全口义齿牙列基托分体数字控制加工后装配粘接精度的定量评价

王 函，吕培军，王 勇，孙玉春

(北京大学口腔医学院·口腔医院，口腔医学数字化研究中心，口腔修复教研室 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)



·论著·

全口义齿牙列基托分体数字控制加工后装配粘接精度的定量评价

王 函，吕培军△，王 勇，孙玉春

(北京大学口腔医学院·口腔医院，口腔医学数字化研究中心，口腔修复教研室 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)

目的：定量评价全口义齿牙列基托分体数字控制加工后的装配粘接精度，为临床应用提供参考。方法：用Activity 880牙颌模型三维扫描仪获取标准无牙颌石膏模型及牙合托三维数据，用本课题组自主研发的全口义齿计算机辅助设计(computer aided design，CAD)软件设计上颌总义齿CAD数据Data1。用Imageware 10.0、13.2软件(西门子，德国)及Geomagic Studio软件将基托与牙列结合部设计为无倒凹固位钉形态，设定固位钉端面处基托与牙列间隙为0 mm，其余部分预留0.05 mm粘接剂间隙，得到牙列、基托CAD数据Data2和Data3。用Zenotec T1 5自由度切削机及其配套的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)可切削树脂盘分别加工牙列和基托，其中牙列分为双侧后牙区段和前牙区段3个部分进行加工，在基托对应区域就位后用沪鸽自凝树脂分别粘接。扫描获得义齿整体三维表面数据Data4，用多点对齐和注册器命令将Data2、Data3分别对齐于Data4获得Data5，提取出Data5中Data2、Data3结合部形态中原本设计牙合龈方向上间隙为0 mm的部分数据，用3D偏差分析工具检测该部分间隙量的大小，获得牙列、基托装配后的平均间隙量，定量评价装配粘接精度。结果：Data2和Data3的平均间隙量为：左后牙区段(0.44±0.04) mm，最大偏差值0.52 mm，最小偏差值0.29 mm；右后牙区段(0.52±0.07) mm，最大偏差值0.64 mm，最小偏差值0.28 mm；前牙区段(0.60±0.10) mm，最大偏差0.81 mm，最小偏差0.40 mm；牙列与基托整体平均粘接装配精度为(0.52±0.10) mm。结论：将全口义齿牙列基托结合部设计为无倒凹固位钉形态并将牙列分为3个区段时，可将分体数字控制加工的牙列与基托之间的装配粘接误差控制在0.5 mm量级，探索了全口义齿计算机数字控制加工路线，虽然精度在咬合方向上还有进一步改进的空间，但证明了拥有个性化咬合的全口义齿数字加工技术路线可行。

义齿，全口；计算机辅助设计；牙列；义齿基托

近年来，口腔固定修复的计算机辅助设计/计算机辅助制造(computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM)技术应用广泛，该技术在提高临床修复效率、效果，减少医技人员的劳动强度，弱化医技人员个人经验、技巧等主观因素带来的影响等方面效果肯定。

全口义齿造型繁杂，构成材料复杂多样，很难用单一设备和工序制造完成，相关的数字化技术研发相对缓慢，目前主要集中于数据获取、CAD等方面，义齿直接数字化加工成形方面尚未取得突破性进展[1-4]。

从1994年开始，众多研究者对全口义齿的数字控制加工技术进行了探索研究，但都无法体现出数字加工的生理个性化咬合、加工的精确性和便捷性等优点[5-10]。

本实验为解决上述问题，设计了一种全口义齿数字化加工技术路线，并对其加工后的粘接装配精度进行了定量评价，旨在为将来的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验设备及软件

主要实验设备有Activity 880牙颌模型三维扫描仪(扫描精度20 μm)、Wieland公司Zenotec T1 5+2自由度切削机(切削精度20 μm)及其配套的聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)切削树脂盘。主要软件有本课题组自主研发的第一代全口义齿CAD软件，Imageware 10.0、13.2软件(西门子，德国)，Geomagic Studio/Qulify 2013(Geomagic公司，美国)。计算机硬件为Intel®CoreTMi5-3550处理器，内存8 G，硬盘1 T，优派VG920彩色显示器。样本为标准无牙上颌石膏模型1个。

1.2 CAD数据的获取

用Activity 880牙颌模型三维扫描仪取得标准无牙颌上颌石膏模型数据Data0及其牙合托蜡型的扫描数据。

1.3 全口义齿的CAD

将扫描获得的无牙颌石膏模型和牙合托蜡型数据进行对齐，用本课题组自主研发的全口义齿CAD软件完成上颌标准无牙颌模型全口义齿的设计，数据为Data1(图1)。

1.4 牙列基托结合部无倒凹固位钉形态设计

在得到的上颌牙列CAD数据和基托CAD数据的基础上，将上颌牙列分为3个区段，即两个后牙区段和一个前牙区段，人工牙列将以类似联冠方式分为3部分，分别就位粘接以增加人工牙与基托的粘接强度和降低粘接操作的复杂程度。

使用成品人工牙原始数据，去除原盖嵴部数据，根据牙列上每颗人工牙的形态、大小、空间位置的不同在牙与基托的盖嵴部(即牙与基托结合部位)进行无倒凹固位钉三维形态设计。人工牙以锥度为10°，中心线为牙长轴的倒锥形体插入基托中，基托在盖嵴部的中央由基托向人工牙内部分伸出一个锥度约为10°的锥台形结构，每个区段中锥台中心线皆平行，改良盖嵴结构与基托的粘接间隙设计为0.05 mm，在锥台形结构的上底面，粘接剂厚度为0 mm，作为人工牙区段牙列的就位终止区。

完成牙列和基托CAM前的形态设计，经过改良设计的牙列数据为Data2(图2A)，基托数据为Data3(图2B)，针对结合部的设计并未改变牙列冠部及基托磨光面的形态，故两者合成的数据外形同Data1。

1.5 数字控制切削和粘接

用Wieland公司的Zenotec T1 5自由度切削机及其配套的PMMA切削树脂盘分别加工出牙列和基托，其中牙列的数字控制切削顺序依次为左后牙区段、右后牙区段，最后是前牙区段。在装配时，左后牙区段无需调磨便可顺利就位，无翘动、转动；右后牙区段少量调磨牙龈乳头尖锐部分及基托锥台结构与下底面连接的过渡区域后可顺利就位，无翘动、转动；前牙区段的调磨量较右后牙稍多，就位无翘动、转动。调磨过程中基托上的锥台形结构的上顶面及对应牙列的顶面不进行调磨，后用自凝树脂(沪鸽齿科材料有限公司)将牙列和基托粘接(图3)。

2A, the 3D data of the dentition; 2B, the 3D data of the baseplate.

图1 上颌全口义齿设计数据总体观 图2 上颌全口义齿设计数据
Figure 1 The overview of the final 3D data of the complete denture Figure 2 The final 3D data of the complete denture

A, the fabrication of the baseplate finished; B and C, the fabrication of the dentition finished; D, the complete denture after cemented.

图3 牙列基托的数字控制加工
Figure 3 The fabrication of the dentition and the baseplate

1.6 所加工义齿扫描数据的获取

扫描仪获取所加工的全口义齿三维表面数据Data4。

1.7 数据对齐

将牙列设计数据Data2对齐于Data4的牙列上，以牙冠部分为共同区域进行注册，在牙冠上选取较为清晰、明确的牙尖顶点和中央窝最低点为标记点。将Data3对齐于Data4上，以基托磨光面和组织面为共同区域进行注册，将基托上颊侧韧带和唇系带等明确的凹陷顶点作为共同标记点。

Zenotec T1的加工精度为20 μm，加工精度较高，Data2和Data4中牙冠部分与Data3和Data4中基托的磨光面和组织面这些共同区域对齐效果较好。将Data2与Data3联合为Data5，提取出Data5中Data3中基托锥台结构上顶的曲面及Data2中牙列基托结合部改良型态对应的曲面结构(原始设计数据Data2和Data3中，该对应的两曲面间隙为0 mm)，用Imageware 13.2检验各个牙及各个区段牙列的3D偏差，以定量检测出粘接装配后两者的间隙量大小。

2 结果

左后牙区段的平均间隙量为(0.44±0.04) mm，最大偏差值0.52 mm，最小偏差值0.29 mm；右后牙区段为(0.52±0.07) mm，最大偏差值0.64 mm，最小偏差值0.28 mm；前牙区段为(0.60±0.10) mm，最大偏差值0.81 mm，最小偏差值0.40 mm；牙列与基托整体平均粘接装配精度为(0.52±0.10) mm(表1、图4)。

表1 牙列与基托粘接成形后锥台形结构上顶面偏差量Table 1 The average clearance measurements between the dentition and the baseplate

3 讨论

目前数字化制造技术已经可以直接应用于固定修复中的冠、桥、嵌体等和局部可摘义齿的金属支架和铸造用支架的加工和制作，而全口义齿的研究集中于3D数据的获取和CAD软件的开发，现在也出现了几套系统的全口义齿系统，如加拿大的Avadent，丹麦的3shape及本课题组自主开发的全口义齿CAD软件，但是全口义齿的直接数字控制加工方法及其效果尚不明确。

本研究针对牙列基托分体数字控制加工后装配粘接成形这种技术路线，将牙列基托结合部设计为无倒凹固位钉式三维形态。有研究表明，通过此种改良设计，可以提高分体数字控制加工完成的牙列基托之间的装配粘接精度，误差在0.5 mm左右，明显高于既往的研究结果，同时，此种路线避免了成品人工牙无法体现全口义齿CAD软件对牙列平衡牙合设计结果的缺陷，有望减少戴牙时复杂的调牙合程序时间，降低特殊牙合型的制作成本。数字控制加工的方法也简化了加工程序，使传统人工排牙、制作蜡型、制作型盒、加压装胶、开盒等工序简化为高度自动化的计算机排牙设计基托、数字控制成形、粘接，大大简化了医技人员的工作强度。

A, the right upper first molar (16); B, the left upper molars; C, the right upper molars; D, the upper anterior teeth; E, the 3D deviation analysis of all the upper teeth.

图4 软件分析3D偏差
Figure 4 The analysis of the 3D deviation

本实验采用的数字控制切削方式将牙列和基托分别加工，为了使牙列能够顺利与基托装配，将人工牙的盖嵴部做了改良设计，为减小操作的复杂程度，将牙列分为3个区段，即两个后牙区段和一个前牙区段，检测用本法制作的全口义齿牙列和基托的装配精度。

CAM的方式主要有两大类，即加法制作和减法制作，加法制作的代表为快速成型，而减法制作的代表为数字控制切削。本实验选用的是数字控制切削的加工方式，因为这样可以避免在成型过程中由于固化反应等造成的收缩或是变形，从而影响其加工后的精度。使用的扫描仪和数字控制加工设备是Activity 880牙颌模型三维扫描仪，其扫描精度为20 μm，Wieland公司Zenotec T1 5+2自由度切削机，其切削精度为20 μm，精度较高，达到临床固定修复技术的要求。

从软件的3D偏差分析结果发现，牙列基托的平均粘接装配偏差为(0.52±0.10) mm，最大可达0.81 mm。分析基托与牙列在装配精度未达到理想状态的可能原因为：左后牙的偏差最小，其次是右后牙，然后是前牙，与数字控制加工的顺序一致，在切削过程中，车针的耐久度下降得较快，故可能是在加工的过程中，随着车针耐久度下降其切割刃变钝，使所加工的物件精度有所下降，而顺利就位对锥台状结构要求的精度较高，所以这种差别就表现得尤为明显。再次重新加工，改变加工顺序，将左后牙、右后牙、前牙的顺序改为右后牙、前牙、左后牙后，装配过程中前牙的就位效果仍然稍差，而双侧后牙的装配效果较好，双侧后牙均无需调磨便可就位，前牙的调磨量仍比双侧后牙大，因此调整了加工顺序，保证车针耐久度可以使其精度保持在较高水平。

前牙的精度误差较大可能是由于前牙直径较小，其固位结构也要变小，所加工结构越小在装配时对精度的要求越高，且前牙的牙龈乳头等结构较后牙更为高耸，边缘锐利，给就位带来了难度，而T1切削时所用到的车针中直径最小的为1 mm，某些细节(如锥台形结构与底面过渡的折角处)无法完全实现。因侧切牙的直径较小，无法满足使设计数据的所有区域均大于1 mm的要求，故侧切牙上并未设计固位结构。

目前尚未见相关文献探讨全口义齿在制作过程中所取的上、下颌关系与最终制作的义齿修复体在牙合面的精确度为多少是临床可接受的范围，但根据临床全口义齿的调合中所使用的咬合纸厚度约为0.1 mm可推断，差距在0.1 mm之内为比较理想的状态，故本实验的牙列基托分体切削后粘接成形方法中，牙列和基托二者的装配精度还有待改进。

数字化技术应用于全口义齿的加工的确可以大幅降低全口义齿工艺的复杂程度，减小由于技师经验所造成的全口义齿质量偏差，增加全口义齿加工的精确度，并可以更好地把医师所设计的特殊咬合关系、牙合面形态体现在义齿修复体上。

本研究结果表明，牙列基托分别数字控制切削后粘接成形的方法效果还不够理想，尚待进一步优化CAD设计及改良加工的技术路线，使牙列和基托能够拥有更高的粘接装配精度。

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(2015-01-23收稿)

(本文编辑：任英慧)

Quantitative evaluation of fabricating complete denture by computer numerical control in manufacturing dentition and baseplate separately plus adhesive molding

WANG Han, LU Pei-jun△, WANG Yong, SUN Yu-chun

(Center of Digital Dentistry, Faculty 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)

Objective：To quantitatively evaluate the assembly precision of fabricating complete denture by computer numerical control (CNC) in manufacturing dentition and baseplate separately plus adhesive molding. Methods: The 3D surface data of a standard edentulous maxilla plaster cast model and the temporary base-plate were obtained using an Activity 880 3D scanner. The data (data1) of a complete denture were designed using a set of computer aided design (CAD) software developed by the research group of this study. The pins without undercut were designed as 3D shape of the joining area of the dentition and the baseplate by using the software of Imageware 13.2 and Geomagic Studio 2013. Zero in the top and 0.05 mm in the rest surfaces of the retention pins were set for adhesive clearance. Zenotec T1 (5-axis milling machine) was employed to manufacture polymethyl methacrylate (PMMA) dentition and baseplate. Double sides posterior and one anterior “union teeth” were got. The teeth were inserted into the retention pins in the baseplate and cemented with self-curing resin (Huge Dental Material Co., Ltd). The denture was scanned with the 3D scanner to obtain dataset Data4. Data2 and Data3 registration was set in Data4, Data2 and Data3 were united to gain Data 5. The adhesive clearance on the top of the retentional pins was measured, which was originally designed into 0 mm, and the assembly precision of dentition and baseplate obtained. Results: The average clearance measurements between the dentition and the baseplate: left molar teeth (0.44±0.04) mm, max 0.52 mm, min 0.29 mm; right molar teeth (0.52±0.07) mm, max 0.64 mm, min 0.28 mm; anterior teeth (0.60±0.10) mm, max 0.81 mm, min 0.40 mm; total average clearance (0.52±0.10) mm. Conclusion: The adhesive clearance can be controlled to the level of 0.5 mm when the joining part of the artificial teeth and the base was designed into the shape of retentional pins and the artificial dentition divided into 3 parts. We succeeded in using the CAD/ computer aided manufacturing (CAM) technology to fabricate the complete denture. Although the assembly precision of the dentition and the baseplate is not perfect, the results have proved that the technical routes are workable.

Denture, complete; Computer-aided design; Dentition; Denture bases

国家自然科学基金(81271181)、国家高技术研究发展计划(863计划, 2013AA040801)资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (81271181) and the National High Technology Research and Development Program of China (863 Program, 2013AA040801)

时间：2016-9-5 9：24：12

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4691.R.20160905.0924.008.html

R783.6

A

1671-167X(2016)05-0884-05

10.3969/j.issn.1671-167X.2016.05.025

△Corresponding author’s e-mail, kqlpj@bjmu.edu.cn