数字化技术在口腔正畸诊疗中的应用

李 彬，段沛沛，白 丁

随着3D打印、人工智能(artificial intelligence, AI)、虚拟仿真(virtual reality, VR)和5G等技术不断出现，数字化的内涵更加丰富。数字化技术在口腔领域发展迅速，它使口腔诊疗更加直观、精确、安全和有效。但是，数字化技术在正畸领域综述较少。故本文将结合以上技术，对数字化技术的发展及特点、数字化牙颌模型(牙)、数字化三维头影测量(颌骨)、三维颜面成像(软组织)及数字化外科中的应用进行综述，以促进数字化技术在口腔正畸领域的发展应用。

1 数字化技术的特点及发展

数字化技术是指运用0和1两种数字编码，通过电子计算机、光缆、无线网络、卫星等设备，存储、传输、控制和表达信息的技术。数字化技术作为一种信息处理的方式，具有存储信息量大、存储空间少、传输速度快、信息丢失少、信息查询方便等特点，目前已在数控车床、三维建模、3D打印中广泛应用，对制造业、信息产业等领域的发展有举足轻重的作用。在医疗领域，国家出台“智慧医疗”政策，以大力促进数字化技术在医学领域的更新和发展。

在口腔领域，数字化技术通过融合三维数据采集技术、数学建模技术、计算机辅助设计与辅助制作(computer aided design and computer aided manufacture, CAD/CAM)、手术导航技术及相关材料技术辅助疾病的诊疗。数字化全瓷义齿加工、导板贴面预备已应用于临床，这提示着数字化技术辅助下，口腔诊疗已更加微创、精确、高效和智能化。

2 数字化牙颌模型

牙颌模型是患者牙齿、牙弓、牙槽、基骨等形态及口腔牙周软组织的精确复制，是正畸诊断的基础。传统模型采用石膏翻制而成，石膏在凝固时会发生膨胀，因而传统石膏模型精度欠佳，且存在占据空间大、易磨损断裂、易丢失等不足[1]。数字化牙颌模型最早诞生于20世纪80年代，并最终在10年内全面商业化并应用于临床，目前这项技术因精度与传统印模一致[2]，且取模过程简单快捷、不易引起患者不适[3]而在正畸诊疗中广泛应用。

数字化牙颌模型经数据采集、数据预处理、曲面重构三步获得精确的口内软硬组织重建[4]。其中，数据采集是最为关键的步骤，目前获取口内软硬组织的数据采集方式主要有三角测量技术、干涉及相移测量技术、动态三维捕捉技术、平行共聚焦成像技术等，其中前两者是目前应用最广泛的技术。干涉及相移测量技术测量精度高、能处理复杂窝沟但扫描时间较长，三角测量技术扫描速度非常快但对复杂图像处理能力不足、对计算机要求较高，而平行共聚焦成像技术因成像与物体共焦，对窝沟等细节成像效果更优，其改良后的超快光学分割技术分辨率更高、速度更快(每秒采集3 000幅图像)。

数字化牙颌模型按扫描方式可以分为间接法(口外扫描)和直接法(口内扫描)。前者利用桌面扫描仪扫描牙颌石膏模型获得数字化模型，后者则用探入式光学扫描头直接在患者口内获取软硬组织信息并建立三维模型。直接法因为探头移位、唾液和口内光线影响，数据经多次处理，准确度偏低[5]，且扫描全牙列的准确性低于局部牙列[5]。但因直接法操作方便且省时省力，近年来在临床上得到更广泛的应用。

目前常用的直接扫描系统有CEREC®、True Definition®、Lava COS®、Trios®、iTero®和Lythos®等，见表1。基于各扫描系统采用的光源、数据采集技术等各有差异，其可重复性和准确性目前尚难以直接比较，一般认为CEREC®全牙弓扫描的可重复性和准确性[6-7]均较Trios®[8]、iTero®[9]、Lava COS®[9]和True Definition®[10]低。

表1 几种常用的口内扫描仪原理Tab.1 Common camera technologies of various intraoral scanners

数字化的牙颌模型除了成为牙颌信息的载体外，在正畸的诊疗过程中还发挥了其他作用。①个性化诊断设计：借助如Ortho CADTM、Ortho AnalyzerTM、UnitekTM等软件对牙、牙列进行三维测量分析；②辅助方案制定：使用InsigniaTM等数字化矫治系统完成排牙实验，模拟治疗过程中牙齿的移动，展示如推磨牙向远中[11]、扩弓[12]等治疗的效果；③联合应用CAD/CAM和3D打印技术设计并制作矫治器，如3Shape公司的Appliance DesignerTM设计系统；④促进医患、医院间的沟通，构建网络共享数据库；⑤在三维数字模型上进行模拟托槽粘接[13]；⑥无托槽隐形矫治技术：在三维层析、模拟矫治和个性化排牙基础上，借助3D打印和压膜技术制作各矫治阶段的透明压膜矫治器以完成矫治，还可辅助分析牙移动机制[14]，主流产品有美国的隐适美®(Invisalign®)和国产时代天使®、易美齐®等；⑦个性化舌侧矫治技术：借助计算机设计个性化、完全贴合舌面的精密舌侧托槽，主要产品有德国的Incognito®、韩国的Orapix®及国产eBrace®。

3 数字化三维头影测量分析

X线头影测量技术自1931年Broadbent开始应用于临床，目前仍是正畸诊疗和科研的重要手段，但因为影像重叠、扭曲、变形、伪影等因素导致测量结果的准确性受影响[15]。自电子计算机断层扫描(computed tomography，CT，1972年)及牙科领域更常用的锥形束CT(cone beam computed tomography, CBCT， 2001年)投入使用以来，颅面部结构得以在三维方向准确呈现并分析测量[16]，大大提升医生观察的视野、范围和清晰度。

数字化三维头影测量在正畸领域主要应用如下：①在三维空间上实现测距、测角和测比例；②利用Dolphin3D等软件的辅助，能任意方向旋转头颅，还能够对颅骨的两侧单独测量，辅助面部不对称等复杂病例的诊治；③辅助手术导板的设计制作，详见第5部分；④辅助个性化托槽或隐性矫治的设计，利用CBCT的牙根及牙槽骨数据，通过表面匹配技术与口内扫描牙冠数据整合，建立包括牙冠-牙根-牙周软硬组织的高精度数字化三维模型[17]，精确实现可个性化的牙移动及牙根控制，例如Ormco公司的InsigniaTM数字化矫治系统就建立模拟牙根，并据此为牙齿移动设计托槽转矩等，真正实现牙齿移动的三维设计、模拟和控制，国内易美齐隐形矫治系统亦能建立模拟牙根，并据此模拟无托槽矫治时牙冠及牙根的移动，设计隐形矫治方案。

然而，目前三维头影测量也存在一些不足：①缺少普遍认同的分析方法，如坐标系和标志点的确定方法、面角的测量等，目前仅有为数不多的研究；②使用安全性(辐射风险)上要尽可能减少患者接受的辐射，目前认为除了埋伏牙、正颌、牙槽骨和牙根吸收风险和关节问题患者外，不应常规拍摄CT[18]。

4 三维颜面成像

颜面部软组织在正畸治疗过程中备受患者及医生的关注。传统照相虽然从正面、侧面和45°斜向三个方向对患者的颜面信息进行记录，但仍存在难以量化、测量和分析等不足。随着数字化技术的发展，安全、快捷、无辐射的三维颜面成像广泛应用于面部软组织重建和三维测量成为可能[19]。

目前的三维颜面成像主要产品有3dMD®和FaceScan®，他们利用非接触式三维激光颜面扫描、立体摄影、干涉及相移测量等技术，高分辨率地三维重建患者的颜面部软组织形态，并进行三维测量和定量分析[19]。目前3dMD®能达到约1.0 mm[20]的扫描误差，并能发现5.9 mL的面部体积变化[21]。三维颜面成像已被证实是一种有效、可靠的颜面分析工具。

三维颜面成像目前在临床上已有广泛的应用：①建立治疗前中后的三维面相数据，实现动态分析；②构建虚拟患者并预测治疗后的软组织变化，如正畸后面容改变[22]、扩弓后的上颌及软腭变化[23]等；③构建人群颜面特征数据库[24-25]；④进行微笑分析[26]、不对称软组织分析[27]等；⑤三维颜面、口内扫描和CBCT的三重结合，构建更详细的评估治疗前模型[23,28]，为医生提供直观的患者面部数据和信息，同时也更有利于医患沟通的进行。

尽管三维颜面成像技术具备上述各种优势，但因价格昂贵、维护困难和技术门槛高等因素，其推广受到一定限制。随着三维颜面成像技术的发展，目前已经研发出了动态四维面部细节捕捉的方法(如RealSense F200)[29]，日后有望应用于临床，用以记录更详细的动态颜面信息。相信随着数字化时代信息技术的不断发展，三维颜面成像日后定有更广阔的前景。

5 数字化外科

医疗美容技术被越来越多的大众接受，随之更多的严重骨性错牙合畸形患者寻求正畸-正颌联合治疗以达到更理想的矫治效果。传统的手术制定方法主要包括临床检查、X线头影测量分析、VTO分析和模型外科。前三种方法仅能从二维角度进行分析模拟，模拟外科费时费力，精确性差，而数字化外科精确高效，更能满足当今的临床需求。

数字化外科的主要技术包括个体数字化设计、快速成型和手术导航，通过整合CT、口内扫描等数字化信息，利用相关软件(如Mimics、Dolphin 3D、Geomagic Studio和Magic RP等)，建立高精度的三维模型，实现牙齿、颌骨、颜面软组织和颞下颌关节运动的整合，从而有效辅助临床诊断和方案制定[30]。在我国，数字化外科在临床的初步应用已经取得了良好的效果[31]，但目前此类软件主要用于硬组织的评估，在软组织重建和术后预测等方面尚未获得稳定的模拟结果[32]。

在正畸领域，数字化外科主要应用有：①AI辅助容貌分析和诊断[33]；②虚拟手术设计，可以精确模拟治疗过程中牙齿和颌骨的变化[34]；③制作数字化咬合导板、截骨导板、垫片等，提高正畸-正颌的可预见性和确定性，减少术后并发症[35]；④辅助支抗种植体的植入：三维评估植入部位的骨量，借助于3D打印、CAD/CAM等技术能快速制作植入导板[36]；⑤数字化融合体层摄影技术[37]、螺旋CT等为正畸治疗中的颞下颌关节手术患者显示更加直观的影像；⑥使用Dolphin等软件三维重建气道[38]，模拟术后气道位置[39]，辅助下颌后缩、合并阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征等病例的分析。

6 小 结

随着数字化技术的发展和国家政策的大力支持，大数据与AI联合应用于正畸学将是未来的趋势之一，口腔正畸的诊疗过程也会出现很大的变化。

AI在口腔正畸诊断及治疗中发展迅猛，但其成果尚需更多数据的支持及临床验证。在诊断方面，尽管首个具有自动定点功能的头影测量分析系统发明于20世纪末[40]，现在系统通过卷积神经网络[25]深度学习能完成图像预处理、自动定位标志点[41-42](如国内Uceph、智贝云等)、测距测角等工作，但是也存在不同质量的图像，AI分析结果误差较大的情况，这说明AI完全替代传统定点测量尚需进一步的积累和研究。目前已有软件在开展AI分析测量数据并对治疗难度进行评估的测试，但尚未用于正畸临床。在治疗方面，大数据正在构建不同错牙合畸形患者的临床治疗路径，以辅助设计临床治疗方案。比如目前隐适美的病例数据库来自全球，通过大数据整合多中心的数据资源，运算及与临床效果比对，算出推磨牙向远中、拔牙、排齐整平中的推荐路径，以提高隐形矫治的成功率。如果未来AI能够结合大数据及患者的个体生物学特征，精准快速评估患者状况、远程模型分析和头影测量分析、自动生成矫治方案和模拟矫治效果，将是正畸学发展的一个飞跃。

数字化在正畸诊疗中的另一发展趋势就是实现三维到四维的飞跃，也即构建实时动态模型，显示运动过程中患者牙齿、牙列、关节和肌肉的运动情况[29]，例如动态牙颌模型、动态三维面像等。将关节和肌肉的运动轨迹进行记录并能真正模拟患者的功能咬合，以达到更加精准的治疗。但目前这种技术仅处于起步阶段，存在扫描时间过长、会引起患者不适等弊端，尚需要更多的研究和开发。

最后，数字化技术在正畸应用中尚有不足。以目前相对成熟的数字化牙颌模型为例，口内扫描的精度现仍是限制其发展的主要原因之一。其根本是技术上尚无法克服牙齿半透性和高反光等瓶颈；扫描方式仍需通过局部扫描后多次整合为全牙列。除此以外，正畸数字化三维技术也还存在三维数据的操纵和渲染很难在二维屏幕上完成、大量数字化信息的实时传输有较大延时等问题。但随着AI、VR、5G等技术的引入、支持和云端化发展，相信在不久的将来，数字化技术在口腔正畸诊疗过程中会愈加常态化，正畸学的发展将进入一个新时代。