三维配准技术在全解剖氧化锆冠磨耗性能研究中的应用

陈志宇 李 雅 焦建平 仇亚非 吴 洁

氧化锆材料因具有良好的机械性能，美学效果与优异的生物相容性，是实现全冠微创修复的理想材料。氧化锆的磨耗性能目前还有争议，修复材料的磨耗表现与材料硬度、表面光滑度有关[1]，氧化锆的硬度明显高于釉质，有学者认为两者对磨有引起釉质快速磨损的风险[2]，但也有研究发现氧化锆经过精细抛光后并不会导致牙釉质的过度磨耗[3]。观察牙科材料磨耗表现可采用体内观察与体外实验法。王宇光[4]等采用口内观察法对全解剖氧化锆冠的磨耗性能进行研究，按照牙尖或牙合面形态目测变化以及牙本质有无暴露对磨耗做了定性分析，但缺乏准确量化评价指标。体外实验一般是用氧化锆试件与滑石瓷进行对磨，通过计算滑石瓷的体积损失量评价氧化锆的磨耗性能[5]，虽可将指标量化，但不能模拟真实口腔咀嚼过程。

三维配准技术用于对数字化模型进行一致性检测，目前在数字化口腔修复领域已经成功用于不同扫描方法精度比较[6]，牙齿磨耗程度的临床观察[7]。本研究拟将三维配准技术引入氧化锆材料磨损性能检测，通过将全解剖氧化锆冠的对牙合天然牙磨耗前后的数字化模型配准比较，可以观察两者的外形差异范围，根据差异分布彩图分析牙齿磨损程度及特点，更准确的评价氧化锆材料在临床实际应用条件下的磨耗表现。

资料和方法

1.病例选择

病例选自2018 年7 月至2019 年4 月就诊于我院修复科的第一磨牙需全冠修复的患者，病例纳入标准：①40～55 岁中年男性，患侧只有一颗上颌或下颌第一磨牙需全冠修复，其余牙齿均为天然牙。②颌位稳定，牙尖交错牙合接触均匀、广泛，下颌前伸与侧方运动无咬合干扰。③牙列完整，牙合面无异常磨损导致的大面积牙本质暴露。④基牙为健康活髓或经过完善根管治疗，根尖无病变，牙周组织健康。病例排除标准：①隐裂牙。②有夜磨牙，紧咬牙等口腔副功能。③严重错牙合畸形患者。

最终一共收集9 例病例，均为根管治疗后牙齿，其中上颌第一磨牙3 颗，下颌第一磨牙6 颗，采用桩核冠修复5 颗，全冠修复4 颗。

2.全解剖氧化锆冠修复

按照全解剖氧化锆冠修复标准对患牙进行牙体预备，去除厚度小于1mm 的牙本质壁，根据剩余牙体组织量提供的抗力及固位决定是采用树脂核或铸造金属桩核重建预备体外形。本研究中树脂核均采用 BEAUTIFIL II（SOFHU，日本）分层充填固化，树脂充填物深入根管口2mm；所选金属桩核均为纯钛铸造桩核。

全冠牙体预备后按临床程序制取硅橡胶印模，制作全解剖氧化锆冠（Nissin，中国），全冠试戴就位后精细调整咬合关系，使咬合接触点的位置、数量、面积合理[8]，并保持与对颌同名牙的充分接触，减少与对颌同名牙近远中邻牙的牙合接触。咬合调整后按照绿砂石-白砂石-EVE 抛光套装（EVE，德国）的顺序对全冠进行精细抛光，抛光后确认咬合接触点位置，随后按照临床程序完成全冠粘接。

全冠粘接后观察2～4 周，确认咬合关系稳定，咬合接触点无明显变化后记为观察起始期（T0），全冠粘接后12 个月定为T1 期。

3.数字化模型制取

在T0，T1 期，分别用不锈钢局部托盘+加聚型硅橡胶印模材料（Honigum Automix，DMG，德国）为全冠对颌同侧局部牙列制取印模，检查印模内牙冠部无气泡后灌注超硬石膏模型（Royal Rock，Pemaco，美国），静置24 小时翻出，将石膏模型表面清理干净后用3 Shape E3 模型扫描仪（3 Shape，丹麦）完成模型数字化，获得T0 及T1 期氧化锆冠同侧对颌局部牙列的数字化模型，另存为STL 格式数据。

4.数字化模型配准与数据处理

（1）建立数字化模型组：首先将每位患者T0 及T1 期牙列数字化模型导入Geomagic wrap 软件（Geomagic，美国），通过手动选点注册的方法进行配准，选点一般是在牙齿颊舌侧轴面选择7～9 个点，避开咬合面和牙龈等可能发生变形的位置。手动选点注册后，T0 及T1 期牙列数字化模型初步重合，组成模型组。利用Geomagic wrap 软件平面截面的方法裁剪模型组，去除全部牙龈数据，只保留全冠对牙合牙及其两侧邻牙模型数据（图1）。

图1 裁剪后的对颌局部牙列数字化模型

（2）全冠对颌局部牙列磨耗程度整体观察：对裁剪后的数字化模型组进行最佳拟合配准，设定T0期模型固定，T1 期模型浮动，两个模型配准后边缘位置显示差别，对模型组进行第二次平面截面裁剪，去除边缘差别部分，然后进行第二次最佳拟合配准，此时两个数字化模型边缘位置接近一致，咬合面的三维差异即可反映牙齿牙合面的磨耗程度，差异结果及幅度通过彩条图形式输出。

（3）单颗牙齿磨耗量对比分析：在第二次平面裁剪后，对数字化模型组再次进行分割裁剪，分别裁剪出全冠对牙合牙及对牙合牙近远中邻牙的数据，对裁剪出的每颗牙齿的T0 及T1 期数字化模型进行最佳拟合配准，仍设定T0 期模型固定，T1 期模型浮动，观察单颗牙齿咬合面磨耗程度，记录每颗牙齿数字化模型差异的均方根值（RMS：root-mean-square）[9]。

（4）数据分析：采用SPSS 17.0 统计软件对氧化锆全冠对牙合牙、对牙合牙近中、远中邻牙T0/T1 期数字化模型配准产生的RMS 值做单因素方差分析，分析氧化锆冠引起的釉质磨耗与对牙合牙两侧邻牙的磨耗是否存在统计学差异（P＝0.05）。

结 果

1.全冠对颌局部牙列磨耗程度整体观察结果

9 位患者氧化锆全冠对颌局部牙列T0/T1 期数字化模型配准结果如图2 显示，全冠对牙合牙与其近远中邻牙牙合面整体变化较小，磨耗程度接近，在咬合接触区有约40 微米左右的变化量。

图2 T0/T1 期局部牙列数字化模型配准结果显示磨耗量（μm）

2.全冠对颌牙列单颗牙齿磨耗量对比分析

分离出全冠对牙合牙及其近远中邻牙的单独数字化模型，分别计算T0/T1 期数字化模型配准的RMS值，模型上牙齿轴面短期内无明显外形改变，因此RMS 值可基本反映牙齿牙合面磨耗的幅度。9 位患者氧化锆全冠对牙合牙及对牙合牙近远中邻牙T0/T1 期数字化模型配准的RMS 值分布见图3，数据统计结果见表1。

表1 氧化锆全冠对牙合牙及其近远中邻牙磨耗前后数字模型配准结果（μm）

图3 单颗牙齿TO/T1 期数字化模型配准RMS 值

对不同牙位牙齿T0/T1 期数字化模型配准的RMS 值进行统计学分析，结果显示对牙合牙与其近中邻牙、远中邻牙的RMS 值无统计学差异（P＝0.241，P＝0.095），但近中邻牙、远中邻牙的RMS 值具有统计学差异（P＝0.007）。

讨 论

基于模型间的迭代最近点算法Iterative closest point（ICP）[10]的数字化模型配准过程是将两个点云模型的每个点的距离降到最低，具有将局部较高差异值在模型表面平均分布的趋势，计算过程可能会导致误差，有学者曾在研究胃食管返流引起的牙齿酸蚀时发现有牙齿长高的现象[11]，因此配准模型要具有较大范围的一致性。有研究表明，先裁剪出参考区域，再进行最佳拟合配准的方法可以检测出22微米的误差，显著优于手动选点注册和直接最佳拟合配准的差异检测水平[12]。本研究采用了“手动选点初步注册—裁剪目标区域—初次最佳拟合配准—二次裁剪边缘—二次最佳拟合配准”的方法，将牙龈等干扰数据去除，保留外形稳定的牙齿轴面数据作为配准基础，可以获得较为精确的牙齿牙合面磨耗数据。

临床上对于调磨后的氧化锆表面处理措施包括上釉或抛光，对氧化锆进行精细抛光可以降低对牙釉质的磨损量，而上釉处理则可能会由于釉层的碎裂加重对颌牙磨损[13，14]，因此本研究选择对氧化锆全冠进行精细抛光处理。此外，第一磨牙与对颌牙列中两颗牙齿存在咬合接触，在氧化锆全冠咬合设计中，尽量将接触点设计在全冠功能尖顶与中央窝区域，确保与对颌同名牙的充分接触。因此，对颌同名牙牙合面磨耗程度基本反映氧化锆材料的磨耗性能，而对颌同名牙的近远中邻牙则可代表牙齿自然磨耗。

牙齿牙合面平均每年磨耗量为 10～40 微米[7]，本研究纳入的9 例病例中，氧化锆冠对牙合牙齿及其近远中邻牙数字化模型配准的RMS 值在40 微米左右，与牙列正常磨耗速率接近。氧化锆冠对牙合牙的近中与远中邻牙磨耗程度有显著差异，可能与两个因素相关：①远中第二磨牙位于牙列末端，通常磨耗较前部牙齿重[15]；②在数字化模型配准过程中，模型面积较大时，所得到的RMS 值也会稍大[16]。但第二磨牙的磨耗均值为41.57 微米，其中还存在的配准计算的系统误差，因此磨耗程度也在正常范围内。

牙齿磨耗快慢会受到性别与年龄影响[17]，男性的牙合力大于女性，最大可达53.6～64.4kg[18]。年龄方面，有研究发现中老年人群其牙齿在经历青年阶段的咬合磨耗，釉质表层被磨损，牙齿的磨耗速度会显著加快，出现重度磨耗的风险较高[19]。本研究只纳入了40～55 岁年龄组男性患者，因其理论上较快的牙齿磨耗速度，可能会让牙齿在较短的观察期内出现可被三维配准软件检测出的变化。

获取牙列数字化模型可以使用口内扫描仪直接对牙列进行扫描。本研究需制取氧化锆冠同侧对颌牙列，包含完整的第二磨牙。口内直接扫描受限于患者开口度、舌体、唾液等干扰，模型精度会下降[20]，扫描过程也会受到牙弓形态的影响[21]。研究证实硅橡胶印模结合IV 型石膏制取牙列模型准确度在10～27 微米[22]，具有良好的尺寸稳定性。且高精度的体外三维扫描仪对牙列石膏模型的扫描不受角度限制，具有更高的可靠性。

本研究通过三维配准技术对比磨耗前后的天然牙列数字化模型，结果显示全解剖氧化锆冠对于牙釉质的磨耗与釉质自然磨耗接近。但本研究纳入病例少，观察期也只有12 个月，所测结果中尚存在石膏模型误差与软件计算的系统误差，因此实验结果并非真实的磨耗值，更准确的、大样本量及长期的临床观察还有待深入研究。