口腔美学修复中应用数字化微笑设计技术的研究进展

梁珉 蔡丹 周自恒 李雪 王静婷 刘莉

口腔美学是一门研究在维护、塑造口腔颌面部健美的创造性活动中体现出来的一系列医学美学现象和医学审美规律的科学，其既具有临床研究价值，同时又具备美学的理论价值[1-3]。口腔美学修复是口腔修复学与医学美学相结合而产生的一门新兴的交叉学科，也是口腔美学发展到一定阶段上的必然产物[4-5]。影响口腔美学的缺陷多种多样，包括但不限于牙齿颜色不良、个别牙缺失、牙齿排列不良、牙体硬组织缺损、牙间隙、牙齿形态不良、牙龈美学不良等。过往人们更注重于对于功能的修补，多针对可能会对日常生活造成不良影响的功能缺陷进行修补，而较为忽略外表美观。但近年来，随着社会经济水平的不断发展，生活水平的提高，除功能修补外，人们也同样注重对于外表美观的改善，口腔修复的观念也逐渐从功能修补转向实用与美观兼具。数字化微笑设计英文全称为digital smile desig，是一种借助计算机技术，综合运用美学原则从而进行可视化口腔美学分析设计的新方法。其通过对患者面部和口腔的软硬组织进行贯彻美学原则的数字量化的分析与设计，利用专业制图软件、借助所采集的数码照片或扫描数据对患者口面部进行深入分析，从而获取对于修复预后更为直观的判断；不仅使医患沟通更为方便直视，且患者也可根据模拟效果自行提出个性化要求，在提升患者牙齿与面部美观的同时也能进一步提高患者满意度，是目前国际上最为热门的牙齿美容技术[6-8]。本文现对口腔美学修复中应用数字化微笑设计技术的研究进展进行综述。

1 数字化微笑设计技术的概念与发展趋势

数字化微笑设计技术是一种采集患者牙齿色泽、轮廓以及排列等信息，根据国际微笑标准进行美学参数设计，从而达到对患者体外形以及微笑面容的完美修复的修复程序，是一种数字化的美学预告手段[9]。2002年ACKERMAN[10]的一篇《Smile analysis and design in the digital era》的文章让数字化微笑设计技术首次登上了世界舞台，文中对数字化微笑设计技术的特点进行了相关介绍；其不同于以往拍摄的拍摄打印或在石膏上绘制的美学参考线，数字化微笑设计技术主要是通过录制患者视频并以计算机软件通过电脑进行微笑动态分析；其能够在治疗开始前借助相关数字设备对最终修复治疗的美学效果进行预知和调整，从而使医生、技师以及患者在可视化的条件下进行沟通治疗，从而达到最满意的治疗效果。而第1个数字化微笑设计协议制定通过面部以及口腔内外的照片引导，以计算机软件将数码摄影拍摄所得静态照片与三维立体数字模型进行合并，并进一步转化为数字格式；使得三维美学参数得以验证并确定，并能够通过软件内置数据库中所存储的天然牙齿形态与其他微笑数字扫描文件对软件所塑的“数字蜡型”进行相应的修改简化，从而尽可能减少口腔技师的蜡塑技能或是临床医师的自身审美观念对后期蜡型造成主观影响，从而使美学模拟能够更为客观化[11-12]。近年来，随着科学技术而不断发展，口内外光学扫描仪以及锥形束计算机体层扫描等仪器的面世使得3D评估口腔颌面部组织结构成为了可能，且能够更进一步地向4D评估发展；而软件与程序的联合使用还能够更为直观与可视的展示数字化微笑设计的美学效果，使得多学科联合治疗成为可能[13-14]。

2 数字化微笑设计技术的方法

2.1 采集数据

数字化微笑设计在进行必要的数据采集所用的方法包括数字化印模、数字化面部三维扫描、数字化口腔影像学以及数码静态、运动数据等。但受限于数据采集时患者自身感官影响以及数据采集设备较为昂贵等因素的影响，目前临床多以数码摄影为主要的数据信息采集方式。为了能够在拍摄时使齿颊间隙更为清晰，从而获得更好的设计效果，在进行拍摄时需进行必要的摄影手段，如补光灯。除此之外，照相角度也与后期的微笑设计息息相关，因此在进行拍摄时相机需位于固定位置，并稳定患者头部，从而使相机能够垂直于患者面部进行拍摄[15-16]。拍摄过程中为采集更多的相关信息，可让患者于相机前说话然后放松微笑，但仅以照片作为面部分析的基础仍旧存在有一定误差。有研究人员以视频对微笑进行记录并统计了微笑持续时间，发现自发微笑平均能够持续500 μs左右，这也导致了以照片对微笑数据的记录难度较高且缺乏连续性[17]。因此，为对比记录方法对于微笑分析的影响，临床进一步对视频拍摄以及静态摄影所记录的微笑数据进行相关分析，发现两种方法各具有其独特优势；如静态摄影更易于查看但无法全面记录信息，而视频拍摄虽然能够获得更为全面的信息；但信息较多，查看较为困难，两者均能够成为对修复后微笑的分析工具，但各具优劣[18]。3D分析是一种基于科技发展而出现的分析工具，能够以口腔扫描仪与面部扫描仪同时获得患者的面部、牙龈以及牙齿的三维数据。其先以数字化微笑设计软件导入面部照片，并以瞳孔连线作为水平面的参考于初始页面放置十字交叉线聊天，再以患者的面部特征为基础，在不受牙列中线、牙齿角度位置的干扰下确定面中线位置，从而对患者的面部整体比例进行评估，从而记录并收集患者微笑与静息时更多的面部数据，并进一步收集患者的口腔信息，并在患者的面部微笑区域进行十字定位，以方便医师更好地对患者面部牙齿关系进行判断分析；并通过多种数据的整合从而获得患者的面部与牙列的三维模型，并能够在2D平面基础上对所形成的患者三维立体面部进行美学分析[19]。

2.2 设计微笑

上颌前牙切缘所连接而成的一条曲线被称为微笑弧线，而只有将下唇弯曲弧线与微笑弧线保持平行，才能够使患者面部的微笑在美学上更为协调。以往口腔医生多参考来源于经典数学理论的1.618 03:1的黄金比例设计牙齿比例，但刘云松等[20]经调查显示，多数非专业与专业人士均认为，只有当侧切牙与尖牙的宽长比为80%，而中切牙的宽长比为85%，才更为美观。基于这一观点，临床通过人类面部进行了三维重塑，其呈现结果表明绝大多数人的面部五官并非完全对称，导致所谓的按照黄金比例设计牙齿比例无法达到最佳的美学效果。面部流线理念应运而生，其认为当人在微笑时画一条能够连接人面部眉间、鼻梁、人中以及下巴的线条，而当所有的面部结构都相对于这条线能够达到和谐的平衡时，才能够更为美观，而除了患者的面部结构，其个人的性别、年龄、提醒以及文化特征都会在不同的程度上对微笑设计造成一定影响[21]。

受限于上述原因，虽然数字化微笑设计能够在电脑上模拟最终的修复效果，但多数患者无法理解数字化微笑设计所制成的数字模型上的改变。而通过诊断蜡型以及诊断饰面将数字化微笑设计所制成的数字模型具体化以后，更方便患者直观感受到真实的后续修复效果；同时也能够对修复体的大小以及体积有更为直观的感知，而临床医师也能够借助诊断蜡型或诊断饰面对患者口内功能以及美学进行相应的评估，且更方便后续进行调整。但蜡型的制作对于技师制作水平要求较高，一旦技师水平经验不足，其所制作的蜡型很有可能对后续治疗造成不良影响。但近年来随着科技的进步，3D打印技术的成形使得模型构造领域受到了新的冲击，相较于传统制作工艺，3D打印技术更快；且成本更低，不仅精确度更高，且能够根据患者意愿调对最终形态进行调整，更为个性化的同时也能够减少所需材料。但由于其仍旧存在有制造效率较低、可打印材料种类不多等现实问题，目前3D打印技术仍无法完全取代制造加工技术，仍旧需要进一步探索其在数字化微笑设计中应用的优势与不足。

3 数字化微笑设计技术

目前，临床上口腔美学修复中经常应用的数字化微笑设计技术主要为2D与3D技术，其在临床应用中各有优劣。2D数字化微笑设计技术更多的是通过摄影收集数据，并以图片处理软件对摄影所得图片进行处理设计，由于静态摄影所收集信息较少，因此对于照片的拍摄角度具有较高的要求，在进行处理时至少需要有两张拍摄角度完全一致的患者上颌牙列背景照与全脸正面微笑照，且患者的牙齿在照片中所处角度必须能够完全重叠，才能够进行后续设计[22-23]。虽然2D数字化微笑设计技术具有能够快速模拟治疗效果，具有较佳的审美分析水准，且患者能够共同参与决策，提高对于后续修复结果的满意度，且能够详细规划治疗计划，并能够进一步强化不同学科团队之间的沟通交流，使得多学科联合治疗疑难病例成为可能，同时减少侵入性损伤等优点，但同样也具备一定的局限性，如2D诊断视角并不全面，而想要将图像转换为实体模型，模型技师的经验技术会对最终成果造成较大影响，如遇到技术经验欠佳的技师则会导致实体模型的形态、色泽无法使患者满意，进而影响到后续治疗方案的沟通[24]。

而目前已临床应用的3D数字化微笑设计技术已对部分2D数字化微笑设计技术所存在的问题进行了改进并加以解决。如2D数字化微笑设计技术所涉及到的拍摄问题，4.2版本的cerec smile design已对其加以了改进，其能够自动标记所拍摄照片上的16个特征点并生成带有特征点的图像，从而方便使用者以患者双眼内外眦距离进行尺寸的校准，从而实现2D图像到3D的转换，仅需一张正面全脸微笑照即可实现，同时，该软件所自带的BioCopy CAD模式能够直接进行口内扫描，扫描后所生成的模型能够直接用作最终修复体的1：1参考，从而有效减少技师经验技术对最终实体模型所造成的影响[25]。而2013年所上市的smile composer在标记4个相应点后，能自动将3D图像匹配对齐2D照片，且该软件对于患者的修复体颜色以及牙齿还原度更高，后续的成品效果更为接近患者本体，效果更为逼真，且该软件内部还置有多个牙齿模板，更便于医师进行修复参考，且其后续还能够通过该软件公司的专业数字蜡型制作技术实现数据与模型的一对一转换，进一步提高实体模型效果。于2015年所上市的PRSD软件对于照片的要求与cerec smile design相同，但需要手动对其面部照片，之后软件便能够根据标记自动生成牙齿轮廓；但该软件内置牙齿模板较少，最多可设计14颗牙齿；且该软件的设计库内还纳入了牙齿颜色系统，能够对虚拟诊断蜡型进行上色，从而尽可能贴合患者原有牙齿色泽，提高成品诊断蜡型的逼真程度。

然而，在实际临床的应用中，除了考虑所用软件内所包含的美学分析参数以外，其面部分析功能、牙龈、牙齿分析功能同样也是用于患者临床设计时需要进行考虑的内容，从而能够更好地满足患者对于美学的追求。

4 小结

随着经济水平的提高，人们观念的改变，数字化微笑设计技术已应用于口腔美学修复的各个阶段乃至逐渐贯穿了整个治疗过程。该技术的使用有效改变了传统口腔修复诊疗模式对于医者以及技师的审美以及经验的依赖，但在实际临床应用中仍旧或多或少地存在有亟须解决的问题。如不同软件与设备之间的数据无法全面开放，同类软件中相互兼容性较差，在不同软件中所设计的修复体无法用于不同软件的程序进行制作。这不仅导致了患者信息的安全性以及稳定性存在有一定问题，同时还使得相关设备的购置以及维护成本较大；无法面面俱到，仅能专精某一方面进行微笑设计，这些都是未来需要解决的主要发展方向。虽然口腔美学修复中应用数字化微笑设计技术尚未发育成熟，仍旧处于不断完善阶段，但飞速发展的科技水平所带来的各种软件仪器在不停推动着口腔美学修复的发展进步，当软件能够互相兼容，使得数据能够在不同系统中进行转换整合，就能使修复流程变得更为系统化。实现口腔美学修复的全程数字化修补，不仅能够缩短修复过程，还能够有效降低成本；在更好地满足患者对于美的追求的同时更为方便快捷，更好地发挥数字化微笑设计技术的优势。