數字化三維技術在正畸診療中的應用

　　近年來，隨著三維數字化技術及相關信息技術的發展，數字化的相關產物蓬勃發展。醫學技術與數字化技術的完美結合形成了一個新的交叉學科———數字醫學。數字醫學集中體現了計算機輔助設計-計算機輔助制造、材料學、數控技術、電子激光技術等科技在口腔領域的發展。數字化技術的蓬勃發展也對錯畸形的診斷設計和矯治帶來了革命性變化。新的數字技術極大地促進了現代正畸治療的發展。

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　　螺旋CT掃描儀的發明為正畸醫師、口腔頜面外科醫師及牙科醫師提供了強大的成像處理能力。錐形束CT（cone beam computed tomography，CBCT）通過與三維重建相結合，一方面改善了正畸的診斷和治療；另一方面還可以幫助開發治療程序，如引導植入導板，正頜手術導板、個性化矯治器等治療方法。由于可視化診療的發展使醫患之間的溝通更加具體、形象，極大地改善了臨床診療現狀及診療環境，提高了工作效率、減少了醫患矛盾。數字醫學的益處日益顯現，臨床實踐和實驗室技術也正在轉向基于虛擬的工作流程，使醫師對于正畸的診斷和治療逐漸趨向于精確化、智能化、簡易化。現就數字化三維技術在口腔診斷及輔助治療中的研究進展進行綜述。

　　1.三維數字化技術在診斷中的應用

　　1.1頭影測量分析

　　頭影測量是正畸醫師進行錯畸形診斷與治療設計的重要手段。自20世紀30年代以來，傳統的頭部測量術已被用作分析頜面畸形和正畸問題的標準程序工具，尤其是評估生長或治療變化，但傳統的頭部測量方法存在重疊的解剖結構圖像模糊、測量數據有限、對于面部不對稱患者測量數據失真、頭部轉動造成影像失真比例放大等問題。

　　直到2001年，CBCT的產生從根本上解決了二維頭顱側位片存在的測量問題且還能更準確地分析不對稱結構。CBCT作為常規的術前診斷影像資料，具有影像清晰、輻射量小、成像速度快等優點。目前CBCT進行3D頭部測量標志的識別和3D頭影測量的方法更多的是使用三維多平面重建定點法技術，從矢狀向、冠狀向和水平向聯合定點，是一種完全不同于二維頭影測量的三維測量系統。

　　Moshiri等研究發現從CBCT截取的側位片較傳統的二維頭顱側位片在線距測量上有較高的精確性。有學者認為采用CBCT影像對牙、頜、面結構進行的測量具有重復性，與傳統的二維頭影測量相比，具有更高的精確性和準確性。傳統2D頭影測量與CBCT-3D測量及CBCT-2D測量結果之間存在一定的差異，但三維測量體系正處于初級階段，定點及測量方法仍不完善，利用從CBCT截取的側位片可以實現一個良好的過渡。

　　從CBCT截取的側位片雖然也是二維影像資料，但是由CBCT數據轉化而來的頭顱側位片，可以調整片子的對比度、明暗度、色彩度及渲染等效果，提高了定點和測量的精確性，特別是顱底點、眶點、耳點、前鼻棘點、下頜角點、上齒槽座點，切牙點及磨牙根尖點等。頭顱CT掃描數據通過Mimics、In Vivo-Dental、Dolphin imaging等軟件進行三維重建，在虛擬、可自由旋轉的三維頭顱上進行定點、測量、切割、拼接與分析。

　　研究表明，從CBCT截取的側位片測量的可重復性優于CBCT三維測量和傳統X線頭顱側位片二維測量。三維頭影測量標志點的定位和測量與傳統的二維頭影及通過CBCT轉化而來的頭顱側位片相比更加可靠。三維成像可以更好地反映頭顱面的真實形態，避免二維影像帶來的誤差。但是不同的定點和測量平面在CBCT與從CBCT截取的側位片測量中的可重復性、精確性和便捷性存在差異。

　　有學者進行對比研究認為CBCT-3D頭影測量方法可靠性更高。但目前三維頭影測量仍處于初級階段，對于定點及測量方法無統一的標準，只有通過大量的臨床實踐，制訂出一套科學的、完善的測量體系才能使頭影測量由傳統的二維時代向數字化的三維時代飛躍。

　　1.2可視化診斷性分析

　　可視治療目標（visual treatment objective，VTO）是Ricketts于1957年提出的治療目標描圖預測法。其理論基礎是Ricketts頭影測量分析法。VTO是當前對錯畸形進行診斷分析的有效輔助手段。計算機輔助的VTO可以對治療前后的上下頜骨、上下切牙位置進行定位、模擬與預測。VTO可以分為靜態VTO和動態VTO。成年患者的VTO是靜態VTO，為處于生長發育期的患者而制訂的VTO稱為動態VTO。動態VTO需要先對處于生長發育的患者進行生長預測，根據預測得到的面部側貌，再根據靜態VTO的分析方法加以分析。

　　VTO是目前臨床上常用且最有效的輔助方法，為臨床工作及科研提供了科學指導。為需要做正畸或正頜手術的患者制訂了一套個體化矯治方案。結合上下牙間關系、頜骨間關系、牙與頜骨的關系、口唇關系，通過三維數字化軟件整合，可以較為準確地將牙頜模型、頜骨、面部軟組織再次進行重建組合，對顱、頜、面三維的空間結構關系做出精確的分析與判斷，選擇最佳的矯治方案并為教學、科研和醫患溝通提供豐富的資料。

　　VTO的可預測性、精確性與便捷性使臨床醫師對錯牙合畸形的診斷分析更客觀、具體。隨著VTO的廣泛應用，正畸的診斷與治療將會從技術性向科學性逐步發展。有學者認為基于計算機輔助的VTO預測結果與治療后硬組織的測量值基本一致，其對硬組織變化的預測是可信的。Peterman等回顧性研究得出結論，VTO軟件可模擬正頜手術患者的手術方式，制訂治療計劃，但不建議用于制訂治療計劃時測量范圍小于1mm的精確移動。對于雙頜手術的病例對下唇的預測最不準確。

　　Toepel-Sievers等研究表明對于2年和5年兩個預后期，VTO對于上頜前傾位置的預測、上頜骨生長、下頜前后位置、下頜骨的旋轉、下頜骨和上頜骨的基本位置關系配置和垂直顱面發育較準確，但對咬合關系的預測或軟組織預測準確性差。VTO雖然可以將牙頜模型、頜骨、面部軟組織3種數字化信息通過三維數字化軟件整合聯系在一起，幫助正畸醫師對牙頜面錯畸形做出精確的判斷與分析，選擇最佳的矯治方案并可促進醫患的良好溝通，但通過VTO得到的結果并不是與患者治療后的實際結果完全吻合，對于咬合關系及軟組織的預測仍不理想。

　　1.3氣道分析

　　現代成像工具能夠評估咽上部空間的結構和功能靜態和動態變化，用于成像的主要方式包括鼻咽鏡、聲反射、透視、X線頭影測量、多層螺旋CT和磁共振成像，但存在低分辨率、高成本、可視性差等缺點。隨著三維影像學技術的發展，上氣道的三維影像得于重建。目前主要是通過Simplant、Mimics、InVivoDental、Dolphinimaging等軟件進行三維重建，應用三維重建軟件在三維圖像上確定組織結構，在具體的解剖結構上精確定點，定點完成后，三維重建軟件可以自動識別軟硬組織，實現角度、線距、體積及面積的測量。

　　根據測量重建出舌體及氣道的三維影像。該方法常被應用于阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的分析、診斷與治療，并可以評價患病的嚴重程度及正頜手術術后對上氣道的影響和治療效果。大部分學者認為使用Dolphin3D、InVivoDental、Mimics和OnDemand3D等三維重建軟件，以CBCT數據為基礎對氣道進行的三維測量分析與傳統二維X線片測量進行對比，三維測量具有測量方法簡便直觀、測量項目豐富以及測量數據精確等優勢。但目前研究中，由于各學者研究目標和研究對象不一，尚無統一的三維測量標準。故也無法對各種測量方法及各種三維重建軟件的性能進行對比分析。

　　2.三維數字化技術在輔助治療中的應用

　　2.1正頜手術的設計及模擬

　　數字化正頜外科是利用醫學影像及模型外科技術來診治牙頜面畸形。1931年Broadbent首次提出了頭影測量分析，這一輔助診斷設計方法逐漸成為正頜手術的“金標準”。1986年，Mankovich等首次以三維重建技術為支撐、虛擬頭顱為基礎，輔助制造出了贗復體并應用于頜面部的缺損修復。隨著數字化模型、三維重建軟件、激光掃描、三維攝像等技術的發展，計算機輔助設計/計算機輔助制造更廣泛地應用于顱頜面外科。

　　1987年，Hemmy首次在頜面外科領域中應用三維重建技術。傳統的正頜手術方案的制訂需要幾個步驟，這些步驟不可避免地會引入不可糾正的錯誤并導致最終結果不精確。正頜手術醫師通過三維數字化模型與CBCT整合，完全實現計算機化的手術模擬和術前正畸方案的制訂。計算機輔助設計技術是數字化外科的核心。通過將CBCT數據導入SurgiCase、MagicRP等三維重建軟件。通過三維重建軟件進行上下頜骨的虛擬切割與移動，可以提高正頜手術的精確性和效率，減少術后并發癥。隨著計算機信息技術和三維重建技術的發展，正頜手術已成為治療牙頜面畸形的最有效手段。

　　在三維解剖結構上進行精確的定點、測量、分割，使牙、頜、顱骨通過三維重建軟件進行重建，以制訂出最合理的手術方案。但對于頜面部缺損的患者，如何恢復理想的面部結構和咬合關系仍較困難。通過Mimics、Dolphinimaging等三維重建軟件對虛擬的三維頭顱模型進行分析、測量、切割及重疊，實現了術前手術方案的制訂、模擬及修改，使術者通過模擬手術過程，規避術中可能存在的風險，增加手術的精確性，縮短手術時間，減少術中及術后并發癥。

　　有研究報道，三維數字化技術制作的手術導板在術中及術后取得了令人滿意的效果。實時導航是目前正在發展的集自動化、智能化、可視化一體的新技術，是正頜手術導航未來的研究方向。通過三維數字化技術，應用三維數字化軟件對需要進行正頜手術的患者在虛擬的三維頭顱上進行定點測量分析、模擬上下頜骨的移動，預想術中可能出現的并發癥，并最終根據分析結果制訂出精度較高的手術導板應用于臨床，增加了術中頜骨吻合的精確性和術后頜骨固定的穩定性，減少了術后畸形、術后復發等并發癥。

　　2.2數字化模型

　　在口腔正畸學中，石膏模型是三維牙頜記錄和診斷的基礎。牙科模型提供了關于牙齒的近遠中徑，牙弓長度差異，牙齒不對稱和三維牙弓關系的大量信息。常規使用模型分析是診斷及制訂治療計劃的關鍵。通過模型分析可以了解潛在的治療目標，如獲得所需間隙是通過拔牙、領面去釉、擴弓或推磨牙向后等一種或多種方法而得到。目前臨床上常用的是石膏模型存在存儲空間大、易磨損、易丟失等缺點。

　　直到1999年OrthoCad（Cadent，Carlstadt，NJ，USA）商業引入數字化模型。數字記錄存儲有以下優點:易于訪問，需要的存儲空間小以及通過互聯網與其他專業人員進行資源共享；隨著數字化三維技術和相關正畸軟件的發生發展，正畸醫師可以通過數字化模型檢查牙弓和牙關系；在虛擬模型上，從不同視角觀察三維模型可以更好地評估上頜骨和下頜弓之間的橫向關系；數字模型還具有允許“虛擬處理”和“虛擬設置”的優勢，而且可以直接使用數字化模型生產多種矯治器，如固定器、擴展器和透明固定器等；數字化模型可縮短臨床時間，降低成本。隨后口內掃描儀的出現可更加便捷、快速地從患者口內獲得牙頜的三維信息。

　　有學者研究發現使用表面激光掃描儀獲得的數字模型對于牙弓寬和長度的測量是可靠的。Anh等報道，從臨床角度分析，無論牙齒不規則程度如何，口內掃描儀都具有高度的準確性。但掃描序列和掃描程序的仔細程度對最終結果的精確度影響較大，特別是對于牙弓后部的掃描可能與掃描技術和難度有關。有學者將iTero、CERECAC、LavaCOS三種掃描儀與傳統印膜技術進行比較，表明數字化模型測量的有效性和精確性均高于傳統印膜技術，獲得的數字化模型便于提取及存儲，有利于遠程會診，模擬正畸牙移動，個性化矯治器的設計、間接粘接和隱形矯治等方面。在口腔正畸矯治中，數字模型作為傳統石膏模型的替代品正在獲得越來越多的認可。

　　與傳統模型相比，數字模型的線性和角度測量的有效性，測量的效率和易用性等正隨著三維數字化技術的發展而變得更有優勢。但目前應用于數字化模型的掃描方法和掃描軟件各異，并無統一的標準。掃描而成的數字化模型雖然是三維的，但只能以二維的形式展現出來。實現完全的三維數字化模型還有待信息技術及相關工業技術的發展。

　　3.展望

　　診斷和治療計劃的制訂是正畸矯治成功與否的關鍵，三維數字化技術有助于正畸醫師對錯牙合畸形進行科學的診斷、分析與治療，規避臨床治療中及治療后可能存在的風險及并發癥。通過三維數字化技術分析術前、術后的患者頜面部的改變，預測療效，便于與患者溝通，增加依從性，提高療效。但目前正畸的治療結果與預測結果有所差距，這可能是由于正畸治療期間各種并發癥和不良反應，如個體對治療機制的反應，牙周限制，使用不一的矯治器和三維數字化技術仍不完善等均會影響前后治療效果。目前三維數字化技術已滲透并應用于正畸及口腔的相關領域，三維數字化技術將會使常規的診療活動逐漸向精確化、智能化、簡易化發展。