锥形束CT(NewTom VGi)购自意大利NewTom公司, 大视野体素分辨率0.125 mm; 牙颌模型扫描仪(Smart Optics 880)购自德国Smart Optics公司, 扫描精度0.02 mm; 医学影像学软件(Mimics 17.0)购自比利时Materialise公司; 三维逆向工程软件(Geomagic Studio 2012)购自美国3D System公司。

本研究获得北京大学口腔医院生物医学伦理委员会批准(批准号:PKUSSIRB-201631112), 研究对象签署知情同意书。

选择来自北京大学口腔医学院口腔正畸科就诊的下颌牙列轻度拥挤患者1例, 牙列完整, 无多生牙、畸形牙和缺失牙, 无根管治疗及修复治疗牙齿病史, 常规制取印模, 翻制石膏模型, 使用Smart Optics牙颌模型扫描仪扫描下颌石膏模型获取三维数字牙列模型, 如图 1所示, 输出STL格式的三维数据, 命名为Model A。

图1

Figure 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 光学扫描获得的下颌牙列三维模型Figure 1 Mandibular 3D model from optical scanner

使用NewTom VGi锥形束CT为患者拍摄大视野正畸诊断用数字影像, 扫描时要求患者小开口, 保持上、下颌牙列有一定距离的间隙, 以便后续在软件中清晰分离出下颌牙列。拍摄完成后, 以0.125 mm的体素分辨率重建数据, 输出DICOM格式体层数据。

将DICOM格式体层数据导入Mimics 17.0软件, 应用软件阈值分割、区域增长、蒙版编辑等功能, 设定2 000~4 100 Hu的阈值范围, 并辅助手工交互修改, 提取出14颗拥有完整牙根信息的下颌牙列三维模型, 如图 2所示, 牙列模型导出为STL格式的三维模型数据, 命名为Model B。

图2

Figure 2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 CBCT数据重建的下颌牙列(含牙根)三维模型Figure 2 Mandibular 3D model (include tooth root) from CBCT data

将Model A与Model B一同导入Geomagic Studio 2012软件中, 使用软件“ 手动配准” 功能, 通过分别选取两个模型上共同牙列区域的9个特征点进行初定位, 之后由软件迭代最近点(iterative closest point, ICP)算法自动进行最优匹配完成Model A和Model B的位置配准, 配准结果如图 3所示。使用Geomagic Studio 2012软件中的“ 3D偏差分析” 功能计算Model A和Model B牙列区域(共同牙冠部分)的配准误差为(0.21± 0.23)mm, 误差平均值0.21 mm, 可以满足临床应用的精度要求, 二者牙冠部分重合度相对较好, 可以进行数据融合。

图3

Figure 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 CBCT与光学扫描牙列模型配准结果Figure 3 Registration of CBCT and optical dental model

1.4.1 模型坐标系的建立 在Model A下颌牙列模型上, 通过拾取左下中切牙近中舌侧切角点和双侧第一磨牙近中颊尖顶点, 三点建立牙合平面。中切牙近中舌侧切角点为坐标原点O, 双侧第一磨牙近中颊尖顶点连线方向为X轴方向, 牙合平面内垂直于X轴的方向为Y轴方向, 过O点垂直于XOY平面的方向为Z轴方向, Z轴正方向为牙合向, 建立如图 4所示的模型坐标系。

图4

Figure 4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 建立模型坐标系Figure 4 Creating dental model coordinate system

1.4.2 冠、龈分界线的提取 使用“ 从样条创建边界” 功能, 在Model A上依次描绘每颗牙齿的龈缘边界线, 并形成各自独立的闭环曲线, 如图 5所示。光学扫描数据牙冠唇颊侧和舌侧的龈缘线清晰易拾取, 邻牙间邻接处的龈缘边界拾取时适当沿牙齿表面偏向Z轴正方向1 mm, 以避免各闭环曲线间产生交叉, 图 6所示为提取完成的牙列模型龈缘线, 命名为Boundary A。

图5

Figure 5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 单牙的冠、龈分界线提取(红色线)Figure 5 Extracting crown-gingiva boundary (red line) of single tooth

图6

Figure 6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 牙列模型的冠、龈分界线提取(红色线)Figure 6 Extracting crown-gingiva boundary (red line) of dental model

1.4.3 冠、根分界线的生成 将边界曲线Boundary A沿坐标系Z轴负方向(根方)偏置1 mm, 使用“ 曲线投影” 功能, 在Model B的CBCT牙列模型上构建曲线Boundary A的投影曲线Boundary B, 即为本方法创建的冠、根分界线, 如图 7所示。

图7

Figure 7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 冠、根分界线的生成(橘色线)Figure 7 Creating crown-root boundary (orange line)

1.4.4 模型剪裁与融合 以Boundary A为分界线, 选取并删除Model A上沿Z轴负方向冠、龈分界线以下的数据, 仅保留高分辨率的牙冠数据, 如图 8所示。以Boundary B为分界线, 选取并删除Model B上沿Z轴正方向冠、根分界线以上的牙冠数据, 仅保留CBCT牙根数据。完成剪裁后的Model A和Model B整体效果如图 9所示, Model A牙冠与Mo-del B牙根数据间存在一条间隙带。使用“ 填孔” 功能中的“ 曲率搭桥” 和“ 曲率填孔” 功能自动缝合间隙带, 实现间隙带两侧数据二阶导数连续的移形过渡, 从而完成三维牙冠、牙根数据的一体化融合, 融合完成后的冠、根三维模型如图 10所示。

图8

Figure 8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 光学扫描牙列模型的剪裁Figure 8 Model trimming of optical scanning dental model

图9

Figure 9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 冠、根模型剪裁后存在的间隙带(黄色部分)Figure 9 Band gap (yellow part) between crown model and root model

图10

Figure 10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 冠、根数据一体化融合Figure 10 Integrate and fusion of crown data and root data

将上述冠、根三维数据融合方法应用于正畸临床10例牙列轻度拥挤患者, 每例融合后的三维牙列模型分别由10名口腔临床高年资医师进行主观评价, 并对模型满意度进行主观评分, 分值为0~10分, 定义高于8分为基本满意。

牙根三维建模的主要数据来源为口腔CBCT, 考虑到正畸、正颌对全牙列及颌骨视野范围的需要, 主流设备可以达到的最优体素分辨率约为100~200 μ m, 此分辨率下成像的牙冠数据较为粗糙, 精细解剖结构大多丧失, 无法满足口腔临床咬合分析、矫治器及导板设计的需求。光学扫描技术(包括牙颌模型扫描技术及口内扫描技术等)仍然是口腔临床高精度牙颌(主要是牙冠)数字模型的主流获取方式, 精度可以达到5 μ m, 可弥补CBCT数据牙冠精度欠佳的问题, 二者数据的融合是临床需要也是发展趋势, 但CBCT与光学扫描的精度与分辨率相差较大, 二者模型如何做到自然过渡的衔接是冠、根数据融合的技术难点。

以往研究对于冠、根三维数据整合的报道大多停留在冠、根数据重叠和配准的程度, 直到2003年美国学者Enciso等^[14]将CBCT颌骨及牙根模型与光学扫描牙列模型及下颌运动模型三者整合, 实现了虚拟的下颌运动分析, 其冠、根数据才实现了一体化融合, 但具体方法未做报道; 2006年意大利学者Macchi等^[13]对光学扫描牙列模型使用平面剪裁去除大部分牙龈数据, 并对剩余牙冠及牙龈模型进行单牙位独立分割, 每个分割出的牙冠模型与其对应的CBCT牙根模型(已去除牙冠)进行合并, 从而依次完成全牙列的冠、根数据融合, 该方法的软件操作相对复杂, 且光学扫描的牙冠和牙龈数据分离不彻底, 导致最终融合的单牙模型与真实牙齿解剖形态存在一定差异。2010年周晶等^[12]、2011年高一等^[6]、2012年唐敏等^[4]及2013年郭宏铭等^[11]分别报道了通过自定义的参考平面(由牙列中牙龈高度最低的三颗牙龈缘连线构建)对位置配准后光学扫描及CBCT牙列模型进行分割剪裁, 保留光学印模牙冠部分数据和CBCT牙根部分数据, 并将二者保留的数据进行合并, 完成冠、根数据融合, 该方法简化了软件操作流程, 批量完成全牙列冠、根及冠、龈数据的剪裁分割, 便于临床医生操作, 但仍存在冠、龈分离不彻底, 融合数据形态与真实牙齿解剖存在差异, 冠、根交界区域形态丧失等不足。

因此, 本研究采用了一种新的冠、根及冠、龈数据分割方法, 即通过交互提取光学扫描牙颌模型上的龈缘线, 精确分割牙冠、牙龈数据, 再通过曲线整体偏置和投影的方式获得CBCT牙列模型上仿釉牙骨质界轮廓的冠、根分界线, 从而实现仿生的批量冠、根分割。进而对分割剪裁后的三维牙冠、牙根独立模型, 通过基于二阶导数连续的曲率缝合算法, 进行自然移形的过渡带形态构建, 从而实现了与真实牙齿生理解剖形态较为逼近的冠、根三维融合效果。本研究初步验证了新方法针对轻度拥挤牙列数据的有效性和可行性, 其对复杂牙列拥挤及错颌畸形患者的适应性有待进一步研究。

光学扫描三维牙列模型与CBCT重建三维牙列模型的配准是构建冠、根融合模型的基础, 同一患者的牙颌光学印模和CBCT体层影像是由两种不同机制的三维数据获取方式得到的独立数据集, 二者数据的交集为牙冠部分, 通过对二者牙冠三维数据的配准可以获得CBCT牙根与光学扫描牙冠的空间位置关系, 配准精度越高, 冠、根位置精度就越高^[1], 冠、根三维融合效果也会越好, 因此, 光学扫描牙列模型与CBCT牙列模型在牙冠部分的配准重合度, 一定程度上决定了冠、根融合的最终效果。

光学扫描技术的三维牙列模型重建精度(约0.02 mm)普遍认为较CBCT精度高^{[1, 3]}, 且有学者发现CBCT三维重建模型存在一定程度的“ 变形” , 不同设备的表现亦不同^[14]。本研究认为, 如果能对CBCT重建模型进行正确度的校正处理再进行冠、根融合, 可获得更为理想的融合效果。CBCT数据的校正方式可采用以下两种方法:一是通过对已知几何参数标准模型的影像学扫描获得CBCT各系统方向的校正系数进行校正; 二是通过计算CBCT与光学扫描牙冠部分的配准误差推算CBCT模型的校正系数进行校正。本研究为方法学研究, 未对CBCT数据进行校正, 但初步评价了患者CBCT与光学扫描牙冠的配准误差, 以评估是否可满足数据融合的要求。此外, 因口内金属修复体干扰产生的CBCT成像伪影, 亦会对冠、根模型配准、融合精度产生一定的影响, 在CBCT伪影不可避免的情况下, 本研究建议在进行模型配准步骤时尽量规避伪影区域的数据, 仅使用正常影像的牙列区域数据进行ICP配准(选择性的区域配准), 可在一定程度上减小CBCT伪影的影响。

数字化技术在口腔正畸领域的应用越来越深入, 全数字化正畸是发展趋势, 其中诊断性排牙是正畸治疗的基础。正畸传统的石膏模型诊断性排牙正逐渐被数字排牙取代, 然而基于仅有牙冠信息的数字印模进行数字排牙, 不能避免骨开裂、骨开窗的风险。带有牙根信息的数字牙列+颌骨模型, 是数字化正畸诊断性排牙的理想模型。借助高精度牙冠信息与牙根信息的冠、根融合模型, 正畸医生的诊断设计可以充分考虑到牙根生理方向与个性化的解剖形态、牙根与牙槽骨关系、咬合接触关系等问题。冠、根融合模型也可为无托槽隐形矫治器设计和个性化舌侧矫治器设计提供安全可靠的数据基础。

在口腔正颌外科领域, 冠、根融合模型可用于数字正颌的手术方案设计, 整合牙根、颌骨及高精度牙冠咬合面信息的冠、根融合模型, 是设计制作正颌手术咬合导板的基础; 冠、根融合模型在口腔种植领域主要用作数字种植导板的设计, CBCT牙根、颌骨信息用于种植手术方案的设计, 精确的牙冠信息可提供种植导板的准确就位。此外, 冠、根融合模型今后将有望在牙周、牙体牙髓手术上有更多的应用。