引用本文
程明轩, 姜婷, 孙玉春, 张皓羽. 比较口内扫描和模型扫描对数字化牙列模型咬合定量分析的影响. 北京大学学报(医学版), 2018,50(1): 136-140.
CHENG Ming-xuan, JIANG Ting, SUN Yu-chun, ZHANG Hao-yu. Influence of intraoral scan and dental cast scan on occlusal quantitative analysis of virtual dental model. Journal of Peking University(Health Sciences), 2018,50(1): 136-140.  
Doi: 10.3969/j.issn.1671-167X.2018.01.023
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比较口内扫描和模型扫描对数字化牙列模型咬合定量分析的影响
程明轩1, 姜婷1,△, 孙玉春1,2, 张皓羽1
1. 北京大学口腔医学院·口腔医院,修复科 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室 口腔数字医学北京市重点实验室, 北京 100081;
2. 北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学计算机应用中心, 北京 100081;
收稿日期: 2017-10-09
基金资助: 北京市科技计划课题首都特色临床应用及普及项目(Z171100001017096)和北京大学口腔医院临床新技术新疗法项目(PKUSSNCT-16A01)资助
摘要

目的 为了更准确地进行上下颌牙列数字化模型的咬合状况定量分析,对分别用口内扫描和模型扫描方法获取的三维数字化模型的咬合接触指标进行定量分析及对比研究。方法 用三维激光扫描仪对具有完整牙列并且咬合正常的健康志愿者5人进行口内扫描,分别获取单侧1个牙位(第一磨牙)、2个牙位(第二前磨牙及第一磨牙)、3个牙位(两个前磨牙及第一磨牙)及其邻牙的上下颌数字化模型,运用专用计算机分析软件进行牙尖交错位时咬合接触状况的三维测量及分析,然后用加成型硅橡胶采取上下颌牙列实物印模并灌制超硬石膏模型,应用专用定位装置将上下颌模型在牙尖交错位对合并固定,用激光扫描仪扫描上下颌模型,形成三维数字化牙列模型。对用口内和模型扫描方法分别获得的数字化模型的下颌第一磨牙进行咬合接触紧密程度(上下颌咬合面平均间距)、咬合接触面积及牙尖斜度等咬合相关指标的定量分析和比较。应用配对 t检验方法比较两种扫描方法获得数字化模型的各项指标的统计学差异( α=0.05),重复测量计算牙尖斜度的组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)进行一致性检验。结果 口内扫描1~3个牙位时获得的上下颌第一磨牙咬合面平均间距分别比模型扫描的小0.134 mm、0.177 mm和0.207 mm,差异有统计学意义( P<0.5)。两种扫描方法的标准差之差分别为0.02 mm、0.02 mm和0.03 mm,差距较小。口内扫描1~3个牙位时下颌第一磨牙的咬合接触面积分别比模型扫描的大8.65 mm2、10.28 mm2和11.46 mm2,差异有统计学意义( P<0.5)。两种扫描方法的标准差之差为0.43 mm2、1.55 mm2和2.04 mm2,1个牙位扫描后的标准差要明显小于2个牙位和3个牙位时。两种扫描方法进行牙尖斜度测量时,ICC大于0.90,两种方法的牙尖斜度测量值差异无统计学意义( P>0.5)。结论 口内扫描测得的咬合面平均间距小于模型扫描测得的,咬合接触面积大于模型扫描测得的,说明口内扫描反映的咬合接触程度更为紧密。两种扫描方法测量咬合接触面积的标准差之差与测量牙位数量相关,两种方法测量得到的牙尖斜度差异没有统计学意义,说明口内扫描进行牙齿形态学指标测量时与模型扫描无明显差别,有望今后替代模型扫描。

关键词: 成像; 三维; 激光; 牙牙合; 图像处理; 计算机辅助; 牙科印模技术
中图分类号:R783 文献标志码:A 文章编号:1671-167X(2018)01-0136-05
Influence of intraoral scan and dental cast scan on occlusal quantitative analysis of virtual dental model
CHENG Ming-xuan1, JIANG Ting1,△, SUN Yu-chun1,2, ZHANG Hao-yu1
1. Department of Prosthodontics, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China;
2. Center of Digital Dentistry, Peking University School and Hospital of Stomatology, Beijing 100081, China
△ Corresponding author’s e-mail, 15011229485@139.com.
Abstract

Objective: To make more accurate occlusal quantitative analysis of three-dimensional (3D) virtual dental models and to compare the occlusal contact obtained by intraoral and dental cast scan.Methods: In this study, 5 subjects were intraoral scanned using laser scanner (3 shapes, Germany) to obtain the 3D virtual models of one tooth (the first molar), two teeth (the second premolar and the first molar), three teeth (the premolars and the first molar) and their opposite teeth, respectively. The silicone impressions were made and dental stone models were poured for each of them. The dental casts were scanned and then they were fixed to the maximum intercuspal position with a special locating jig for a rescanning of occlusal position. The virtual models taken intraorally and obtained with dental cast scan were introduced to a 3D quantitative analysis system, and some criteria regarding to occlusal contact were calculated and analyzed. The occlusal criteria were mean values of occlusal clearance space between the upper and lower occlusal surface (clearance), occlusal contact area (area), and cusp inclination (angle) of the mandibular first molar. Paired t tests were used to evaluate differences of occlusal criteria between the virtual models obtained with the intraoral scan and dental cast scan ( α=0.05).Results: The mean values of occlusal clearance of one to three teeth obtained by way of intraoral scan were smaller than those obtained by way of cast scan by 0.134 mm, 0.177 mm, and 0.207 mm, respectively. While the occlusal contact areas were greater than the cast scan by 8.65 mm2, 10.28 mm2, and 11.46 mm2. No statistically significant differences were found between the cusps inclinations obtained with the two scanning methods, and the interclass correlations were high.Conclusion: Occlusal clearance obtained by intraoral scan was less than that by cast scan while the occlusal contact area was greater than the latter, indicating that intraoral occlusal contact was closer. The difference of the standard deviations of occlusal clearance measured by the two methods were small and that of occlusal contact area was influenced by the number of teeth scanned intraorally. There was no statistical difference in cusp inclination between the two methods.

Key words: Imaging; three-dimensional; Lasers; Dental occlusion; Image processing; computer-assisted; Dental impression technique

咬合是指上下颌牙齿的接触[1], 是口腔医学最重要的指标之一。目前常用的记录咬合接触的方法包括咬合纸、咬合条[2, 3]、硅橡胶咬合记录材料以及T-scan计算机咬合分析记录系统[4]、特制的咬合压力膜测量系统(dental prescale system)、光弹记录系统、光电分析系统[5]等。功能性咬合状态是静态咬合接触和动态功能接触的结合, 咬合面形态、牙尖斜度等牙齿形态学特点均对咬合有深远影响[6, 7]。

近年来, 随着数字化技术的发展, 基于数字化牙颌模型的三维咬合分析方法逐渐兴起, 以其简便、直观、不依赖于介质等优点而备受关注[8, 9]。然而, 数字化牙颌模型大多数采用口外采集方式, 需要进行传统的印模制取、石膏翻制, 然后对印模或石膏模型进行三维激光扫描。新兴的口内扫描方式则是将扫描设备置于患者口内直接对其口腔软、硬组织进行扫描, 实时获取数字化模型, 避免了印模制取、石膏翻制以及口外恢复牙尖交错位时存在的不可控误差, 更真实地反映患者口内牙齿形态及咬合状态[10]。但是, 口内扫描又受到了扫描头在有限的口腔内移动距离和角度的限制、口内明亮度的限制、牙齿表面各种污染物的影响等, 在实际临床操作时其精度是否能够满足临床分析的需要, 与模型扫描法获得的数据相比有无差距, 牙位数对扫描的准确度是否有影响等问题尚缺乏充分的研究数据。

为此, 本研究运用三维激光扫描仪, 通过口内扫描和模型扫描两种方法分别对下颌不同数目的牙位进行扫描和获得上下颌数字化模型后, 对上下颌第一磨牙之间的咬合接触情况(包括咬合面平均间距、咬合接触面积、牙尖斜度等)进行三维测量和比较分析, 探讨口内直接扫描法获得数字化模型后进行定量咬合分析的准确性。

1 资料与方法
1.1 研究对象

选取身体健康具有正常天然牙列的5位成人志愿者作为研究对象, 其中男2例, 女3例, 平均年龄(22.6± 1.4)岁(21~25岁)。

研究对象纳入要求:(1)上下颌为完整恒牙列, 无错牙合, 咬合关系稳定; (2)单侧下颌后牙连续3单位为天然牙, 无牙体缺损和冠部修复体; (3)无颞下颌关节紊乱病、开口受限及下颌运动偏斜。

1.2 模型获取及测量方法

由同一操作者经培训后运用精度为0.02 mm的三维激光扫描仪(Trios, 3Shape, 丹麦)对实验对象的单侧上下颌后牙及其咬合关系(中等咬合力大小)进行口内扫描, 按照牙齿咬合面、唇颊面和舌腭面顺序画“ Z” 字扫描目标牙位, 分别获取单侧下颌1个牙位(第一磨牙)、2个牙位(第二前磨牙及第一磨牙)、3个牙位(两个前磨牙及第一磨牙)及其邻牙的上下颌数字化模型。注意保持牙齿表面干燥, 从而获得清晰完整的上下颌目标牙位以及近远中邻牙的三维数字化模型(intraoral scanned-model), 并可在牙尖交错位配准对合。

接着用加成型硅橡胶印模材料(Honeygum, DMG, 德国)采取实验对象的上下颌全口牙列印模, 严格控制水粉比灌注超硬石膏模型(plaster-model), 修整模型。用精度为0.01 mm的三维激光扫描仪(800 Detal Scanner, Smart Optics, 德国)分别扫描上下颌模型, 使用专用模型定位装置[11]在最大牙尖交错位固定上下颌模型后再次扫描, 获取在牙尖交错位配准对合后的数字化牙颌模型(图1)。

图1 在最大牙尖交错位配准对合后的数字化牙颌模型Figure 1 Three-dimensional reconstructed virtual model in maximum intercuspal position

图2 不同牙位的图像优化后的三角面片模型(STL格式)Figure 2 Triangle models of different dentitions after image optimization (STL files)

将通过口内扫描和模型扫描所获取的数字化牙颌模型导入专用逆向工程软件(Geomagic qualify 12.2, Raindrop Geomagic, Morrisville, NC)系统所构建的画面中, 对数字化模型点云数据进行减少噪点、均匀采样等一系列数据优化处理后分别生成1个牙位、2个牙位及3个牙位的三角面片模型(STL格式, 图2), 再运用专用软件进行以下咬合指标的测量及分析。

1.3 模型测量内容

1.3.1 咬合接触分布及面积 在逆向工程软件中导入重新咬合配准后的STL格式上下颌模型, 运用三维偏差功能, 设置最大偏差为0.1 mm(临界角180° ), 设上颌模型为参考, 下颌模型为测试, 检测上下颌垂直向间距小于0.1 mm的全部区域范围, 所得结果即为咬合接触区形态(图3)。利用“ 自定义区域选择工具” 选出咬合接触区, 计算曲面面积作为咬合接触面积(图4)。

图3 口内中等强度咬合后的咬合纸印记(A)和同牙位数字化模型(B)上的咬合接触区(STL格式)Figure 3 Articulating paper mark areas on the teeth under moderate bite (A) and occlusal contact areas automatically detected and displayed in color grad of virtual dental model (B) of the same teeth (STL files)

图4 选择出的咬合接触区Figure 4 Selected occlusal contact areas

1.3.2 咬合面平均间距 设定检测最大范围为5 mm(远大于咬合面两对应点间距的最大值), 即间距小于5 mm的上下颌咬合面上的点均参与检测(图5), 软件可自动求得平均值。

图5 咬合面之间检测点间距的计算Figure 5 Measurement of the distance between corresponding points on occlusal surfaces

1.3.3 牙尖斜度的均值 以近、远中边缘嵴, 颊舌侧牙尖嵴及颊、舌线角为界, 选择出“ 咬合面” , 做拟合平面, 视为第一磨牙的牙合平面。过中央颊尖最高点与中央窝中点做垂直于“ 牙合平面” 的“ 贯穿对象平面” (图6), 进行二维尺寸测量, 求得牙尖斜度。考虑选点的人为因素, 先后测量两次(间隔两周), 使用组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)比较前后两次牙尖斜度测量值之间的差异, 检验测量方法的一致性。

图6 牙尖斜度均值的测量Figure 6 Measurement of mean of each cusp inclination on virtual model

1.4 统计学分析

应用SPSS 20.0统计软件对上述数据进行分析, 采用配对样本t检验对同一咬合指标的口内扫描和牙颌模型扫描的测量均值和标准差进行组间比较, 双侧检验水准α =0.05, P< 0.05为差异有统计学意义。

2 结果
2.1 咬合接触面积及咬合面间距

5名志愿者下颌第一磨牙咬合接触区主要分布

于近远中颊尖(功能尖)的颊、舌斜面、近远中边缘嵴顶及近远中舌尖的颊斜面(非功能尖的功能斜面)。肉眼观察, 两种扫描法建立的数字化模型的咬合接触区域与咬合纸印记的位置在分布和形态上基本相符。

范围包括3个牙、2个牙、1个牙及其近远中邻牙的口内扫描及模型扫描所建立的数字化模型中下颌第一磨牙咬合接触面积和上下颌第一磨牙咬合面平均间距的组间比较采用配对t检验, 结果见表1。

表1 不同牙位数扫描时下颌第一磨牙的咬合接触面积及上下颌第一磨牙的咬合面间距 Table 1 Occlusal contact area of the mandibular first molars and occlusal clearance spaces of the upper and lower first molars scanned by two methods with different numbers of teeth

口内扫描1~3个牙位时下颌第一磨牙的咬合接触面积均显著大于模型扫描组。1、2、3个牙位口内扫描与相应模型扫描组测量的标准差之差有差距, 与测量牙位数量相关, 1个牙位测量时口内扫描与模型扫描的标准差之差最小, 3个牙位时最大。口内扫描1~3个牙位时上下颌第一磨牙的咬合面平均间距均显著小于模型扫描组。不同组别口内扫描与模型扫描测量值的标准差之差近似, 与扫描牙位数量无关。

2.2 牙尖斜度

前后两次牙尖斜度测量值之间ICC指数大于0.90, 测量方法具有较好的可重复性。两种扫描方法获得的下颌第一磨牙近中颊尖牙尖斜度的平均值相差0.03度, 差异无统计学意义(P> 0.5)。

3 讨论

口腔医学数字化技术将先进的工程设计和制造技术逐渐渗透于口腔疾病的诊疗全过程, 使之更加准确、精细、高效。数字化印模技术是数字化诊疗的前提与基础, 包括应用较成熟的牙颌石膏模型三维扫描技术以及近年来迅猛发展的口内扫描技术。牙颌模型扫描仪的扫描虽可达到10 μ m的高精度[12], 但制取印模、翻制石膏模型的临床操作误差难以控制(印模变形、缺陷、温度、湿度、石膏水粉比、气泡等), 影响数字化印模的最终精度。口内扫描的流程简化, 数字化印模的误差仅源于扫描误差, 误差来源的可控性明显提高。目前, 口内扫描精度平均为20 μ m[13, 14], 研究证明口内数字化印模扫描范围小于半个牙弓时表现出的精度符合临床要求[15], 且对于诊断性质的牙齿形态测量具有一定的信度和效度[16, 17]。

数字化咬合分析近年来备受关注, 但多数研究采用数字化牙颌石膏模型, 在口外通过适当方法恢复牙尖交错位[8, 9], 由于步骤较多, 误差来源不可控性较大。此外, 由于牙周膜的让度、患者咬合接触根据牙合力的不同, 接触点分布及面积可能会产生变化, 故口外石膏模型无法完全模拟口内咬合状态。鉴于此, 本研究选取单侧双颌后牙为研究对象, 对数字化牙颌石膏模型与相应的口内扫描模型进行牙尖交错位时的定量咬合分析, 比较两者的差异。

对于口内扫描, 口腔的狭小空间要求结构纤细的扫描头, 其光学系统的单视野视场往往较小, 想获得相对完整的牙列数据, 需进行大量的多视场三维数据拼接处理, 而拼接次数越多, 数据精度越低。此外, 为获得更多的数据则需扫描头在口腔内停留时间更久, 唾液等的影响会增加, 患者的配合度也将下降, 咬合状态也可能由于扫描头长时间位于口腔前庭而发生变化。在前期的预实验时, 当口内扫描牙位较多(超过3个牙位)时, 包括近远中邻牙在内的范围较大, 容易受患者开口度和操作准确性的影响而结果出现大的偏差, 所以提示口内扫描范围不宜太大。另外, 常见的固定义齿修复往往只涉及1~3个牙位, 结合考虑口内扫描的局限性、患者的配合度以及临床实际需求, 本研究选取1~3个牙位后牙作为研究对象。

本研究以咬合接触面积和咬合面间距的平均值来检测咬合接触的紧密状况。在选择检测参数时, 考虑到扫描仪的精度及其他因素对实验结果的影响, 咬合接触面积最终采用了100 μ m的检测标准[9]。两种扫描法建立的数字化模型的咬合接触区域与咬合纸印记的位置在分布和形态上基本相符, 而三维扫描分析方法的精度可知、准确性好, 更适于定量分析。

本研究结果显示, 口内扫描1~3个牙位时获得的上下颌第一磨牙咬合面间距平均值分别比模型扫描的小0.134 mm、0.177 mm和0.207 mm, 口内扫描下颌第一磨牙的咬合接触面积分别比模型扫描的大8.65 mm2、10.28 mm2和11.46 mm2, 说明口内扫描反映的咬合接触程度更为紧密。牙周膜的存在使天然牙在承受咬合力负载时随之下沉并可以发生牙齿位置的微细调节, 使咬合面形态的尖窝沟嵴构造之间更为吻合。对于咬合面间距的测量, 不同牙位数目之间、扫描方法之间的标准差差距很小; 而对于咬合接触面积的测量, 1个牙位口内扫描后的标准差要明显小于2个牙位和3个牙位, 其标准差与牙位数量相关。如果用口内扫描方法获取目标牙的数字化模型, 牙位数量越少测量的可靠性越大。

对于形态学特征牙尖斜度的测量, 虽然口内扫描与石膏模型扫描的扫描精度不同, 但两组数据对比差异没有统计学意义, 说明口内扫描进行牙齿形态学指标测量时与模型扫描无明显差别, 有望今后替代模型扫描。此外, 由于本研究对象仅选取了 1~3个牙位后牙, 测量过程中选择的“ 牙合平面” 并非临床意义上的牙合平面。

本研究提示, 口内扫描数字化模型除了用于椅旁修复、数字化正畸、数字化种植之外, 还可以进行3单位以内牙列的三维数字化咬合分析, 满足临床上对单冠及3单位连冠、桥修复体的咬合检测, 并作为指导功能性咬合面形成和咬合调改的依据。对于口内扫描进行咬合定量分析所能达到的信度和效度尚无定论, 需要进一步进行研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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