數字化虛擬面弓轉移咬合關系的應用及研究進展

王行康，張 麗，姜 濤（通信作者）

（1 濱州醫學院 山東 煙臺 264000）

（2 濟南市口腔醫院口腔醫學美容中心 山東 濟南 250001）

在口腔數字化領域中，數字化工作流程分為半數字化流程與全數字化工作流程兩種。半數字化流程是采用倉掃儀器掃描印模或石膏模型來獲取牙列數據；另一種則是全數字化工作流程，通過使用口內掃描儀或其他掃描儀器掃描牙弓及頜面部數據，然后將數據轉移上虛擬頜架。全數字化工作流程是由數字化掃描儀來主導的，其工作流程與半數字化工作流程相似，但該流程只使用數字化數據，不需要傳統取引模制作石膏模型以及機械面弓轉移頜位關系等步驟。因此，在全數字工作流程中，傳統機械面弓被一種稱為虛擬面弓技術的數字化技術所取代。2002 年，第一臺虛擬頜架在Bisler 和他的團隊辛勤工作下誕生了。Bisler 將虛擬頜架定義為一種用來分析靜態或動態咬合關系的工具，其目的是突破傳統機械面弓的限制，幫助臨床醫生獲得更加精準且個性化的患者的咬合關系。在虛擬頜架建立過程中，從患者頭面部定位參考平面是很重要的，任何一個這樣的參考平面都要有兩個后標志點，一個前標志點，共3 個點構成。同時2 個后標志點確定一個橫向鉸鏈軸。確定參考平面后，采取虛擬面弓的方法來轉移患者的頜位和咬合關系。虛擬面弓的使用是在虛擬頜架中組裝數字化模型的一個關鍵步驟，近年來研究人員創新了多種虛擬面弓轉移方法，本文就虛擬面弓轉移方法及虛擬頜架的研究及發展綜述如下。

1.虛擬面弓轉移方法

根據所查閱文獻，目前共提到3D 光學掃描儀掃描面部標記法、標準化口外照片法、照片轉換3 維圖像法、立體攝影測量儀、CBCT、電子面弓6 種虛擬面弓轉移方法。

1.1 3D 光學掃描儀掃描面部標記法

首先，用光學掃描儀掃描牙弓來獲得數字化牙列模型。其次，將3 個標志物放置在患者面部的3 個點上：2 個髁突標志點和1 個眶下點，這三個點建立的平面即眶耳平面。然后，將咬合紙放在扁平的金屬頜叉上，放入患者的口腔，壓向上頜頜面，咬合紙會在上頜頜面上產生印跡，找出咬合面上3 個最突出點，這3 個標記點確定了患者的咬合平面。使用探測儀和3D 光學掃描儀，定位3 個面部標記點和3 個口腔內標記點，利用逆向工程軟件建立患者的顱骨坐標系統，將上頜模型轉移到建立好的顱骨坐標系中。最后將后標志點與虛擬頜架上的髁球重合，使顱骨坐標系統與虛擬頜架的坐標重疊，轉移上頜模型到虛擬頜架。由于探測儀需要進入口腔中尋找最突出點，這種方法在無牙頜的情況下就會遇到問題，現在所用的口內掃描儀可以掃描面弓頜叉，可以增加數字化掃描時的效率，但基本原理都是相同的。

1.2 標準化口外照片法

Petre 等報道了一種基于使用標準化的2D 面部照片，口內掃描儀，面部頜叉和CAD 軟件的數字化面弓轉移技術。患者在自然頜位下，拍攝正、側面照片，利用exocad 軟件在網格背景下進行上頜模型和照片的對齊，并將皮膚上的髁突標志點與虛擬頜架的髁球對齊，完成轉移。作者認為該方法定位的鉸鏈軸可能存在幾毫米的誤差，但是對于最終的修復沒有重要的影響。且此方法的準確性主要取決于患者的面部照片和上頜虛擬模型在軟件背景照片上的正確重疊，鏡頭在拍攝照片時可能會造成圖像的透視變形，從而產生偏差，影響最終的準確性。

1.3 照片轉換三維圖像法

Solaberrieta描述了一種全數字化的虛擬面弓轉移技術，使用虛擬面弓將上頜從患者轉移到虛擬頜架上。該過程包括使用口內掃描儀直接掃描上下牙弓，在兩側髁突位置和眶下點放置標記物來建立參考平面，并放置一個具有彈性印模材料的頜叉來記錄咬合和上頜平面。用數碼相機拍攝了8 到10 張面部照片，記錄皮膚的標志點。將照片導入逆向工程軟件獲取頭面部與黏附標志物之間的空間關系，建立三維虛擬模型。從而完成虛擬面弓轉移上虛擬頜架的步驟。Yang 等通過使用面部掃描儀定位患者皮膚上以及頜叉上的標記點，獲得患者的鉸鏈軸與參考平面，將鉸鏈軸與虛擬頜架上的髁球中心對齊，轉移患者頜位關系上虛擬頜架。

1.4 立體攝影測量儀

Lam 等利用立體攝影測量儀取得患者自然頜位時的口外觀，這個過程需要用聚合樹脂將兩個塑料托盤固定在一起，然后用硅橡膠固定在患者口內，通過立體攝影測量儀掃描塑料托盤上標志點和患者面部輪廓外形。然后利用CBCT 影像找出顳下頜關節及牙齒的位置，接著在塑料托盤和面部軟組織上利用標記點將這兩者的影像對合起來，就可以確定上頜牙弓的位置。但是這種方法也存在一定問題，用來固定塑料托盤的聚合樹脂會造成圖像的形變，除此之外整個流程耗費的時間也相對較長。

1.5 CBCT

Joda、Granata 等在虛擬頜架上疊加CBCT 數據、牙弓數據、面部軟組織數據將患者的個性化數據轉移到虛擬頜架上。這種方式的難點在于不同文件格式的疊加，CBCT 圖像以dicom 格式存儲，而IOS 和DSL 為（STL）文件格式，用于面部皮膚軟組織的面部掃描儀生成圖像和數據則為（OBJ）文件。通過疊加從口內掃描數據、CBCT 和3D 面部光學掃描儀獲得的數據，不僅代表了一種在虛擬的環境中再現患者臨床信息的新方法，而且證明了合并dicom、STL 和OBJ 文件來構建顱面虛擬現實模型的可行性。Lepidi 等描述了一種全數字的方法來轉移上頜弓的位置并將其安裝在虛擬頜架。這項技術涉及使用口腔內掃描和CBCT 圖像，將dicom 文件轉換為患者顱骨的3D 模型。鉸鏈軸是由外耳道前緣10 mm，眶耳平面下方7 mm 的兩個圓柱體來進行標記。上頜掃描模型數據與顱骨模型數據對齊。以眶耳平面作為參考平面，需要注意的是，參考平面的選擇應該基于CAD 軟件中使用的頜架系統，將顱骨的鉸鏈軸與虛擬頜架的髁球對齊。CBCT 圖像的三維重建可以提供這些參考點以及上頜弓的位置，這種技術非常適合于需要具有大視野的CBCT 掃描的復雜跨學科病例。但是照射的輻射量較大，是否能夠作為常規的修復治療有待考量。同時各種文件的合并與轉移是否會增加虛擬頜架的誤差，仍然需要進一步的驗證。

1.6 電子面弓

作為現在數字化頜位關系轉移的主流，電子面弓是一種基于超聲脈沖或光學傳感技術的頜位關系采集工具，通過面部掃描直接匹配或模型掃描間接匹配也可實現面弓轉移虛擬頜架。不僅如此，電子面弓采集到的下頜運動軌跡的信息，也可以導入虛擬頜架系統中去，從而實現虛擬頜架運動的模擬。目前市場上常見的電子面弓多屬于非接觸式面弓，感應器通過頜叉與下頜相連，不直接接觸上部弓體，運動數據的采集通過超聲感應元件或者接收光電感應完成。電子面弓自帶的頜叉可以直接將CBCT 數據，口掃數據以及下頜運動數據匹配起來，創建虛擬患者，實現全數字化頜位關系的轉移。獲取的下頜運動數據利用cad 軟件，通過最新的“Virtual Articulator”模塊和“Jaw Motion Import”模塊，可以幫助口腔技工在設計修復體時，提供可參考的動態咬合關系。配合電子面弓的動態軌跡信息，可在cad 軟件中虛擬調頜以及實現虛擬頜架等功能。

2.虛擬面弓轉移方法臨床效果評價

數字化面弓轉移后的臨床效果通常采用真實性和準確性來作為其評價指標，具體的方法分為兩類。（1）通過CAD 參考模型（CRM）和CAD 測試模型（CTM）的擬合對齊，或者通過引入數據點或形狀，使用三維檢測軟件，將CTM 和CRM 重疊到（盡可能接近的位置）最佳位置，根據CRM 和CTM 中所有點之間距離計算均方根RMS，RMS 代表了兩個模型之間的所有點位置的偏差，RMS 的值越小證明兩個物體的重合性越好。（2）通過比較咬合接觸點的數目或面積來反映數字化的真實性。這種方法主要是通過和傳統的方法作比較，牙列模型在牙尖交錯位置上頜架，通過咬合紙和咬合記錄硅橡膠等確定模型真實咬合情況作為參考對象，然后采用掃描儀對牙列模型進行掃描，掃描頰側咬合數據，利用掃描儀軟件自帶的咬合匹配系統進行咬合記錄的匹配，得到掃描儀再現的咬合記錄點作為測試對象。

3.小結與展望

本文所提的6 種虛擬面弓轉移方法均需要確定上頜相對于顱骨及下頜的位置關系，只是其采集數據的儀器設備和方法有所不同，隨著掃描儀器的不斷進步，用于生成虛擬頜架中虛擬模型的數字化方法已經經歷了相當大的更新與改進。虛擬面弓是一種為了方便臨床醫生診斷和治療的軟件工具，其主要應用于患者的個性化診斷，用來分析患者靜態和動態的咬合關系。在未來，虛擬面弓的使用可能成為日常臨床實踐中的普遍現象。然而，仍需要臨床研究來驗證其精確性，目前所采用的數字化采集設備的精確性，幾乎都在臨床可接受的范圍之內。面部掃描儀的偏差值在140 ～1 330 mm。對于大多數面部掃描儀，準確性接近500 mm，這被認為是可以接受的臨床使用范圍。CBCT 的準確性受射線暴露參數的影響，范圍在106 ～760 mm 之間。對于口腔內掃描，在各項研究中發現了較高的偏差值。全牙弓掃描真實性的誤差大約在17 mm ～378 mm，而精確性在55 ～116 mm。而對于無牙頜模型的掃描，掃描真實性誤差在44.1 ～591 mm，精確性的誤差高達698 mm。綜上，幾乎所有的口內掃描儀都可以獲得準確的牙齒掃描數據。但是，對于無牙頜的掃描，軟組織的活動性和參考標志點的缺乏可能會導致口掃數據精度的降低，因此采用口內掃描儀掃描無牙頜來進行修復體制作仍有待商榷。有實驗指出先進的儀器設備和熟練的操作可以減少數字化印模制取以及轉移的誤差。

目前臨床大多采用CBCT+電子面弓+口掃+3D 面掃的模式來獲得患者個性化的咬合關系，優點是CBCT 和3D 面掃技術可以獲取患者的面部軟硬組織形態，以創建三維復合虛擬顱面模型，同時評估軟組織和硬組織，通常的美學設計需要評估患者的口腔內軟、硬組織及其與面部特征的關系，這樣將傳統的二維設計升級為三維設計，還可以獲得修復后患者的面部的最終形態，得到更佳的美學效果。電子面弓可將將患者個性化的下頜運動數據保存，并配合數字化CAD/CAM 系統，為數字化治療流程提供動態數據，可將獲得的數據直接應用于虛擬頜架，更有利于修復的準確性，減少臨床調頜時間，讓患者更快的適應新修復體。

隨著設計及方法的改進和應用，虛擬面弓及頜架技術應用會越來越多，數字化技術的應用必須考慮到初始成本、準確性以及時間成本等因素，因此臨床醫生應該根據患者的具體實際情況選擇合適的數字化虛擬頜架的轉移方法，根據自己手頭所擁有的數字化設備，選擇合適的虛擬面弓轉移方法，最終目的都是為了讓患者能夠在獲得良好就診體驗的同時，更加精準且高效的解決患者的口腔問題。