数字化技术在我国口腔正畸学领域的应用现状及展望

2017-1-13 10:01  来源:中华口腔医学杂志
作者:周彦恒 阅读量:467

    计算机三维数字化技术的发展,为口腔正畸的诊断设计及矫治带来了革命性改变。采集患者软硬组织的三维影像数据,进行诊断分析及治疗预测,最终实现矫治系统的个性化制作,将成为三维数字化正畸的发展方向。目前,我国口腔正畸领域的数字化进程还处于起步阶段,这主要与患者诊断数据资料分散繁杂、治疗效果依赖手工操作技巧以及疾病诊断设计过多依赖医师经验且正畸医师数量严重不足相关。

    正畸治疗的全过程包括患者资料收集、分析诊断、牙齿及颌面矫治、疗效评价、保持和随访等。数字化正畸涉及模型、面像、影像、诊断技术、制造技术及测量技术的数字化等多个方面,需要各环节紧密结合。归纳起来可分为诊断资料数字化、诊疗设计数字化和基于数字化技术的正畸治疗方法。现就以上几个方面在我国口腔正畸领域的应用进展加以评述。

    一、数字化诊断资料

    1.数字化模型:

    快速、精确的数字化印模采集是数字化诊疗成功的前提与基础,与传统石膏模型相比,数字化模型最突出的优点是储存方便、节省空间、不易损坏以及信息交流便利。

    数字化模型的获取方式诸多,从早期的针触机械测量、近景立体摄影测量、摩尔云纹测量法、数字散斑相关法,到激光三维扫描技术、结构光扫描技术、层析扫描技术、CT扫描技术,再到近年发展的口内扫描方式,精确性和便利程度均大大提升。特别是口内扫描技术,其通过将扫描设备伸入患者口内直接扫描测量牙体及相关软硬组织,实时获取数字化模型;避免了印模制取过程中由材料变性引起的模型变形、面气泡等问题,同时避免了印模材料的使用,减轻了腭裂患者印模制取时异物吸入的风险;数据获取更直接,无需翻制石膏模型;将激光扫描硅橡胶印模或模型改为直接生成和传输数字化模型以用于数字化诊断设计,提高诊疗效率的同时也节约了临床时间和耗材成本。然而口内数字化印模目前仍存在较多技术难点,如口内扫描时头部移动和口内唾液、舌等因素可影响图像采集质量;此外,与口外扫描设备不同,口内扫描采集系统坐标系的改变可在一定程度上影响图像的拟合重建,但其对口内扫描模型的重建精度和临床应用的影响尚需继续探讨。

    2.三维数字化面像:

    正畸治疗的首要目标是美观,其最直接的表现是面部软组织的改变,以往多用二维数码照片进行对比分析,但面部三维结构映射为二维照片后,部分结构可因视角问题产生变形。目前,面部软组织三维特征的研究方法已由普通相机采集资料、手工测量发展为数码相机拍摄、动态录像和计算机分析。面部三维成像技术中光学非接触式三维测量方法更适用于面部成像,如莫尔云纹法、投影光栅位相轮廓测量法、激光光带法、单目视觉法、双目立体视觉法等。其中结构光光栅人脸扫描可在0.2 s内获取面部软组织的全部三维数据,其成像过程简单、成像时间短、有利于瞬间表情的捕捉、光源安全、无需额外防护。

    3.锥形束CT在颅面三维资料获取方面的应用:

    相比传统影像学手段,锥形束CT提升了医师的观察视野和范围,不再局限于牙列和颅面骨骼,可清晰显示气道、神经管、颞下颌关节以及颌面部软组织等结构。相比传统CT,锥形束CT能以较低的辐射剂量获取更多、更清晰的颅面结构信息,特别是对异位牙、阻生牙的定位和牙根吸收的评估。这些是制定最终正畸方案前重要的评估项目,可对矫治方案产生巨大影响。

    通过相应软件还可将锥形束CT影像转化为目前临床常用的头颅侧位X线片和曲面体层X线片,但锥形束CT转化的头颅侧位片可因头颅左右结构的差异,如缩放比例不同、头位变化和多种颅部结构重叠,而难以做到准确的双侧重叠。另外,国内外学者尝试用锥形束CT影像直接行三维头影测量,进行相关颅颌面分析,特别是针对不对称错畸形的分析。但迄今为止,国际上尚无统一的三维头颅分析方法,目前研究主要集中于定义三维头颅测量标志点和参考系的建立上。还有部分研究将原来的二维测量项目简单复制到三维,而未验证其可靠性。

    4.多源数据资料的整合与应用:

    数字化模型与CT、MRI、锥形束CT、光栅扫描以及相关软件联合应用,可实现牙冠、牙根、颌骨、软组织、颞下颌关节运动的整合。同时显示牙冠、牙根、颅面软硬组织结构的3D颅颌面模型可有效辅助临床诊断和制定治疗计划,如将牙根平行度纳入矫治设计进行计算机虚拟排牙;在上切牙内收或控根运动时可显示上切牙牙根与上颌骨腭侧骨皮质边界的位置关系;在磨牙远中移动时显示上颌骨后段骨量;在关闭间隙、牙性或骨性扩弓时观测上颌骨颊侧骨量;显示上颌牙根与上颌窦关系以及下切牙牙根与下颌骨颊侧骨皮质关系。

    以往研究对牙齿、牙根、颌骨、面部软组织进行2~3种配准和融合,用于正畸诊断分析和演示,但包含了精确整体牙齿冠根、颅面骨骼和面部软组织的三维数字化整体模型还处于研究中,为得到更全面的整合数字化模型,比较关键的技术是使用图形图像学算法对数字化牙颌模型进行自动化分割,从而得到精确独立的牙齿三维数据,这是后续虚拟矫治的关键步骤。同时需要针对不同组织特征的影像学数据进行参数化提取;对不同精度(分辨率)数据的参数进行均一化处理;以及研究基于多特征标志点和多特征区域的三维数据配准、融合、变形算法等。

    二、数字化诊断设计

    错畸形的矫治是一个复杂的过程,正畸医师估计矫治所需间隙时,除需测量牙齿在牙弓内的拥挤度外,还应考虑Spee曲面曲度、切牙(特别是下颌切牙)倾斜度、上下牙量比以及骨面型突度等因素对间隙的影响。

    1956年Kesling提出了石膏模型诊断排牙流程,应用线锯和石蜡分割石膏模型上的牙齿,并根据X线头影测量结果对分割后的牙齿进行矫治设计和重新定位;虽然可获得重新排列后的咬合效果,但操作步骤繁琐,且仅针对牙冠进行排列,对牙根的位置和信息仅凭借曲面体层X线片和头颅侧位X线片等二维信息,最终牙齿冠根融合的咬合效果并不能反映牙齿与颅面颌骨的关系。

    随着计算机信息技术的不断发展,牙颌石膏模型也进入数字化阶段,锥体束CT等三维影像诊断手段被越来越广泛地应用,不同厂家提供了数字化模型和诊断排牙的相关服务,但同样并未完全考虑牙根信息和排列方式,忽视了影响稳定和功能的关键因素。这些治疗理念仅局限于牙齿,更确切地说是牙冠,而忽略了牙根与基骨的关系以及牙与唇等软组织的关系。同时包含牙冠数据、锥形束CT牙根及颌骨信息的多源整合数字化模型能在较大程度上解决以往排牙中存在的问题,避免发生骨开窗、骨开裂,使排牙更符合个体解剖生理特征。

    然而,排牙过程中医师常通过手动调整个别牙齿的三维空间坐标以实现虚拟诊断排牙,或由工程技术人员完成排牙操作,这种交互式手动排牙法有较大的局限性和随机性,其误差大、精度不够,可引入较多人为误差,不能较好地应用于天然牙排牙。未来的虚拟排牙不但应考虑牙冠,还应考虑牙根、平面、颅颌面关系以及颞下颌关节功能运动。但对于这些因素的相互关系,还需进行广泛的临床研究,同时应将正畸治疗目标准确量化为计算机算法用于自动化正畸诊断排牙,这需要正畸医师和软件专家协同解决。

    另外,对于正畸治疗后牙列和颌骨位置变化引起的面部软组织三维变化,一直是数字化诊断治疗研究的热点和难点,如何进行合理有效的虚拟变形,学者们通过有限元方法进行了有益的尝试,但仍需大量临床数据模型进行验证,从而提取关键参数和变形方程,增加个体适用性和个性化程度。

    数字化技术与正畸-正颌联合治疗紧密结合,充分体现于术前正畸的去代偿程度、正颌手术术前模拟、术中精确定位、实时导航、术后精细调整等方面,通过虚拟治疗选定最佳的治疗方案,可使矫治及颌面外科手术更精确。制作个性化假体、咬合导板等,可大大提高正畸-正颌的可预见性和精度,改变模型外科繁杂的操作流程和不确定性,使患者能知晓疗效,积极配合手术和正畸,从而获得理想的手术及矫正效果。

    三、基于数字化技术的正畸治疗方法

    现代正畸矫治技术主要包括唇侧、舌侧和无托槽隐形矫治三大类。数字化技术的引入,使得各类正畸矫治技术都得到了飞速的发展,涌现出较多有创新性的热点研究领域。

    1.数字化间接粘接及个性化矫治器的制作:

    托槽和正畸弓丝的定位决定了正畸中牙齿的位置,间接粘接以其准确的托槽定位和大大缩短的临床椅旁时间赢得了广大正畸医师的青睐,但相对繁琐的转移托盘制作过程和实验室步骤又使其发展相对受阻,而在数字化诊断设计和虚拟排牙指导下的托槽定位和间接粘接托盘的转移与制作可极大节省以往实验室步骤的时间;应用3D打印技术直接生产转移托盘可避免多次转移造成的材料塑形形变和误差累计,提高间接粘接托盘的精确性;更关键的是,以最终咬合状态为指导的托槽定位将超越任何托槽定位方式,最大限度地实现"精准医疗"的理念,将医师的诊断设计和矫治方案完整地通过托槽定位和个性化弓丝形态实现。

    随着矫治技术的进步,人们越来越意识到以平均解剖为基础的预成矫治器并不适用于所有的牙弓与牙齿,矫治中还需进行大量的临床补偿,这些工作降低了临床效率,影响了矫治质量。个性化设计矫治器的需求与概念体现了矫治理念的先进性,基于个性化虚拟排牙数据文件,按各牙最终位置设计矫治装置、同时形成个性化弓丝是个性化数字正畸的基本理念。其中德国的Incognito和韩国的Orapix舌侧矫治器系统较有代表性,但针对唇侧正畸数字化服务却较少。唇侧矫治占固定矫治患者的99%以上,若能将个性化生产技术用于唇侧矫治技术,则可造福于更多的正畸患者。金属3D打印机的出现和使用为个性化托槽制作提供了可能。

    2.隐形矫治技术:

    早在1945年,美国Kesling医师就报道了使用硬橡胶制作的覆盖式矫治器移动牙齿。无托槽隐形矫治在此基础上充分结合计算机辅助设计与辅助制作(computer aided dising and computer aided manufacture,CAD/CAM)技术而最终研制成功。这项技术创新性地将计算机三维技术和3D打印技术应用于正畸治疗中,其中诊断性排牙是个性化矫治器设计的关键。自1997年美国Align公司提出隐性矫治技术以来,虚拟排牙开始被广泛用于临床,其集中体现了数字化正畸的工作流程。隐形矫治以其便捷、美观、舒适、可预测的特点赢得了相当一部分医师和患者的青睐,国内外学者也在隐形矫治的适应证扩展、附件作用原理和设计应用规则以及生物力学机制等方面进行了大量研究。相信不久的将来,随着这项技术的不断进步与完善,将有越来越多有正畸需求的人群从中获益。

    四、展望

    数字化正畸立足于客观、定量、自动化的精准医疗理念,应用数字化、自动化和智能化的软硬件手段辅助医师完成高精度、个性化的诊疗操作,将彻底改变口腔正畸的现在与未来。目前我国口腔正畸领域存在地区差异化严重、治疗效果难以控制以及国产中高端数字化技术及相应的成熟产品严重缺乏等问题,而数字化技术在正畸领域的应用越来越引起医师的关注,不仅因其可提高临床工作效率、节省空间成本,同时还可提高诊断治疗的精确性并加强不同地区间合作,有利于提高整体行业水平;因此,建立一套完整、规范的口腔正畸数字化诊疗流程和标准势在必行。通过网络平台建立错畸形的远程诊断、设计、治疗、矫治过程监管反馈的新型正畸诊疗模式,推动我国口腔正畸诊疗技术的数字化进程和发展,提高口腔正畸治疗水平,实现全国乃至世界范围内的优秀正畸医疗资源共享,是数字化正畸的最终目标,我国的口腔正畸事业也必将引领未来的世界潮流。

编辑: 陆美凤

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