数字化技术在直丝弓托槽间接粘接中的应用

钮晔 曾芸婷 曾悦翔 张泽宇 肖立伟

中南大学湘雅二医院口腔正畸科 长沙 410011

数字化托槽间接粘接是指对三维牙颌模型进行数字化测量、分析及方案设计，然后利用系统数据库的托槽或者定制个性化托槽，在三维模型上进行托槽虚拟定位和排牙，再利用计算机辅助设计制作转移托盘，将虚拟定位托槽的位置转移至患者口中。Suresmile、Insignia、OrthoCAD iQ等都是类似的间接粘接系统软件[12-14]。

1 数字化牙颌模型的应用

数字化间接粘接需要在计算机上对三维牙颌模型进行唇侧托槽虚拟定位和排牙。因此，三维牙颌模型的获取是利用数字化间接粘接技术进行直丝弓矫治的前提。相比较传统石膏模型，数字化三维模型数据存储方便、不易磨损，可以在计算机上在模型的任意部位、以任意角度进行放大缩小、旋转、移动，在清晰的图像上进行线距、角距、面积等的精准测量，并可以模拟矫治后的三维牙颌模型，在数据交流和分享、数据测量和分析、医患交流上有着传统石膏模型无法替代的优势。

数字化三维牙颌模型的获取途径主要有两条：容积成像技术和表面获取技术[15]。前者主要有电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）及锥形束计算机断层扫描技术（cone beam computed tomography，CBCT），但是所得模型精度较后者差，且易将患者暴露于辐射下；后者以激光扫描为代表，但是扫描存在盲区，影响三维重建的准确性。

多数学者[16-17]认为，数字化三维模型在测量精准度上可替代传统石膏模型。Ko等[18]认为，参考数字化模型和石膏模型制定的正畸治疗方案及制定方案所需的时间没有差别。

目前，临床上多采用激光扫描获得数字化模型，它包括阴模扫描、石膏模型扫描及口内扫描。Kirschneck等[19]认为口内扫描的可靠性、有效性和一致性均低于石膏模型扫描，但是两者均符合临床要求。关于阴模扫描、石膏模型扫描及口内扫描的扫描精准度的差异仍需进一步研究探讨。

由于激光扫描获得的数字化三维模型只显示牙冠，不包含牙根及牙槽骨，在托槽虚拟定位时参考信息不全面，无法获得良好的牙根位置。为此，有学者[20]尝试将CBCT扫描图像和激光扫描的牙冠模型整合，获得带有牙冠、牙根、颌骨的三维数字化模型，在虚拟托槽定位时兼顾牙周状况，保证牙根的平行及牙槽骨的厚度，避免骨开裂、骨开窗甚至牙根外露的发生。

随着面部软组织三维重建系统的完善，可以对患者牙、颌、面三维信息进行分析诊断，评估牙冠、牙根、颌骨的空间关系，为方案制定、托槽定位等提供良好依据[21]。

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万凤闲等[22]对15例数字化牙颌模型分别采用含牙根信息托槽定位法和托槽高度定位法进行托槽虚拟定位，用OrthoRx软件形成矫治后状态，并用美国正畸目标评分系统（American board of orthodontics-objective grading system， ABO-OGS）评估矫治效果。结果显示，含牙根信息托槽定位法在牙根平行度和牙齿排齐两项指标中扣分均小于托槽高度定位法，他们认为含牙根信息托槽定位法的模拟矫治效果更好。

2 个性化托槽的定制

虽然直丝弓矫治器在托槽里预置了不同的轴倾角、转矩角以及不同的托槽底厚度和形态，实现了不同牙齿托槽的个性化，但是由于牙体解剖差异和个性化矫治的需求，很难实现真正的直丝弓矫治。为此，正畸医师可以根据患者牙齿具体解剖结构、牙齿和颅颌面结构的位置关系等对每颗牙齿设计个性化托槽，进行细节性的调整和过矫治等。这在使用舌侧托槽进行矫治上同样得到了体现[21-22]。

个性化金属托槽多采用选择性激光熔化技术（selective laser melting，SLM）加工成型，SLM技术的最大特点是成型过程中金属粉末理论上完全熔化，成型过程几乎不受试件复杂精密结构的限制，因此特别适合于细小、精密的口腔个性化器械的直接加工和制造[23]。

2016年，有学者[24]选取50个SLM技术生产的个性化托槽，在扫描电子显微镜放大30倍条件下与设计的托槽进行托槽槽沟宽度和深度的测量值进行对比，发现两者差异无统计学意义。

唇侧个性化托槽矫治器以Insignia为代表，它将患者的扫描三维牙颌模型与CBCT数据相结合，根据患者牙齿的位置设置托槽的底板厚度、托槽轴倾，根据牙根的位置设置托槽转矩，根据牙齿的解剖形态设计个性化的粘接导板，完成托槽位置的精准转移，充分表达托槽的各项数据，实现牙齿三维方向的精准控制[13]。

有学者[25]比较了直接粘接DamonQ托槽、间接粘接DamonQ托槽和间接粘接InsigniaSL个性化定制托槽的矫正效果和矫治时间。其中，矫治效果采用美国正畸协会（American board of orthodontics，ABO）差异指数及ABO模型-放射线片评价法来评估。结果发现，3种托槽在矫治效果上无差别，但是InsigniaSL个性化定制托槽的矫正时间更短，复诊次数更少。

个性化托槽底板的设计、表面处理及底板面积不同，其对应的去粘接强度（debonding force，DF）和抗剪切力强度（shear bond strength，SBS）也不同。Insignia托槽底板为网格状；Harmony托槽底板为光滑的表面；Incognito托槽底板为经喷砂处理及表面化学涂层的不规则状；Orapix托槽底板为复合树脂。

韩宇等[26]采用实验比较了各种不同公司的个性化唇舌侧托槽与预成的自锁金属托槽的DF和SBS，结果显示不同系列的个性化托槽间的DF和SBS差别很大，但是所有系列的个性化托槽的DF值都大于等于预成的自锁托槽。

3 计算机辅助制作转移托盘

目前，临床上常用的转移托盘为硅橡胶转移托盘和真空压膜转移托盘[27]。研究[28-29]显示，硅橡胶转移托盘转移准确性更高。然而，由于硅橡胶成本高、无法使用光固化树脂粘接剂及托盘脱位困难等原因[30]，真空压膜转移托盘应用更为普遍，其中以快速粘接系统[31]最常见。其具体操作包括：在模型牙上划参考线并放置托槽，利用不同的粘接剂固定托槽，制作双层透明压膜转移托盘，取下转移托盘，处理牙面后，将托槽转移至患者口中。虽然是在直视下定位托槽，但托槽的位置仍由操作者目测或手工测量决定，精准性无法保证，且托盘制作步骤繁杂。因此，越来越多的正畸医生将计算机技术运用到转移托盘的制作中，使托槽定位精准化、定量化，托盘制作简单化。

现在常用的计算机辅助托盘制作有2种方式，在带有定位托槽的3D打印牙颌模型上压制转移托盘或者直接用快速激光成型技术输出软件上设计好的转移托盘。两种方式都需要事先在数字化三维牙颌模型上进行托槽虚拟定位，精准度可达0.01 mm。

在实体模型上压制转移托盘需要先将三维牙颌模型进行数字化排牙、虚拟定位托槽，将牙列恢复到原有排列状态，然后将带有定位托槽位置的三维模型3D打印出来。

目前，临床上3D打印牙颌模型主要采用立体光刻成型（stereo lithography apparatus，SLA）技术和面曝光快速成型（digital light procession，DLP）技术，两者都属于光固化快速成型技术，以光敏树脂为打印材料，精度可达0.1 mm以上，后者具有更高的成型速度，是未来快速成型技术最重要的发展方向[32]。

由于3D打印模型的精度是影响最终压制的转移托盘精准性的关键，有学者对14个SLA技术打印的光固化模型上的托槽和颊面管长度和宽度进行测量，与检验标准值比较，结果发现托槽的宽度和颊面管的长度和宽度大多稍大于检验标准值，差异范围在0.04～0.17 mm，是否会影响临床上间接粘接转移托盘的制作并造成托槽转移位置误差需要进一步实验探究。

直接3D打印计算机上数字化设计的转移托盘操作更为简单，全程均在计算机上完成，省去了实验室转移托盘制作的流程。

早期，Ciuffolo等[9]用快速成型技术打印出转移托盘并成功完成了托槽的转移。Son等[33]利用光固化成型技术打印单个的转移托盘对一名前牙开合，轻度拥挤的安氏Ⅰ类患者进行托槽的间接粘接，13个月后疗效良好。随着3D打印托盘的临床应用越来越广，正畸医生开始对3D打印托盘的托槽转移精准度和托槽粘接后治疗效果进行验证。

陈慧等[7]用激光快速成型技术输出的转移托盘对10名舌侧矫治的患者进行间接粘接，用Bland and Altman’s一致性分析比较托槽虚拟位置和口内实际位置的线距和角距值，验证了计算机辅助设计/辅助制造（computer aided design/computer aided making，CAD/CAM）转移托盘的转移精准性，认为相比较传统的双层转移托盘，光敏树脂材料制成的托盘无收缩性和弹性，尺寸精度较高，有利于托槽位置的准确转移。2018年，Kim等[34]发现不同后牙牙尖高度对3D打印托盘转移精准性产生的影响并无统计学差异，但是后牙牙尖越高，转移误差出现频率越大。

为验证托槽转移精准性不仅和托盘的3D打印精度、托盘材质等因素有关，还和操作者转移水平有关，Duarte等[8]对不同操作者用3D打印托盘转移托槽位置的可重复性进行了研究，实验由33名不同年龄和不同正畸临床经验的正畸医生完成，对MiniSprint Roth和BioQuick托槽进行粘接，实验之前所有医生都进行了间接粘接训练。结果发现，3D打印托盘转移托槽精度符合临床要求，年龄和临床经验对托槽转移后的位置没有影响，由此验证了不同操作者间用3D打印托盘进行数字化间接粘接的可重复性。

在间接粘接转移托盘的基础上经过改良，Xue等[35]在Freeform 12.0软件中设计了一种新型的托槽定位引导装置，唇面由“L”型的支架组成，分别和托槽翼的面和远中边缘相吻合，牙齿咬合面由类似板的装置覆盖，将两者相连接，当引导装置就位于牙列，托槽位置就相应固定下来。他们利用这种3D打印的个性化托槽引导装置对10位患者进行了托槽粘接并从水平向、垂直向、近远中、轴倾、旋转、转矩6个方向进行了托槽转移误差测量，发现这种新型的个性化托槽引导装置具有很高的托槽定位精准性。这种托槽引导装置保留了间接粘接提前进行托槽虚拟定位，节省椅旁操作时间的优点，又可以在粘接时去除多余粘接剂，不用考虑去除转移托盘时引起的托槽脱落。但是对于后牙区无法在直视下定位托槽的区域，操作不如转移托盘方便。

如今，3D打印间接粘接转移托盘已经成为主流研究方向，虽然已有不少临床应用实例并且它的转移精准性也逐渐被学者证实，然而在3D打印精度、材料性能及托盘设计方面还有很大的改进空间。

此外，数字化定位托槽、设计转移托盘及口内实际运用转移托盘间接粘接托槽需要相当一段学习周期，以保证数字化定位托槽的准确性以及转移托槽时托盘的完全就位等。

4 结语

在科学技术快速发展的当今社会，数字化必将成为各个行业领域的主流发展方向。口腔正畸领域同样如此。目前，直丝弓矫治器是运用最广泛的矫治器之一，而数字化间接粘接技术使直丝弓矫治变得定量化、个性化、简单化，让医生减轻临床负担的同时患者也享受到精准化的治疗，推动口腔正畸的与时俱进，拥有巨大的临床应用前景。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。