劉一帆 鄭秀麗 王偉娜 高勃

學(xué)習(xí)園地

數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在口腔修復(fù)中的應(yīng)用

劉一帆 鄭秀麗 王偉娜 高勃

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計技術(shù)憑借精準(zhǔn)、高效等特點，已經(jīng)越來越多的應(yīng)用到口腔修復(fù)各領(lǐng)域，并且有望在未來實現(xiàn)口腔修復(fù)的完全數(shù)字化。該文將簡要介紹數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在固定和可摘義齒修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述其技術(shù)原理和設(shè)計流程；總結(jié)了常見的口腔修復(fù)數(shù)字化設(shè)計軟件的分類，并概述3D數(shù)字微笑設(shè)計的工作流程。

數(shù)字化設(shè)計； 計算機(jī)輔助設(shè)計； CAD/CAM； 微笑設(shè)計； 口腔修復(fù)

數(shù)字化設(shè)計，即計算機(jī)輔助設(shè)計，是集計算、繪圖設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通訊、信息管理等多領(lǐng)域知識于一體的高新技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，也是口腔修復(fù)CAD/CAM流程中的中間環(huán)節(jié)。利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力和圖文處理功能來輔助口腔醫(yī)師和技師進(jìn)行修復(fù)規(guī)劃、修復(fù)體設(shè)計和數(shù)據(jù)管理，極大的提高了修復(fù)體設(shè)計效率，避免了傳統(tǒng)手工制作的繁瑣流程，節(jié)省了大量的人力和時間；利用數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)對修復(fù)設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化計算與驗算，在提高設(shè)計效率的同時也提高了修復(fù)體質(zhì)量；同時，計算機(jī)輔助下的反向計劃(backward planning)方法在前牙微笑設(shè)計和種植規(guī)劃的應(yīng)用，有利于多學(xué)科間交流，也保證了修復(fù)結(jié)果的可預(yù)測性。

1 口腔修復(fù)CAD軟件介紹

目前市面上有諸多商業(yè)化的口腔修復(fù)CAD軟件，其可設(shè)計的修復(fù)體幾乎涵蓋了口腔固定義齒、可摘局部義齒、全口義齒、種植手術(shù)規(guī)劃及種植修復(fù)體、頜面贗復(fù)體等多種類型。

1.1 專用CAD軟件和通用CAD軟件

根據(jù)軟件可設(shè)計修復(fù)體類型的多寡，可分為專用CAD軟件和通用CAD軟件2 大類。前者主要用于某一種修復(fù)體的設(shè)計，如用于數(shù)字化微笑設(shè)計的NemoDSD 3D軟件(Nemotec，西班牙),用于設(shè)計可摘局部義齒的DIGISTELL軟件(C4W，法國)，用于全口義齒設(shè)計的Baltic Denture System軟件(Merz Dental，德國)，用于種植規(guī)劃、導(dǎo)板設(shè)計的SIMPLANT軟件(DENTSPLY Implants，瑞士)，功能較為單一，且兼容性較差。而通用CAD軟件則可設(shè)計臨床上常見的口腔修復(fù)體，如固定、可摘、種植修復(fù)體等，功能更為健全，其兼容性更好。

1.2 椅旁CAD軟件和技工室CAD軟件

根據(jù)面向人群的不同，可分為椅旁CAD軟件和技工室CAD軟件。椅旁CAD軟件位于口腔診室內(nèi)，主要供口腔醫(yī)師或其助手使用，多與相關(guān)的口內(nèi)掃描儀和數(shù)控切削設(shè)備高度集成，CAD軟件直接在口內(nèi)掃描儀掃描獲取的數(shù)字化工作模型設(shè)計相應(yīng)的修復(fù)體，并經(jīng)集成的CAM軟件處理后，直接由配套的數(shù)控切削設(shè)備制作出相應(yīng)的修復(fù)體，目前國際上有西諾德和普蘭梅卡2 家廠商提供完善的椅旁CAD/CAM數(shù)字化解決方案，相應(yīng)的椅旁CAD軟件分別為CEREC SW(Sirona，德國)、PlanCADTMEasy(Planmeca，芬蘭)。受口內(nèi)掃描儀、數(shù)控切削設(shè)備及可切削材料的限制，椅旁CAD軟件只能設(shè)計簡單的嵌體、貼面、冠橋、種植基臺等修復(fù)體。

技工室CAD軟件主要配備于口腔技工中心，主要面向口腔專業(yè)技師，功能更為強(qiáng)大，可設(shè)計各種臨床上常見的修復(fù)體。根據(jù)軟件是否有配套的掃描儀、數(shù)控切削可分為3 類：①擁有配套的掃描儀、數(shù)控切削設(shè)備，如Amann Girrbach公司的Ceramill系列、Sirona公司的inLab SW軟件、Planmeca公司的PlanCAD?Premium軟件、KaVo公司的multiCAD系統(tǒng)、Dental Wings公司的DWOS系統(tǒng)(激光切削)、MANI SCHüTZ公司的Tizian Creativ RT等；②擁有配套的掃描儀，如3Shape公司的Dental System、Imetric 3D SA公司的3D Scanning Systems；③僅有CAD軟件，如exocad公司的DentalCAD系統(tǒng)。

2 固定修復(fù)體設(shè)計

目前，口腔CAD軟件能夠設(shè)計的固定修復(fù)體主要有全解剖型冠橋、內(nèi)冠、框架橋、馬里蘭橋、嵌體、高嵌體、貼面、咬合貼面、套筒冠、樁核冠、臨時冠等。

2.1 設(shè)計技術(shù)和流程

對于全解剖型冠、橋、嵌體和貼面，其解剖形態(tài)的生成方法主要有3 種[1]：(1)標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)庫(圖 1)，該類CAD軟件內(nèi)置了一系列預(yù)先設(shè)計好的標(biāo)準(zhǔn)牙冠的三維數(shù)據(jù)，當(dāng)在設(shè)計時，部分軟件可根據(jù)基牙預(yù)備體的解剖形態(tài)自動挑選最佳的標(biāo)準(zhǔn)牙冠供用戶使用，也可手動選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)牙冠。此功能生成的牙冠需經(jīng)后續(xù)繁瑣的手動調(diào)整，操作較為復(fù)雜，且高度依賴于技師個人水平，目前市面上絕大多數(shù)的CAD軟件都屬于此類；(2)生物再造(Biogeneric)，此為CEREC系統(tǒng)的專利技術(shù)，其可根據(jù)基牙鄰牙及對頜牙的位置和解剖形態(tài)，自動生成符合臨床要求的修復(fù)體形態(tài)(圖 2)。該方法操作簡便，對修復(fù)體形態(tài)僅需少量調(diào)整，設(shè)計效率極高，生成的修復(fù)體形態(tài)較為自然，與鄰近牙齒較為和諧；(3)生物復(fù)制和參照，根據(jù)復(fù)制來源的不同，又可分為3 類：①從相同牙弓的對側(cè)同名牙處復(fù)制牙冠形態(tài)(圖 3)；②從診斷蠟型的掃描件、基牙預(yù)備前的牙冠形態(tài)、之前設(shè)計的數(shù)字化臨時冠處復(fù)制牙冠形態(tài)；③從當(dāng)前設(shè)計好的對側(cè)同名牙修復(fù)體處復(fù)制其鏡像。該方法操作效率亦很高，生成的修復(fù)體形態(tài)與來源牙相似度高，但面形態(tài)多不精細(xì)，常需少量調(diào)整[2]。

圖 1 標(biāo)準(zhǔn)牙數(shù)據(jù)庫 圖 2 生物再造功能 圖 3 生物參照功能

固定修復(fù)體的常規(guī)設(shè)計流程步驟如下：①為每個基牙添加牙位標(biāo)簽；②設(shè)置修復(fù)體的就位方向；③設(shè)置修復(fù)體邊緣線，該步驟對修復(fù)體的密合度有很大影響；④通過前述技術(shù)和工具設(shè)計最終修復(fù)體。對于固定橋或聯(lián)冠，還需設(shè)計連接體的形態(tài)。

2.2 數(shù)字微笑設(shè)計

數(shù)字微笑設(shè)計最早使用Powerpoint、keynote、Photoshop等平面設(shè)計軟件來實現(xiàn)2D的微笑設(shè)計，本質(zhì)上是根據(jù)前牙美學(xué)規(guī)律對患者的面部微笑照片中的前牙美學(xué)區(qū)域直接修圖，操作較為簡單，能較快的實現(xiàn)微笑設(shè)計，但其缺點甚為明顯[3]：①該方法為2D平面設(shè)計，只能為技師制作診斷蠟型提供參考，蠟型與原設(shè)計的相似程度取決于技師的個人制作水平；②該方法未考慮牙齒的整體形態(tài)、功能等因素的影響，不符合口腔修復(fù)體設(shè)計原則。

2.2.1 3D微笑設(shè)計 目前國際上已有諸多軟件能實現(xiàn)3D微笑設(shè)計功能，其設(shè)計理念和具體方法稍有不同，主要包括以下2 種方式：直接法和間接法[3]。(1)直接法的特點主要為軟件中內(nèi)置美學(xué)相關(guān)的輔助導(dǎo)線或牙齒輪廓，在該軟件中可同時完成前牙美學(xué)區(qū)的美學(xué)分析和3D形態(tài)設(shè)計。其設(shè)計流程大致如下[4](圖 4)：①向軟件中導(dǎo)入患者的數(shù)字化模型和正面微笑照；②擺正顏面，多以雙瞳線為參考，使照片中人面部的橫向參考與水平線平行，同時添加面中線和其他輔助參考線；③勾勒唇形，將患者的嘴唇內(nèi)緣勾勒出來；④將數(shù)字化模型上的上頜前牙與照片中的相應(yīng)位置對齊；⑤借助橫向比例尺和牙齒輪廓等美學(xué)輔助工具完成牙冠的解剖形態(tài)設(shè)計；⑥渲染牙色，用拾色器(color picker)從相鄰牙面上取色用以調(diào)整牙冠顏色。此外，Sirona公司的CEREC和inLab軟件通過定義16個面部特征點，可從正面微笑照生成3D面部模型，從而對設(shè)計的修復(fù)體進(jìn)行三維靜態(tài)評價(圖 5)；而3Shape公司的Dental System支持導(dǎo)入面部3D模型數(shù)據(jù)，與虛擬架相結(jié)合，可實現(xiàn)三維動態(tài)評價(圖 6)。(2)間接法的特點則在于美學(xué)分析和3D形態(tài)設(shè)計分別在不同軟件中前后完成。其流程如下：①借助keynote、Photoshop等平面設(shè)計軟件或?qū)I(yè)的2D微笑設(shè)計軟件完成前牙美學(xué)區(qū)的美學(xué)分析，設(shè)計相應(yīng)的輔助導(dǎo)線或牙齒輪廓(圖 7)；②將含有牙齒輪廓的正面微笑照和數(shù)字化模型導(dǎo)入口腔3D設(shè)計軟件并對齊，以牙齒輪廓為參考完成前牙的3D牙冠形態(tài)設(shè)計(圖 8)。

2.2.2 數(shù)字化診斷模型 上述數(shù)字化診斷模型設(shè)計完成后，還需進(jìn)行修整，添加虛擬模型底座或簡易架(圖 9)，最后通過3D打印或數(shù)控切削制作出相應(yīng)的實體診斷模型(physical diagnostic model)，用于臨床制作診斷飾面(Mock up)、指導(dǎo)備牙、指導(dǎo)冠延長術(shù)、制作臨時冠等[3]。此外，數(shù)字化診斷模型還可用于常規(guī)的口腔數(shù)字化修復(fù)流程，具體步驟如下：①導(dǎo)入未行牙體預(yù)備的數(shù)字化模型；②添加牙位標(biāo)簽；③設(shè)置修復(fù)體就位方向；④設(shè)置修復(fù)體邊緣線；⑤直接在模型對應(yīng)牙位上設(shè)計新的牙冠解剖形態(tài)；⑥對數(shù)字化模型上的基牙還可進(jìn)行虛擬備牙，按全冠要求設(shè)置肩臺形態(tài)、各牙面預(yù)備量、軸面聚攏度等參數(shù)，并生成相應(yīng)的數(shù)字化臨時冠；也可模擬拔牙并對缺牙區(qū)黏膜進(jìn)行修整，隨后在該處設(shè)計相應(yīng)的臨時橋體(圖 10)。

A： 擺正顏面并添加參考線； B： 勾勒唇形； C： 對齊模型； D： 設(shè)計牙冠； E： 渲染牙色

圖 5 面部3D模型(CEREC SW) 圖 6 面部3D模型和虛擬架結(jié)合(3Shape) 圖 7 2D微笑設(shè)計(Keynote)

圖 8 3D形態(tài)設(shè)計(NemoDSD 3D) 圖 9 數(shù)字化診斷模型 圖 10 虛擬拔除中切牙、預(yù)備側(cè)切牙并生成臨時橋

2.2.3 最終修復(fù)體設(shè)計 包括常規(guī)法和數(shù)字化法2 種設(shè)計方法：(1)常規(guī)法。臨床完成基牙預(yù)備后，常規(guī)取模翻制石膏模型，隨后在診斷模型上制作相應(yīng)的硅橡膠導(dǎo)板用于指導(dǎo)和調(diào)整最終修復(fù)體設(shè)計；(2)數(shù)字化法。制取相應(yīng)的數(shù)字化印模，通過生物復(fù)制或“重新使用設(shè)計”功能快速的將之前設(shè)計好的牙冠應(yīng)用于最終修復(fù)體設(shè)計。

3 可摘修復(fù)體設(shè)計

當(dāng)前市面上常見的商業(yè)化可摘義齒CAD設(shè)計軟件主要有SensAble公司的SensAble System、3Shape公司的Dental System、Amann Girrbach 公司的Ceramill系統(tǒng)等產(chǎn)品。其中，3Shape Dental System發(fā)展較為快速，其最新版本加入了諸多新穎且實用的功能。

3.1 可摘局部義齒

以3Shape Dental System為例，其CAD流程如下：①模型觀測并選擇合適的就位道。通過彩虹圖可了解當(dāng)前就位道方向下各軟硬組織的倒凹深度，可根據(jù)需要調(diào)整就位道；②平行填倒凹。軟件自動根據(jù)當(dāng)前就位道方向用虛擬蠟進(jìn)行平行填倒凹，通過蠟刀雕刻工具可以手動去除卡環(huán)處多余的蠟，同時可緩沖基牙齦溝和支架下方的組織凹陷，最后平滑蠟的表面；③繪制支架部件。在缺牙區(qū)設(shè)置網(wǎng)狀連接體，并繪制大連接體、鄰面板、卡環(huán)、支托及外部終止線等結(jié)構(gòu)，部分廠家的掃描儀支持紋理掃描功能，可以捕獲模型上手繪的支架輪廓線，方便設(shè)計支架；④部分軟件還支持在缺牙區(qū)添加虛擬牙冠，用于指導(dǎo)支架的設(shè)計，從而達(dá)到最佳美觀效果及穩(wěn)定性(圖 11)；還可將虛擬牙冠或其根據(jù)解剖形態(tài)修整后的牙齒與支架合并形成一個整體，并在虛擬架上觀察和調(diào)整牙冠的咬合(圖 12)；⑤預(yù)制造(圖 13)。通過厚度檢查工具查看支架的厚度，并使用雕刻工具調(diào)整支架外形，在大連接體光滑面添加橘皮樣花紋；此處可以為遠(yuǎn)中游離端的網(wǎng)狀連接體添加組織止點；對于后期運(yùn)用快速成型技術(shù)制作蠟型或樹脂熔模，此處還可添加支撐桿、鑄道及儲金池等結(jié)構(gòu)。

圖 11 手繪紋理及虛擬牙冠 圖 12 牙冠與支架合并 圖 13 支架上添加止點、花紋、鑄道

3.2 個別托盤

個別托盤是為牙列缺損或牙列缺失患者定制的印模托盤，可以更準(zhǔn)確地獲取余留牙解剖形態(tài)、牙槽嵴黏膜功能形態(tài)以及印模邊緣的準(zhǔn)確位置和形態(tài)，主要用于制取混合支持式、黏膜支持式可摘局部義齒或全口義齒的功能性印模[5]。其數(shù)字化設(shè)計流程如下：①模型觀測及填倒凹。該步驟與可摘局部義齒部分相同；②繪制托盤邊緣線。個別托盤的邊緣通常位于前庭溝底和下頜舌側(cè)黏膜反折處溝底所形成的連線向牙槽嵴方向均勻離開2 mm的地方，為邊緣整塑提供空間；另外，對于牙列缺損且后期擬使用不可逆性水膠體材料取印模者，還應(yīng)使用“緩壓”工具在牙齒表面再添加一層蠟(圖 14)；也可使用“開窗”工具設(shè)計牙槽嵴頂開窗式個別托盤，多用于下頜嚴(yán)重低平的無牙頜患者，其牙槽嵴頂表面常被覆有呈條索狀的松軟黏膜組織；③添加托盤手柄與指支托。托盤的手柄分別位于上頜、下頜前部牙槽嵴頂中線位置，指支托僅設(shè)置在下頜托盤雙側(cè)前磨牙區(qū)；如后期擬使用不可逆性水膠體材料制取印模，此處還可通過“開孔”工具在托盤上每隔5 mm左右鉆一個8 號鉆直徑大小的孔，牙槽嵴頂除外[6-7](圖 15)。

圖 14 繪制托盤邊緣并緩壓 圖 15 上頜牙列缺損個別托盤 圖 16 上下頜AMD

3.3 全口義齒

當(dāng)前國際上有AvaDent和Dentca兩家公司提供成熟的全口義齒數(shù)字化制作方案，且都能在第2次就診時完成全口義齒修復(fù)。其中，患者第1次就診時將完成數(shù)據(jù)收集(包括制取印模，記錄頜位關(guān)系，確定咬合平面，選擇牙齒形態(tài)和顏色)，第2次就診時即可完成全口義齒佩戴，部分情況下還可通過3D打印制作出全口義齒的樹脂型，用于臨床供患者試戴并評價該義齒設(shè)計[8-9]。以下以AvaDent公司為例介紹其全口義齒的數(shù)字化制作流程。

患者第1次就診時，醫(yī)師使用AvaDent公司的熱塑性個別托盤在邊緣整塑后制取硅橡膠終印模，隨后通過類似的方法用硅橡膠將配套的解剖測量設(shè)備(anatomic measuring device, AMD)固定于口內(nèi)(圖 16)，該設(shè)備包括一個下頜托盤及其光滑面上的咬合追蹤平板，一個上頜托盤，其中央有可調(diào)節(jié)觸筆，用于支撐AMD位于通過常規(guī)方式確定的咬合垂直距離處，同時作為哥特式弓的追蹤器用于獲取水平頜位關(guān)系(圖 17)，托盤前方的可調(diào)節(jié)翼板用于記錄上唇的支持形態(tài)。調(diào)節(jié)配套的平面定位尺，使其與雙瞳線平行并記錄其值(圖 18)，隨后記錄患者的面中線及笑線并挑選合適的牙齒形態(tài)，最后用咬合記錄硅橡膠將位于正確頜位關(guān)系的AMD固定住(圖 19)，同終印模一同送往牙科技工室[8-9]。

圖 17 口內(nèi)記錄頜位關(guān)系[8]圖 18 確定咬合平面[9]圖 19 頜位關(guān)系記錄和牙齒形態(tài)[8]

牙科技工室將分別掃描上下頜終印模和AMD，并將獲取的上下頜數(shù)字化模型分別擬合到AMD上的上下頜位置，從而獲得其咬合關(guān)系，隨后確定并標(biāo)記出模型的邊緣(圖 20)，形成義齒基托的組織面，根據(jù)平面和咬合關(guān)系進(jìn)行排牙(圖 21)，最后形成完整的義齒基托。完成后即可使用數(shù)控切削分別加工出人工牙和帶有相應(yīng)牙齒凹槽的義齒基托，并粘接為一體?；颊叩?次就診時將按常規(guī)方式調(diào)改和配戴義齒[8-9]。

4 結(jié)束語

最早的CEREC 1系統(tǒng)只能設(shè)計簡單的嵌體，智能化水平較低，而如今通用的口腔修復(fù)CAD軟件幾乎可設(shè)計所有臨床上常見的修復(fù)體，功能更為強(qiáng)大。然而，還存在著諸多問題，限制了口腔修復(fù)流程完全數(shù)字化的實現(xiàn)。牙列缺損或牙列缺失患者常需采用臨床常規(guī)方式制取功能性印模，無法實現(xiàn)活動修復(fù)的全程數(shù)字化；口腔修復(fù)CAD系統(tǒng)的使用高度依賴于口腔修復(fù)技師的專業(yè)知識，無法實現(xiàn)自動化設(shè)計；修復(fù)體的功能和美學(xué)性能常需通過臨床佩戴或試戴來評價，無法實現(xiàn)自動化評價和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等，以上將是未來亟待解決的問題。

圖 20 上頜模型邊緣[8]圖 21 虛擬排牙[8]

[1] Bohner LO, Neto PT, Ahmed AS, et al. CEREC chairside system to register and design the occlusion in restorative dentistry: A systematic literature review[J]. J Esthet Restor Dent, 2016,28(4):208-220.

[3] Zimmermann M, Mehl A. Virtual smile design systems: A current review[J]. Int J Comput Dent, 2015,18(4):303.

[4] 于海洋. 美學(xué)修復(fù)的臨床分析設(shè)計與實施.第1冊. 臨床分析設(shè)計[M]. 北京： 人民衛(wèi)生出版社, 2014:53-96.

[5] 馮海蘭. 口腔修復(fù)學(xué)[M]. 北京：北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社, 2013:195-198.

[6] Carr AB, Brown DT. McCracken's removable partial prosthodontics[M]. 12th. St. Louis, Missouri: Elsevier Health Sciences, 2010:226-230.

[7] 吳國鋒. 全口義齒臨床修復(fù)規(guī)范[M]. 北京： 人民軍醫(yī)出版社, 2012:23-41.

[8] Kattadiyil MT, Goodacre CJ, Baba NZ. CAD/CAM complete dentures: A review of two commercial fabrication systems[J]. J Calif Dent Assoc, 2013,41(6):407-416.

[9] Masri R, Driscoll C. Clinical applications of digital dental technology[M]. John Wiley amp; Sons, 2015: 107-120.

(收稿： 2016-12-20)

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(編號： 2015KTCQ01-90)

710032 西安， 軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室，口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心,陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室,第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科(劉一帆 王偉娜 高勃)； 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科(鄭秀麗)

高勃 029-84776469 E-mail: gaobo@fmmu.edu.cn