數字化技術在直絲弓托槽間接粘接中的應用

鈕曄 曾蕓婷 曾悅翔 張澤宇 肖立偉

中南大學湘雅二醫院口腔正畸科 長沙 410011

數字化托槽間接粘接是指對三維牙頜模型進行數字化測量、分析及方案設計，然后利用系統數據庫的托槽或者定制個性化托槽，在三維模型上進行托槽虛擬定位和排牙，再利用計算機輔助設計制作轉移托盤，將虛擬定位托槽的位置轉移至患者口中。Suresmile、Insignia、OrthoCAD iQ等都是類似的間接粘接系統軟件[12-14]。

1 數字化牙頜模型的應用

數字化間接粘接需要在計算機上對三維牙頜模型進行唇側托槽虛擬定位和排牙。因此，三維牙頜模型的獲取是利用數字化間接粘接技術進行直絲弓矯治的前提。相比較傳統石膏模型，數字化三維模型數據存儲方便、不易磨損，可以在計算機上在模型的任意部位、以任意角度進行放大縮小、旋轉、移動，在清晰的圖像上進行線距、角距、面積等的精準測量，并可以模擬矯治后的三維牙頜模型，在數據交流和分享、數據測量和分析、醫患交流上有著傳統石膏模型無法替代的優勢。

數字化三維牙頜模型的獲取途徑主要有兩條：容積成像技術和表面獲取技術[15]。前者主要有電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）及錐形束計算機斷層掃描技術（cone beam computed tomography，CBCT），但是所得模型精度較后者差，且易將患者暴露于輻射下；后者以激光掃描為代表，但是掃描存在盲區，影響三維重建的準確性。

多數學者[16-17]認為，數字化三維模型在測量精準度上可替代傳統石膏模型。Ko等[18]認為，參考數字化模型和石膏模型制定的正畸治療方案及制定方案所需的時間沒有差別。

目前，臨床上多采用激光掃描獲得數字化模型，它包括陰模掃描、石膏模型掃描及口內掃描。Kirschneck等[19]認為口內掃描的可靠性、有效性和一致性均低于石膏模型掃描，但是兩者均符合臨床要求。關于陰模掃描、石膏模型掃描及口內掃描的掃描精準度的差異仍需進一步研究探討。

由于激光掃描獲得的數字化三維模型只顯示牙冠，不包含牙根及牙槽骨，在托槽虛擬定位時參考信息不全面，無法獲得良好的牙根位置。為此，有學者[20]嘗試將CBCT掃描圖像和激光掃描的牙冠模型整合，獲得帶有牙冠、牙根、頜骨的三維數字化模型，在虛擬托槽定位時兼顧牙周狀況，保證牙根的平行及牙槽骨的厚度，避免骨開裂、骨開窗甚至牙根外露的發生。

隨著面部軟組織三維重建系統的完善，可以對患者牙、頜、面三維信息進行分析診斷，評估牙冠、牙根、頜骨的空間關系，為方案制定、托槽定位等提供良好依據[21]。

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萬鳳閑等[22]對15例數字化牙頜模型分別采用含牙根信息托槽定位法和托槽高度定位法進行托槽虛擬定位，用OrthoRx軟件形成矯治后狀態，并用美國正畸目標評分系統（American board of orthodontics-objective grading system， ABO-OGS）評估矯治效果。結果顯示，含牙根信息托槽定位法在牙根平行度和牙齒排齊兩項指標中扣分均小于托槽高度定位法，他們認為含牙根信息托槽定位法的模擬矯治效果更好。

2 個性化托槽的定制

雖然直絲弓矯治器在托槽里預置了不同的軸傾角、轉矩角以及不同的托槽底厚度和形態，實現了不同牙齒托槽的個性化，但是由于牙體解剖差異和個性化矯治的需求，很難實現真正的直絲弓矯治。為此，正畸醫師可以根據患者牙齒具體解剖結構、牙齒和顱頜面結構的位置關系等對每顆牙齒設計個性化托槽，進行細節性的調整和過矯治等。這在使用舌側托槽進行矯治上同樣得到了體現[21-22]。

個性化金屬托槽多采用選擇性激光熔化技術（selective laser melting，SLM）加工成型，SLM技術的最大特點是成型過程中金屬粉末理論上完全熔化，成型過程幾乎不受試件復雜精密結構的限制，因此特別適合于細小、精密的口腔個性化器械的直接加工和制造[23]。

2016年，有學者[24]選取50個SLM技術生產的個性化托槽，在掃描電子顯微鏡放大30倍條件下與設計的托槽進行托槽槽溝寬度和深度的測量值進行對比，發現兩者差異無統計學意義。

唇側個性化托槽矯治器以Insignia為代表，它將患者的掃描三維牙頜模型與CBCT數據相結合，根據患者牙齒的位置設置托槽的底板厚度、托槽軸傾，根據牙根的位置設置托槽轉矩，根據牙齒的解剖形態設計個性化的粘接導板，完成托槽位置的精準轉移，充分表達托槽的各項數據，實現牙齒三維方向的精準控制[13]。

有學者[25]比較了直接粘接DamonQ托槽、間接粘接DamonQ托槽和間接粘接InsigniaSL個性化定制托槽的矯正效果和矯治時間。其中，矯治效果采用美國正畸協會（American board of orthodontics，ABO）差異指數及ABO模型-放射線片評價法來評估。結果發現，3種托槽在矯治效果上無差別，但是InsigniaSL個性化定制托槽的矯正時間更短，復診次數更少。

個性化托槽底板的設計、表面處理及底板面積不同，其對應的去粘接強度（debonding force，DF）和抗剪切力強度（shear bond strength，SBS）也不同。Insignia托槽底板為網格狀；Harmony托槽底板為光滑的表面；Incognito托槽底板為經噴砂處理及表面化學涂層的不規則狀；Orapix托槽底板為復合樹脂。

韓宇等[26]采用實驗比較了各種不同公司的個性化唇舌側托槽與預成的自鎖金屬托槽的DF和SBS，結果顯示不同系列的個性化托槽間的DF和SBS差別很大，但是所有系列的個性化托槽的DF值都大于等于預成的自鎖托槽。

3 計算機輔助制作轉移托盤

目前，臨床上常用的轉移托盤為硅橡膠轉移托盤和真空壓膜轉移托盤[27]。研究[28-29]顯示，硅橡膠轉移托盤轉移準確性更高。然而，由于硅橡膠成本高、無法使用光固化樹脂粘接劑及托盤脫位困難等原因[30]，真空壓膜轉移托盤應用更為普遍，其中以快速粘接系統[31]最常見。其具體操作包括：在模型牙上劃參考線并放置托槽，利用不同的粘接劑固定托槽，制作雙層透明壓膜轉移托盤，取下轉移托盤，處理牙面后，將托槽轉移至患者口中。雖然是在直視下定位托槽，但托槽的位置仍由操作者目測或手工測量決定，精準性無法保證，且托盤制作步驟繁雜。因此，越來越多的正畸醫生將計算機技術運用到轉移托盤的制作中，使托槽定位精準化、定量化，托盤制作簡單化。

現在常用的計算機輔助托盤制作有2種方式，在帶有定位托槽的3D打印牙頜模型上壓制轉移托盤或者直接用快速激光成型技術輸出軟件上設計好的轉移托盤。兩種方式都需要事先在數字化三維牙頜模型上進行托槽虛擬定位，精準度可達0.01 mm。

在實體模型上壓制轉移托盤需要先將三維牙頜模型進行數字化排牙、虛擬定位托槽，將牙列恢復到原有排列狀態，然后將帶有定位托槽位置的三維模型3D打印出來。

目前，臨床上3D打印牙頜模型主要采用立體光刻成型（stereo lithography apparatus，SLA）技術和面曝光快速成型（digital light procession，DLP）技術，兩者都屬于光固化快速成型技術，以光敏樹脂為打印材料，精度可達0.1 mm以上，后者具有更高的成型速度，是未來快速成型技術最重要的發展方向[32]。

由于3D打印模型的精度是影響最終壓制的轉移托盤精準性的關鍵，有學者對14個SLA技術打印的光固化模型上的托槽和頰面管長度和寬度進行測量，與檢驗標準值比較，結果發現托槽的寬度和頰面管的長度和寬度大多稍大于檢驗標準值，差異范圍在0.04～0.17 mm，是否會影響臨床上間接粘接轉移托盤的制作并造成托槽轉移位置誤差需要進一步實驗探究。

直接3D打印計算機上數字化設計的轉移托盤操作更為簡單，全程均在計算機上完成，省去了實驗室轉移托盤制作的流程。

早期，Ciuffolo等[9]用快速成型技術打印出轉移托盤并成功完成了托槽的轉移。Son等[33]利用光固化成型技術打印單個的轉移托盤對一名前牙開合，輕度擁擠的安氏Ⅰ類患者進行托槽的間接粘接，13個月后療效良好。隨著3D打印托盤的臨床應用越來越廣，正畸醫生開始對3D打印托盤的托槽轉移精準度和托槽粘接后治療效果進行驗證。

陳慧等[7]用激光快速成型技術輸出的轉移托盤對10名舌側矯治的患者進行間接粘接，用Bland and Altman’s一致性分析比較托槽虛擬位置和口內實際位置的線距和角距值，驗證了計算機輔助設計/輔助制造（computer aided design/computer aided making，CAD/CAM）轉移托盤的轉移精準性，認為相比較傳統的雙層轉移托盤，光敏樹脂材料制成的托盤無收縮性和彈性，尺寸精度較高，有利于托槽位置的準確轉移。2018年，Kim等[34]發現不同后牙牙尖高度對3D打印托盤轉移精準性產生的影響并無統計學差異，但是后牙牙尖越高，轉移誤差出現頻率越大。

為驗證托槽轉移精準性不僅和托盤的3D打印精度、托盤材質等因素有關，還和操作者轉移水平有關，Duarte等[8]對不同操作者用3D打印托盤轉移托槽位置的可重復性進行了研究，實驗由33名不同年齡和不同正畸臨床經驗的正畸醫生完成，對MiniSprint Roth和BioQuick托槽進行粘接，實驗之前所有醫生都進行了間接粘接訓練。結果發現，3D打印托盤轉移托槽精度符合臨床要求，年齡和臨床經驗對托槽轉移后的位置沒有影響，由此驗證了不同操作者間用3D打印托盤進行數字化間接粘接的可重復性。

在間接粘接轉移托盤的基礎上經過改良，Xue等[35]在Freeform 12.0軟件中設計了一種新型的托槽定位引導裝置，唇面由“L”型的支架組成，分別和托槽翼的面和遠中邊緣相吻合，牙齒咬合面由類似板的裝置覆蓋，將兩者相連接，當引導裝置就位于牙列，托槽位置就相應固定下來。他們利用這種3D打印的個性化托槽引導裝置對10位患者進行了托槽粘接并從水平向、垂直向、近遠中、軸傾、旋轉、轉矩6個方向進行了托槽轉移誤差測量，發現這種新型的個性化托槽引導裝置具有很高的托槽定位精準性。這種托槽引導裝置保留了間接粘接提前進行托槽虛擬定位，節省椅旁操作時間的優點，又可以在粘接時去除多余粘接劑，不用考慮去除轉移托盤時引起的托槽脫落。但是對于后牙區無法在直視下定位托槽的區域，操作不如轉移托盤方便。

如今，3D打印間接粘接轉移托盤已經成為主流研究方向，雖然已有不少臨床應用實例并且它的轉移精準性也逐漸被學者證實，然而在3D打印精度、材料性能及托盤設計方面還有很大的改進空間。

此外，數字化定位托槽、設計轉移托盤及口內實際運用轉移托盤間接粘接托槽需要相當一段學習周期，以保證數字化定位托槽的準確性以及轉移托槽時托盤的完全就位等。

4 結語

在科學技術快速發展的當今社會，數字化必將成為各個行業領域的主流發展方向。口腔正畸領域同樣如此。目前，直絲弓矯治器是運用最廣泛的矯治器之一，而數字化間接粘接技術使直絲弓矯治變得定量化、個性化、簡單化，讓醫生減輕臨床負擔的同時患者也享受到精準化的治療，推動口腔正畸的與時俱進，擁有巨大的臨床應用前景。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。