探索下颌数字化模型重叠的方法
王梦含 王星星 向彪 吴刚
[摘要]目的：探索成人下颌数字化牙颌模型重叠的新方法，并验证本重叠方法的可靠性及适用性，为将来进行隐形矫治效果分析提供简单快捷的评价方法。方法：根据入选标准将研究资料分为A、B、C组，即对照组、上颌隐形矫治组及下颌隐形矫治组，重叠下颌牙列模型后，对下颌中切牙、第一及第二磨牙的三维方向位移进行测量及统计学分析。结果：A组各牙齿位移均值的95%置信区间上限最大值为0.29mm，下限最小值为-0.3mm;B组各牙齿位移均值的95%置信区间上限最大值为0.42mm，下限最小值为-0.46mm，36、37在Y轴上下限位移均为负值，46、47在Y轴上下限位移均为正值;C组各牙齿位移均值的95%置信区间上限最大值为0.45mm，下限最小值为-0.43mm。结论：本重叠方法可用于对比正畸前后的成人下颌数字化牙颌模型，具有较好的可靠性及临床适用性。
[关键词]无托槽隐形矫治;下颌;三维模型重叠;模型扫描
[中图分类号]R783.5? ? [文献标志码]A? ? [文章编号]1008-6455（2020）10-0044-04
Exploring A Method for Superimposition of Mandibular Digital Models
WANG Meng-han1， WANG Xing-xing1， XIANG Biao2， WU Gang1
（1.Dental Clinic of Shanghai Zhengya，Shanghai 201210，China;2.Smartee Denti-Technology，Shanghai 201210，China）
Abstract： Objective To explore a new method for superimposition of mandibular digital models in adults， verifying the reliability and applicability of this method.A convenient and efficient evaluation method for invisible orthodontic effect analysis in the future was found and clarified. Methods? According to the selection criteria， the data were divided into A， B and C three groups， which consists of control group， maxillary invisible orthodontic treatment group. mandibular invisible orthodontic treatment group. After superimposing mandibular dentition models， the three-dimensional displacement of mandibular central incisors， first and second molars were measured and analyzed statistically. Results In group A， the maximum value of the mean displacements 95% confidence interval was 0.29 mm， and the minimum value was -0.3mm. In group B， the maximum value of the mean displacements 95% confidence interval was 0.42mm， and the minimum value was -0.46mm. Otherwise， the upper-lower limit displacement values of 36 and 37 on Y axis were negative， and that of 46 and 47 on Y axis were positive. In group C， the maximum value of the mean displacements 95% confidence interval was 0.45mm，and the minimum value was -0.43mm. Conclusion The method for superimposition had satisfied reliability and clinical applicability to compare pre-treatment with post-treatment mandibular digital dental models in adults.
Key words：invisible orthodontic; mandible; superimposition of three-dimensional models; model scanning
為了评估正畸效果，检验矫治方法的有效性，需要一种可靠方法对矫治前、中、后的牙列进行重叠，进而评估分析。三维数字化口腔扫描技术如今已广泛运用在口腔正畸患者的诊断和治疗中，也可以通过数字化模型重建技术将传统牙颌石膏模型转换为数字化牙颌模型[1-2]。以往研究发现，上颌腭穹隆部存在相对稳定的区域[3-4]，基于该稳定区域的重叠，可以评估上颌每颗牙齿的三维方向移动。但下颌由于未发现可用于重叠的明显特征结构或被证实的稳定参考区域，下颌数字化牙颌模型仍然没有准确的重叠方法[5]。本文的目的在于探索成人下颌数字化牙颌模型重叠的方法，并对下颌中切牙、第一及第二磨牙的三维方向位移进行测量，验证本重叠方法的可靠性及适用性。
1? 资料和方法
1.1 一般资料：根据入选标准将研究资料分为三个不同组，A组为6例个别正常牙合志愿者，成人，咬合稳定，未进行正畸治疗，佩戴上颌压膜保持器3个月。B、C组从正雅Smartee?隐形矫治病例库中随机选取，每组12例。纳入标准：①成人;②仅上颌或下颌无托槽隐形矫治，未设计上颌磨牙及下颌牙齿移动或下颌磨牙及上颌牙齿移动;③有矫治前及精调阶段的牙列及咬合模型数据;④无牙齿缺失。
1.2 研究方法
1.2.1 所有资料均采用激光扫描仪（AutoScan-DS100+，SHINNING）对初始模型（M0）与阶段性模型（M1）进行扫描，获得该病例相应阶段的上颌、下颌及咬合数据，以STL格式输出。若病例有设计牙齿移动，则选择设计移动当步的模型文件（M1）。将所得牙颌数据导入逆向工程软件Geomagic Studio 2014（Geomagic，USA）中，重建三维数字化模型。调整坐标轴，默认设置X、Y、Z轴分别代表水平向、矢状向和垂直向。锁定M0（或M1）模型数据，使其在三维空间内不发生位置改变。
1.2.2 匹配上頜模型：以相同标准在M0（或M1）和M1腭部选取8个解剖标志点（见图1），分别为A：右侧第二腭皱襞内侧，B：左侧第三腭皱襞内侧，C：右侧第二腭皱襞内侧，D：左侧第三腭皱襞内侧，E：右侧第二腭皱襞外侧，F：右侧第三腭皱襞外侧，G：左侧第二腭皱襞外侧，H：左侧第三腭皱襞外侧。调整M1上颌模型位置，匹配M0（或M1）和M1上颌模型。对重叠结果进行色谱偏差分析，进行可靠性检测，验证重叠结果（见图2）。
1.2.3 匹配下颌模型：将M1咬合模型与M1上颌模型，通过全局注册自动匹配。之后，将M1下颌模型全局注册匹配M1咬合模型。
1.2.4 测量标志点：由同一研究人员在下颌双侧第一磨牙及第二磨牙各选择4个测量标志点，分别为其近、远中的颊、舌尖;下颌双侧中切牙选择3个测量标志点，分别为切缘近、远中点及切缘中点。输出各标志点的三维空间坐标数据，保存，汇总。
1.2.5 统计学分析：计算矫治前与矫治后各牙齿的位移差值，应用SPSS软件（Version 19.0，IBM，USA）对计量资料采用均数±标准差进行描述，计算各牙齿位移均值的95%置信区间，并绘制箱式图。
2? 结果
2.1 A组作为对照组，表示了本测量方法中出现的随机误差，由下颌牙列模型重叠所测下颌牙齿三维位移量数据分析所得。表1为均值的95%置信区间的描述性结果，上限最大值为0.29mm，下限最小值为-0.3mm;图3为按因子水平分组的箱式图，各牙齿三维位移量分布区间均包括0。
2.2 B组为上颌单颌隐形矫治，下颌未设计移动，比较动画设计当步的设计模型M1和实际模型M1之间的差异，由下颌牙列模型重叠所测下颌牙齿三维位移量数据分析所得。表2为均值的 95% 置信区间的描述性结果，上限最大值为0.42mm，下限最小值为-0.46mm，36、37在Y轴上下限位移均为负值，46、47在Y轴上下限位移均为正值;图4为按因子水平分组的箱式图，37、47在Y轴的位移分布区间未包括0。
2.3 C组为下颌单颌隐形矫治，上颌未设计移动，比较动画设计当步的设计模型M1和实际模型M1之间的差异，由下颌牙列模型重叠所测下颌牙齿三维位移量数据分析所得。表3为均值的95%置信区间的描述性结果，上限最大值为0.45mm，下限最小值为-0.43mm;图5为按因子水平分组的箱式图，各牙齿三维位移量分布区间均包括0。
3? 讨论
理想的三维重叠分析方法不仅要求重叠的基准结构为生长发育稳定区域，还需可明确识别的标记点，易重复测量。
3.1 上颌腭皱襞重叠法的可靠性：腭皱襞为硬腭前部，自腭中缝前部向两侧略呈辐射状的软组织嵴。腭皱襞的发育形态特征，受到个体遗传基因控制，在人的一生中基本不变[6]。在临床研究应用中，Choi等[7]发现腭部重叠法评价牙齿的三维方向移动是可靠的。Chen等[3]认为第三腭皱襞的内侧三分之二和腭穹窿区域是可用于评价正畸牙移动三维数字化牙牙合模型重叠的稳定区域，第一腭皱襞在矫治过程中产生了较明显改变。Jang等[4]也认为第三腭皱襞作为标志点比较稳定。Abdi等[8]介绍了一种基于腭皱襞标志点稳定性的上颌模型叠加的加权方法，研究结果显示腭皱襞的稳定有差别，第三腭皱襞内侧权重为3.08，外侧为1.67，第二腭皱襞内侧权重为1.74，外侧为1.09，第一腭皱襞内侧权重为0.88，外侧为0.59。综合前人对于上颌模型腭部重叠的大量研究结果，笔者认为第二及第三腭皱襞具有较高的稳定性，标志点也易于寻找确认。因此，本研究在上颌腭部选取了8个标志点解剖标志点，分别为第二及第三腭皱襞的颊侧末端点和腭侧末端点。
3.2 评估下颌牙齿移动的方法：利用头颅侧位片进行头影测量重叠，是一种已被广泛用于评估正畸牙齿移动的方法。此法简单易行，不过头颅侧位片只是三维结构的二维投影，并且存在投照时头位控制偏差大、图像模糊及放大率改变等局限[9-12]。随着锥形束计算机断层扫描（Cone beam computerized tomography，CBCT）的逐渐普及，很多研究借助CBCT匹配数字化牙颌模型，进而重叠治疗前后下颌牙颌模型。研究者们[13-15]发现以颅底为基准的叠加方法是准确可靠的，基于下颌骨基底结构通过表面拟合的方法更简单便捷。然而，国内医疗机构将大视窗CBCT用于常规检查项目的并不多，也有很多患者无法接受多次拍摄CBCT，都为数据采集设置了障碍。
数字化扫描技术的普及为解决下颌模型重叠提供了新的思路。Tavares等[16]使用三种方法验证了激光扫描仪获得的数字化牙列模型的准确性和可靠性，其精确性高于传统石膏模型，能更好地进行模型测量分析。然而，下颌并不具备特征明显的标志点来进行重叠，An[5]等将下颌颊侧和舌侧牙槽骨表面作为下颌重叠区域，评估结果显示稳定性不佳。下颌内斜线能够成为潜在的参考区域，但其特征并不明显。国内有学者[17]通过结合头颅侧位片来校准下颌牙颌模型位置，显示下颌重叠准确性较好，但缺点在于步骤复杂，且前牙区横向测量存在误差。本研究探索了新的重叠方法，通过匹配上颌及咬合模型数据来校准下颌牙颌模型的位置，间接获得矫治前后下牙列的重叠结果。
3.3 研究結果分析：本研究设置A组为空白对照组，志愿者均未进行矫治。经过模型重叠，并测量计算出下颌牙齿牙合面（切缘）三维方向的位移变化。各牙齿三维方向偏差在95%置信区间内均未超过0.3mm，箱式图示各牙齿三维位移量分布区间均包括0，说明本重叠方法应用于未矫治对象的模型重叠，具备较好可靠性及可重复性。
B组为上颌单颌隐形矫治，下颌未设计移动。经过模型重叠和数据分析，可以看到各牙齿三维方向偏差在95% 置信区间内未超过0.5mm。然而下颌磨牙出现了颊倾，且箱式图显示第二磨牙在矢状向的位移分布区间未包括0。分析认为：单颌矫治中，未设计移动的牙列同样可能发生少量位移，磨牙会因为矫治器的厚度原因产生颊倾的趋势。该推测目前并无相关文献报道，有待进一步研究去验证。
C组为下颌单颌隐形矫治，上颌未设计移动。为了避免咬合发生改变，减少重叠误差，所选病例磨牙未设计移动。数据分析结果显示：各牙齿三维方向偏差在95%置信区间内未超过0.5mm，且位移量分布区间均包括0。分析认为可能存在矫治器表达率的问题。
本研究认为测量中存在偏差的原因主要有两点：测量误差及隐形矫正表达率。Santoro M等[18]认为小于0.5mm的测量误差对于数字化模型的临床应用影响不大，本研究中偏差均小于0.5mm，但不可忽视本方法仍存在一定误差。其误差来源可能存在于：①硅橡胶取膜及激光扫描存在误差;②配准模型过程中产生的误差;③测量标志点产生的误差。因此，本研究在同一日完成三维模型的重叠，以减少重叠时定点过程中带来的误差。由同一人在磨牙及切牙上分别选取了4个和3个解剖结构最易于识别的点，力求最大限度降低误差。关于隐形矫正表达率，Rossini等[19]对11篇临床试验进行系统评价，显示牙齿伸长表达率只有30%，尖牙及前磨牙去扭转的表达较差，轴倾和转矩的控制稍好，切牙压低的表达率较高。也有其他研究发现[20-21]，隐形矫治中前牙的表达率相对较高，但仍不等同于设计目标。目前，对隐形矫治系统的设计方法和表达效果仍处于探索阶段，有必要进一步研究其生物力学原理和评估实际矫治效果，本重叠方法的运用亦有助于开展相关实验。
相较于以往研究中的重叠方法，本方法具有以下优势：①无需结合CBCT或其他影像资料，患者更易于接受;②可以在三维方向上校准下颌的位置，增加准确性;③在数字化模型上可以更直观测量牙齿的变化量。若随着技术水平发展，几个来源的测量误差能够降低，本重叠方法的准确性也将会进一步提高。
综上所述，本研究提出的下颌模型重叠方法可用于评估矫治前、中、后的牙齿移动，具有较好的可靠性及临床适用性，可以为正畸效果分析提供简单快捷的评价方法。
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[收稿日期]2019-10-18
本文引用格式：王夢含，王星星，向彪，等.探索下颌数字化模型重叠的方法[J].中国美容医学，2020，29（10）：44-48.
