多模態數據融合的可視化技術在咬合重建中的應用

孫欣榮 馮玥 劉偉才

上海牙組織修復與再生工程技術研究中心，同濟大學口腔醫學院，同濟大學附屬口腔醫院口腔修復教研室，上海200072

多種牙體硬組織非齲性疾病如釉質發育不全、酸蝕癥、重度磨耗均可能導致咬合垂直距離（oc‐clusal vertical dimension，OVD）的降低，一旦治療，則可能需要升高患者咬合垂直距離并進行咬合重建修復[1]。咬合重建技術敏感性高，容易出現制作的固定修復體牙位與肌位不協調的問題，醫師在升高垂直距離保證安全性的同時，還需要兼顧后牙修復空間與前牙美學功能[2-3]，是一項高風險、高難度的多學科綜合治療手段。咬合重建前需要借助多種模態的數據對患者進行口頜系統整體性評估，如動靜態咬合關系、錐形束計算機斷層掃描（cone beam computed tomography，CBCT）、顳下頜關節情況等，但這些數據模態分散導致只能逐一評估，而多模態數據融合技術的使用極大地彌補了此等不足。多模態醫學數據融合技術指通過灰度或特征的匹配方法，充分利用不同模態的數據對病灶信息描述的冗余性和互補性，使用軟件手段對不同模態的數據進行智能處理和配準，使同一病灶的多源信息綜合表達在同一整體上，使不同模態的數據在同時間、同空間整體呈現，有利于臨床的全局診治。

目前，數字化技術在口腔醫學界應用日益廣泛，三維虛擬患者已經成為輔助臨床修復的手段[4-5]。多模態數據融合技術以及牙科數字化設備、電子面弓設備的發展[6]，使得解決過去數字化技術多模態操作系統分散、多種模態醫學圖像融合及動態咬合數據整合困難、無法實現數據共享與對接等一系列難題成為可能。本文擬通過介紹一種基于多模態醫學數據融合的可視化數字化技術建立四維虛擬牙科患者并升高垂直距離實現咬合重建的方法。其可視化、可操作的融合對象，使得對口頜系統進行咬合重建的同時兼顧修復空間、前牙美學、位、髁突在關節窩內的安全位置。本方法創新性地融入了個性化動態咬合運動數據，打破了原有的靜態三維虛擬患者及平均值架模式，且可以對接計算機輔助設計和計算機輔助制造（computer-aided design and computer-aided man‐ufacturing，CAD/CAM）設備制作修復體，降低了咬合重建的技術敏感性，以期為數字化口腔固定修復提供更佳的解決方案。

1 材料和方法

1.1 多模態醫學數據融合建立四維虛擬牙科患者

1.1.1 獲取口內牙列掃描 首先利用口內掃描儀3shape Trios3（3shape 公司，丹麥）對患者進行牙列的掃描（圖1），以獲得原始牙列的三維表面模型及靜態最大牙尖交錯位咬合關系，保存為STL格式（stereolithography，立體光刻格式，一種通用的3D 文件格式），記為STL-牙列。該數據易于獲取，成本低，可較直觀地分析牙列靜態的咬合情況。

圖1 3shape獲取口內掃描模型Fig 1 3shape obtains the intraoral scan model

1.1.2 獲取CBCT 數據并進行三維重建 使用3D Accuitomo 170（Morita 公司，日本）獲取患者大視野牙尖交錯位的CBCT數據，其涵蓋了兩側完整顳下頜關節、骨性眶下緣及頜骨影像，轉為Dicom格式（Digital Imaging and Communications in Medi‐cine）后利用Invesiliu 軟件[7]（Invesalius 3.1，用于重建計算機斷層掃描和磁共振圖像的開源軟件）調整理想表面灰度閾值，隨后手動優化髁突輪廓，以便能夠自動重建髁突表面，建立上下頜骨的三維表面模型并保存為STL-頜骨，為口內掃描與頜骨三維表面模型的數據融合打下基礎（圖2）。

1.1.3 口內掃描與頜骨三維模型配準 將STL-牙列與STL-頜骨數據導入EXOCAD 軟件（Exocad GmbH 公司，德國），在“匹配網格”模塊中，利用特殊標志點匹配的方法將口內掃描與頜骨三維表面模型進行配準及分割，使頜骨表面模型獲得與牙列一致的空間坐標系，分別保存處理后的上下頜骨表面模型（圖3），至此，獲得了集合上下頜骨CBCT 與高精度口內掃描數據二者優點的結合體。

圖3 頜骨三維表面模型與口內掃描的配準與分割Fig 3 Registration and segmentation of jaw surface model and intraoral scan

1.1.4 動態咬合數據的融合 在光學傳感式下頜運動分析系統（MODJAW 公司，法國）中導入上述匹配好的頜骨與牙列數據后，將與MODJAW 配套使用的頭戴式光學信號接收器戴于患者頭部以定位上頜位置，下頜光學接收器置于下頜牙列頰側，確保放置位置不影響咬合、不造成干擾的情況下利用光固化流體樹脂粘接固位，以此接收并記錄下頜運動軌跡（圖4）。使用配套的光學信號接收筆將患者口內真實牙列與模型數據配準后，記錄自然頭位下的個性化平面并囑患者進行下頜運動，包括但不限于前伸、側方、大張口、小開閉口運動等，MODJAW 平臺上可顯示并同步實時記錄下頜骨運動狀態、顳下頜關節真實運動、咬合接觸點等。患者離開后尚可拖動進度條逐幀、慢速回放操控下頜運動（圖5），給臨床醫生提供了極其便捷的參考。

圖4 光學傳感式電子面弓裝置佩戴Fig 4 Wearing of the optical sensing electronic facebow device

圖5 操控虛擬牙科患者進行前伸及開閉口運動Fig 5 Manipulating the virtual dental patient to perform forward and open mouth movements

1.1.5 口外面部掃描（extral-oral face scan，EOS）數據的融入 將建立三維虛擬患者時使用的口腔掃描結果和面部掃描結果匹配方法應用于此，即可將EOS 數據與處理好的頜骨及牙列數據相融合[8]。具體為：將涂有咬合記錄硅橡膠的叉置于患者上牙列后進行面部掃描，然后取患者自然微笑狀態下的面部掃描，利用帶有咬合記錄的叉為中介，在EXOCAD 中將牙列掃描模型以及面部掃描進行匹配。至此，完成“皮相”與“骨相”的融合，獲得最終的四維虛擬牙科患者（圖6）。

圖6 四維虛擬牙科患者Fig 6 4D virtual dental patient

1.2 數字化咬合分析及頜位關系確定

四維虛擬牙科患者創建完成后，可在該虛擬患者的任意角度進行觀察，分析靜態咬合、動態引導、咬合面積等，還可從矢狀面、冠狀面、水平面觀察髁突運動過程中的移位軌跡路線及范圍，快速分析其軌跡特征、重復情況等，數字化面弓實時自動計算Bennet角（Bennet angle）、髁導斜度（condylar inclination，CI）、偏轉角（shift angle）、迅即側移（immediate side shift，ISS）等可評價髁突功能狀態的量化指標，從而獲取髁突功能運動、牙列咬合接觸狀況等信息。

利用四維虛擬牙科患者可視化、可操縱的特性進行抬高咬合垂直距離尋找新的頜位。記錄患者下頜運動軌跡時使患者咀嚼肌去程序化，囑其進行重復性小范圍開閉口運動，運動過程中髁突在一定范圍內在關節窩內轉動而無滑動，以關節向前下滑動初始時為最大開口臨界點，在此頜位范圍內模擬升高咬合垂直距離，尋找咬合重建中下頜新位置（圖7）。確定好頜位后，即可導出數據對接CAD/CAM 設備，融入口外面部掃描進行數字化美學蠟型設計。患者戴用打印的臨時修復體2～3 個月，每2～3 周進行一次隨訪，觀察詢問患者使用感受，如咀嚼是否有力、關節肌肉是否有酸痛跡象、睡眠狀況等。此外，每次隨訪需要對患者進行檢查，觀察患者咬合是否穩定，前伸、側方運動時引導是否順滑，全牙列咬合接觸是否均勻。若出現不滿意的情況，可在4D 虛擬患者上重新選擇頜位并設計臨時義齒，由于有坐標系的參考，新頜位與舊頜位的對比是可視化的，可重新模擬調整治療頜位，無需患者再次就診，減少了就診次數。

圖7 保證修復空間與顳下頜關節安全的情況下虛擬升高咬合垂直距離Fig 7 Virtually elevated vertical occlusal dimension under the condition that the repair space and temporomandibular joint are safe

1.3 臨時修復體佩戴及頜位調整

圖8 可拆卸臨時修復體Fig 8 Removable temporary restoration

1.4 永久修復階段

在咬合重建時，患者適應臨時修復體3 個月后，需要進行二次光學傳感式電子面弓記錄以獲取現有個性化下頜運動軌跡參數，分前牙、后牙兩部分進行牙體預備。將預備完成后的牙列掃描數據與術前設計掃描模型在EXOCAD 軟件內匹配，提取復制面外形高點與形態，導入第2次動態咬合數據進行虛擬調，對接數字化切削設備切削氧化鋯全解剖冠，完成最終修復體的制作（圖9）。

圖9 永久修復體的匹配、設計與調Fig 9 Matching,design and occlusion of permanent restorations

2 結果

通過多模態醫學數據融合及CAD/CAM 設備的對接，得到了可視化、可操控的四維虛擬牙科患者，建立了數字化升高咬合垂直距離的系統化流程，使咬合重建的固定修復技術更加便捷與安全。利用本研究方法升高了3個重度磨耗患者的咬合垂直距離，均表示感覺良好，無明顯抬高感，無關節疼痛或肌肉酸痛等癥狀。典型病例的修復案例見圖10。

圖10 基于此方法升高咬合垂直距離進行咬合重建的典型病例Fig 10 A typical case of occlusal reconstruction based on this method to raise the occlusal vertical dimension

3 討論

在口腔臨床中，升高患者喪失的咬合垂直距離的傳統方法多為手法定位下頜及髁突位置，對醫師的經驗要求苛刻，操作技術敏感性高，因此無法大范圍的傳授及推廣。隨著一系列數字化口腔輔助設備的應運而生，建立虛擬牙科患者已是可行的目標[10]。全程數字化（completely digital de‐sign/completely digital manufacture，CDD/CDM）這一概念及技術的誕生，使得全口咬合重建的技術得以革新。全程數字化修復即口內掃描后直接進行修復體的數字化設計，3D 打印臨時修復體，口內試戴并調，然后再次進行口內掃描，全數字化設計，制作最終修復體[11]。但上訴步驟修復體的咬合設計仍然是靜態的、采用平均值而非個性化的，本研究基于多模態融合創建的四維虛擬牙科患者，除了包括三維空間坐標中的靜態可視化患者外，還借助下頜運動分析系統加入了患者真實的、個性化的咬合運動軌跡與平面，并將之融合為完整、流暢、真實的運動圖像，解決了患者真實的動態運動軌跡與修復體設計缺乏關聯的問題。

咬合重建前對顳下頜關節的狀況判斷是必不可少的一環。研究[12]表明，CBCT 對于顳下頜關節骨質改變、關節間隙異常、關節盤移位等顳下頜關節疾病有良好的診斷意義。除影像學檢查外，動態咬合及髁突運動軌跡分析也可輔助診斷部分顳下頜關節疾病[13]。本研究將CBCT重建后的頜骨與下頜運動軌跡融合觀察顳下頜關節運動狀態可輔助診斷某些顳下頜關節紊亂病，提示患者是否需要配合一些其他治療而非單純的咬合重建。若對非咬合垂直距離喪失導致的TMD 貿然進行咬合重建可能會加重病情。若患者髁突運動軌跡可重復性較高、無明顯抖動、絞索，且抬高咬合垂直距離獲取最小修復空間時，髁突仍處于關節窩內、周圍關節間隙正常，即可考慮進行咬合重建。需要排除的是當獲取最小修復空間抬高咬合垂直距離時，髁突已經部分或全部滑出關節窩范圍，或抬高后髁突周圍關節間隙不均衡、差異大、某處關節間隙特別狹窄的情況；若觀察到髁突運動可重復性低、抖動強烈、運動范圍受限等異常，需要結合其他手段確診是否有器質性病變。

經過多模態數據融合后，可精準顯示下頜任意牙位升高的距離，這樣既保證了顳下頜關節的安全性，又有足夠固定義齒修復空間。循證醫學證據[14]表明，咬合重建患者需要升高的咬合垂直距離平均為3 mm，在1～9 mm 的范圍內是相對比較安全的。

此外，數字化修復中的精度問題一直備受關注。數字化印模是多模態醫學數據融合過程中的基礎元素之一，獲得的信息便于儲存且可降低模型變形的概率[15]。基于CBCT數據的髁突三維重建的半自動分割方法重建出的髁突精確性、可重復性都較好，能充分跟蹤骨組織的形態學變化[16]。雖然基于大視野CBCT 三維重建的表面模型涵蓋了上下牙列數據，但是口內掃描牙列的精度及準確度仍然遠遠高于CBCT。因此，將二者數據融合，即可獲得擁有高精度的牙列模型和顱面部硬組織、顳下頜關節整體大局觀的融合產物。匹配后可通過剖面圖觀察口內掃描與CBCT重疊是否良好，基本上可以達到臨床牙冠各面重疊或偏差小于0.5 mm。該多模態融合的四維虛擬患者數據對接CAD/CAM 簡便快捷，其他電子面弓數據導入EXOCAD 軟件后，都需要上虛擬架重新調整平面。而MODJAW 中導出的數據自帶個性化平面，無需上平均值虛擬架，避免二次調整所帶來的誤差。

咬合重建需要從最終美學重建的目標逆向出發，將功能與美學相協調[17]。口外面部掃描的加入，有利于醫技聯合，按照以面部美學以及前牙美學四要素[18]為引導的方案進行多學科聯合設計。數字化設計暫時修復體面形態有利于達到可預測的功能和美學效果，同時降低了調難度[19]。此方法設計的可拆卸臨時冠橋，比傳統mock up流體樹脂粘接恢復牙齒形態的方法更加便捷，若出現不適隨時可拆卸，對牙齒零損傷，保證了患者的牙周健康。因此，不管是在術前、術中還是術后，本研究方法都兼顧了功能、健康與美學的平衡。

但是此方法仍有一些局限性，如數字化設備成本較高，難以廣泛普及；患者口頜面部功能情況不一，需要醫師根據具體情況靈活調整數字化咬合重建步驟等。綜上所述，本研究所介紹的數字化咬合重建方案具有可視化、個性化、實用性、開放性強等優點，具有系統性的建立路徑，突破了靜態數字化修復模式，兼顧了美學與功能的全局修復，改善了醫患溝通壁壘，有利于多學科之間的合作以獲得更加滿意的治療效果，也為臨床醫生提供了一定的參考。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。