虚拟颌架的应用及研究进展
詹聃婷, 张帆, 郑立舸
西南医科大学附属口腔医院修复科 泸州 646000
[通信作者] 郑立舸,教授,学士,Email:lzyxy-zlg@163.com

[作者简介] 詹聃婷,硕士,Email:34576545@qq.com

摘要

随着数字化技术的迅速发展,虚拟颌架作为现代计算机技术与学相结合的产物,相较传统机械颌架的操作复杂繁琐且难以获得直观的、立体的牙颌运动模拟,以其简单的操作、精确的模拟等各种优点,受到了国内外学者们的重视并投入相关的开发研究,以期实现精确模拟人体口颌系统的各种功能性运动并且辅助修复体的设计。本文将对虚拟颌架的研究及发展进行简要综述。

关键词: 虚拟颌架; 颌架; 计算机辅助设计和计算机辅助制造
中图分类号:R783.6    文献标志码:A      
Application and research progress on virtual articulator
Zhan Danting, Zhang Fan, Zheng Lige
Dept. of Prosthodon-tics, Affiliated Stomatological Hospital of Southwest Medical University, Luzhou 646000, China
Abstract

Along with the advancement in digital technology, virtual articulator, a combination between modern computer technology and gnathology, has become a topic of great interest among researchers world wide. The use of traditional articulator is complicated and thus accurately simulatingthe movement of a three-dimensional stomatognathic system is difficult. Nevertheless, the virtual articulator is expected to generate precise simulations of various functions of stomatognathic systems through computer-aided designs. In this paper, we reviewed the developments regarding virtual articulator applications.

Keyword: virtual articulator; articulator; computer aided design and computer aided manufacturing

颌架是一种模仿人体颌面部解剖结构设计, 可固定上下颌模型, 并能在一定程度上模拟下颌运动的仪器。采用颌架辅助设计制作的修复体在戴入口腔后可与机体达到更好的形态及功能上的协调。传统机械颌架是临床上常用的修复体设计制作辅助装置, 其具备与人体口颌系统相似的部件和结构。医生可以通过影像描记法、直接咬合法或运动面弓对颌位关系进行记录和转移, 根据下颌运动轨迹描记仪或锥形束CT(cone beam computed tomography, CBCT)测量下颌运动参数并据此来调节颌架各部件的相对位置, 从而将患者上下颌高度、颌位关系转移到颌架上, 以便在口外进行后续的排牙、上蜡、制作蜡型、调等义齿制作工序[1]。但这一系列步骤耗时、费力, 且因工序繁多导致误差增大, 这对牙列的相对空间位置、运动轨迹以及咬合面上的咬合接触区或干扰区的精确定位都造成了一定的影响[2]。随着电子计算机、虚拟现实技术在世界范围内许多行业取得巨大的成功和广泛的应用, 国内外学者们开始研发虚拟颌架(virtual articulator)系统, 以期利用计算机的数据及图形处理能力精确记录牙列的咬合状态, 实时重现下颌运动, 分析咬合关系, 并辅助后续制作工序的完成。

1 虚拟颌架

虚拟颌架即计算机数字化颌架, 是计算机技术与学相结合的产物。在计算机辅助设计过程中应用虚拟颌架, 最大的优点在于可将口颌系统完整的情况转化为精准的实时图像和数据, 包括口内和机械颌架上观察不到的细节, 从而实现模拟特征性的下颌运动, 并可从任意角度、断层显示且模拟人工牙列的动、静态的咬合接触[3, 4]。传统机械颌架根据其结构和功能及其对重现人体口颌结构及运动位置关系的程度不同, 可分为简单颌架、半可调式颌架和全可调颌架3种。而虚拟颌架根据其模拟对象不同可分为2种类型。

1.1 模拟机械颌架的虚拟颌架

这种类型的虚拟颌架根据其原理又分为2种, 第一种是将患者的石膏模型上颌架后再进行扫描分析[5]。一些学者[6, 7, 8]利用三维坐标测量系统获得颌架的三维运动轨迹, 从而大致重现了机械颌架的运动特征, 并可实现自动调的功能。而隋华欣等[9]为改进机械接触测量易导致的颌架运动轨迹偏差, 采用了非接触式光学定位跟踪系统来获取牙列咬合运动轨迹, 从而将误差进一步降低。尽管这类颌架可以描述开闭口、前伸、侧方等特征性三维运动轨迹, 但由于其收集数据的方式大多是基于对机械颌架的扫描, 所以并不适于口腔内的直接应用。第二种则是根据各种传统机械颌架的参数逆向设计出对应的虚拟颌架, 使用时根据需求选择颌架的类型, 录入患者的具体数据, 从而进行辅助设计。目前, 商业化应用于计算机辅助设计和计算机辅助制造(computer aided design and computer aided manufacturing, CAD/CAM)的虚拟颌架均为此类, 例如3Shape® Generic、Gir-bach® 、Kavo PROTAR® 、Sirona® 等。这类颌架可以较好地完成下颌运动和咬合关系的模拟, 但其只是间接转移了患者的信息, 也不能直观记录并反映患者的铰链轴运动, 所以仍具有一定的局限性。

1.2 模拟患者口颌系统的虚拟颌架

这一类虚拟颌架是通过实时扫描记录患者的口内情况及下颌运动, 以此作为依据, 个性化地实现患者的口颌系统模拟。早期的口腔修复CAD/CAM系统由于只扫描记录单颗牙的静态及下颌功能运动状态下的咬合接触关系, 因此制作的修复体仍需反复调磨[10], 且不能在存有对颌牙形态异常、缺损缺陷、咬合接触不良等情况时提供足够的精度[11, 12, 13, 14]。一些学者[15, 16]使用3D激光扫描仪采集牙齿表面形态和咬合关系, 再用下颌运动分析仪记录下颌运动, 最终将获得后的数据导入到处理程序中整合, 进行口内影像的模拟重现。Fang等[17]通过将二极管置于患者头部关键点后采集信号, 从而建立了一种新的模型来分析下颌运动。Solaberrieta等[18]则利用口内三维扫描仪、数码相机和逆向工程软件, 采用虚拟面弓技术直接将患者所有的口颌系统信息转化为三维模型。虽然此类型的技术直接将患者的口颌系统参数转移至计算机系统, 但因受到当前科技手段的限制及下颌运动本身的复杂性, 仍存在有精度不足的问题。

2 虚拟颌架的优点
2.1 对象

机械颌架的观测对象是石膏模型, 研究者无法通过肉眼观察对咬合接触情况做出定量判断, 并且机械颌架并不能完全再现口颌系统的解剖结构, 更无法满足对患者个性化铰链运动的模拟。虚拟颌架则是通过实时扫描和三维重建来呈现颌面部硬组织的数字化模型, 这种由计算机图形学算法精确生成的模型可以动态模拟患者个性化的下颌运动, 实时显示牙列动、静态的咬合接触及咀嚼运动, 并进行分析调整[4], 对于患者的髁突形态以及在下颌运动中所处的位置变化也可以直观展现。

2.2 精度

在重现静态正中咬合关系时, 通过使用能够可高度模拟口颌系统运动的全可调颌架, 可达到和基于CAD/CAM系统的虚拟颌架同样的精度, 但是其操作步骤繁琐, 临床实用性差。Tamaki等[19]对机械颌架模拟下颌运动时的咬合接触点与口内记录的一致性的研究表明:机械颌架在前伸咬合下重现显示有82%的咬合接触, 侧方咬合时高达90%; 而实际口内记录在前伸咬合下仅有66%的咬合接触, 侧方咬合时为81%。可见, 机械颌架在动态重现咬合关系时, 其结果的可信度较低。在Gsellmann等[20]的报道中也同样表明传统机械颌架会产生额外的咬合接触, 使得误差增加。Solaber-rieta等[21]在进一步对虚拟咬合关系记录精确度进行分析后发现:虚拟咬合记录过程的平均差仅为0.069 mm, 且所有咬合点的标准差平均值仅为0.011 mm, 与机械颌架0.265 6 mm的平均差相较而言, 更接近真实的咬合情况。

2.3 定量

机械颌架不能直接进行定量分析。用机械颌架模拟下颌运动时, 并不能定量反映任意点的运动轨迹和接触情况, 更不能从多角度、断层实时观察, 医生仅通过肉眼观察很难在工作中把握住一个适量的度。而虚拟颌架通过扫描和三维重建获取并模拟患者的情况, 计算机通过对三维重建模型的分析即可量化所有信息, 更逼真地模仿口颌运动的生物力学特性。虚拟颌架提供了一个可量化、可重复、可靠的方法来转移患者的咬合关系, 减小医生工作量的同时也更加直观、准确地反映了患者的真实情况, 从而更高效地针对患者的个人情况定制出最佳方案。

2.4 操作

机械颌架的操作需要以蜡型模拟牙或牙列, 用面弓将牙列与双侧颞颌关节的位置关系记录并转移到颌架, 整个过程操作复杂, 效率低, 且精度不佳。而虚拟颌架在完成前期的设置工作后, 操作可按照标准化的方式进行, 简化医生操作的同时又降低了因反复转移引入的误差, 且优化了患者的就诊体验。

3 虚拟颌架的相关研究进展

随着计算机技术的不断发展, 虚拟颌架正在逐渐取代传统颌架, 并广泛应用于CAD/CAM中[22, 23, 24]。在口腔医学虚拟颌架的研究中, 最关键的问题即将患者的所有信息转化为数据, 使其最终可以准确地呈现在计算机上, 因而衍生出2个不同的研究方向:第一是对颌骨及口腔解剖结构的三维数字化; 第二是下颌运动过程的三维数字化。而有关虚拟颌架的研究也主要是从这2个方向展开。

3.1 口颌系统解剖结构的三维数字化

由于口颌系统的解剖结构如颌骨、牙列等, 均可以在静态下进行扫描重建, 因此其精度较高, 还原性较好。Okumura等[25]利用头颅正侧位X线片, 基于双平面摄影原理重建各解剖标志点的三维坐标, 从而构建出颅颌面骨骼的三维框线图; 同时, 将其与激光扫描获取牙颌模型的三维图像整合出具有三维功效的图像。万贤凤等[26]将CBCT扫描获得的患者数字化牙颌模型与五轴三维激光扫描系统扫描获得的石膏模型三维数字化模型相整合, 得到新的数字化模型, 使其精细程度和解剖细节得到进一步的提高。一些学者还利用口内三维扫描仪、数码相机、Agisoft和逆向工程软件, 采用虚拟面弓技术直接将患者口颌信息转化为三维模型并且应用到虚拟颌架中。而随着扫描技术及设备的革新, 扫描精度也将不断地提高[27, 28, 29]

3.2 下颌运动过程的数字化

目前, 国内外学者对虚拟颌架的研究主要集中在这一方向, 根据原理的不同可大致分为2种。1)对记录有患者个体参数的可调式机械颌架的运动规律进行扫描分析; 2)用下颌运动轨迹记录装置直接获取患者的特征性下颌运动轨迹后进行整合分析。

3.2.1 扫描机械颌架进行模拟 由于技术的局限性和下颌运动的复杂性, 目前尚没有完善的设备及系统可以完全模拟下颌运动, 因此, 部分学者选择将模型固定于机械颌架上进行扫描, 以通过计算机图像技术设计处理的数学几何模型代替真实的机械装置, 以计算机中的虚拟颌架运动代替现实中机械颌架的运动。戴宁等[30]采用光学三维测量仪记录了简单颌架及固定的上下颌模型, 通过虚拟颌架技术成功模拟了简单颌架的运动。孙玉春等[8]基于机械颌架开发了用于全口义齿CAD数字模型的虚拟半可调颌架, 能够自动检测和显示咬合早接触区、干扰区, 并进行调。但这种方法最明显的缺点在于机械颌架的参数是由患者实际参数简化所得, 因此, 并不能个性化地反映每个患者的下颌运动。

3.2.2 记录下颌运动进行模拟 下颌运动轨迹描记仪是目前主流应用于下颌运动轨迹记录的仪器, 它可以直观、快速、准确地反映下颌切点、运动中心、轨迹以及范围, 并且还能将个体参数导入计算机中进行辅助分析[31], 是使颌架数据化, 简化咬合调改甚至重建的方法, 对提高修复体的质量有一定的作用。而将其与三维扫描获得的牙列三维数据整合, 运用相应的软件即可实现下颌功能运动的模拟。而除了下颌运动轨迹描记仪, 一些学者[32]利用运动捕捉分析系统, 也成功地采集了患者的开闭口运动过程, 并在计算机系统中成功还原, 清楚地显示了上下颌骨及牙列在运动中的位置变化以及颞下颌关节结构对应的改变。

4 展望

随着计算机技术的蓬勃发展, 其在辅助口腔修复设计中的应用为临床研究者带来了技术和效率上质的飞越, 并且推动了整个口腔领域的发展。虚拟系统在有效地提高临床诊疗质量的同时, 可以缩短每个操作流程的时间, 从而优化患者的就诊体验。近年来, 国内虚拟颌架系统正在起步, 国内外关于虚拟颌架的研究在不断地深入, 相关的技术设备也在不断的完善。虚拟颌架最大的优势就在于可用采集到的个性化参数来驱动虚拟模型, 从而实现真正意义上的下颌运动再现。然而, 目前始终没有一个系统可以完全地模拟下颌运动, 而扫描本身的精度也需要不断完善和提高。而当前最需要解决的技术问题就是怎样将扫描测量的部分下颌运动数据转化为完整、真实的下颌运动数据。随着图像扫描技术的不断发展以及对各独立模块研究的不断深入, 如何将下颌运动、咬合关系、患者的个性化参数、面部三维重建等模块数据整合于同一体系下, 并且成功建立起对应的关系, 这将是今后虚拟颌架的研究发展方向。建立完善的虚拟颌架系统必会是曲折而漫长的征程, 但光明的应用前景证明了其研究的必要性, 终将使口腔临床诊疗发生革命性的变化, 因此, 此项研究是值得学者们不断去努力完善的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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