來源：《華西口腔醫(yī)學(xué)雜志》2018年4月第36卷第2期
作者：張暉榕1 尹樂鋒1 劉艷麗1 嚴(yán)麗誼1 王寧1 劉剛2 安曉莉1 劉斌1
作者單位：1.蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院；2.蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730000
[摘要] 目的 基于錐形術(shù)CT（CBCT）數(shù)據(jù)構(gòu)建患者數(shù)字化模型，應(yīng)用3D打印技術(shù)制作牙頜實(shí)體模型并評(píng)估其精確度。方法 通過Mimics 10.01軟件處理正畸臨床患者CBCT數(shù)據(jù)，并結(jié)合Geomagic studio三維軟件制作牙頜數(shù)字化模型，導(dǎo)入MakerBot Replicator2X型3D打印機(jī)中，采用熔融沉積技術(shù)（FDM）制作聚乳酸材料的上下頜實(shí)體模型。比較3D打印模型與傳統(tǒng)石膏模型的牙冠近遠(yuǎn)中徑、牙弓長(zhǎng)度和寬度及后牙牙尖三角嵴長(zhǎng)度測(cè)量值。結(jié)果 3D打印牙頜模型和傳統(tǒng)石膏模型的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05）。結(jié)論 采用CBCT構(gòu)建數(shù)字化模型具有可行性，能夠簡(jiǎn)化正畸檢查流程、實(shí)現(xiàn)患者牙頜狀況的數(shù)字化存儲(chǔ)。采用3D打印制作牙頜模型精確度良好，可用于正畸臨床。
[關(guān)鍵詞] 數(shù)字化牙頜模型； 錐形術(shù)CT； 3D打印技術(shù)
在正畸臨床工作中，對(duì)初診患者需要進(jìn)行病史采集和影像學(xué)檢查，進(jìn)而進(jìn)行診斷、分析并設(shè)計(jì)治療方案。牙頜模型是患者初始信息和療程記錄的良好載體，也是診斷分析的重要資料。目前臨床中牙頜模型主要通過印模制取后石膏灌注來完成，傳統(tǒng)石膏模型的制作需要醫(yī)生熟練掌握相關(guān)技術(shù)，才能達(dá)到完整反映患者解剖結(jié)構(gòu)的要求。但在臨床調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)取模對(duì)患者的感官印象較差，容易引起患者產(chǎn)生惡心、嘔吐等不適癥狀，有些需要矯治患兒配合困難；還有部分解剖異常的患者很難完整取全組織結(jié)構(gòu)。另一方面，石膏模型本身也存在存儲(chǔ)困難、易損壞或斷裂等難題。因此，在取模過程中避免對(duì)患者造成不適感、得到解剖結(jié)構(gòu)清晰完整、精確度高且不易損壞的模型成為正畸臨床中亟待解決的問題[1]。
隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始探索利用不同設(shè)備或儀器對(duì)牙頜進(jìn)行掃描、獲取數(shù)字化信息構(gòu)建數(shù)字化模型的可行性。目前，數(shù)字化模型的數(shù)據(jù)來源主要有三個(gè)方面，一是來源于石膏模型，二是通過口內(nèi)掃描來獲得，三是來源于CT或錐形術(shù)CT（cone beam computed tomography，CBCT）數(shù)據(jù)。
以石膏模型為數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字化模型的研究眾多。如利用OrthoCad軟件以切片式的掃描方式，將制取的石膏模型層掃后獲得數(shù)字化信息從而構(gòu)建模型[2-4]；利用emodel軟件中的激光掃描方式掃描石膏模型，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型[5-6]；通過激光掃描獲得石膏模型數(shù)據(jù)后由CAD軟件構(gòu)建數(shù)字化模型[7-8]；通過三維掃描儀掃描患者石膏模型獲得數(shù)字化信息[9-11]；通過對(duì)石膏模型拍照后導(dǎo)入C3D-builder軟件來完成數(shù)字化模型制作[12]。以上研究表明，通過掃描石膏模型構(gòu)建數(shù)字化模型具有可行性且精確度良好，但其制作過程仍建立在采集石膏模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，并沒有避免傳統(tǒng)取模。
通過口內(nèi)掃描儀來獲取數(shù)據(jù)的研究也有報(bào)道，有學(xué)者[13-14]采用口內(nèi)掃描儀獲得了患者口腔內(nèi)的信息，采用三維逆向工程軟件構(gòu)建出數(shù)字化牙頜模型。Kim等[15]采用藍(lán)色LED牙科掃描儀對(duì)患者口內(nèi)進(jìn)行掃描，從而構(gòu)建了三維數(shù)字模型，并證明方法可行。
通過CT或CBCT數(shù)據(jù)直接構(gòu)建數(shù)字化模型是目前的研究熱點(diǎn)。Kau等[16]將頭顱CT數(shù)據(jù)應(yīng)用InVivo-Dental軟件分析后，在OrthoCAD軟件中構(gòu)建了數(shù)字化模型。de Waard等[17]根據(jù)CBCT的數(shù)據(jù)建立了數(shù)字化模型，并通過對(duì)模型進(jìn)行線性測(cè)量分析，發(fā)現(xiàn)其精確度良好。以上研究表明，不同數(shù)據(jù)來源的數(shù)字化模型均具有較好的精確度[18]，可供臨床測(cè)量應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并方便醫(yī)生計(jì)算及分析。然而，實(shí)體化的模型更符合正畸醫(yī)生的操作習(xí)慣。在臨床中發(fā)現(xiàn)，正畸醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行病例分析時(shí)，更傾向于將模型拿在手中進(jìn)行觀察，這不僅方便從舌側(cè)觀察咬合，還能節(jié)省觀測(cè)時(shí)間；實(shí)體化的模型也更容易與患者交流。而現(xiàn)有的研究沒有將數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型。
3D打印技術(shù)近年來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。熔融沉積技術(shù)（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）是基于熔化原料并擠壓成型的3D打印技術(shù)，其特點(diǎn)是成型速度快且相對(duì)準(zhǔn)確，無需昂貴的激光燒結(jié)設(shè)備，價(jià)格相對(duì)低廉。由于該技術(shù)可擠壓生物降解性的支架材料，包括聚乳酸、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等，使得FDM技術(shù)在制備復(fù)合型生物醫(yī)用高分子支架材料上的應(yīng)用越來越多。但在模型制作方面，F(xiàn)DM技術(shù)的應(yīng)用還相對(duì)較少[19-21]。
本研究旨在通過獲取患者的CBCT數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字化模型，采用3D打印技術(shù)完成牙頜模型的制作并進(jìn)行模型精確度比較分析，為CBCT與3D打印技術(shù)在正畸臨床牙頜模型制備中的聯(lián)合應(yīng)用提供一定的理論與技術(shù)支持。
1、材料和方法
1.1 數(shù)據(jù)獲取
選取擬做正畸治療的患者6例，納入標(biāo)準(zhǔn)為：1）無乳牙滯留；2）無牙齒畸形或牙列缺損；3）無牙冠缺損，無充填體；4）無口內(nèi)修復(fù)體。
納入患者于蘭州大學(xué)口腔醫(yī)院進(jìn)行CBCT（KaVo公司，德國(guó)）檢查。CBCT掃描參數(shù)為0.25 mm、14.7 s?；颊咄瑫r(shí)于蘭州大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科制取傳統(tǒng)石膏模型，妥善保存。
1.2 數(shù)字化模型制作
利用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建患者上下牙頜數(shù)字化模型并存儲(chǔ)。主要采用的軟件包括Mimics 10.01（Materialise 公司，比利時(shí)）和Geomagic studio逆向工程軟件（Raindrop Geomagic公司，美國(guó)）。
1.2.1 數(shù)字化模型構(gòu)建 將采集的CBCT數(shù)據(jù)的DICOM文件導(dǎo)入Mimics 10.01中，經(jīng)過Thresholding蒙層指令分離硬組織，執(zhí)行Region growing命令，保留上下頜骨及牙列，在Edit Masks菜單中，選擇Threshold命令并分別設(shè)置硬組織（1 200）及軟組織（560）閾值，對(duì)牙列及牙槽骨進(jìn)行分離處理，分別獲得上下頜模型（圖1）。
1.2.2 數(shù)字化模型處理 將從Mimics獲得的數(shù)字化模型導(dǎo)出為STL格式，導(dǎo)入Geomagic studio軟件中，執(zhí)行網(wǎng)格醫(yī)生命令，修復(fù)模型并獲得良好表面（圖2）。
1.3 3D打印模型制作 將數(shù)字化模型的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL格式，導(dǎo)入MakerBot Replicator2X型3D打印機(jī)（MakerBot公司，美國(guó)）中，制作上下頜牙頜模型實(shí)體。模型制作材料為聚乳酸，打印厚度為0.15 mm（圖3）。
1.4 模型測(cè)量
1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量 制作兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，在solid works（Dassault Systemes公司，美國(guó)）繪圖軟件中繪制長(zhǎng)方體及馬蹄鐵形標(biāo)準(zhǔn)件并打印模型實(shí)體，測(cè)量實(shí)體尺寸與繪制尺寸差異。
1.4.2 牙頜模型測(cè)量 通過傳統(tǒng)石膏模型和3D打印模型的制作，獲得6位患者的上下頜模型，用游標(biāo)卡尺對(duì)12副模型進(jìn)行測(cè)量分析，記錄各項(xiàng)測(cè)量值并制表（圖4）。模型的測(cè)量項(xiàng)目包括：1）牙冠近遠(yuǎn)中寬度；2）牙弓寬度：雙側(cè)尖牙牙尖之間的距離，雙側(cè)第一磨牙中央窩之間的距離；3）牙弓長(zhǎng)度：以雙側(cè)第一磨牙中央窩之間連線為底，測(cè)量中切牙至該連線的垂直距離及尖牙至該連線的垂直距離；4）后牙牙尖三角嵴長(zhǎng)度：包含4組測(cè)量值，上頜第一前磨牙頰尖三角嵴（UdB）和舌尖三角嵴（UdL）、上頜第一磨牙近中頰尖三角嵴（UdMB）和近中舌尖三角嵴（UdML）長(zhǎng)度，以及下頜第一前磨牙頰尖三角嵴（LdB）和舌尖三角嵴（LdL）、下頜第一磨牙近中頰尖三角嵴（LdMB）和近中舌尖三角嵴（LdML）長(zhǎng)度（圖5）。
2、結(jié)果
2.1 標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量結(jié)果
在solid works繪圖軟件中繪制的標(biāo)準(zhǔn)件1為長(zhǎng)方體，尺寸2 cm×4 cm×6 cm，模型實(shí)體測(cè)量結(jié)果1.98 cm×4 cm×5.99 cm；標(biāo)準(zhǔn)件2為馬蹄鐵形，由半徑為3 cm半圓形和兩個(gè)長(zhǎng)4 cm的臂組成，厚度1 cm，模型實(shí)體測(cè)量結(jié)果顯示，打印模型誤差在0.02 mm范圍之內(nèi)。
2.2 牙頜模型測(cè)量結(jié)果
以電子游標(biāo)完成各數(shù)據(jù)的測(cè)量，每個(gè)測(cè)量值測(cè)量3次并求平均值作為結(jié)果記錄。將測(cè)量數(shù)據(jù)錄入OriginPro 9.0（OriginLab公司，美國(guó)）中，繪制散點(diǎn)圖，分析測(cè)量數(shù)據(jù)偏差（圖6）。
2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。由表1可見，3D打印牙頜模型和傳統(tǒng)石膏模型的測(cè)量數(shù)據(jù)間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。
3、討論
本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用CBCT與3D打印相結(jié)合的方法，獲取患者的口腔數(shù)字化信息，建立數(shù)字化模型并制作實(shí)體模型。不同于傳統(tǒng)取模，通過計(jì)算機(jī)軟件處理和3D打印機(jī)輔助完成牙頜實(shí)體模型的制作，簡(jiǎn)化了正畸檢查的操作流程，避免了臨床中印模制取對(duì)患者造成的不適感，并為患者節(jié)省就診時(shí)間，有利于初次就診建立良好的印象。
由CBCT構(gòu)建數(shù)字化模型實(shí)現(xiàn)了患者信息的數(shù)字化存儲(chǔ)，提高了醫(yī)院對(duì)患者資料處理的效率，能夠有效地降低資料丟失及損壞。另一方面，對(duì)于需要與不同地域醫(yī)師進(jìn)行交流討論的病例而言，數(shù)字化信息能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的傳輸，方便不同接診醫(yī)師獲得患者原始資料。
實(shí)體牙頜模型有助于醫(yī)生靈活地三維觀察患者牙頜畸形情況，特別是舌腭側(cè)的咬合狀況；也為與患者交流提供形象的交流載體，且符合絕大多數(shù)正畸醫(yī)生的臨床習(xí)慣。因此本實(shí)驗(yàn)利用3D打印機(jī)制作了患者的數(shù)字化模型實(shí)體。實(shí)驗(yàn)中使用的制作材料聚乳酸是一種新型的生物降解材料，由可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成，其機(jī)械及物理性能良好，具有較低的熔體強(qiáng)度，打印模型容易塑形且價(jià)格相對(duì)低廉。通過這種方式制作的實(shí)體模型重量較輕、不易毀壞且轉(zhuǎn)移方便。另一方面，實(shí)體模型可在醫(yī)師需要時(shí)即時(shí)打印，制作時(shí)間短而便利，能夠?yàn)榕R床使用提供更大便利。
本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，3D打印模型和傳統(tǒng)石膏模型的牙體近遠(yuǎn)中徑、牙弓長(zhǎng)度和寬度以及后牙牙尖三角嵴的測(cè)量數(shù)據(jù)均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，表明3D打印牙頜模型能夠應(yīng)用于臨床檢查中咬合關(guān)系的確定以及模型測(cè)量分析。由于3D打印受到打印材料本身限制，打印層厚需要材料熔點(diǎn)支持，因此材料性能是影響3D打印模型精確度的因素之一。此外，建立數(shù)字化模型的CBCT圖像軟硬組織閾值沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而另一項(xiàng)研究[22]表明，CBCT不同體素及閾值設(shè)定對(duì)所構(gòu)建數(shù)字化模型的精確度有影響，因此，軟硬組織閾值的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一可進(jìn)一步提高打印模型的精確度。本實(shí)驗(yàn)研究了牙頜數(shù)字化模型的建立，未對(duì)軟組織作相關(guān)研究，后期研究可探討軟組織數(shù)字化模型可行性，為全面構(gòu)建患者的頜面部數(shù)據(jù)模型及矯治效果的數(shù)字化模擬奠定基礎(chǔ)。
綜上所述，通過CBCT與3D打印技術(shù)聯(lián)合制作牙頜實(shí)體模型能夠獲得良好的精確度，可服務(wù)于臨床工作。本研究為改良傳統(tǒng)牙頜模型制作提供了新的思路，表明3D打印技術(shù)在正畸臨床中具有良好的應(yīng)用前景。
[參考文獻(xiàn)]（略）
詳見《華西口腔醫(yī)學(xué)雜志》2018年4月第36卷第2期
來源：華西口腔醫(yī)學(xué)雜志
