全口義齒牙列基托分體數(shù)字控制加工后裝配粘接精度的定量評價

王 函，呂培軍，王 勇，孫玉春

(北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院，口腔醫(yī)學數(shù)字化研究中心，口腔修復教研室 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術和材料國家工程實驗室 口腔數(shù)字醫(yī)學北京市重點實驗室, 北京 100081)

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·論著·

全口義齒牙列基托分體數(shù)字控制加工后裝配粘接精度的定量評價

王 函，呂培軍△，王 勇，孫玉春

(北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院，口腔醫(yī)學數(shù)字化研究中心，口腔修復教研室 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術和材料國家工程實驗室 口腔數(shù)字醫(yī)學北京市重點實驗室, 北京 100081)

目的：定量評價全口義齒牙列基托分體數(shù)字控制加工后的裝配粘接精度，為臨床應用提供參考。方法：用Activity 880牙頜模型三維掃描儀獲取標準無牙頜石膏模型及牙合托三維數(shù)據(jù)，用本課題組自主研發(fā)的全口義齒計算機輔助設計(computer aided design，CAD)軟件設計上頜總義齒CAD數(shù)據(jù)Data1。用Imageware 10.0、13.2軟件(西門子，德國)及Geomagic Studio軟件將基托與牙列結(jié)合部設計為無倒凹固位釘形態(tài)，設定固位釘端面處基托與牙列間隙為0 mm，其余部分預留0.05 mm粘接劑間隙，得到牙列、基托CAD數(shù)據(jù)Data2和Data3。用Zenotec T1 5自由度切削機及其配套的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)可切削樹脂盤分別加工牙列和基托，其中牙列分為雙側(cè)后牙區(qū)段和前牙區(qū)段3個部分進行加工，在基托對應區(qū)域就位后用滬鴿自凝樹脂分別粘接。掃描獲得義齒整體三維表面數(shù)據(jù)Data4，用多點對齊和注冊器命令將Data2、Data3分別對齊于Data4獲得Data5，提取出Data5中Data2、Data3結(jié)合部形態(tài)中原本設計牙合齦方向上間隙為0 mm的部分數(shù)據(jù)，用3D偏差分析工具檢測該部分間隙量的大小，獲得牙列、基托裝配后的平均間隙量，定量評價裝配粘接精度。結(jié)果：Data2和Data3的平均間隙量為：左后牙區(qū)段(0.44±0.04) mm，最大偏差值0.52 mm，最小偏差值0.29 mm；右后牙區(qū)段(0.52±0.07) mm，最大偏差值0.64 mm，最小偏差值0.28 mm；前牙區(qū)段(0.60±0.10) mm，最大偏差0.81 mm，最小偏差0.40 mm；牙列與基托整體平均粘接裝配精度為(0.52±0.10) mm。結(jié)論：將全口義齒牙列基托結(jié)合部設計為無倒凹固位釘形態(tài)并將牙列分為3個區(qū)段時，可將分體數(shù)字控制加工的牙列與基托之間的裝配粘接誤差控制在0.5 mm量級，探索了全口義齒計算機數(shù)字控制加工路線，雖然精度在咬合方向上還有進一步改進的空間，但證明了擁有個性化咬合的全口義齒數(shù)字加工技術路線可行。

義齒，全口；計算機輔助設計；牙列；義齒基托

近年來，口腔固定修復的計算機輔助設計/計算機輔助制造(computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM)技術應用廣泛，該技術在提高臨床修復效率、效果，減少醫(yī)技人員的勞動強度，弱化醫(yī)技人員個人經(jīng)驗、技巧等主觀因素帶來的影響等方面效果肯定。

全口義齒造型繁雜，構(gòu)成材料復雜多樣，很難用單一設備和工序制造完成，相關的數(shù)字化技術研發(fā)相對緩慢，目前主要集中于數(shù)據(jù)獲取、CAD等方面，義齒直接數(shù)字化加工成形方面尚未取得突破性進展[1-4]。

從1994年開始，眾多研究者對全口義齒的數(shù)字控制加工技術進行了探索研究，但都無法體現(xiàn)出數(shù)字加工的生理個性化咬合、加工的精確性和便捷性等優(yōu)點[5-10]。

本實驗為解決上述問題，設計了一種全口義齒數(shù)字化加工技術路線，并對其加工后的粘接裝配精度進行了定量評價，旨在為將來的應用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設備及軟件

主要實驗設備有Activity 880牙頜模型三維掃描儀(掃描精度20 μm)、Wieland公司Zenotec T1 5+2自由度切削機(切削精度20 μm)及其配套的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)切削樹脂盤。主要軟件有本課題組自主研發(fā)的第一代全口義齒CAD軟件，Imageware 10.0、13.2軟件(西門子，德國)，Geomagic Studio/Qulify 2013(Geomagic公司，美國)。計算機硬件為Intel?CoreTMi5-3550處理器，內(nèi)存8 G，硬盤1 T，優(yōu)派VG920彩色顯示器。樣本為標準無牙上頜石膏模型1個。

1.2 CAD數(shù)據(jù)的獲取

用Activity 880牙頜模型三維掃描儀取得標準無牙頜上頜石膏模型數(shù)據(jù)Data0及其牙合托蠟型的掃描數(shù)據(jù)。

1.3 全口義齒的CAD

將掃描獲得的無牙頜石膏模型和牙合托蠟型數(shù)據(jù)進行對齊，用本課題組自主研發(fā)的全口義齒CAD軟件完成上頜標準無牙頜模型全口義齒的設計，數(shù)據(jù)為Data1(圖1)。

1.4 牙列基托結(jié)合部無倒凹固位釘形態(tài)設計

在得到的上頜牙列CAD數(shù)據(jù)和基托CAD數(shù)據(jù)的基礎上，將上頜牙列分為3個區(qū)段，即兩個后牙區(qū)段和一個前牙區(qū)段，人工牙列將以類似聯(lián)冠方式分為3部分，分別就位粘接以增加人工牙與基托的粘接強度和降低粘接操作的復雜程度。

使用成品人工牙原始數(shù)據(jù)，去除原蓋嵴部數(shù)據(jù)，根據(jù)牙列上每顆人工牙的形態(tài)、大小、空間位置的不同在牙與基托的蓋嵴部(即牙與基托結(jié)合部位)進行無倒凹固位釘三維形態(tài)設計。人工牙以錐度為10°，中心線為牙長軸的倒錐形體插入基托中，基托在蓋嵴部的中央由基托向人工牙內(nèi)部分伸出一個錐度約為10°的錐臺形結(jié)構(gòu)，每個區(qū)段中錐臺中心線皆平行，改良蓋嵴結(jié)構(gòu)與基托的粘接間隙設計為0.05 mm，在錐臺形結(jié)構(gòu)的上底面，粘接劑厚度為0 mm，作為人工牙區(qū)段牙列的就位終止區(qū)。

完成牙列和基托CAM前的形態(tài)設計，經(jīng)過改良設計的牙列數(shù)據(jù)為Data2(圖2A)，基托數(shù)據(jù)為Data3(圖2B)，針對結(jié)合部的設計并未改變牙列冠部及基托磨光面的形態(tài)，故兩者合成的數(shù)據(jù)外形同Data1。

1.5 數(shù)字控制切削和粘接

用Wieland公司的Zenotec T1 5自由度切削機及其配套的PMMA切削樹脂盤分別加工出牙列和基托，其中牙列的數(shù)字控制切削順序依次為左后牙區(qū)段、右后牙區(qū)段，最后是前牙區(qū)段。在裝配時，左后牙區(qū)段無需調(diào)磨便可順利就位，無翹動、轉(zhuǎn)動；右后牙區(qū)段少量調(diào)磨牙齦乳頭尖銳部分及基托錐臺結(jié)構(gòu)與下底面連接的過渡區(qū)域后可順利就位，無翹動、轉(zhuǎn)動；前牙區(qū)段的調(diào)磨量較右后牙稍多，就位無翹動、轉(zhuǎn)動。調(diào)磨過程中基托上的錐臺形結(jié)構(gòu)的上頂面及對應牙列的頂面不進行調(diào)磨，后用自凝樹脂(滬鴿齒科材料有限公司)將牙列和基托粘接(圖3)。

2A, the 3D data of the dentition; 2B, the 3D data of the baseplate.

圖1 上頜全口義齒設計數(shù)據(jù)總體觀 圖2 上頜全口義齒設計數(shù)據(jù)
Figure 1 The overview of the final 3D data of the complete denture Figure 2 The final 3D data of the complete denture

A, the fabrication of the baseplate finished; B and C, the fabrication of the dentition finished; D, the complete denture after cemented.

圖3 牙列基托的數(shù)字控制加工
Figure 3 The fabrication of the dentition and the baseplate

1.6 所加工義齒掃描數(shù)據(jù)的獲取

掃描儀獲取所加工的全口義齒三維表面數(shù)據(jù)Data4。

1.7 數(shù)據(jù)對齊

將牙列設計數(shù)據(jù)Data2對齊于Data4的牙列上，以牙冠部分為共同區(qū)域進行注冊，在牙冠上選取較為清晰、明確的牙尖頂點和中央窩最低點為標記點。將Data3對齊于Data4上，以基托磨光面和組織面為共同區(qū)域進行注冊，將基托上頰側(cè)韌帶和唇系帶等明確的凹陷頂點作為共同標記點。

Zenotec T1的加工精度為20 μm，加工精度較高，Data2和Data4中牙冠部分與Data3和Data4中基托的磨光面和組織面這些共同區(qū)域?qū)R效果較好。將Data2與Data3聯(lián)合為Data5，提取出Data5中Data3中基托錐臺結(jié)構(gòu)上頂?shù)那婕癉ata2中牙列基托結(jié)合部改良型態(tài)對應的曲面結(jié)構(gòu)(原始設計數(shù)據(jù)Data2和Data3中，該對應的兩曲面間隙為0 mm)，用Imageware 13.2檢驗各個牙及各個區(qū)段牙列的3D偏差，以定量檢測出粘接裝配后兩者的間隙量大小。

2 結(jié)果

左后牙區(qū)段的平均間隙量為(0.44±0.04) mm，最大偏差值0.52 mm，最小偏差值0.29 mm；右后牙區(qū)段為(0.52±0.07) mm，最大偏差值0.64 mm，最小偏差值0.28 mm；前牙區(qū)段為(0.60±0.10) mm，最大偏差值0.81 mm，最小偏差值0.40 mm；牙列與基托整體平均粘接裝配精度為(0.52±0.10) mm(表1、圖4)。

表1 牙列與基托粘接成形后錐臺形結(jié)構(gòu)上頂面偏差量Table 1 The average clearance measurements between the dentition and the baseplate

3 討論

目前數(shù)字化制造技術已經(jīng)可以直接應用于固定修復中的冠、橋、嵌體等和局部可摘義齒的金屬支架和鑄造用支架的加工和制作，而全口義齒的研究集中于3D數(shù)據(jù)的獲取和CAD軟件的開發(fā)，現(xiàn)在也出現(xiàn)了幾套系統(tǒng)的全口義齒系統(tǒng)，如加拿大的Avadent，丹麥的3shape及本課題組自主開發(fā)的全口義齒CAD軟件，但是全口義齒的直接數(shù)字控制加工方法及其效果尚不明確。

本研究針對牙列基托分體數(shù)字控制加工后裝配粘接成形這種技術路線，將牙列基托結(jié)合部設計為無倒凹固位釘式三維形態(tài)。有研究表明，通過此種改良設計，可以提高分體數(shù)字控制加工完成的牙列基托之間的裝配粘接精度，誤差在0.5 mm左右，明顯高于既往的研究結(jié)果，同時，此種路線避免了成品人工牙無法體現(xiàn)全口義齒CAD軟件對牙列平衡牙合設計結(jié)果的缺陷，有望減少戴牙時復雜的調(diào)牙合程序時間，降低特殊牙合型的制作成本。數(shù)字控制加工的方法也簡化了加工程序，使傳統(tǒng)人工排牙、制作蠟型、制作型盒、加壓裝膠、開盒等工序簡化為高度自動化的計算機排牙設計基托、數(shù)字控制成形、粘接，大大簡化了醫(yī)技人員的工作強度。

A, the right upper first molar (16); B, the left upper molars; C, the right upper molars; D, the upper anterior teeth; E, the 3D deviation analysis of all the upper teeth.

圖4 軟件分析3D偏差
Figure 4 The analysis of the 3D deviation

本實驗采用的數(shù)字控制切削方式將牙列和基托分別加工，為了使牙列能夠順利與基托裝配，將人工牙的蓋嵴部做了改良設計，為減小操作的復雜程度，將牙列分為3個區(qū)段，即兩個后牙區(qū)段和一個前牙區(qū)段，檢測用本法制作的全口義齒牙列和基托的裝配精度。

CAM的方式主要有兩大類，即加法制作和減法制作，加法制作的代表為快速成型，而減法制作的代表為數(shù)字控制切削。本實驗選用的是數(shù)字控制切削的加工方式，因為這樣可以避免在成型過程中由于固化反應等造成的收縮或是變形，從而影響其加工后的精度。使用的掃描儀和數(shù)字控制加工設備是Activity 880牙頜模型三維掃描儀，其掃描精度為20 μm，Wieland公司Zenotec T1 5+2自由度切削機，其切削精度為20 μm，精度較高，達到臨床固定修復技術的要求。

從軟件的3D偏差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，牙列基托的平均粘接裝配偏差為(0.52±0.10) mm，最大可達0.81 mm。分析基托與牙列在裝配精度未達到理想狀態(tài)的可能原因為：左后牙的偏差最小，其次是右后牙，然后是前牙，與數(shù)字控制加工的順序一致，在切削過程中，車針的耐久度下降得較快，故可能是在加工的過程中，隨著車針耐久度下降其切割刃變鈍，使所加工的物件精度有所下降，而順利就位對錐臺狀結(jié)構(gòu)要求的精度較高，所以這種差別就表現(xiàn)得尤為明顯。再次重新加工，改變加工順序，將左后牙、右后牙、前牙的順序改為右后牙、前牙、左后牙后，裝配過程中前牙的就位效果仍然稍差，而雙側(cè)后牙的裝配效果較好，雙側(cè)后牙均無需調(diào)磨便可就位，前牙的調(diào)磨量仍比雙側(cè)后牙大，因此調(diào)整了加工順序，保證車針耐久度可以使其精度保持在較高水平。

前牙的精度誤差較大可能是由于前牙直徑較小，其固位結(jié)構(gòu)也要變小，所加工結(jié)構(gòu)越小在裝配時對精度的要求越高，且前牙的牙齦乳頭等結(jié)構(gòu)較后牙更為高聳，邊緣銳利，給就位帶來了難度，而T1切削時所用到的車針中直徑最小的為1 mm，某些細節(jié)(如錐臺形結(jié)構(gòu)與底面過渡的折角處)無法完全實現(xiàn)。因側(cè)切牙的直徑較小，無法滿足使設計數(shù)據(jù)的所有區(qū)域均大于1 mm的要求，故側(cè)切牙上并未設計固位結(jié)構(gòu)。

目前尚未見相關文獻探討全口義齒在制作過程中所取的上、下頜關系與最終制作的義齒修復體在牙合面的精確度為多少是臨床可接受的范圍，但根據(jù)臨床全口義齒的調(diào)合中所使用的咬合紙厚度約為0.1 mm可推斷，差距在0.1 mm之內(nèi)為比較理想的狀態(tài)，故本實驗的牙列基托分體切削后粘接成形方法中，牙列和基托二者的裝配精度還有待改進。

數(shù)字化技術應用于全口義齒的加工的確可以大幅降低全口義齒工藝的復雜程度，減小由于技師經(jīng)驗所造成的全口義齒質(zhì)量偏差，增加全口義齒加工的精確度，并可以更好地把醫(yī)師所設計的特殊咬合關系、牙合面形態(tài)體現(xiàn)在義齒修復體上。

本研究結(jié)果表明，牙列基托分別數(shù)字控制切削后粘接成形的方法效果還不夠理想，尚待進一步優(yōu)化CAD設計及改良加工的技術路線，使牙列和基托能夠擁有更高的粘接裝配精度。

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(2015-01-23收稿)

(本文編輯：任英慧)

Quantitative evaluation of fabricating complete denture by computer numerical control in manufacturing dentition and baseplate separately plus adhesive molding

WANG Han, LU Pei-jun△, WANG Yong, SUN Yu-chun

(Center of Digital Dentistry, Faculty of Prosthodontics, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China)

Objective：To quantitatively evaluate the assembly precision of fabricating complete denture by computer numerical control (CNC) in manufacturing dentition and baseplate separately plus adhesive molding. Methods: The 3D surface data of a standard edentulous maxilla plaster cast model and the temporary base-plate were obtained using an Activity 880 3D scanner. The data (data1) of a complete denture were designed using a set of computer aided design (CAD) software developed by the research group of this study. The pins without undercut were designed as 3D shape of the joining area of the dentition and the baseplate by using the software of Imageware 13.2 and Geomagic Studio 2013. Zero in the top and 0.05 mm in the rest surfaces of the retention pins were set for adhesive clearance. Zenotec T1 (5-axis milling machine) was employed to manufacture polymethyl methacrylate (PMMA) dentition and baseplate. Double sides posterior and one anterior “union teeth” were got. The teeth were inserted into the retention pins in the baseplate and cemented with self-curing resin (Huge Dental Material Co., Ltd). The denture was scanned with the 3D scanner to obtain dataset Data4. Data2 and Data3 registration was set in Data4, Data2 and Data3 were united to gain Data 5. The adhesive clearance on the top of the retentional pins was measured, which was originally designed into 0 mm, and the assembly precision of dentition and baseplate obtained. Results: The average clearance measurements between the dentition and the baseplate: left molar teeth (0.44±0.04) mm, max 0.52 mm, min 0.29 mm; right molar teeth (0.52±0.07) mm, max 0.64 mm, min 0.28 mm; anterior teeth (0.60±0.10) mm, max 0.81 mm, min 0.40 mm; total average clearance (0.52±0.10) mm. Conclusion: The adhesive clearance can be controlled to the level of 0.5 mm when the joining part of the artificial teeth and the base was designed into the shape of retentional pins and the artificial dentition divided into 3 parts. We succeeded in using the CAD/ computer aided manufacturing (CAM) technology to fabricate the complete denture. Although the assembly precision of the dentition and the baseplate is not perfect, the results have proved that the technical routes are workable.

Denture, complete; Computer-aided design; Dentition; Denture bases

國家自然科學基金(81271181)、國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃, 2013AA040801)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (81271181) and the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program, 2013AA040801)

時間：2016-9-5 9：24：12

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4691.R.20160905.0924.008.html

R783.6

A

1671-167X(2016)05-0884-05

10.3969/j.issn.1671-167X.2016.05.025

△Corresponding author’s e-mail, kqlpj@bjmu.edu.cn