数字化设计技术在口腔修复中的应用

刘一帆 郑秀丽 王伟娜 高勃

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数字化设计技术在口腔修复中的应用

刘一帆 郑秀丽 王伟娜 高勃

近年来，随着计算机技术的飞速发展，数字化设计技术凭借精准、高效等特点，已经越来越多的应用到口腔修复各领域，并且有望在未来实现口腔修复的完全数字化。该文将简要介绍数字化设计技术在固定和可摘义齿修复领域的应用，阐述其技术原理和设计流程；总结了常见的口腔修复数字化设计软件的分类，并概述3D数字微笑设计的工作流程。

数字化设计； 计算机辅助设计； CAD/CAM； 微笑设计； 口腔修复

数字化设计，即计算机辅助设计，是集计算、绘图设计、网络通讯、信息管理等多领域知识于一体的高新技术，是先进制造技术的重要组成部分，也是口腔修复CAD/CAM流程中的中间环节。利用计算机强大的计算能力和图文处理功能来辅助口腔医师和技师进行修复规划、修复体设计和数据管理，极大的提高了修复体设计效率，避免了传统手工制作的繁琐流程，节省了大量的人力和时间；利用数字化设计系统对修复设计相关数据进行自动化计算与验算，在提高设计效率的同时也提高了修复体质量；同时，计算机辅助下的反向计划(backward planning)方法在前牙微笑设计和种植规划的应用，有利于多学科间交流，也保证了修复结果的可预测性。

1 口腔修复CAD软件介绍

目前市面上有诸多商业化的口腔修复CAD软件，其可设计的修复体几乎涵盖了口腔固定义齿、可摘局部义齿、全口义齿、种植手术规划及种植修复体、颌面赝复体等多种类型。

1.1 专用CAD软件和通用CAD软件

根据软件可设计修复体类型的多寡，可分为专用CAD软件和通用CAD软件2 大类。前者主要用于某一种修复体的设计，如用于数字化微笑设计的NemoDSD 3D软件(Nemotec，西班牙),用于设计可摘局部义齿的DIGISTELL软件(C4W，法国)，用于全口义齿设计的Baltic Denture System软件(Merz Dental，德国)，用于种植规划、导板设计的SIMPLANT软件(DENTSPLY Implants，瑞士)，功能较为单一，且兼容性较差。而通用CAD软件则可设计临床上常见的口腔修复体，如固定、可摘、种植修复体等，功能更为健全，其兼容性更好。

1.2 椅旁CAD软件和技工室CAD软件

根据面向人群的不同，可分为椅旁CAD软件和技工室CAD软件。椅旁CAD软件位于口腔诊室内，主要供口腔医师或其助手使用，多与相关的口内扫描仪和数控切削设备高度集成，CAD软件直接在口内扫描仪扫描获取的数字化工作模型设计相应的修复体，并经集成的CAM软件处理后，直接由配套的数控切削设备制作出相应的修复体，目前国际上有西诺德和普兰梅卡2 家厂商提供完善的椅旁CAD/CAM数字化解决方案，相应的椅旁CAD软件分别为CEREC SW(Sirona，德国)、PlanCADTMEasy(Planmeca，芬兰)。受口内扫描仪、数控切削设备及可切削材料的限制，椅旁CAD软件只能设计简单的嵌体、贴面、冠桥、种植基台等修复体。

技工室CAD软件主要配备于口腔技工中心，主要面向口腔专业技师，功能更为强大，可设计各种临床上常见的修复体。根据软件是否有配套的扫描仪、数控切削可分为3 类：①拥有配套的扫描仪、数控切削设备，如Amann Girrbach公司的Ceramill系列、Sirona公司的inLab SW软件、Planmeca公司的PlanCAD®Premium软件、KaVo公司的multiCAD系统、Dental Wings公司的DWOS系统(激光切削)、MANI SCHüTZ公司的Tizian Creativ RT等；②拥有配套的扫描仪，如3Shape公司的Dental System、Imetric 3D SA公司的3D Scanning Systems；③仅有CAD软件，如exocad公司的DentalCAD系统。

2 固定修复体设计

目前，口腔CAD软件能够设计的固定修复体主要有全解剖型冠桥、内冠、框架桥、马里兰桥、嵌体、高嵌体、贴面、咬合贴面、套筒冠、桩核冠、临时冠等。

2.1 设计技术和流程

对于全解剖型冠、桥、嵌体和贴面，其解剖形态的生成方法主要有3 种[1]：(1)标准牙数据库(图 1)，该类CAD软件内置了一系列预先设计好的标准牙冠的三维数据，当在设计时，部分软件可根据基牙预备体的解剖形态自动挑选最佳的标准牙冠供用户使用，也可手动选择合适的标准牙冠。此功能生成的牙冠需经后续繁琐的手动调整，操作较为复杂，且高度依赖于技师个人水平，目前市面上绝大多数的CAD软件都属于此类；(2)生物再造(Biogeneric)，此为CEREC系统的专利技术，其可根据基牙邻牙及对颌牙的位置和解剖形态，自动生成符合临床要求的修复体形态(图 2)。该方法操作简便，对修复体形态仅需少量调整，设计效率极高，生成的修复体形态较为自然，与邻近牙齿较为和谐；(3)生物复制和参照，根据复制来源的不同，又可分为3 类：①从相同牙弓的对侧同名牙处复制牙冠形态(图 3)；②从诊断蜡型的扫描件、基牙预备前的牙冠形态、之前设计的数字化临时冠处复制牙冠形态；③从当前设计好的对侧同名牙修复体处复制其镜像。该方法操作效率亦很高，生成的修复体形态与来源牙相似度高，但面形态多不精细，常需少量调整[2]。

图 1 标准牙数据库 图 2 生物再造功能 图 3 生物参照功能

固定修复体的常规设计流程步骤如下：①为每个基牙添加牙位标签；②设置修复体的就位方向；③设置修复体边缘线，该步骤对修复体的密合度有很大影响；④通过前述技术和工具设计最终修复体。对于固定桥或联冠，还需设计连接体的形态。

2.2 数字微笑设计

数字微笑设计最早使用Powerpoint、keynote、Photoshop等平面设计软件来实现2D的微笑设计，本质上是根据前牙美学规律对患者的面部微笑照片中的前牙美学区域直接修图，操作较为简单，能较快的实现微笑设计，但其缺点甚为明显[3]：①该方法为2D平面设计，只能为技师制作诊断蜡型提供参考，蜡型与原设计的相似程度取决于技师的个人制作水平；②该方法未考虑牙齿的整体形态、功能等因素的影响，不符合口腔修复体设计原则。

2.2.1 3D微笑设计 目前国际上已有诸多软件能实现3D微笑设计功能，其设计理念和具体方法稍有不同，主要包括以下2 种方式：直接法和间接法[3]。(1)直接法的特点主要为软件中内置美学相关的辅助导线或牙齿轮廓，在该软件中可同时完成前牙美学区的美学分析和3D形态设计。其设计流程大致如下[4](图 4)：①向软件中导入患者的数字化模型和正面微笑照；②摆正颜面，多以双瞳线为参考，使照片中人面部的横向参考与水平线平行，同时添加面中线和其他辅助参考线；③勾勒唇形，将患者的嘴唇内缘勾勒出来；④将数字化模型上的上颌前牙与照片中的相应位置对齐；⑤借助横向比例尺和牙齿轮廓等美学辅助工具完成牙冠的解剖形态设计；⑥渲染牙色，用拾色器(color picker)从相邻牙面上取色用以调整牙冠颜色。此外，Sirona公司的CEREC和inLab软件通过定义16个面部特征点，可从正面微笑照生成3D面部模型，从而对设计的修复体进行三维静态评价(图 5)；而3Shape公司的Dental System支持导入面部3D模型数据，与虚拟架相结合，可实现三维动态评价(图 6)。(2)间接法的特点则在于美学分析和3D形态设计分别在不同软件中前后完成。其流程如下：①借助keynote、Photoshop等平面设计软件或专业的2D微笑设计软件完成前牙美学区的美学分析，设计相应的辅助导线或牙齿轮廓(图 7)；②将含有牙齿轮廓的正面微笑照和数字化模型导入口腔3D设计软件并对齐，以牙齿轮廓为参考完成前牙的3D牙冠形态设计(图 8)。

2.2.2 数字化诊断模型 上述数字化诊断模型设计完成后，还需进行修整，添加虚拟模型底座或简易架(图 9)，最后通过3D打印或数控切削制作出相应的实体诊断模型(physical diagnostic model)，用于临床制作诊断饰面(Mock up)、指导备牙、指导冠延长术、制作临时冠等[3]。此外，数字化诊断模型还可用于常规的口腔数字化修复流程，具体步骤如下：①导入未行牙体预备的数字化模型；②添加牙位标签；③设置修复体就位方向；④设置修复体边缘线；⑤直接在模型对应牙位上设计新的牙冠解剖形态；⑥对数字化模型上的基牙还可进行虚拟备牙，按全冠要求设置肩台形态、各牙面预备量、轴面聚拢度等参数，并生成相应的数字化临时冠；也可模拟拔牙并对缺牙区黏膜进行修整，随后在该处设计相应的临时桥体(图 10)。

A： 摆正颜面并添加参考线； B： 勾勒唇形； C： 对齐模型； D： 设计牙冠； E： 渲染牙色

图 5 面部3D模型(CEREC SW) 图 6 面部3D模型和虚拟架结合(3Shape) 图 7 2D微笑设计(Keynote)

图 8 3D形态设计(NemoDSD 3D) 图 9 数字化诊断模型 图 10 虚拟拔除中切牙、预备侧切牙并生成临时桥

2.2.3 最终修复体设计 包括常规法和数字化法2 种设计方法：(1)常规法。临床完成基牙预备后，常规取模翻制石膏模型，随后在诊断模型上制作相应的硅橡胶导板用于指导和调整最终修复体设计；(2)数字化法。制取相应的数字化印模，通过生物复制或“重新使用设计”功能快速的将之前设计好的牙冠应用于最终修复体设计。

3 可摘修复体设计

当前市面上常见的商业化可摘义齿CAD设计软件主要有SensAble公司的SensAble System、3Shape公司的Dental System、Amann Girrbach 公司的Ceramill系统等产品。其中，3Shape Dental System发展较为快速，其最新版本加入了诸多新颖且实用的功能。

3.1 可摘局部义齿

以3Shape Dental System为例，其CAD流程如下：①模型观测并选择合适的就位道。通过彩虹图可了解当前就位道方向下各软硬组织的倒凹深度，可根据需要调整就位道；②平行填倒凹。软件自动根据当前就位道方向用虚拟蜡进行平行填倒凹，通过蜡刀雕刻工具可以手动去除卡环处多余的蜡，同时可缓冲基牙龈沟和支架下方的组织凹陷，最后平滑蜡的表面；③绘制支架部件。在缺牙区设置网状连接体，并绘制大连接体、邻面板、卡环、支托及外部终止线等结构，部分厂家的扫描仪支持纹理扫描功能，可以捕获模型上手绘的支架轮廓线，方便设计支架；④部分软件还支持在缺牙区添加虚拟牙冠，用于指导支架的设计，从而达到最佳美观效果及稳定性(图 11)；还可将虚拟牙冠或其根据解剖形态修整后的牙齿与支架合并形成一个整体，并在虚拟架上观察和调整牙冠的咬合(图 12)；⑤预制造(图 13)。通过厚度检查工具查看支架的厚度，并使用雕刻工具调整支架外形，在大连接体光滑面添加橘皮样花纹；此处可以为远中游离端的网状连接体添加组织止点；对于后期运用快速成型技术制作蜡型或树脂熔模，此处还可添加支撑杆、铸道及储金池等结构。

图 11 手绘纹理及虚拟牙冠 图 12 牙冠与支架合并 图 13 支架上添加止点、花纹、铸道

3.2 个别托盘

个别托盘是为牙列缺损或牙列缺失患者定制的印模托盘，可以更准确地获取余留牙解剖形态、牙槽嵴黏膜功能形态以及印模边缘的准确位置和形态，主要用于制取混合支持式、黏膜支持式可摘局部义齿或全口义齿的功能性印模[5]。其数字化设计流程如下：①模型观测及填倒凹。该步骤与可摘局部义齿部分相同；②绘制托盘边缘线。个别托盘的边缘通常位于前庭沟底和下颌舌侧黏膜反折处沟底所形成的连线向牙槽嵴方向均匀离开2 mm的地方，为边缘整塑提供空间；另外，对于牙列缺损且后期拟使用不可逆性水胶体材料取印模者，还应使用“缓压”工具在牙齿表面再添加一层蜡(图 14)；也可使用“开窗”工具设计牙槽嵴顶开窗式个别托盘，多用于下颌严重低平的无牙颌患者，其牙槽嵴顶表面常被覆有呈条索状的松软黏膜组织；③添加托盘手柄与指支托。托盘的手柄分别位于上颌、下颌前部牙槽嵴顶中线位置，指支托仅设置在下颌托盘双侧前磨牙区；如后期拟使用不可逆性水胶体材料制取印模，此处还可通过“开孔”工具在托盘上每隔5 mm左右钻一个8 号钻直径大小的孔，牙槽嵴顶除外[6-7](图 15)。

图 14 绘制托盘边缘并缓压 图 15 上颌牙列缺损个别托盘 图 16 上下颌AMD

3.3 全口义齿

当前国际上有AvaDent和Dentca两家公司提供成熟的全口义齿数字化制作方案，且都能在第2次就诊时完成全口义齿修复。其中，患者第1次就诊时将完成数据收集(包括制取印模，记录颌位关系，确定咬合平面，选择牙齿形态和颜色)，第2次就诊时即可完成全口义齿佩戴，部分情况下还可通过3D打印制作出全口义齿的树脂型，用于临床供患者试戴并评价该义齿设计[8-9]。以下以AvaDent公司为例介绍其全口义齿的数字化制作流程。

患者第1次就诊时，医师使用AvaDent公司的热塑性个别托盘在边缘整塑后制取硅橡胶终印模，随后通过类似的方法用硅橡胶将配套的解剖测量设备(anatomic measuring device, AMD)固定于口内(图 16)，该设备包括一个下颌托盘及其光滑面上的咬合追踪平板，一个上颌托盘，其中央有可调节触笔，用于支撑AMD位于通过常规方式确定的咬合垂直距离处，同时作为哥特式弓的追踪器用于获取水平颌位关系(图 17)，托盘前方的可调节翼板用于记录上唇的支持形态。调节配套的平面定位尺，使其与双瞳线平行并记录其值(图 18)，随后记录患者的面中线及笑线并挑选合适的牙齿形态，最后用咬合记录硅橡胶将位于正确颌位关系的AMD固定住(图 19)，同终印模一同送往牙科技工室[8-9]。

图 17 口内记录颌位关系[8]图 18 确定咬合平面[9]图 19 颌位关系记录和牙齿形态[8]

牙科技工室将分别扫描上下颌终印模和AMD，并将获取的上下颌数字化模型分别拟合到AMD上的上下颌位置，从而获得其咬合关系，随后确定并标记出模型的边缘(图 20)，形成义齿基托的组织面，根据平面和咬合关系进行排牙(图 21)，最后形成完整的义齿基托。完成后即可使用数控切削分别加工出人工牙和带有相应牙齿凹槽的义齿基托，并粘接为一体。患者第2次就诊时将按常规方式调改和配戴义齿[8-9]。

4 结束语

最早的CEREC 1系统只能设计简单的嵌体，智能化水平较低，而如今通用的口腔修复CAD软件几乎可设计所有临床上常见的修复体，功能更为强大。然而，还存在着诸多问题，限制了口腔修复流程完全数字化的实现。牙列缺损或牙列缺失患者常需采用临床常规方式制取功能性印模，无法实现活动修复的全程数字化；口腔修复CAD系统的使用高度依赖于口腔修复技师的专业知识，无法实现自动化设计；修复体的功能和美学性能常需通过临床佩戴或试戴来评价，无法实现自动化评价和结构拓扑优化等，以上将是未来亟待解决的问题。

图 20 上颌模型边缘[8]图 21 虚拟排牙[8]

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(收稿： 2016-12-20)

陕西省科技统筹创新工程计划项目(编号： 2015KTCQ01-90)

710032 西安， 军事口腔医学国家重点实验室，口腔疾病国家临床医学研究中心,陕西省口腔医学重点实验室,第四军医大学口腔医院修复科(刘一帆 王伟娜 高勃)； 哈尔滨医科大学口腔医院修复科(郑秀丽)

高勃 029-84776469 E-mail: gaobo@fmmu.edu.cn