多模态数据融合的可视化技术在咬合重建中的应用

孙欣荣 冯玥 刘伟才

上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，同济大学口腔医学院，同济大学附属口腔医院口腔修复教研室，上海200072

多种牙体硬组织非龋性疾病如釉质发育不全、酸蚀症、重度磨耗均可能导致咬合垂直距离（oc‐clusal vertical dimension，OVD）的降低，一旦治疗，则可能需要升高患者咬合垂直距离并进行咬合重建修复[1]。咬合重建技术敏感性高，容易出现制作的固定修复体牙位与肌位不协调的问题，医师在升高垂直距离保证安全性的同时，还需要兼顾后牙修复空间与前牙美学功能[2-3]，是一项高风险、高难度的多学科综合治疗手段。咬合重建前需要借助多种模态的数据对患者进行口颌系统整体性评估，如动静态咬合关系、锥形束计算机断层扫描（cone beam computed tomography，CBCT）、颞下颌关节情况等，但这些数据模态分散导致只能逐一评估，而多模态数据融合技术的使用极大地弥补了此等不足。多模态医学数据融合技术指通过灰度或特征的匹配方法，充分利用不同模态的数据对病灶信息描述的冗余性和互补性，使用软件手段对不同模态的数据进行智能处理和配准，使同一病灶的多源信息综合表达在同一整体上，使不同模态的数据在同时间、同空间整体呈现，有利于临床的全局诊治。

目前，数字化技术在口腔医学界应用日益广泛，三维虚拟患者已经成为辅助临床修复的手段[4-5]。多模态数据融合技术以及牙科数字化设备、电子面弓设备的发展[6]，使得解决过去数字化技术多模态操作系统分散、多种模态医学图像融合及动态咬合数据整合困难、无法实现数据共享与对接等一系列难题成为可能。本文拟通过介绍一种基于多模态医学数据融合的可视化数字化技术建立四维虚拟牙科患者并升高垂直距离实现咬合重建的方法。其可视化、可操作的融合对象，使得对口颌系统进行咬合重建的同时兼顾修复空间、前牙美学、位、髁突在关节窝内的安全位置。本方法创新性地融入了个性化动态咬合运动数据，打破了原有的静态三维虚拟患者及平均值架模式，且可以对接计算机辅助设计和计算机辅助制造（computer-aided design and computer-aided man‐ufacturing，CAD/CAM）设备制作修复体，降低了咬合重建的技术敏感性，以期为数字化口腔固定修复提供更佳的解决方案。

1 材料和方法

1.1 多模态医学数据融合建立四维虚拟牙科患者

1.1.1 获取口内牙列扫描 首先利用口内扫描仪3shape Trios3（3shape 公司，丹麦）对患者进行牙列的扫描（图1），以获得原始牙列的三维表面模型及静态最大牙尖交错位咬合关系，保存为STL格式（stereolithography，立体光刻格式，一种通用的3D 文件格式），记为STL-牙列。该数据易于获取，成本低，可较直观地分析牙列静态的咬合情况。

图1 3shape获取口内扫描模型Fig 1 3shape obtains the intraoral scan model

1.1.2 获取CBCT 数据并进行三维重建 使用3D Accuitomo 170（Morita 公司，日本）获取患者大视野牙尖交错位的CBCT数据，其涵盖了两侧完整颞下颌关节、骨性眶下缘及颌骨影像，转为Dicom格式（Digital Imaging and Communications in Medi‐cine）后利用Invesiliu 软件[7]（Invesalius 3.1，用于重建计算机断层扫描和磁共振图像的开源软件）调整理想表面灰度阈值，随后手动优化髁突轮廓，以便能够自动重建髁突表面，建立上下颌骨的三维表面模型并保存为STL-颌骨，为口内扫描与颌骨三维表面模型的数据融合打下基础（图2）。

1.1.3 口内扫描与颌骨三维模型配准 将STL-牙列与STL-颌骨数据导入EXOCAD 软件（Exocad GmbH 公司，德国），在“匹配网格”模块中，利用特殊标志点匹配的方法将口内扫描与颌骨三维表面模型进行配准及分割，使颌骨表面模型获得与牙列一致的空间坐标系，分别保存处理后的上下颌骨表面模型（图3），至此，获得了集合上下颌骨CBCT 与高精度口内扫描数据二者优点的结合体。

图3 颌骨三维表面模型与口内扫描的配准与分割Fig 3 Registration and segmentation of jaw surface model and intraoral scan

1.1.4 动态咬合数据的融合 在光学传感式下颌运动分析系统（MODJAW 公司，法国）中导入上述匹配好的颌骨与牙列数据后，将与MODJAW 配套使用的头戴式光学信号接收器戴于患者头部以定位上颌位置，下颌光学接收器置于下颌牙列颊侧，确保放置位置不影响咬合、不造成干扰的情况下利用光固化流体树脂粘接固位，以此接收并记录下颌运动轨迹（图4）。使用配套的光学信号接收笔将患者口内真实牙列与模型数据配准后，记录自然头位下的个性化平面并嘱患者进行下颌运动，包括但不限于前伸、侧方、大张口、小开闭口运动等，MODJAW 平台上可显示并同步实时记录下颌骨运动状态、颞下颌关节真实运动、咬合接触点等。患者离开后尚可拖动进度条逐帧、慢速回放操控下颌运动（图5），给临床医生提供了极其便捷的参考。

图4 光学传感式电子面弓装置佩戴Fig 4 Wearing of the optical sensing electronic facebow device

图5 操控虚拟牙科患者进行前伸及开闭口运动Fig 5 Manipulating the virtual dental patient to perform forward and open mouth movements

1.1.5 口外面部扫描（extral-oral face scan，EOS）数据的融入 将建立三维虚拟患者时使用的口腔扫描结果和面部扫描结果匹配方法应用于此，即可将EOS 数据与处理好的颌骨及牙列数据相融合[8]。具体为：将涂有咬合记录硅橡胶的叉置于患者上牙列后进行面部扫描，然后取患者自然微笑状态下的面部扫描，利用带有咬合记录的叉为中介，在EXOCAD 中将牙列扫描模型以及面部扫描进行匹配。至此，完成“皮相”与“骨相”的融合，获得最终的四维虚拟牙科患者（图6）。

图6 四维虚拟牙科患者Fig 6 4D virtual dental patient

1.2 数字化咬合分析及颌位关系确定

四维虚拟牙科患者创建完成后，可在该虚拟患者的任意角度进行观察，分析静态咬合、动态引导、咬合面积等，还可从矢状面、冠状面、水平面观察髁突运动过程中的移位轨迹路线及范围，快速分析其轨迹特征、重复情况等，数字化面弓实时自动计算Bennet角（Bennet angle）、髁导斜度（condylar inclination，CI）、偏转角（shift angle）、迅即侧移（immediate side shift，ISS）等可评价髁突功能状态的量化指标，从而获取髁突功能运动、牙列咬合接触状况等信息。

利用四维虚拟牙科患者可视化、可操纵的特性进行抬高咬合垂直距离寻找新的颌位。记录患者下颌运动轨迹时使患者咀嚼肌去程序化，嘱其进行重复性小范围开闭口运动，运动过程中髁突在一定范围内在关节窝内转动而无滑动，以关节向前下滑动初始时为最大开口临界点，在此颌位范围内模拟升高咬合垂直距离，寻找咬合重建中下颌新位置（图7）。确定好颌位后，即可导出数据对接CAD/CAM 设备，融入口外面部扫描进行数字化美学蜡型设计。患者戴用打印的临时修复体2～3 个月，每2～3 周进行一次随访，观察询问患者使用感受，如咀嚼是否有力、关节肌肉是否有酸痛迹象、睡眠状况等。此外，每次随访需要对患者进行检查，观察患者咬合是否稳定，前伸、侧方运动时引导是否顺滑，全牙列咬合接触是否均匀。若出现不满意的情况，可在4D 虚拟患者上重新选择颌位并设计临时义齿，由于有坐标系的参考，新颌位与旧颌位的对比是可视化的，可重新模拟调整治疗颌位，无需患者再次就诊，减少了就诊次数。

图7 保证修复空间与颞下颌关节安全的情况下虚拟升高咬合垂直距离Fig 7 Virtually elevated vertical occlusal dimension under the condition that the repair space and temporomandibular joint are safe

1.3 临时修复体佩戴及颌位调整

图8 可拆卸临时修复体Fig 8 Removable temporary restoration

1.4 永久修复阶段

在咬合重建时，患者适应临时修复体3 个月后，需要进行二次光学传感式电子面弓记录以获取现有个性化下颌运动轨迹参数，分前牙、后牙两部分进行牙体预备。将预备完成后的牙列扫描数据与术前设计扫描模型在EXOCAD 软件内匹配，提取复制面外形高点与形态，导入第2次动态咬合数据进行虚拟调，对接数字化切削设备切削氧化锆全解剖冠，完成最终修复体的制作（图9）。

图9 永久修复体的匹配、设计与调Fig 9 Matching,design and occlusion of permanent restorations

2 结果

通过多模态医学数据融合及CAD/CAM 设备的对接，得到了可视化、可操控的四维虚拟牙科患者，建立了数字化升高咬合垂直距离的系统化流程，使咬合重建的固定修复技术更加便捷与安全。利用本研究方法升高了3个重度磨耗患者的咬合垂直距离，均表示感觉良好，无明显抬高感，无关节疼痛或肌肉酸痛等症状。典型病例的修复案例见图10。

图10 基于此方法升高咬合垂直距离进行咬合重建的典型病例Fig 10 A typical case of occlusal reconstruction based on this method to raise the occlusal vertical dimension

3 讨论

在口腔临床中，升高患者丧失的咬合垂直距离的传统方法多为手法定位下颌及髁突位置，对医师的经验要求苛刻，操作技术敏感性高，因此无法大范围的传授及推广。随着一系列数字化口腔辅助设备的应运而生，建立虚拟牙科患者已是可行的目标[10]。全程数字化（completely digital de‐sign/completely digital manufacture，CDD/CDM）这一概念及技术的诞生，使得全口咬合重建的技术得以革新。全程数字化修复即口内扫描后直接进行修复体的数字化设计，3D 打印临时修复体，口内试戴并调，然后再次进行口内扫描，全数字化设计，制作最终修复体[11]。但上诉步骤修复体的咬合设计仍然是静态的、采用平均值而非个性化的，本研究基于多模态融合创建的四维虚拟牙科患者，除了包括三维空间坐标中的静态可视化患者外，还借助下颌运动分析系统加入了患者真实的、个性化的咬合运动轨迹与平面，并将之融合为完整、流畅、真实的运动图像，解决了患者真实的动态运动轨迹与修复体设计缺乏关联的问题。

咬合重建前对颞下颌关节的状况判断是必不可少的一环。研究[12]表明，CBCT 对于颞下颌关节骨质改变、关节间隙异常、关节盘移位等颞下颌关节疾病有良好的诊断意义。除影像学检查外，动态咬合及髁突运动轨迹分析也可辅助诊断部分颞下颌关节疾病[13]。本研究将CBCT重建后的颌骨与下颌运动轨迹融合观察颞下颌关节运动状态可辅助诊断某些颞下颌关节紊乱病，提示患者是否需要配合一些其他治疗而非单纯的咬合重建。若对非咬合垂直距离丧失导致的TMD 贸然进行咬合重建可能会加重病情。若患者髁突运动轨迹可重复性较高、无明显抖动、绞索，且抬高咬合垂直距离获取最小修复空间时，髁突仍处于关节窝内、周围关节间隙正常，即可考虑进行咬合重建。需要排除的是当获取最小修复空间抬高咬合垂直距离时，髁突已经部分或全部滑出关节窝范围，或抬高后髁突周围关节间隙不均衡、差异大、某处关节间隙特别狭窄的情况；若观察到髁突运动可重复性低、抖动强烈、运动范围受限等异常，需要结合其他手段确诊是否有器质性病变。

经过多模态数据融合后，可精准显示下颌任意牙位升高的距离，这样既保证了颞下颌关节的安全性，又有足够固定义齿修复空间。循证医学证据[14]表明，咬合重建患者需要升高的咬合垂直距离平均为3 mm，在1～9 mm 的范围内是相对比较安全的。

此外，数字化修复中的精度问题一直备受关注。数字化印模是多模态医学数据融合过程中的基础元素之一，获得的信息便于储存且可降低模型变形的概率[15]。基于CBCT数据的髁突三维重建的半自动分割方法重建出的髁突精确性、可重复性都较好，能充分跟踪骨组织的形态学变化[16]。虽然基于大视野CBCT 三维重建的表面模型涵盖了上下牙列数据，但是口内扫描牙列的精度及准确度仍然远远高于CBCT。因此，将二者数据融合，即可获得拥有高精度的牙列模型和颅面部硬组织、颞下颌关节整体大局观的融合产物。匹配后可通过剖面图观察口内扫描与CBCT重叠是否良好，基本上可以达到临床牙冠各面重叠或偏差小于0.5 mm。该多模态融合的四维虚拟患者数据对接CAD/CAM 简便快捷，其他电子面弓数据导入EXOCAD 软件后，都需要上虚拟架重新调整平面。而MODJAW 中导出的数据自带个性化平面，无需上平均值虚拟架，避免二次调整所带来的误差。

咬合重建需要从最终美学重建的目标逆向出发，将功能与美学相协调[17]。口外面部扫描的加入，有利于医技联合，按照以面部美学以及前牙美学四要素[18]为引导的方案进行多学科联合设计。数字化设计暂时修复体面形态有利于达到可预测的功能和美学效果，同时降低了调难度[19]。此方法设计的可拆卸临时冠桥，比传统mock up流体树脂粘接恢复牙齿形态的方法更加便捷，若出现不适随时可拆卸，对牙齿零损伤，保证了患者的牙周健康。因此，不管是在术前、术中还是术后，本研究方法都兼顾了功能、健康与美学的平衡。

但是此方法仍有一些局限性，如数字化设备成本较高，难以广泛普及；患者口颌面部功能情况不一，需要医师根据具体情况灵活调整数字化咬合重建步骤等。综上所述，本研究所介绍的数字化咬合重建方案具有可视化、个性化、实用性、开放性强等优点，具有系统性的建立路径，突破了静态数字化修复模式，兼顾了美学与功能的全局修复，改善了医患沟通壁垒，有利于多学科之间的合作以获得更加满意的治疗效果，也为临床医生提供了一定的参考。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。