基于两种不同设计理论的数字化牙冠外形精度的比较

张 藤,张博伦,逯 宜,王 方*

(1西安交通大学口腔医院,陕西省颅颌面精准医学研究重点实验室,西安 710004;2西安交通大学口腔医院口腔修复科;*通讯作者,E-mail:xjtuff@126.com)

近年来,在口腔领域,基于计算机辅助设计(computer-aided design, CAD)与计算机辅助制造(computer-aided manufacture, CAM)系统的数字化修复技术飞速发展,已经逐步替代传统手工修复[1]。在以扫描-设计-制造为主要步骤的数字化工作流程中,牙冠外形的设计主要是依靠CAD软件实现[2-4]。目前有关牙冠外形设计的理论有数据库理论(library method)、相关理论(correlation method)等,数据库理论是指软件内含有一个或多个牙形数据库,在设计时根据扫描数据操作者手动或软件自动从数据库中调取相应的牙齿元素来完成牙冠设计,也可称之为个性化设计法;相关理论，又称复制理论，是指复制原有的牙齿形态或者牙弓对侧同名牙的形态到最终修复体的方法[5,6];每种理论应用于不同的CAD软件的不同设计模式中:以3Shape系统(3Shape Dental System,3Shape A/S)为例,它是目前常用的CADCAM系统之一,配备有高精度扫描仪而具有较高的数据捕获能力,同时具有功能强大的CAD软件以及开放性的数据端口用于连接切削设备,在临床使用以及数字化相关的研究中均较多地涉及[4,6],在3Shape设计软件中应用数据库理论的模块称之为数据库模式,应用复制理论的模块称之为预制备体模式。

冠修复体外形对于修复治疗而言至关重要,良好的咬合面形态及正常的轴面生理凸度有利于功能性咬合建立及牙周组织的健康[7]。最早的CAD软件基于标准牙库建立,在挑选完牙齿元素后,需要手工调整进行个体适应以匹配患者的口腔条件;这种调整依靠于技师的专业知识和个人经验,耗费大量的时间,且在临床试戴时需要较多的调磨以消除早接触和咬合干扰,降低了数字化修复的效率和精度[8,9]。随着技术的进步,后期的CAD软件在升级过程中加入了模拟下颌运动的虚拟关节等功能[10],在一定程度上弥补了这方面的设计缺陷。那么经过改善和优化升级后的CAD/CAM系统,在实际使用中两种设计理论指导下的牙冠设计是否具有差异,仍有待探究;同时目前国内外研究中关于数字化设计牙冠的研究主要集中于边缘适合性、CAD/CAM冠材料方面[11,12],有关外形精度的研究较少,探究CAD/CAM系统不同设计方法下的牙冠设计精度,将有利于指导临床医生和技师选择最优的设计方法以提高修复治疗的效率和成功率。

Geomagic qualify 12.0是一款逆向工程软件,使用其最佳拟合功能和三维分析功能可以在同一坐标系中比较两三维曲面间的差异,在三维平面拟合性相关研究中较多地使用[4,5,13]。

因此,本研究将采用Geomagic qualify 12.0软件客观测量的方法探究常用的3Shape系统两种模式下的牙冠外形精度,以期寻找最优设计方法,为临床修复治疗使用提供参考。

1 材料和方法

本实验选取10名志愿者进行研究,所有参与者同意参与研究并签署知情同意书,研究已获得西安交通大学口腔医院医学伦理委员会(xjkqll[2021]NO.06)批准,实验将按照如下步骤进行(实验流程见图1)。

图1 3Shape软件的两种数字化设计模式牙冠设计精度比较实验流程图Figure 1 Workflow of comparing the morphological accuracy of autogenerated crowns designed by two modes of 3Shape Dental System

1.1 印模制取和全冠预备

1.2 自动设计冠的获取

将上一步获取的牙列扫描数据导入到3Shape CAD设计软件中,根据软件使用说明及临床标准设置相应的软件参数,黏接间隙参数设定为:轴面及咬合面60 μm,边缘20 μm,分别利用软件的预制备体模式、数据库模式自动生成牙冠,记为复制组和个性化设计组,导出两组自动设计冠的STL数据。

1.3 技师调整冠的获取

将自动设计冠的数据交由同一名经验丰富的技师,按照修复临床关于咬合关系及邻接关系的要求在软件提示需要修改的区域对自动设计冠进行调整,并导出调整冠的数据,分别记为复制组和个性化设计组。

1.4 三维方法测量外形精度

A.复制组 B.个性化设计组图2 自动设计冠与原始牙齿形态的外形差异三维色谱图Figure 2 3D color maps of the morphological discrepancy between the auto-generated crown and the original tooth

1.5 统计分析

使用SPSS 26.0软件对上述两组代表自动设计冠与原始牙齿形态差异及两组代表自动设计冠与技师调整冠差异的平均正偏差、平均负偏差、标准偏差、RMS值4个指标值进行统计分析。由于数据不能同时满足正态性检验及方差齐性检验,故采用曼-惠特尼秩和检验的方法分别比较复制组与个性化设计组间自动设计冠与原始形态的差异、调整冠与自动设计冠的差异,检验的α水平为0.05。

2 结果

2.1 自动设计冠的外形精度

复制组和个性化设计组的平均正偏差、平均负偏差、标准偏差及均方根(RMS)各指标曼-惠特尼秩和检验结果表明,复制组和个性化设计组自动设计冠与原始牙齿形态间的差异有统计学意义(P<0.05,见图3),即复制法较个性化设计法获取的自主牙冠设计精度更优。

2.2 技师调整量的大小评价

复制组和个性化设计组平均正偏差、平均负偏差、标准偏差及均方根(RMS值)曼-惠特尼秩和检验结果表明,复制组和个性化设计组间技师调整量的差异有统计学意义(P<0.05,见图4)。

与复制组比较,*P<0.05图3 3Shape设计软件两种模式的自动设计冠与原始牙齿形态差异的平均正偏差、平均负偏差、标准偏差、RMS值比较Figure 3 Comparison of morphological discrepancy between autogenerated crowns designed by two design modes of 3Shape software and original teeth

与复制组比较,*P<0.05图4 3Shape设计软件两种模式的自动设计冠与技师调整冠形态差异比较Figure 4 Comparison of morphological discrepancy between autogenerated crowns designed by two design modes of 3Shape software and technician modified crowns

3 讨论

修复体数字化制造的核心应基于完整的临床数据,“完整”意味着天然牙与修复体的几何外形、光学质感、生物特性等诸多结构与功能特性均需通过数字化技术获取与重构,更重要的是能以适当的数字化形式直接被制造端读取并在修复体上实现直接的物化,换言之,数字化制造应在塑造最终形态的同时实现功能性的完全重建,从而完全去除后续手工修饰工作,实现全面数字化,节省临床操作时间[1]。

基于上述全面数字化的要求,CAD/CAM系统在经过多年的升级优化后,在目前临床应用中展现出较好的潜力及发展趋势。例如,通过口内扫描直接获取牙齿几何形态及咬合关系数字模型的技术近年取得突破性进步,能够实现快速精准获取扫描数字文件,为后续设计与制造提供最重要的基础数据信息[14,15];对天然牙光学质感的数字化描述与重构对后续的数字化制造有关键性作用,因而近年引入了比色仪等数字化设备精确获取天然牙颜色信息[16];最早基于标准数据库建立的CAD软件难以满足个体化设计需求,为了实现功能性的咬合重建、更好地模拟下颌运动,增加了虚拟关节等功能,在一定程度上弥补了标准数据库设计的不足,但这一功能需要较大的设备和人力才能实现[17]。而复制法(correlation method)是复制原有解剖形态到最终修复体的方法,能够尽可能恢复原有形态,减少椅旁佩戴时的调整时间,减少调整量以减少对于全冠修复体的磨削,保证修复体的强度[18]。目前有关数据库法和复制法外形精度比较的相关研究较少,探讨最优数字化设计方法将有利于指导临床医生的日常诊疗工作,提高修复治疗的成功率。因此本研究探讨了常见的3shape数字化系统两种设计理论指导下的自主牙冠外形精度差异。

本研究采用Geomagic qualify逆向工程软件,三维测量自动设计牙冠与原始牙冠间的差异。在输出的4个指标值中,RMS值是主要的评价指标,是正负偏差的综合体现,消除了正负偏差相加抵消而缩小实际偏差的可能性,较标准偏差(SD)相比更能反映两三维平面间各点的距离[4]。

本研究结论表明复制法(correlation method)自主牙冠设计效果优于个性化设计法(library method),这与Zhang等[6]的研究结果相同,它采取的比较方法为二维比较及主观评价法,与本研究相比缺少一定的客观性;Arslan等[19]评价了CEREC系统3种设计模式(BI/BC/BR)下的设计精度,结果表明BC/BR优于BI即复制法(correlation method)优于个性化设计法(library method),但由于在评价时仅评价了咬合面形态的设计精度,缺少轴面形态在内的整体牙冠外形精度的评价,与本研究相比评价内容的全面性有所欠缺。

本课题组的前期研究中,比较了CEREC椅旁系统的3种设计方法,总结了一定的使用规律[18,20]。同样的,对于3Shape系统,当原始牙冠形态存在的情况下例如对临时冠效果满意的牙齿,或形态完整但需要根管治疗的牙齿,采用复制法即预制备体模式较数据库模式更能够获得稳定的咬合关系,有利于口颌系统的健康;当龋齿或外伤、磨耗造成牙齿原有的解剖形态丧失时,则采用数据库模式进行设计,软件自动设计后可能需要技师及医生进行一定的椅旁调整才能达到较好的修复效果。

综上,本研究采用三维客观测量的方法探究3Shape系统两种设计理论的自主设计牙冠外形精度,实验模型设计是基于牙冠原始形态完整且患者对于外形适应良好、外观满意的标准牙列模型,所得结论具有一定的临床指导意义。课题组计划下一步增加磨耗、牙列缺损等类型下的软件精度的实验探究,以期获取更具临床指导意义的结论,推动数字化技术的发展。