化確定的頜位減少了轉移制作過程中的不可控因素，可以較準確地應用于臨床。通過模型實驗的模擬評價，這種方法實現的頜位整體偏差為(0.25±0.04) mm，可以用于頜位的調整。但是，單純機械結構無法完全模擬人體口頜系統的狀態，模型實驗結果僅可用于輔助分析復雜臨床情況下部分誤差的來源和大小。

綜上，應用數字化技術輔助確定再定位牙合墊頜位的技術路線可行，在本實驗設計的條件范圍內，這種方法的精度誤差與垂直距離升高量無相關性。未來將設計嚴格的臨床試驗，對數字化輔助確定再定位牙合墊頜位的方法進行進一步評價與改進。