上颌前牙形态修复效果计算机模拟系统的建立

张根香　杨瑛

[摘要] 目的 将三维重建技术、计算机图像处理技术及三维动画设计软件与口腔修复学相结合运用于前牙修复体外形的模拟设计。方法 利用锥形束CT扫描重建标准的上颌前牙模型，建立标准牙齿外形数据库。在Windows XP 环境下，以3Ds Max三维动画设计软件为核心，MS SQL SERVER2000数据库为后台，前端应用程序使用Microsoft Visual C++6.0编写，建立上颌前牙形态修复效果计算机模拟系统，并应用于临床进行模拟修复。结果 建立的上颌前牙形态修复效果计算机模拟系统操控方便，模拟修复的效果真实可靠。结论 上颌前牙形态修复效果计算机模拟系统有助于患者对修复效果获得相对准确的理解和期望，为制作美观并符合患者期望的前牙修复体提供了一种有效的途径。

[关键词] 计算机模拟； 数据库； 三维重建； 牙齿形态； 修复前预测

[中图分类号] R 783.4 [文献标志码] A [doi] 10.7518/hxkq.2013.06.021

随着人们生活水平及审美意识的不断提高，在临床上要求前牙美容修复的患者日益增多，并且患者对前牙修复体美学要求也越来越高，不仅要求其美观、自然，还特别强调个性的扩展和体现[1]。但由于患者对修复专业知识的欠缺，同时涉及修复美学问题，修复医生和患者的认识难以统一。以往，患者对修复后效果的认识是通过医生的描述来想象的，由于没有直观的感受，患者对修复后的效果往往充满疑惑，从而导致患者在治疗前缺乏修复信心，或者修复后牙齿未达到患者的期望效果而产生医疗纠纷。

如何在修复前预测出修复体的外形，让患者在术前更加准确、直观地理解修复后的效果，一直是学者们研究的热点。许多学者[2-4]都进行了前牙修复体外形的设计研究，这些研究均以照相机、摄像机拍摄的图像作为研究对象，其处理的是二维图片，还不能对牙齿进行三维显示。与传统的静态二维图像相比，更加接近现实的三维图像能够更全面真实地反映客观事物，提供更多更准确的信息。国外先进的计算机辅助设计（computer aided design，CAD）系统能在计算机上营造出真实、直观的口腔三维场景，有利于复杂信息的传播和交流。但国外的CAD系统核心技术保密，设备价格高昂，在国内临床推广运用困难。本研究从中国的实际出发，采用3Ds Max三维动画设计软件，结合数字化三维成像技术、图形图像处理技术，在个人计算机（person com-puter，PC）上建立前牙计算机模拟修复系统，意在开发经济、实用的前牙修复体外形设计系统，让每名口腔修复医师可以在普通的计算机上完成一些较为复杂病例的修复前模拟设计工作。患者也可参与设计，提出自己的要求，最终模拟的效果图还可以传递给技师，作为制作修复体的参考，从而增加医患间的沟通，加强医技间的信息交流，提高前牙修复体的美学质量。

1 材料和方法

1.1 材料和设备

硬件：锥形束CT（cone beam CT，CBCT）（卡瓦盛邦公司，美国），本研究中扫描范围为16 cm（直径）×6 cm（高度），X光设备输出120 kV，电流5 mA，曝光时间4 s，共生成528个断面图，精确度0.25 mm。计算机（DELL公司，美国）配置：中央处理器（central processing unit，CPU）为Pentium Dual-Core，内存2 G，硬盘250 G，显示器TFT LED，分辨率1 280×768，显存256 MB。

软件：Windows XP操作系统、Microsoft Visual C++6.0语言编制数据库系统程序（微软公司，美国），Mimics逆向工程软件（Materialise公司，比利时），3Ds Max中文版9.0软件（Autodesk公司，美国）。

1.2 方法

1.2.1 前牙外形数字化 利用南昌大学口腔医学院修复教研室保存的标准牙模型，其牙形态依据中国人牙冠的解剖形态特征雕刻而成[5]。使用硅橡胶印模材翻制各颗标准上颌前牙的牙冠印模，超硬石膏灌注。模型的表面光滑，无缺损和突起，对模型进行修整，保留完整牙冠。用游标卡尺分别对每个前牙进行测量，并与王惠芸[6]的恒牙测量统计数据进行校正，选择符合中国人牙体测量平均数据的石膏模型牙。最后将其固定于CBCT扫描仪工作台上扫描，获得重建的二维断层图像，以DICOM格式存储。

1.2.2 模型三维重建 将扫描的标准牙齿模型的DICOM数据输入Mimics软件，重建出牙齿三维模型（图1），以STL（Standard Template Library）格式保存。

1.2.3 建立标准牙齿外形数据库 将标准牙三维模型作为提供修复体设计的模板保存于数据库中。进行模拟修复设计时，提取数据库中的标准牙数据作为构造修复体外表面的模板，可以缩短设计的时间，提高设计效率。

1.2.4 建立上颌前牙形态修复效果模拟修复系统 在Windows XP环境下，以3Ds Max三维动画设计软件为核心，MS SQL SERVER2000数据库为后台，前端应用程序使用Microsoft Visual C++6.0 编写，建立上颌前牙修复体外形的模拟修复系统。将数据库与3Ds Max软件连接，进行修复体外形的修改和设计（图2）。

1.3 临床应用

选择在南昌大学附属口腔医院修复科就诊的需要前牙美容修复的5例患者在治疗前运用本系统进行模拟修复，探讨模拟系统的应用效果。

2 结果

本研究建立的三维模拟修复系统的界面设计简单，操控方便简捷，便于临床医师操作使用。模拟修复的效果真实可靠，与最终临床修复效果非常接近，显著提高了患者的修复信心。

典型模拟修复病例：患者方某某，女，45岁，因“前牙牙列不齐”就诊。2月前已接受了完善的牙周治疗。专科检查：11、12、21、22唇向错位，11、21近中舌向扭转，11、12间及21、22间均存在2 mm间隙；上下前牙呈深覆、深覆盖。上前牙牙龈颜色正常，无牙结石，牙周探诊深度2～3 mm，牙无明显松动。全景片示：11、12、21、22牙槽骨吸收达根长的1/3。

治疗计划：患者牙周条件欠佳，为了调整咬合，分散上前牙力限制其移动，建议上前牙联冠修复。为了改善前牙美观效果，必须进行矫正性的牙体预备。对需要进行牙体长轴矫正的11、12、21、22进行根管治疗。

征得患者同意后，上下颌制取印模，灌注石膏模型。利用CBCT分别扫描上、下颌模型以及上下颌牙尖交错的咬合模型。将扫描得到的DICOM数据利用Mimics三维重建，以STL格式保存。三维重建的上下颌模型见图3。登录数据库，将患者的就诊信息和三维模型输入保存于计算机中，以便将来查询。

在数据库中选择患者拟修复牙相应的标准牙模型后直接点击“合并”按钮，就进入了三维动画编辑软件的界面中。为了提高模拟修复的效率，首先选择病例中的上颌模型，选择F3网格显示的快捷键将上颌模型网格化，选择“修改器→可编辑多边形→三角形面片编辑”用鼠标框选拟修复的临床牙冠沿颈缘去除（图4），然后在F5快捷键的操作命令下合并标准牙三维模型。

患者上前牙前突错位、有间隙，模拟设计时需诊断性排牙，内收前牙，尽量使覆、覆盖正常。将标准牙冠依次调入，根据缺隙近远中径、牙龈缘、牙弓弧度、咬合空间等修复实际情况将标准牙体模型通过移动、旋转、FFD修改器进行定位和调整。 最后精修，将破裂面在网格化编辑下修补、优化、平滑（图5）。

标准牙冠位置基本定位好后，将模拟修复后的3D效果图（图6A）与患者进行沟通，再根据患者的要求修改牙冠的外形，直到医患意见达到一致。患者可以从任意角度预览和观察修复后的美学效果。患者对预期效果图满意后，将其传递给技师，制作出美观、自然、符合患者个性特征的修复体（图6B）。

3 讨论

3.1 三维数据采集的方法

三维数据采集技术是三维重建技术工作的基础和前提。由于牙颌模型本身的不规则性和复杂性，获取数据时需要同时解决精度、完整获取模型信息、效率与过程自动化等问题。目前常用三维数据采集的方法有接触式测量法[7]、三维激光测量法[8]、层析三维测量法[9]、光栅投影测量法、计算机断层扫描法等。

计算机断层扫描法不受被测结构表面形状复杂性、材料性质和表面光滑程度的限制，现在被广泛用作获得3D数字外形的扫描工具。利用CT扫描数据建立三维数字模型已成为计算机辅助设计/计算机辅助制作、机体运动模拟以及生物力学研究中的重要方法。Tajima等[10]使用CT重建下颌磨牙的三维有限元模型，Pileicikiene等[11]使用螺旋CT建立正常颌骨及关节盘的三维有限元模型。Damstra等[12]利用CBCT三维重建下颌模型。

本研究利用CBCT来获取模型的三维数据，采用DICOM格式存取和传输CT数据，避免了信息丢失，实现了真正意义的计算机辅助建模[13]。将DICOM数据输入Mimics软件中采用三角面片无限逼近的方法直接重建三维表面形态。此法简化了建模中提取轮廓线的过程，大大缩短了建模的时间。

3.2 数据库结构

数据库总体的设计思想是用患者的信息数据库管理标准牙体数据库和后续的设计软件。本研究建立的数据库是一个通用的、开放的数据库，可以灵活地进行数据信息的录入、查询、增加、删除、修改等基本操作，可以将标准牙齿形态数据和任何一位患者相关联，减少了数据重复存储，实现了标准牙齿形态数据信息重复利用。患者信息数据库可以根据就诊患者的多少来扩充，标准牙齿形态数据也可以根据修复设计需要进行扩充。

3.3 三维动画设计软件

前牙修复的效果主要是以视觉评价为基础的，涉及大量的形态学问题。对于复杂空间关系的口腔来说，牙颌组织的三维图像比传统的二维图像能够更加全面真实地反映客观事物，为人们提供更多的信息。本系统用3Ds Max三维动画设计软件将修复体外形在计算机中用具体、形象、逼真的三维实体来直观展示给患者，弥补了以往简单平面图和枯燥文字叙述方式的不足。3Ds Max可在一个界面上打开多个视图窗口，任一窗口操作所产生的改变也会在其他窗口中显示。医生和患者可以同时从多个角度预览和观察修复体的外形。医患沟通时可以根据需要在计算机中随时调整修复体的外形，达到“椅旁”进行修改的功能。也可以制作成简单动画的方式向患者展示，利于患者准确地理解医生的设计方案和修复的效果。最后可以将模拟后的3D效果图交付技师作为制作修复体时的参考。此模拟修复系统很好地增加了医、患、技之间的沟通和交流，为制作出美观并符合患者个性特征的前牙修复体提供了一种有效的途径。

本研究初步建立的三维模拟修复系统的界面设计简单，操控方便简捷，不需要用户精通计算机方面的知识，便于临床医生操作使用。在今后的研究中，将朝着以下几个方向发展。1）智能化：实现标准牙体的精准自动定位，无需较多人工干预；2）精确化：能模拟实际动态的咬合过程，使最终的模拟修复效果更加符合现实口颌系统；3）逼真化：模拟真实修复体的色彩，并对修复区域相对应的颌面部软组织进行预测。

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[13] 林川， 杜莉， 沈颉飞. 建立三种桩核系统修复下颌第一磨牙的三维有限元模型[J]. 实用口腔医学杂志， 2008， 24（2）：236-239.

（本文编辑 李彩）