來源：《華西口腔醫學雜志》2018年4月第36卷第2期

作者：張暉榕1  尹樂鋒1  劉艷麗1  嚴麗誼1  王寧1  劉剛2  安曉莉1  劉斌1

作者單位：1.蘭州大學口腔醫學院；2.蘭州大學信息科學與工程學院，蘭州 730000

[摘要]    目的   基于錐形術CT（CBCT）數據構建患者數字化模型，應用3D打印技術制作牙頜實體模型并評估其精確度。方法   通過Mimics 10.01軟件處理正畸臨床患者CBCT數據，并結合Geomagic studio三維軟件制作牙頜數字化模型，導入MakerBot Replicator2X型3D打印機中，采用熔融沉積技術（FDM）制作聚乳酸材料的上下頜實體模型。比較3D打印模型與傳統石膏模型的牙冠近遠中徑、牙弓長度和寬度及后牙牙尖三角嵴長度測量值。結果   3D打印牙頜模型和傳統石膏模型的測量數據經配對樣本t檢驗，無統計學差異（P>0.05）。結論   采用CBCT構建數字化模型具有可行性，能夠簡化正畸檢查流程、實現患者牙頜狀況的數字化存儲。采用3D打印制作牙頜模型精確度良好，可用于正畸臨床。

[關鍵詞]   數字化牙頜模型； 錐形術CT； 3D打印技術

   在正畸臨床工作中，對初診患者需要進行病史采集和影像學檢查，進而進行診斷、分析并設計治療方案。牙頜模型是患者初始信息和療程記錄的良好載體，也是診斷分析的重要資料。目前臨床中牙頜模型主要通過印模制取后石膏灌注來完成，傳統石膏模型的制作需要醫生熟練掌握相關技術，才能達到完整反映患者解剖結構的要求。但在臨床調查中發現，傳統取模對患者的感官印象較差，容易引起患者產生惡心、嘔吐等不適癥狀，有些需要矯治患兒配合困難；還有部分解剖異常的患者很難完整取全組織結構。另一方面，石膏模型本身也存在存儲困難、易損壞或斷裂等難題。因此，在取模過程中避免對患者造成不適感、得到解剖結構清晰完整、精確度高且不易損壞的模型成為正畸臨床中亟待解決的問題[1]。

    隨著數字化技術的發展，學者們開始探索利用不同設備或儀器對牙頜進行掃描、獲取數字化信息構建數字化模型的可行性。目前，數字化模型的數據來源主要有三個方面，一是來源于石膏模型，二是通過口內掃描來獲得，三是來源于CT或錐形術CT（cone beam computed tomography，CBCT）數據。    

    以石膏模型為數據構建數字化模型的研究眾多。如利用OrthoCad軟件以切片式的掃描方式，將制取的石膏模型層掃后獲得數字化信息從而構建模型[2-4]；利用emodel軟件中的激光掃描方式掃描石膏模型，將其轉化為數字化模型[5-6]；通過激光掃描獲得石膏模型數據后由CAD軟件構建數字化模型[7-8]；通過三維掃描儀掃描患者石膏模型獲得數字化信息[9-11]；通過對石膏模型拍照后導入C3D-builder軟件來完成數字化模型制作[12]。以上研究表明，通過掃描石膏模型構建數字化模型具有可行性且精確度良好，但其制作過程仍建立在采集石膏模型數據的基礎上，并沒有避免傳統取模。    

    通過口內掃描儀來獲取數據的研究也有報道，有學者[13-14]采用口內掃描儀獲得了患者口腔內的信息，采用三維逆向工程軟件構建出數字化牙頜模型。Kim等[15]采用藍色LED牙科掃描儀對患者口內進行掃描，從而構建了三維數字模型，并證明方法可行。    

    通過CT或CBCT數據直接構建數字化模型是目前的研究熱點。Kau等[16]將頭顱CT數據應用InVivo-Dental軟件分析后，在OrthoCAD軟件中構建了數字化模型。de Waard等[17]根據CBCT的數據建立了數字化模型，并通過對模型進行線性測量分析，發現其精確度良好。以上研究表明，不同數據來源的數字化模型均具有較好的精確度[18]，可供臨床測量應用，實現數字化數據存儲，并方便醫生計算及分析。然而，實體化的模型更符合正畸醫生的操作習慣。在臨床中發現，正畸醫生對患者進行病例分析時，更傾向于將模型拿在手中進行觀察，這不僅方便從舌側觀察咬合，還能節省觀測時間；實體化的模型也更容易與患者交流。而現有的研究沒有將數字化模型轉化為實體模型。     

    3D打印技術近年來在醫學領域表現出良好的應用前景。熔融沉積技術（fused deposition modeling，FDM）是基于熔化原料并擠壓成型的3D打印技術，其特點是成型速度快且相對準確，無需昂貴的激光燒結設備，價格相對低廉。由于該技術可擠壓生物降解性的支架材料，包括聚乳酸、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等，使得FDM技術在制備復合型生物醫用高分子支架材料上的應用越來越多。但在模型制作方面，FDM技術的應用還相對較少[19-21]。 

    本研究旨在通過獲取患者的CBCT數據構建數字化模型，采用3D打印技術完成牙頜模型的制作并進行模型精確度比較分析，為CBCT與3D打印技術在正畸臨床牙頜模型制備中的聯合應用提供一定的理論與技術支持。

1、材料和方法

1.1  數據獲取

    選取擬做正畸治療的患者6例，納入標準為：1）無乳牙滯留；2）無牙齒畸形或牙列缺損；3）無牙冠缺損，無充填體；4）無口內修復體。

    納入患者于蘭州大學口腔醫院進行CBCT（KaVo公司，德國）檢查。CBCT掃描參數為0.25 mm、14.7 s。患者同時于蘭州大學口腔醫院正畸科制取傳統石膏模型，妥善保存。

1.2  數字化模型制作   

    利用計算機軟件構建患者上下牙頜數字化模型并存儲。主要采用的軟件包括Mimics 10.01（Materialise 公司，比利時）和Geomagic studio逆向工程軟件（Raindrop Geomagic公司，美國）。

1.2.1  數字化模型構建  將采集的CBCT數據的DICOM文件導入Mimics 10.01中，經過Thresholding蒙層指令分離硬組織，執行Region growing命令，保留上下頜骨及牙列，在Edit Masks菜單中，選擇Threshold命令并分別設置硬組織（1 200）及軟組織（560）閾值，對牙列及牙槽骨進行分離處理，分別獲得上下頜模型（圖1）。

1.2.2  數字化模型處理  將從Mimics獲得的數字化模型導出為STL格式，導入Geomagic studio軟件中，執行網格醫生命令，修復模型并獲得良好表面（圖2）。

1.3  3D打印模型制作  將數字化模型的三維數據轉化為STL格式，導入MakerBot Replicator2X型3D打印機（MakerBot公司，美國）中，制作上下頜牙頜模型實體。模型制作材料為聚乳酸，打印厚度為0.15 mm（圖3）。

1.4  模型測量

1.4.1  標準件測量  制作兩個標準件，在solid works（Dassault Systemes公司，美國）繪圖軟件中繪制長方體及馬蹄鐵形標準件并打印模型實體，測量實體尺寸與繪制尺寸差異。

1.4.2  牙頜模型測量  通過傳統石膏模型和3D打印模型的制作，獲得6位患者的上下頜模型，用游標卡尺對12副模型進行測量分析，記錄各項測量值并制表（圖4）。模型的測量項目包括：1）牙冠近遠中寬度；2）牙弓寬度：雙側尖牙牙尖之間的距離，雙側第一磨牙中央窩之間的距離；3）牙弓長度：以雙側第一磨牙中央窩之間連線為底，測量中切牙至該連線的垂直距離及尖牙至該連線的垂直距離；4）后牙牙尖三角嵴長度：包含4組測量值，上頜第一前磨牙頰尖三角嵴（UdB）和舌尖三角嵴（UdL）、上頜第一磨牙近中頰尖三角嵴（UdMB）和近中舌尖三角嵴（UdML）長度，以及下頜第一前磨牙頰尖三角嵴（LdB）和舌尖三角嵴（LdL）、下頜第一磨牙近中頰尖三角嵴（LdMB）和近中舌尖三角嵴（LdML）長度（圖5）。

2、結果

2.1  標準件測量結果

    在solid works繪圖軟件中繪制的標準件1為長方體，尺寸2 cm×4 cm×6 cm，模型實體測量結果1.98 cm×4 cm×5.99 cm；標準件2為馬蹄鐵形，由半徑為3 cm半圓形和兩個長4 cm的臂組成，厚度1 cm，模型實體測量結果顯示，打印模型誤差在0.02 mm范圍之內。

2.2  牙頜模型測量結果    

    以電子游標完成各數據的測量，每個測量值測量3次并求平均值作為結果記錄。將測量數據錄入OriginPro 9.0（OriginLab公司，美國）中，繪制散點圖，分析測量數據偏差（圖6）。

2.3  統計學分析    

    對測量數據進行配對樣本t檢驗，結果見表1。由表1可見，3D打印牙頜模型和傳統石膏模型的測量數據間差異無統計學意義（P>0.05）。

3、討論

      本實驗應用CBCT與3D打印相結合的方法，獲取患者的口腔數字化信息，建立數字化模型并制作實體模型。不同于傳統取模，通過計算機軟件處理和3D打印機輔助完成牙頜實體模型的制作，簡化了正畸檢查的操作流程，避免了臨床中印模制取對患者造成的不適感，并為患者節省就診時間，有利于初次就診建立良好的印象。

    由CBCT構建數字化模型實現了患者信息的數字化存儲，提高了醫院對患者資料處理的效率，能夠有效地降低資料丟失及損壞。另一方面，對于需要與不同地域醫師進行交流討論的病例而言，數字化信息能夠實現快速準確的傳輸，方便不同接診醫師獲得患者原始資料。   

    實體牙頜模型有助于醫生靈活地三維觀察患者牙頜畸形情況，特別是舌腭側的咬合狀況；也為與患者交流提供形象的交流載體，且符合絕大多數正畸醫生的臨床習慣。因此本實驗利用3D打印機制作了患者的數字化模型實體。實驗中使用的制作材料聚乳酸是一種新型的生物降解材料，由可再生的植物資源（如玉米）所提出的淀粉原料制成，其機械及物理性能良好，具有較低的熔體強度，打印模型容易塑形且價格相對低廉。通過這種方式制作的實體模型重量較輕、不易毀壞且轉移方便。另一方面，實體模型可在醫師需要時即時打印，制作時間短而便利，能夠為臨床使用提供更大便利。    

    本實驗的結果表明，3D打印模型和傳統石膏模型的牙體近遠中徑、牙弓長度和寬度以及后牙牙尖三角嵴的測量數據均不具有統計學差異，表明3D打印牙頜模型能夠應用于臨床檢查中咬合關系的確定以及模型測量分析。由于3D打印受到打印材料本身限制，打印層厚需要材料熔點支持，因此材料性能是影響3D打印模型精確度的因素之一。此外，建立數字化模型的CBCT圖像軟硬組織閾值沒有統一的標準，而另一項研究[22]表明，CBCT不同體素及閾值設定對所構建數字化模型的精確度有影響，因此，軟硬組織閾值的標準化統一可進一步提高打印模型的精確度。本實驗研究了牙頜數字化模型的建立，未對軟組織作相關研究，后期研究可探討軟組織數字化模型可行性，為全面構建患者的頜面部數據模型及矯治效果的數字化模擬奠定基礎。    

    綜上所述，通過CBCT與3D打印技術聯合制作牙頜實體模型能夠獲得良好的精確度，可服務于臨床工作。本研究為改良傳統牙頜模型制作提供了新的思路，表明3D打印技術在正畸臨床中具有良好的應用前景。

 [參考文獻]（略）

詳見《華西口腔醫學雜志》2018年4月第36卷第2期

來源：華西口腔醫學雜志