牙牙合石膏模型三维数字化现状及发展前景

彭春综述，宋锦璘审校

（1.重庆医科大学附属永川医院口腔科，重庆402160；2.重庆医科大学附属口腔医院，重庆401147）

牙牙合石膏模型三维数字化现状及发展前景

彭春1综述，宋锦璘2审校

（1.重庆医科大学附属永川医院口腔科，重庆402160；2.重庆医科大学附属口腔医院，重庆401147）

牙模型；口腔；正畸学；牙牙合石膏；三维数字化

牙牙合石膏模型作为患者牙牙合信息的载体在口腔临床中应用广泛。牙牙合模型能真实记录患者牙齿、牙槽骨、腭部及上、下颌基骨的形态和位置。在口腔正畸学中对牙牙合石膏模型的测量和分析是临床诊治方案设计的重要步骤。在口腔正畸学中，通过测量牙冠宽度、牙弓弧形长度、牙弓宽度、牙弓长度、Moyers分析、Pont指数和Bolton指数等分析研究上、下牙合牙弓、牙齿的协调性。测量基骨的长度和宽度、Howes分析研究牙量与骨量的关系，可以对错牙合畸形早预测，达到早矫治的目的[1]。

传统的测量方法在牙牙合模型上直接进行，测量与分析十分不便，测量数据重复性差，精度控制也难以掌握。选择一个精密的牙牙合模型三维数据获取方法，让这些工作由计算机自动处理，不仅方便迅速，而且精度高；不仅如此，将牙牙合模型数字化后，数据的管理与调阅非常方便，有利于拓展医学统计、病例分析等领域的研究。

国内外学者探索出了接触式机械化、激光扫描、基于机器人工作原理的牙牙合模型、结构光投影、三维CT、锥束CT、摄影测量等方法进行三维测量，但这些方法存

在对被测量对象有伤害、需要价格昂贵的专业设备、测量精度不能满足需要、操作复杂等问题，推广和应用受到了限制。随着计算机科学技术的迅猛发展，普通数码相机的普及和摄影测量理论、计算机视觉理论的发展，越来越多的学者开始关注摄影测量这一崭新的三维测量技术在生物立体测量方面的应用。目前进行的研究旨在利用市场常见且价格低廉的非专用量测相机，利用计算机大容量、高运算处理速度的能力，吸收口腔医学、影像学、摄影测量学、计算机视觉等多学科技术，采用多基线数字近景摄影测量技术原理，结合口腔正畸、颌面外科的工作实际，探索一种新的牙牙合石膏模型三维数字化实现方法。

1 牙牙合石膏模型三维数字化在口腔正畸学中的临床应用价值

1.1 数字化牙牙合模型在正畸研究中的应用牙牙合模型的测量分析和临床检查是错牙合畸形诊断、矫治设计、疗效预测及评估的主要依据。石膏模型的长期储存耐久性差，模型容易破损、丢失、占用空间大。由于三维数字化牙牙合模型不存在原始模型的磨耗和损坏等情况，有利于模型资料的保存与管理，测量分析操作方便、快速省时、测量精度高，医生可任意旋转、缩放牙牙合模型三维图像，可进行空间任意距离、角度、曲面面积等测量项目的分析，因此，近十年来，牙牙合模型三维重建及测量技术越来越受到重视。

随着口腔医学的发展，对于牙齿移动的速度、方式和牙牙合模型特点的研究越来越精确，传统的游标卡尺测量已不能满足需要，国内外许多学者均尝试了在三维空间分析和测量牙齿移动的规律及特点。1982年有文献报道了用激光全息法在活体测量加力瞬间牙齿在三维空间的移动和位移量，确定受力牙齿的即刻转动中心[2]。1985年有学者用计算机辅助的牙牙合模型立体测量系统对100例儿童牙牙合模型测量及数据保留进行了研究[3]。高一等[4]利用摄像机同时获得牙牙合模型的顶视图和4个侧视图。赵萍等[5]通过机械三维坐标仪观察了预成镍钛摇椅弓和不同深度标准弓形摇椅弓作用于下牙弓长度、宽度和垂直向的变化趋势。

1.2 数字化牙牙合模型在错牙合畸形的定量分析和手术模拟中的应用严重的牙颌面畸形需要正畸-正颌联合治疗，随着三维测量技术普及和计算机软件的不断更新可对复杂的牙合、颌面畸形患者的软硬组织进行三维重建、测量分析并进行手术模拟。Gracco等[6]用激光扫描30例施行快速扩弓术患者的石膏牙牙合模型，得出腭顶容积的增加可降低快速扩弓术复发率。Marini等[7]也在研究中证实，施行快速扩弓术患者在扩弓后，腭顶容积的增加能降低复发率。2009年有学者用三维CT重建了日本面部协调并咬牙合关系正常的20例男、女志愿者的三维面部模型，并将其与下颌骨畸形患者治疗前后的三维模型重叠后定量评估畸形程度和疗效[8]。可见，以三维数据为基础的研究越来越受到了国内外正畸学者的重视，也为准确、及时地判断病情和预测疗效提供了坚实的理论基础。

2 牙牙合石膏模型三维数字化研究现状

2.1 接触式机械化测量技术接触式机械化测量技术是日本学者Nakashima研究的一种有5根枢轴的测量装置[9]。由于测量头直径和测量力会造成被测物体表面的变形和划伤，所以会直接影响测量精度。

2.2 激光扫描测量技术激光扫描测量技术是一种非介入性的三维重建方法，该法的特点是非接触、被测物无形变、测量重复性好、测量精度高等。Krey等[10]研究显示，三维激光扫描系统对牙牙合模型测量的结果与手工测量值比较，差异无统计学意义（P＞0.05），可用于牙牙合模型的测量。

2.3 基于机器人工作原理的牙牙合模型测量技术这种牙牙合模型测量仪具有四自由度的测量臂结构，通过旋转关节处的传感器将牙牙合模型的空间坐标输入计算机。上海交通大学研制的这种牙牙合模型测量仪可进行牙牙合模型的三维测量及对测量信息的存储和输出[11]。

2.4 结构光投影测量技术结构光投影测量技术的基本原理是利用投射于被测物体表面或利用投影仪投射一定结构和编码的光线到测量对象表面，被测物体表面光线产生形变而产生的云纹与原始光线对比计算出空间三维坐标。

2.5 三维CT测量技术三维CT测量技术的原理是通过薄层扫描后将数据传送到计算机工作站并应用相应的软件进行三维重建，但扫描时间长、患者接受射线量较大、口腔内金属物（如银汞充填体、金属冠、固定矫治器等）可能产生伪影，尚不能作为一种常规检查方法[12]。

2.6 锥束CT测量技术该系统只需要围绕受检者旋转360°既可获取三维信息，具有扫描范围灵活、图像精确、成像迅速等优点。但软组织分辨率低是该技术的主要缺陷，金属充填物产生的伪影也是该技术临床应用中不可避免的问题。

综上所述，对于牙牙合模型三维数字化测量主要分为两大类别。一种是接触式的方法，另一种是非接触式的方法。接触式的方法对模型可能带来表面的划伤和损坏，特别是在脆弱的牙尖位置更容易造成缺损。非接触式的方法对模型无损坏，更适合模型测量的使用[13]。三维CT、锥束CT测量技术虽满足精度高、非接触的要求，但设备较昂贵，基层医院和诊所无力承担；另外，患者检查费用也较大，难以普及使用。结构光投影测量技术由于精度较低，无法达到模型分析精度要求。几种方法的优劣比较见表1。

表1 几种方法的优劣比较

3 多基线数字近景摄影测量技术应用于牙牙合石膏模型三维数字化的可行性分析

多基线数字近景摄影测量技术是数字近景摄影测量的一种。其基于摄影测量专家张祖勋院士提出的以计算机视觉原理（多基线）代替人眼双目视觉（单基线）传统摄影测量原理，利用普通数码相机，对测量对象拍摄一组序列照片，利用现代计算机高速度、大容量的数据处理能力，采用通过光束法平差进行目标空间定位的技术[14]。该技术具有以下特点：（1）能按区域对所摄影像进行整体处理，对多图像按照一个整体来处理；（2）使用单相机拍摄就能获得高精度的数据；（3）采用了新的匹配系统，能产生密集的点云（point clouds）；（4）能将对应点的纹理准确地反映在三维模型上，所见三维模型真实、自然。

由于多基线数字近景摄影测量技术具有设备简单、设备投入上基层医院和诊所易于接受、多基线数字近景摄影由于其匹配算法处理上可以接受变型较大的近景拍摄等特点，所以，可以用微距镜头拍摄牙牙合石膏模型，可以更好地展现模型上解剖特征的细节[15]。多基线数字摄影测量技术仅需拍摄多幅大重叠的模型照片就能通过计算机软件自动处理得到三维数字化模型，无需操作人员掌握更多的测量专业知识，易于上手操作[16]。可见，这种测量方法有应用到牙牙合石膏模型数字化的可能，有必要结合口腔正畸医学的一些专业特点给予改进，使之更能满足口腔正畸对模型测量和分析的要求。

国内未检索到多基线数字近景摄影测量技术在口腔正畸学中应用的相关文献，国外也未见相关文献报道，但国外文献在人脸识别、立体像对人脸建模等领域的算法和技术远远高于国内水平[17]，其算法和技术可以在多基线数字近景摄影测量技术在人脸建模和生物立体测量中借鉴，使该技术在生物医学领域的应用得以发展[18]。

4 小结

石膏牙牙合模型的测量是正畸治疗中常用的分析方法，虽然石膏牙牙合模型可以为正畸治疗提供一些数据，但这些数据基本上是长、高、宽、角度等二维数据，无法用手工测量方式获取表面积、容积、体积等三维数据，这给口腔正畸的效果预测和疗效观察带来了极大不便[19]。

有研究表明，牙牙合模型测量的统计分析可以提供阐明遗传和环境因素对牙齿的形态和发展及各种异常的病因[20]。虽然基于二维数据分析正畸医学中的一些问题被证明是一种有效的手段，但一个可靠和快速的三维数字化牙牙合模型将大大增加从牙牙合模型得到的形态学信息，如齿顶高度、牙冠轮廓、牙面表面曲率和牙冠表面面积、牙齿体积及其他测量数据等，这些信息将最大限度地发挥相关研究的能力[21]。由于受传统测量方式的制约，正畸治疗中牙面磨损情况的研究可以说是忽略的，正畸治疗中伴随牙齿的移动、咬牙合关系的改变、牙齿磨损是否变化、是怎样一种趋势尚知之甚少[22]。正畸医学研究中依靠的是生物力和物理力的合力，研究中往往利用三维有限元的方式来分析变形和变形趋势，故毋庸置疑，三维数字化模型能为正畸力学的分析带来方便[23]。可见，三维数字化模型对于正畸学的研究和发展带来的是一种进步[24]。

综上所述，三维测量技术作为一种理想的牙牙合模型测量方法，随着计算机软件和医疗技术的不断发展会变得更精确、快捷、简便、价廉，最终会取代现有的二维头影测量系统[25]。计算机工程、计算机视觉、摄影测量等理论的不断发展，具有操作灵活、价格低廉、能利用普通数码相机的多基线数字近景摄影测量技术将在口腔正畸学的研究中占有一席之地。

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：1009-5519（2015）04-0529-04

2014-08-28）

重庆市永川区科学技术委员会软科学资助项目（YCSTC2012BE5005）；重庆医科大学附属永川医院2012年度院内科研课题资助项目（YJQN20120027）。

彭春（1978-），女，重庆铜梁人，硕士研究生，主治医师，主要从事口腔医学临床和教学工作；E-mail：1070490456@qq.com。

宋锦璘（E-mail：soonglin@163.com）。