三维数字化牙颌模型在口腔正畸学中的应用

综　　述三维数字化牙颌模型在口腔正畸学中的应用

彭佳美,严　斌　综　述,王　林,赵春洋　审　校

文章编号:1674-1595(2008)02-0110-02　　中图分类号:R78　　文献标志码:A　　关键词:牙颌模型;三维重建;正畸学

　　Keywords:dentalcasts;three-dimensionalreconstruction;orthodontics　　现代口腔正畸学创建100多年来,牙颌模型作为正畸患者病案记录的重要组成部分,能客观完整地记录牙、牙弓、腭及基骨的形态位置等信息,也是反映错牙合畸形患者真实三维解剖结构的唯一途径。模型的测量分析及相关检查是错牙合畸形诊断和矫治设计的主要依据;同时,不同治疗阶段的研究模型可用来观察记录矫治进展情况和判断最终疗效。随着科技的发展,石膏模型已很难满足正畸医师快速准确地测量数据和进行可视化预测治疗的需求。基于此,三维数字化牙颌模型应运而生并得到了不断完善。1　牙颌模型数字化三维重建的主要方法

1.1　莫尔云纹法(MoiréTopography)　莫尔云纹法是一种获得任意形状物体等高线的非接触性光学方法,于1970年由Meadows等[1]发明。其原理为两组周期性栅格重叠在一起,非接触地产生包含物体表面三维信息的等高线图像,经计算机获取和分析而实现三维重建。但该法不适于过陡平面,且灵敏度较低,因而多用于无牙颌模型的研究;而有牙颌模型形态变化复杂,该法应用受限。

1.2　数字散斑相关法(DigitalSpekleCorrelationMethod)　数字散斑相关法是利用随机分布的散斑场中散斑颗粒因被测物体的高度变化而产生一定形变,经计算机分析处理而获得物体表面的三维坐标。张修银等[2]通过测量牙冠各面特征点而完成牙冠的三维重建与测量。该法测量精度较高,但对邻间隙等光线弱处信息较弱。

1.3　近景立体摄影法(Stereophotogrammetry)　近景立体摄影法出现于二十世纪六七十年代。其原理为在高精度控制网的基础上从不同角度摄取对象的立体像对,再经计算机处理重建。目前主要用于颅颌面软组织三维重建,在牙颌模型分析方面也有应用。周立新等

[3]

1.4　激光扫描法(LaserScan)　激光扫描法自20世纪80年代末用于牙颌模型三维重建后得到迅速发展,其原理是应用激光三角测距法测出物体匀速螺旋旋转轴到物体表面的距离,根据检测部件的位置和距离计算出该点的三维坐标,由计算机分析处理后进行整合重建。此法的主要优点是操作简便,耗费较低,图像精度达300μm[4]。但存在对模

型过大倒凹有一定扫描盲区,且扫描速度慢等缺点[5]。近几年,国内外学者对提高激光扫描的速度和减少扫描盲区进行了尝试,取得一定成功[6]。

1.5　结构光技术(StructuredLightTechniques)　结构光技术的原理与激光扫描法相似,是采用光阵列照射模型表面,通过线阵列摄像机捕获变形光点,经计算机计算各光点坐标后整合建模。该法较激光扫描法图像分辨率高,扫描时间短,但仍存在扫描盲区。

1.6　层析式扫描法(DestructiveScan)　层析式扫描又称破坏性扫描,是一种接触性扫描方式。其采用“断面剖开与断面叠加”的形态学方法,先用铣床或磨床剖开被聚氨酯树脂包裹的石膏模型,然后采集断层面边缘轮廓二维形态信息叠加再现模型的表面立体形态,生成三维模型图像[7]。此法精度较高,可达50μm;且可同时包裹多个石膏模型进行扫描,提高了扫描速度。然而缺点也很明显,因为模型最终要被损坏,所以每个模型只能扫描一次。

1.7　CT扫描法(ComputedTomographyScan)　CT扫描的原理是用高精度CT机发射X线束扫描牙颌模型某一层面,由探测器接受后经计算机处理形成不同灰度按矩阵排列的像素图像,再将断层图像堆砌加工形成三维模型。CT扫描法有许多显著优点,不仅可扫描石膏模型,还能扫描聚乙烯硅氧烷印模和咬合记录,甚至可直接用于人体口腔扫描,且扫描范围大,一次可扫描多个模型,而无明显盲区。随着CT性能的不断提高,特别是螺旋CT的发展,以及从单层扫描向快速容积扫描的转变,使扫描速度有了极大的提高,且其精度也足以满足牙颌模型的测量分析[8]。Mac-[9]chiA等将CT扫描法与激光扫描法结合重建出上下颌包含牙根的精确的三维模型。但目前该设备投资较大,限制了此技术的应用。

建立的牙颌模型视

频立体测量系统的测量精度为0.09mm。但存在一定缺陷:首先,需两台或以上相机来获取图像数据,且口腔内实测非常困难;其次,两个立体像比较时,需要一些特征,而牙冠外形特征不明显。

作者单位:南京医科大学口腔医学研究所,江苏南京210029通讯作者:王　林,电子信箱:pjmpjm@163.com

2　三维数字化牙颌模型在口腔正畸学中的应用

2.1　记存牙颌信息的载体　三维数字化牙颌模型可生成

2008年1月第1卷第2期　　　　　　　　　　　　　　中国实用口腔科杂志耐用的图像资料而不必担心对原始模型造成磨耗或损坏,利于模型资料的保存管理,又节省空间,方便携带转运。通过三维数字化牙颌模型可很容易实现正畸治疗进展的记录观察,从任何角度、任意放大率来观测模型,同时也易于正畸医生进行病案的讨论交流,为正畸远程网上诊断和治疗提供了信息载体。这些都是以往石膏模型难以实现的。2.2　错牙合畸形的分析诊断　三维数字化模型的测量分析快速省时、操作简单、精确度高,数据易于储存且调用方便,其测量结果与传统石膏模型手工测量并无显著性差异。由

TMCADENT公司研发的OrthoCAD软件还实现了简单快捷的

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医生对牙颌面畸形作出更全面精确的判断与分析。3.3　建立三维数字化牙颌模型数据库　美国Acuscape公司正在创建一个国际颅颌面解剖数据库,通过采集每个新患者的颅颌面三维数字化模型,根据牙弓形态和错牙合类型进行分类,形成知识库,以指导正畸临床诊疗,并为教学和科研提供丰富的资料。三维数字化牙颌模型数据库的建立也是新兴的口腔正畸信息学的一项重要内容。

3.4　将虚拟现实技术应用于牙颌三维数字化重建　虚拟现实技术的不断发展为建立三维立体牙颌模型提供了可能。三维成像和建模技术的最终目标就是要建立虚拟正畸患者。与目前只能在计算机屏幕上显示三维图像相比,这种立体模型将给正畸医生和患者前所未有的真实感,不仅可看到牙颌的三维信息,更可通过触觉等其它感觉系统了解深部骨骼肌肉的三维解剖结构。若其能精确完成,可从中获取相当多的数据进行软、硬组织分析,还可提高我们对咀嚼系统、牙齿运动生物学、整形和正颌外科的理解。在不久的未来,可观测三维虚拟牙颌模型的工作台必将成为口腔正畸诊所的标准配置。参考文献

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研究与展望[J].北京口腔医学,2005,13(1):2-5.

人机对话,可通过对牙颌模型三维图像的任意旋转、平移,以及对空间任意距离、角度、牙弓或任意曲线的弧长及曲面面积等项目的测量分析,来更准确地进行错牙合畸形的诊断分析。运用计算机辅助测量工具,医生只需简单的鼠标操作就可完成复杂的测量分析工作,提高了工作效率。2.3　正畸矫治过程的三维模拟与疗效的可视化预测　根

TM据临床诊断设计的需要,还可运用OrthoCAD等软件实现

虚拟矫治过程,如计算机模拟手术,模拟牙的移动、旋转、拔除等,还可模拟托槽的定位和预成个体弓丝的形态。通过虚拟治疗来选择制定最佳治疗方案,使矫治更为精确。2.4　具有划时代意义的无托槽隐形矫治器的研制　美国Align公司制作的无托槽隐形矫治器-Invisalign,1999年以来已成功矫治了数以百万计的各类错牙合畸形。其借助CT等扫描技术将获得的口腔阴模或石膏阳模进行三维处理形成数字化模型,模拟临床矫治设计和牙齿移动的方式,进行可视化矫治,并将每个矫治阶段的三维模型快速激光成形,再在成形母模上制作压膜矫治器,具有美观舒适、高效卫生及椅旁操作时间短等诸多优点,开创了正畸矫治技术的新篇章。国内也已研制成功具有自主知识产权的无托槽隐形矫治器系统

[10]

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3　三维数字化牙颌模型的发展前景

3.1　动态三维数字化牙颌模型的建立　Hannam和Lange-nbach已开发出一种建立三维动态牙颌模型的技术,能显示患者咀嚼过程中牙颌和相关肌肉的三维运动情况,从而模拟功能活动中相关肌肉、咬合关系以及颞下颌关节的生物力学变化,分析牙颌形态结构与功能之间的不调。因该模型中包括牙齿、肌肉、颌骨以及软组织在内的所有解剖结构都是分离的,并可在人为控制下产生独立的运动,所以是真正的可互动的患者个体模型。如能投入临床常规应用,将为正畸诊断和治疗提供巨大帮助。

3.2　三维颅颌面软、硬组织模型的重建整合　颅面软、硬组织及牙颌模型任何单一组织的三维重建过程,虽然都较为精确地捕获了该部分的三维信息,但均不能全面反映颅颌面各部分之间的关系。而应用阻射线的“结点”就可高精度地将重建的颅骨、面像、牙颌模型3种数字化三维信息整合形成完整的颅颌面软、硬组织三维结构模型,帮助正畸

2008-01-02收稿　2008-01-14修回　本文编辑:杨永庆