數(shù)字化技術(shù)在直絲弓托槽間接粘接中的應(yīng)用

鈕曄 曾蕓婷 曾悅翔 張澤宇 肖立偉

中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院口腔正畸科 長沙 410011

數(shù)字化托槽間接粘接是指對三維牙頜模型進(jìn)行數(shù)字化測量、分析及方案設(shè)計，然后利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的托槽或者定制個性化托槽，在三維模型上進(jìn)行托槽虛擬定位和排牙，再利用計算機(jī)輔助設(shè)計制作轉(zhuǎn)移托盤，將虛擬定位托槽的位置轉(zhuǎn)移至患者口中。Suresmile、Insignia、OrthoCAD iQ等都是類似的間接粘接系統(tǒng)軟件[12-14]。

1 數(shù)字化牙頜模型的應(yīng)用

數(shù)字化間接粘接需要在計算機(jī)上對三維牙頜模型進(jìn)行唇側(cè)托槽虛擬定位和排牙。因此，三維牙頜模型的獲取是利用數(shù)字化間接粘接技術(shù)進(jìn)行直絲弓矯治的前提。相比較傳統(tǒng)石膏模型，數(shù)字化三維模型數(shù)據(jù)存儲方便、不易磨損，可以在計算機(jī)上在模型的任意部位、以任意角度進(jìn)行放大縮小、旋轉(zhuǎn)、移動，在清晰的圖像上進(jìn)行線距、角距、面積等的精準(zhǔn)測量，并可以模擬矯治后的三維牙頜模型，在數(shù)據(jù)交流和分享、數(shù)據(jù)測量和分析、醫(yī)患交流上有著傳統(tǒng)石膏模型無法替代的優(yōu)勢。

數(shù)字化三維牙頜模型的獲取途徑主要有兩條：容積成像技術(shù)和表面獲取技術(shù)[15]。前者主要有電子計算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）及錐形束計算機(jī)斷層掃描技術(shù)（cone beam computed tomography，CBCT），但是所得模型精度較后者差，且易將患者暴露于輻射下；后者以激光掃描為代表，但是掃描存在盲區(qū)，影響三維重建的準(zhǔn)確性。

多數(shù)學(xué)者[16-17]認(rèn)為，數(shù)字化三維模型在測量精準(zhǔn)度上可替代傳統(tǒng)石膏模型。Ko等[18]認(rèn)為，參考數(shù)字化模型和石膏模型制定的正畸治療方案及制定方案所需的時間沒有差別。

目前，臨床上多采用激光掃描獲得數(shù)字化模型，它包括陰模掃描、石膏模型掃描及口內(nèi)掃描。Kirschneck等[19]認(rèn)為口內(nèi)掃描的可靠性、有效性和一致性均低于石膏模型掃描，但是兩者均符合臨床要求。關(guān)于陰模掃描、石膏模型掃描及口內(nèi)掃描的掃描精準(zhǔn)度的差異仍需進(jìn)一步研究探討。

由于激光掃描獲得的數(shù)字化三維模型只顯示牙冠，不包含牙根及牙槽骨，在托槽虛擬定位時參考信息不全面，無法獲得良好的牙根位置。為此，有學(xué)者[20]嘗試將CBCT掃描圖像和激光掃描的牙冠模型整合，獲得帶有牙冠、牙根、頜骨的三維數(shù)字化模型，在虛擬托槽定位時兼顧牙周狀況，保證牙根的平行及牙槽骨的厚度，避免骨開裂、骨開窗甚至牙根外露的發(fā)生。

隨著面部軟組織三維重建系統(tǒng)的完善，可以對患者牙、頜、面三維信息進(jìn)行分析診斷，評估牙冠、牙根、頜骨的空間關(guān)系，為方案制定、托槽定位等提供良好依據(jù)[21]。

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萬鳳閑等[22]對15例數(shù)字化牙頜模型分別采用含牙根信息托槽定位法和托槽高度定位法進(jìn)行托槽虛擬定位，用OrthoRx軟件形成矯治后狀態(tài)，并用美國正畸目標(biāo)評分系統(tǒng)（American board of orthodontics-objective grading system， ABO-OGS）評估矯治效果。結(jié)果顯示，含牙根信息托槽定位法在牙根平行度和牙齒排齊兩項(xiàng)指標(biāo)中扣分均小于托槽高度定位法，他們認(rèn)為含牙根信息托槽定位法的模擬矯治效果更好。

2 個性化托槽的定制

雖然直絲弓矯治器在托槽里預(yù)置了不同的軸傾角、轉(zhuǎn)矩角以及不同的托槽底厚度和形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了不同牙齒托槽的個性化，但是由于牙體解剖差異和個性化矯治的需求，很難實(shí)現(xiàn)真正的直絲弓矯治。為此，正畸醫(yī)師可以根據(jù)患者牙齒具體解剖結(jié)構(gòu)、牙齒和顱頜面結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系等對每顆牙齒設(shè)計個性化托槽，進(jìn)行細(xì)節(jié)性的調(diào)整和過矯治等。這在使用舌側(cè)托槽進(jìn)行矯治上同樣得到了體現(xiàn)[21-22]。

個性化金屬托槽多采用選擇性激光熔化技術(shù)（selective laser melting，SLM）加工成型，SLM技術(shù)的最大特點(diǎn)是成型過程中金屬粉末理論上完全熔化，成型過程幾乎不受試件復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)的限制，因此特別適合于細(xì)小、精密的口腔個性化器械的直接加工和制造[23]。

2016年，有學(xué)者[24]選取50個SLM技術(shù)生產(chǎn)的個性化托槽，在掃描電子顯微鏡放大30倍條件下與設(shè)計的托槽進(jìn)行托槽槽溝寬度和深度的測量值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

唇側(cè)個性化托槽矯治器以Insignia為代表，它將患者的掃描三維牙頜模型與CBCT數(shù)據(jù)相結(jié)合，根據(jù)患者牙齒的位置設(shè)置托槽的底板厚度、托槽軸傾，根據(jù)牙根的位置設(shè)置托槽轉(zhuǎn)矩，根據(jù)牙齒的解剖形態(tài)設(shè)計個性化的粘接導(dǎo)板，完成托槽位置的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移，充分表達(dá)托槽的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)牙齒三維方向的精準(zhǔn)控制[13]。

有學(xué)者[25]比較了直接粘接DamonQ托槽、間接粘接DamonQ托槽和間接粘接InsigniaSL個性化定制托槽的矯正效果和矯治時間。其中，矯治效果采用美國正畸協(xié)會（American board of orthodontics，ABO）差異指數(shù)及ABO模型-放射線片評價法來評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種托槽在矯治效果上無差別，但是InsigniaSL個性化定制托槽的矯正時間更短，復(fù)診次數(shù)更少。

個性化托槽底板的設(shè)計、表面處理及底板面積不同，其對應(yīng)的去粘接強(qiáng)度（debonding force，DF）和抗剪切力強(qiáng)度（shear bond strength，SBS）也不同。Insignia托槽底板為網(wǎng)格狀；Harmony托槽底板為光滑的表面；Incognito托槽底板為經(jīng)噴砂處理及表面化學(xué)涂層的不規(guī)則狀；Orapix托槽底板為復(fù)合樹脂。

韓宇等[26]采用實(shí)驗(yàn)比較了各種不同公司的個性化唇舌側(cè)托槽與預(yù)成的自鎖金屬托槽的DF和SBS，結(jié)果顯示不同系列的個性化托槽間的DF和SBS差別很大，但是所有系列的個性化托槽的DF值都大于等于預(yù)成的自鎖托槽。

3 計算機(jī)輔助制作轉(zhuǎn)移托盤

目前，臨床上常用的轉(zhuǎn)移托盤為硅橡膠轉(zhuǎn)移托盤和真空壓膜轉(zhuǎn)移托盤[27]。研究[28-29]顯示，硅橡膠轉(zhuǎn)移托盤轉(zhuǎn)移準(zhǔn)確性更高。然而，由于硅橡膠成本高、無法使用光固化樹脂粘接劑及托盤脫位困難等原因[30]，真空壓膜轉(zhuǎn)移托盤應(yīng)用更為普遍，其中以快速粘接系統(tǒng)[31]最常見。其具體操作包括：在模型牙上劃參考線并放置托槽，利用不同的粘接劑固定托槽，制作雙層透明壓膜轉(zhuǎn)移托盤，取下轉(zhuǎn)移托盤，處理牙面后，將托槽轉(zhuǎn)移至患者口中。雖然是在直視下定位托槽，但托槽的位置仍由操作者目測或手工測量決定，精準(zhǔn)性無法保證，且托盤制作步驟繁雜。因此，越來越多的正畸醫(yī)生將計算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到轉(zhuǎn)移托盤的制作中，使托槽定位精準(zhǔn)化、定量化，托盤制作簡單化。

現(xiàn)在常用的計算機(jī)輔助托盤制作有2種方式，在帶有定位托槽的3D打印牙頜模型上壓制轉(zhuǎn)移托盤或者直接用快速激光成型技術(shù)輸出軟件上設(shè)計好的轉(zhuǎn)移托盤。兩種方式都需要事先在數(shù)字化三維牙頜模型上進(jìn)行托槽虛擬定位，精準(zhǔn)度可達(dá)0.01 mm。

在實(shí)體模型上壓制轉(zhuǎn)移托盤需要先將三維牙頜模型進(jìn)行數(shù)字化排牙、虛擬定位托槽，將牙列恢復(fù)到原有排列狀態(tài)，然后將帶有定位托槽位置的三維模型3D打印出來。

目前，臨床上3D打印牙頜模型主要采用立體光刻成型（stereo lithography apparatus，SLA）技術(shù)和面曝光快速成型（digital light procession，DLP）技術(shù)，兩者都屬于光固化快速成型技術(shù)，以光敏樹脂為打印材料，精度可達(dá)0.1 mm以上，后者具有更高的成型速度，是未來快速成型技術(shù)最重要的發(fā)展方向[32]。

由于3D打印模型的精度是影響最終壓制的轉(zhuǎn)移托盤精準(zhǔn)性的關(guān)鍵，有學(xué)者對14個SLA技術(shù)打印的光固化模型上的托槽和頰面管長度和寬度進(jìn)行測量，與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)托槽的寬度和頰面管的長度和寬度大多稍大于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值，差異范圍在0.04～0.17 mm，是否會影響臨床上間接粘接轉(zhuǎn)移托盤的制作并造成托槽轉(zhuǎn)移位置誤差需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究。

直接3D打印計算機(jī)上數(shù)字化設(shè)計的轉(zhuǎn)移托盤操作更為簡單，全程均在計算機(jī)上完成，省去了實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移托盤制作的流程。

早期，Ciuffolo等[9]用快速成型技術(shù)打印出轉(zhuǎn)移托盤并成功完成了托槽的轉(zhuǎn)移。Son等[33]利用光固化成型技術(shù)打印單個的轉(zhuǎn)移托盤對一名前牙開合，輕度擁擠的安氏Ⅰ類患者進(jìn)行托槽的間接粘接，13個月后療效良好。隨著3D打印托盤的臨床應(yīng)用越來越廣，正畸醫(yī)生開始對3D打印托盤的托槽轉(zhuǎn)移精準(zhǔn)度和托槽粘接后治療效果進(jìn)行驗(yàn)證。

陳慧等[7]用激光快速成型技術(shù)輸出的轉(zhuǎn)移托盤對10名舌側(cè)矯治的患者進(jìn)行間接粘接，用Bland and Altman’s一致性分析比較托槽虛擬位置和口內(nèi)實(shí)際位置的線距和角距值，驗(yàn)證了計算機(jī)輔助設(shè)計/輔助制造（computer aided design/computer aided making，CAD/CAM）轉(zhuǎn)移托盤的轉(zhuǎn)移精準(zhǔn)性，認(rèn)為相比較傳統(tǒng)的雙層轉(zhuǎn)移托盤，光敏樹脂材料制成的托盤無收縮性和彈性，尺寸精度較高，有利于托槽位置的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移。2018年，Kim等[34]發(fā)現(xiàn)不同后牙牙尖高度對3D打印托盤轉(zhuǎn)移精準(zhǔn)性產(chǎn)生的影響并無統(tǒng)計學(xué)差異，但是后牙牙尖越高，轉(zhuǎn)移誤差出現(xiàn)頻率越大。

為驗(yàn)證托槽轉(zhuǎn)移精準(zhǔn)性不僅和托盤的3D打印精度、托盤材質(zhì)等因素有關(guān)，還和操作者轉(zhuǎn)移水平有關(guān)，Duarte等[8]對不同操作者用3D打印托盤轉(zhuǎn)移托槽位置的可重復(fù)性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)由33名不同年齡和不同正畸臨床經(jīng)驗(yàn)的正畸醫(yī)生完成，對MiniSprint Roth和BioQuick托槽進(jìn)行粘接，實(shí)驗(yàn)之前所有醫(yī)生都進(jìn)行了間接粘接訓(xùn)練。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D打印托盤轉(zhuǎn)移托槽精度符合臨床要求，年齡和臨床經(jīng)驗(yàn)對托槽轉(zhuǎn)移后的位置沒有影響，由此驗(yàn)證了不同操作者間用3D打印托盤進(jìn)行數(shù)字化間接粘接的可重復(fù)性。

在間接粘接轉(zhuǎn)移托盤的基礎(chǔ)上經(jīng)過改良，Xue等[35]在Freeform 12.0軟件中設(shè)計了一種新型的托槽定位引導(dǎo)裝置，唇面由“L”型的支架組成，分別和托槽翼的面和遠(yuǎn)中邊緣相吻合，牙齒咬合面由類似板的裝置覆蓋，將兩者相連接，當(dāng)引導(dǎo)裝置就位于牙列，托槽位置就相應(yīng)固定下來。他們利用這種3D打印的個性化托槽引導(dǎo)裝置對10位患者進(jìn)行了托槽粘接并從水平向、垂直向、近遠(yuǎn)中、軸傾、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)矩6個方向進(jìn)行了托槽轉(zhuǎn)移誤差測量，發(fā)現(xiàn)這種新型的個性化托槽引導(dǎo)裝置具有很高的托槽定位精準(zhǔn)性。這種托槽引導(dǎo)裝置保留了間接粘接提前進(jìn)行托槽虛擬定位，節(jié)省椅旁操作時間的優(yōu)點(diǎn)，又可以在粘接時去除多余粘接劑，不用考慮去除轉(zhuǎn)移托盤時引起的托槽脫落。但是對于后牙區(qū)無法在直視下定位托槽的區(qū)域，操作不如轉(zhuǎn)移托盤方便。

如今，3D打印間接粘接轉(zhuǎn)移托盤已經(jīng)成為主流研究方向，雖然已有不少臨床應(yīng)用實(shí)例并且它的轉(zhuǎn)移精準(zhǔn)性也逐漸被學(xué)者證實(shí)，然而在3D打印精度、材料性能及托盤設(shè)計方面還有很大的改進(jìn)空間。

此外，數(shù)字化定位托槽、設(shè)計轉(zhuǎn)移托盤及口內(nèi)實(shí)際運(yùn)用轉(zhuǎn)移托盤間接粘接托槽需要相當(dāng)一段學(xué)習(xí)周期，以保證數(shù)字化定位托槽的準(zhǔn)確性以及轉(zhuǎn)移托槽時托盤的完全就位等。

4 結(jié)語

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)今社會，數(shù)字化必將成為各個行業(yè)領(lǐng)域的主流發(fā)展方向?？谇徽I(lǐng)域同樣如此。目前，直絲弓矯治器是運(yùn)用最廣泛的矯治器之一，而數(shù)字化間接粘接技術(shù)使直絲弓矯治變得定量化、個性化、簡單化，讓醫(yī)生減輕臨床負(fù)擔(dān)的同時患者也享受到精準(zhǔn)化的治療，推動口腔正畸的與時俱進(jìn)，擁有巨大的臨床應(yīng)用前景。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。