数字化虚拟面弓转移咬合关系的应用及研究进展

王行康，张 丽，姜 涛（通信作者）

（1 滨州医学院 山东 烟台 264000）

（2 济南市口腔医院口腔医学美容中心 山东 济南 250001）

在口腔数字化领域中，数字化工作流程分为半数字化流程与全数字化工作流程两种。半数字化流程是采用仓扫仪器扫描印模或石膏模型来获取牙列数据；另一种则是全数字化工作流程，通过使用口内扫描仪或其他扫描仪器扫描牙弓及颌面部数据，然后将数据转移上虚拟颌架。全数字化工作流程是由数字化扫描仪来主导的，其工作流程与半数字化工作流程相似，但该流程只使用数字化数据，不需要传统取引模制作石膏模型以及机械面弓转移颌位关系等步骤。因此，在全数字工作流程中，传统机械面弓被一种称为虚拟面弓技术的数字化技术所取代。2002 年，第一台虚拟颌架在Bisler 和他的团队辛勤工作下诞生了。Bisler 将虚拟颌架定义为一种用来分析静态或动态咬合关系的工具，其目的是突破传统机械面弓的限制，帮助临床医生获得更加精准且个性化的患者的咬合关系。在虚拟颌架建立过程中，从患者头面部定位参考平面是很重要的，任何一个这样的参考平面都要有两个后标志点，一个前标志点，共3 个点构成。同时2 个后标志点确定一个横向铰链轴。确定参考平面后，采取虚拟面弓的方法来转移患者的颌位和咬合关系。虚拟面弓的使用是在虚拟颌架中组装数字化模型的一个关键步骤，近年来研究人员创新了多种虚拟面弓转移方法，本文就虚拟面弓转移方法及虚拟颌架的研究及发展综述如下。

1.虚拟面弓转移方法

根据所查阅文献，目前共提到3D 光学扫描仪扫描面部标记法、标准化口外照片法、照片转换3 维图像法、立体摄影测量仪、CBCT、电子面弓6 种虚拟面弓转移方法。

1.1 3D 光学扫描仪扫描面部标记法

首先，用光学扫描仪扫描牙弓来获得数字化牙列模型。其次，将3 个标志物放置在患者面部的3 个点上：2 个髁突标志点和1 个眶下点，这三个点建立的平面即眶耳平面。然后，将咬合纸放在扁平的金属颌叉上，放入患者的口腔，压向上颌颌面，咬合纸会在上颌颌面上产生印迹，找出咬合面上3 个最突出点，这3 个标记点确定了患者的咬合平面。使用探测仪和3D 光学扫描仪，定位3 个面部标记点和3 个口腔内标记点，利用逆向工程软件建立患者的颅骨坐标系统，将上颌模型转移到建立好的颅骨坐标系中。最后将后标志点与虚拟颌架上的髁球重合，使颅骨坐标系统与虚拟颌架的坐标重叠，转移上颌模型到虚拟颌架。由于探测仪需要进入口腔中寻找最突出点，这种方法在无牙颌的情况下就会遇到问题，现在所用的口内扫描仪可以扫描面弓颌叉，可以增加数字化扫描时的效率，但基本原理都是相同的。

1.2 标准化口外照片法

Petre 等报道了一种基于使用标准化的2D 面部照片，口内扫描仪，面部颌叉和CAD 软件的数字化面弓转移技术。患者在自然颌位下，拍摄正、侧面照片，利用exocad 软件在网格背景下进行上颌模型和照片的对齐，并将皮肤上的髁突标志点与虚拟颌架的髁球对齐，完成转移。作者认为该方法定位的铰链轴可能存在几毫米的误差，但是对于最终的修复没有重要的影响。且此方法的准确性主要取决于患者的面部照片和上颌虚拟模型在软件背景照片上的正确重叠，镜头在拍摄照片时可能会造成图像的透视变形，从而产生偏差，影响最终的准确性。

1.3 照片转换三维图像法

Solaberrieta描述了一种全数字化的虚拟面弓转移技术，使用虚拟面弓将上颌从患者转移到虚拟颌架上。该过程包括使用口内扫描仪直接扫描上下牙弓，在两侧髁突位置和眶下点放置标记物来建立参考平面，并放置一个具有弹性印模材料的颌叉来记录咬合和上颌平面。用数码相机拍摄了8 到10 张面部照片，记录皮肤的标志点。将照片导入逆向工程软件获取头面部与黏附标志物之间的空间关系，建立三维虚拟模型。从而完成虚拟面弓转移上虚拟颌架的步骤。Yang 等通过使用面部扫描仪定位患者皮肤上以及颌叉上的标记点，获得患者的铰链轴与参考平面，将铰链轴与虚拟颌架上的髁球中心对齐，转移患者颌位关系上虚拟颌架。

1.4 立体摄影测量仪

Lam 等利用立体摄影测量仪取得患者自然颌位时的口外观，这个过程需要用聚合树脂将两个塑料托盘固定在一起，然后用硅橡胶固定在患者口内，通过立体摄影测量仪扫描塑料托盘上标志点和患者面部轮廓外形。然后利用CBCT 影像找出颞下颌关节及牙齿的位置，接着在塑料托盘和面部软组织上利用标记点将这两者的影像对合起來，就可以确定上颌牙弓的位置。但是这种方法也存在一定问题，用来固定塑料托盘的聚合树脂会造成图像的形变，除此之外整个流程耗费的时间也相对较长。

1.5 CBCT

Joda、Granata 等在虚拟颌架上叠加CBCT 数据、牙弓数据、面部软组织数据将患者的个性化数据转移到虚拟颌架上。这种方式的难点在于不同文件格式的叠加，CBCT 图像以dicom 格式存储，而IOS 和DSL 为（STL）文件格式，用于面部皮肤软组织的面部扫描仪生成图像和数据则为（OBJ）文件。通过叠加从口内扫描数据、CBCT 和3D 面部光学扫描仪获得的数据，不仅代表了一种在虚拟的环境中再现患者临床信息的新方法，而且证明了合并dicom、STL 和OBJ 文件来构建颅面虚拟现实模型的可行性。Lepidi 等描述了一种全数字的方法来转移上颌弓的位置并将其安装在虚拟颌架。这项技术涉及使用口腔内扫描和CBCT 图像，将dicom 文件转换为患者颅骨的3D 模型。铰链轴是由外耳道前缘10 mm，眶耳平面下方7 mm 的两个圆柱体来进行标记。上颌扫描模型数据与颅骨模型数据对齐。以眶耳平面作为参考平面，需要注意的是，参考平面的选择应该基于CAD 软件中使用的颌架系统，将颅骨的铰链轴与虚拟颌架的髁球对齐。CBCT 图像的三维重建可以提供这些参考点以及上颌弓的位置，这种技术非常适合于需要具有大视野的CBCT 扫描的复杂跨学科病例。但是照射的辐射量较大，是否能够作为常规的修复治疗有待考量。同时各种文件的合并与转移是否会增加虚拟颌架的误差，仍然需要进一步的验证。

1.6 电子面弓

作为现在数字化颌位关系转移的主流，电子面弓是一种基于超声脉冲或光学传感技术的颌位关系采集工具，通过面部扫描直接匹配或模型扫描间接匹配也可实现面弓转移虚拟颌架。不仅如此，电子面弓采集到的下颌运动轨迹的信息，也可以导入虚拟颌架系统中去，从而实现虚拟颌架运动的模拟。目前市场上常见的电子面弓多属于非接触式面弓，感应器通过颌叉与下颌相连，不直接接触上部弓体，运动数据的采集通过超声感应元件或者接收光电感应完成。电子面弓自带的颌叉可以直接将CBCT 数据，口扫数据以及下颌运动数据匹配起来，创建虚拟患者，实现全数字化颌位关系的转移。获取的下颌运动数据利用cad 软件，通过最新的“Virtual Articulator”模块和“Jaw Motion Import”模块，可以帮助口腔技工在设计修复体时，提供可参考的动态咬合关系。配合电子面弓的动态轨迹信息，可在cad 软件中虚拟调颌以及实现虚拟颌架等功能。

2.虚拟面弓转移方法临床效果评价

数字化面弓转移后的临床效果通常采用真实性和准确性来作为其评价指标，具体的方法分为两类。（1）通过CAD 参考模型（CRM）和CAD 测试模型（CTM）的拟合对齐，或者通过引入数据点或形状，使用三维检测软件，将CTM 和CRM 重叠到（尽可能接近的位置）最佳位置，根据CRM 和CTM 中所有点之间距离计算均方根RMS，RMS 代表了两个模型之间的所有点位置的偏差，RMS 的值越小证明两个物体的重合性越好。（2）通过比较咬合接触点的数目或面积来反映数字化的真实性。这种方法主要是通过和传统的方法作比较，牙列模型在牙尖交错位置上颌架，通过咬合纸和咬合记录硅橡胶等确定模型真实咬合情况作为参考对象，然后采用扫描仪对牙列模型进行扫描，扫描颊侧咬合数据，利用扫描仪软件自带的咬合匹配系统进行咬合记录的匹配，得到扫描仪再现的咬合记录点作为测试对象。

3.小结与展望

本文所提的6 种虚拟面弓转移方法均需要确定上颌相对于颅骨及下颌的位置关系，只是其采集数据的仪器设备和方法有所不同，随着扫描仪器的不断进步，用于生成虚拟颌架中虚拟模型的数字化方法已经经历了相当大的更新与改进。虚拟面弓是一种为了方便临床医生诊断和治疗的软件工具，其主要应用于患者的个性化诊断，用来分析患者静态和动态的咬合关系。在未来，虚拟面弓的使用可能成为日常临床实践中的普遍现象。然而，仍需要临床研究来验证其精确性，目前所采用的数字化采集设备的精确性，几乎都在临床可接受的范围之内。面部扫描仪的偏差值在140 ～1 330 mm。对于大多数面部扫描仪，准确性接近500 mm，这被认为是可以接受的临床使用范围。CBCT 的准确性受射线暴露参数的影响，范围在106 ～760 mm 之间。对于口腔内扫描，在各项研究中发现了较高的偏差值。全牙弓扫描真实性的误差大约在17 mm ～378 mm，而精确性在55 ～116 mm。而对于无牙颌模型的扫描，扫描真实性误差在44.1 ～591 mm，精确性的误差高达698 mm。综上，几乎所有的口内扫描仪都可以获得准确的牙齿扫描数据。但是，对于无牙颌的扫描，软组织的活动性和参考标志点的缺乏可能会导致口扫数据精度的降低，因此采用口内扫描仪扫描无牙颌来进行修复体制作仍有待商榷。有实验指出先进的仪器设备和熟练的操作可以减少数字化印模制取以及转移的误差。

目前临床大多采用CBCT+电子面弓+口扫+3D 面扫的模式来获得患者个性化的咬合关系，优点是CBCT 和3D 面扫技术可以获取患者的面部软硬组织形态，以创建三维复合虚拟颅面模型，同时评估软组织和硬组织，通常的美学设计需要评估患者的口腔内软、硬组织及其与面部特征的关系，这样将传统的二维设计升级为三维设计，还可以获得修复后患者的面部的最终形态，得到更佳的美学效果。电子面弓可将将患者个性化的下颌运动数据保存，并配合数字化CAD/CAM 系统，为数字化治疗流程提供动态数据，可将获得的数据直接应用于虚拟颌架，更有利于修复的准确性，减少临床调颌时间，让患者更快的适应新修复体。

随着设计及方法的改进和应用，虚拟面弓及颌架技术应用会越来越多，数字化技术的应用必须考虑到初始成本、准确性以及时间成本等因素，因此临床医生应该根据患者的具体实际情况选择合适的数字化虚拟颌架的转移方法，根据自己手头所拥有的数字化设备，选择合适的虚拟面弓转移方法，最终目的都是为了让患者能够在获得良好就诊体验的同时，更加精准且高效的解决患者的口腔问题。