劉春煦 高靜 趙雨薇 范琳 賈璐銘 胡楠 梅子彧 董博 張倩倩 于海洋

口腔疾病研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院修復(fù)科，成都 610041

牙體預(yù)備是每位口腔醫(yī)生必知必會(huì)的臨床技術(shù)，牙體預(yù)備的傳統(tǒng)方法一是憑借經(jīng)驗(yàn)，自由手備牙；二是借助金剛砂車針打定深溝備牙；三是在硅橡膠導(dǎo)板指導(dǎo)下備牙。這些傳統(tǒng)方法都存在相似的問題，定量控制差，可重復(fù)性和精準(zhǔn)性低，更依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)[1-2]，而且很難真正以最終修復(fù)效果為指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)備，全過程數(shù)量和空間關(guān)系控制不準(zhǔn)。顯微精準(zhǔn)定深孔預(yù)備技術(shù)是基于目標(biāo)修復(fù)體空間（target restoration space，TRS）理論，在數(shù)量可控的前提下，精準(zhǔn)地預(yù)備出最終修復(fù)所需要的基牙大小，最大程度保留牙體組織，是目前比較準(zhǔn)的備牙引導(dǎo)方法[3-5]。另外還有備牙機(jī)器人的相關(guān)研究，有基于數(shù)控切削系統(tǒng)的[6-7]，也有通過高功率脈沖激光的[8]，但都尚在研究階段，而且存在精度不高，機(jī)器尺寸過大，對(duì)鄰近健康硬組織保護(hù)不足等問題，所以在牙體預(yù)備方面機(jī)器人暫時(shí)不能替代人類。數(shù)字化診療技術(shù)讓整個(gè)口腔醫(yī)療越來越精準(zhǔn)和快捷；采用數(shù)字化種植導(dǎo)板，通過圖形處理技術(shù)，在電腦上完成手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)板設(shè)計(jì)，然后通過切削或3D打印完成制造[9]，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)種植手術(shù)的指導(dǎo)。同樣，根據(jù)TRS理論，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)與逆向工程原理，在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)目標(biāo)修復(fù)體并進(jìn)行虛擬的牙體磨除和空間數(shù)量的設(shè)計(jì)，最終利用3D打印生成備牙導(dǎo)板，完成從現(xiàn)實(shí)到虛擬，從虛擬到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變，全臨床路徑控制TRS的空間獲得及修復(fù)體再現(xiàn)，對(duì)最少量的理想臨床備牙進(jìn)行精準(zhǔn)化指導(dǎo)。

1 技術(shù)

1.1 采集患者數(shù)據(jù)

采集患者數(shù)據(jù)包括牙及牙列的數(shù)據(jù)、面部數(shù)據(jù)、咬合頜位的數(shù)據(jù)，必要時(shí)可以拍攝錐形束CT（cone beam CT，CBCT）獲取骨的數(shù)據(jù)。本文以上頜前牙氟斑牙的貼面修復(fù)作為例子進(jìn)行數(shù)字化備牙導(dǎo)板技術(shù)的講述；牙及牙列的三維數(shù)據(jù)通過取模、灌模并模型掃描獲得，也可以直接進(jìn)行口內(nèi)掃描，更加方便快捷，節(jié)約材料和時(shí)間[10]，但長牙弓的口內(nèi)掃描存在精度低的問題[11-13]。為了不改變前牙的功能運(yùn)動(dòng)，也獲取了咬合的數(shù)據(jù)，并在虛擬架上進(jìn)行咬合調(diào)整。使用面部掃描儀獲取了面部三維數(shù)據(jù)，通過面部三維數(shù)據(jù)進(jìn)行美學(xué)預(yù)測和相應(yīng)調(diào)改（圖1）。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)修復(fù)體

根據(jù)患者的主訴，綜合美觀和功能，設(shè)計(jì)最終的義齒排列和形態(tài)，也就是制作數(shù)字化的美觀診斷蠟型；按照患者的要求，對(duì)中切牙和側(cè)切牙切端進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?nèi)收，邊緣嵴和線角內(nèi)收，擴(kuò)寬外展隙，從而使視覺效果更修長，并在虛擬架上做前伸頜側(cè)方的調(diào)整，在面部三維數(shù)據(jù)上進(jìn)行美學(xué)判斷和適當(dāng)修改。這樣的目的是事先確定最終修復(fù)體在患者口內(nèi)的空間位置關(guān)系，之后的所有設(shè)計(jì)都以目標(biāo)修復(fù)體的這個(gè)空間為基礎(chǔ)，再向前推算，類似逆向工程技術(shù)[14]。

圖1 三維數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的獲取流程Fig 1 Acquisition of 3D digital data

1.3 虛擬牙體預(yù)備

在完成的目標(biāo)修復(fù)體上，進(jìn)行數(shù)字化的牙體預(yù)備手術(shù)（圖2）；預(yù)備前需要確定好修復(fù)的類型和材料，然后根據(jù)修復(fù)類型和材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)備，預(yù)備完成得到一個(gè)理想化的預(yù)備體；在預(yù)備設(shè)計(jì)的過程中可對(duì)虛擬預(yù)備體、修復(fù)體和原始模型三者進(jìn)行截面剖開，對(duì)數(shù)量空間進(jìn)行測量，可得到實(shí)際預(yù)備量、修復(fù)體預(yù)留厚度、相對(duì)于基牙改變的量（圖3）；在設(shè)計(jì)過程中可以綜合材料力學(xué)性能、美學(xué)需求、生理功能等，不斷修改，設(shè)計(jì)成為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)修復(fù)的最佳備牙空間。

1.4 設(shè)計(jì)虛擬車針

完成了虛擬預(yù)備，把虛擬轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要利用數(shù)字化導(dǎo)板的方法。導(dǎo)板的使用原理和外形設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本文采用打孔定深的原理，使用種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行打孔定深和外形設(shè)計(jì)。首先確定好實(shí)物車針的規(guī)格，然后在軟件上設(shè)計(jì)相一致的虛擬鉆針。規(guī)格的數(shù)據(jù)應(yīng)該包括直徑、長度、錐度等，方便設(shè)計(jì)最好使用柱狀的車針。本文使用車針的直徑為1.2 mm，選擇4.0 mm的刻度線，所以車針長度設(shè)計(jì)為4.0 mm，為了適應(yīng)3D打印機(jī)的補(bǔ)償和車針能順暢進(jìn)入，虛擬車針直徑為1.3 mm。

圖2 虛擬目標(biāo)修復(fù)體及在目標(biāo)修復(fù)體上的虛擬牙體預(yù)備Fig 2 Target restoration aesthetic wax-up and virtual preparation on target restoration

圖3 對(duì)虛擬預(yù)備體、目標(biāo)修復(fù)體和術(shù)前基牙的三維空間分析Fig 3 3D analysis of virtual preparation, target prosthesis and preoperative abutment tooth

1.5 虛擬鉆孔

每顆牙17個(gè)孔，唇舌側(cè)分別7個(gè)孔，在長軸中線和橫向三等分線的中點(diǎn)上，切端3個(gè)孔橫向均勻分布。鉆孔的方法是導(dǎo)入虛擬車針和虛擬預(yù)備體模型的數(shù)據(jù)，調(diào)整虛擬車針的位置和方向，使其垂直于虛擬預(yù)備體表面，且兩者剛好觸碰（圖4）；實(shí)際意義是4.0 mm長的車針以垂直于表面的方向進(jìn)入，切端剛好鉆到虛擬預(yù)備體的位置，實(shí)現(xiàn)定深的孔洞設(shè)計(jì)。

1.6 導(dǎo)板設(shè)計(jì)

導(dǎo)板設(shè)計(jì)和大部分的咬合板和種植導(dǎo)板類似。本研究采用的病例為前牙預(yù)備，所以設(shè)計(jì)的導(dǎo)板使用牙支持式，為了保證足夠的支持，導(dǎo)板后端延伸到第一磨牙處；為了方便就位且穩(wěn)定性足夠，導(dǎo)板的邊緣設(shè)計(jì)在鄰牙的頸三分之一處，基牙處導(dǎo)板邊緣蓋過齦緣，導(dǎo)板的基底模型數(shù)據(jù)使用初始模型，導(dǎo)板設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行樹脂3D打印成型（圖5）。

1.7 導(dǎo)板指導(dǎo)下的牙體預(yù)備

首先進(jìn)行試戴，確定完全密合后，開始打孔，直接鉆到之前設(shè)計(jì)的虛擬鉆針長度的刻度線上，使刻度線和導(dǎo)板外表面平齊，邊鉆孔邊沖水冷卻，鉆孔完成后取下導(dǎo)板，用筆標(biāo)記孔底，磨除其他多余牙體組織，形成肩臺(tái)，精修拋光（圖6）。

1.8 最終修復(fù)

前期工作為后續(xù)打下良好基礎(chǔ)，預(yù)備完成后口內(nèi)掃描，然后利用其余健康牙體組織將目標(biāo)修復(fù)體數(shù)據(jù)與口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)匹配，軟件計(jì)算生成最終修復(fù)體。修復(fù)體數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)控切削和其余后續(xù)制作，最終修復(fù)體完成后進(jìn)行試戴和粘接。

2 測試

2.1 虛擬鉆孔設(shè)計(jì)及算法的精準(zhǔn)度研究

研究本技術(shù)虛擬鉆孔導(dǎo)板的精度，使用三維測量軟件對(duì)本病例生成的導(dǎo)板和虛擬備牙的模型進(jìn)行測量，以垂直于每個(gè)鉆孔引導(dǎo)環(huán)表面的方向進(jìn)行三維剖面處理，測量上下孔緣到虛擬預(yù)備體的垂直距離，每個(gè)孔測量得2個(gè)數(shù)據(jù)，本研究展示的病例為6顆前牙的貼面修復(fù)，舌側(cè)未打孔，所以每顆牙10個(gè)孔，一共測得120個(gè)數(shù)據(jù)。測得數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，并繪制回歸直線（圖7）；由圖可見，散點(diǎn)的集中趨勢很好，回歸直線方程y=0.000 2x+3.982 3，與理想直線y=4非常接近。然后用Bland-Altman分析[15-17]進(jìn)行實(shí)際深度和理論深度的一致性檢驗(yàn)，并繪制Bland-Altman圖（圖8）；X軸為每個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的平均值，Y軸為實(shí)際數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的差值。在Bland-Altman一致性范圍之外的點(diǎn)共有6個(gè)，所以有95%的點(diǎn)在范圍之內(nèi)，即實(shí)際數(shù)值和理論數(shù)值的一致性較好。本樣本的標(biāo)準(zhǔn)差為0.029 95 mm，差值絕對(duì)值的平均數(shù)為0.025 mm，接近于3D打印的每層厚度。綜上說明了這種虛擬鉆孔的導(dǎo)板的設(shè)計(jì)方式及其算法有很高的精確性。

圖4 虛擬鉆針的設(shè)計(jì)和在虛擬預(yù)備體進(jìn)行鉆孔模擬Fig 4 Design of virtual drill and drilling simulation in virtual preparation

圖5 牙體預(yù)備導(dǎo)板的三維模型和實(shí)體Fig 5 3D model and printed object of tooth preparation guide plate

圖6 3D打印牙體預(yù)備導(dǎo)板的臨床操作步驟Fig 6 Clinical procedure of tooth preparation with 3D printing guide plate

圖7 虛擬打孔深度的散點(diǎn)圖及回歸直線Fig 7 Scatter plot and regression line of virtual drilling depth

圖8 虛擬打孔深度的Bland-Altman分析圖Fig 8 Bland-Altman analysis diagram of virtual drilling depth

2.2 實(shí)際預(yù)備與虛擬預(yù)備吻合度研究

研究本病例實(shí)際預(yù)備體和虛擬預(yù)備體的差別，對(duì)預(yù)備完成的基牙和鄰牙進(jìn)行口內(nèi)掃描，將掃描數(shù)據(jù)與虛擬預(yù)備的數(shù)據(jù)基于后牙進(jìn)行匹配（圖9），并對(duì)每顆牙唇面的頸1/3、中1/3、切1/3、切端分別測量2個(gè)三維表面的距離，以理想差值0作為對(duì)照組，對(duì)5組數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和LSD多重對(duì)比，結(jié)果顯示：切1/3和頸1/3與對(duì)照組的差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），切1/3與其余各組的差異均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。從匹配圖中也可看出，后牙牙面基本為藍(lán)色，匹配效果較好，有一側(cè)后牙為綠色，由長牙弓口內(nèi)掃描產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致；預(yù)備基牙的偏差與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果一致，主要出現(xiàn)在切緣線角處。

圖 9 實(shí)際預(yù)備與虛擬預(yù)備匹配偏差分析Fig 9 Analysis of deviation between actual preparation and virtual preparation

3 討論

本文講述了一種新的備牙引導(dǎo)技術(shù)：數(shù)字化定深孔導(dǎo)板引導(dǎo)的精準(zhǔn)牙體預(yù)備技術(shù)，通過把牙體預(yù)備的操作轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)上，再在計(jì)算機(jī)上用虛擬的預(yù)備體指導(dǎo)實(shí)際臨床的預(yù)備操作。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：術(shù)前預(yù)設(shè)計(jì)，基牙、預(yù)備體和修復(fù)體三者的數(shù)量關(guān)系和空間關(guān)系完全量化和可視化，而且可以從各個(gè)角度進(jìn)行調(diào)整修改；通過備牙導(dǎo)板的設(shè)計(jì)，把數(shù)字化的虛擬向?qū)嶓w轉(zhuǎn)換，把臺(tái)前的操作轉(zhuǎn)移到了幕后，而且大大減少了臨床操作時(shí)間，降低了醫(yī)生操作難度。通過測試分析，本技術(shù)中備牙導(dǎo)板的鉆孔設(shè)計(jì)及其算法非常精準(zhǔn)，可以認(rèn)為每一個(gè)孔都精確地止于虛擬預(yù)備體的空間位置。因此當(dāng)導(dǎo)板戴到位，實(shí)際車針長度準(zhǔn)確的情況下，實(shí)際的鉆孔深度可以非常精準(zhǔn)。

在實(shí)施上述技術(shù)過程的基礎(chǔ)上，可根據(jù)不同實(shí)際情況進(jìn)行一些細(xì)節(jié)的改變：1）在虛擬預(yù)備前，可以CBCT建?；蛲ㄟ^研究數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出牙髓、牙本質(zhì)的三維圖形，虛擬預(yù)備中能得到更好的提示，在嚴(yán)重傾斜或扭轉(zhuǎn)的活髓牙病例中，能更好防止穿髓，貼面病例中也可以更好實(shí)現(xiàn)釉質(zhì)粘接；2）鉆針可以進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)止停裝置，鉆孔操作時(shí)更方便；3）在保證強(qiáng)度的前提下，導(dǎo)板可采用更多的鏤空設(shè)計(jì)，提高沖水冷卻的效率；4）可以使用更細(xì)的車針，設(shè)計(jì)更多的鉆孔，可以更好指導(dǎo)臨床預(yù)備，但是會(huì)增加臨床操作時(shí)間。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。