基于锥形术CT数字化建模的3D打印牙颌模型制作及精确度研究

基于锥形术CT数字化建模的3D打印牙颌模型制作及精确度
研究
张晖榕;尹乐锋;刘艳丽;严丽谊;王宁;刘刚;安晓莉;刘斌
【摘要】目的基于锥形术CT(CBCT)数据构建患者数字化模型,应用3D打印技术制作牙颌实体模型并评估其精确度.方法通过Mimics 10.01软件处理正畸临床患者CBCT数据,并结合Geomagic studio三维软件制作牙颌数字化模型,导入MakerBot Replicator2X型3D打印机中,采用熔融沉积技术(FDM)制作聚乳酸材料的上下颌实体模型.比较3D打印模型与传统石膏模型的牙冠近远中径、牙弓长度和宽度及后牙牙尖三角嵴长度测量值.结果 3D打印牙颌模型和传统石膏模型的测量数据经配对样本t检验,无统计学差异(P>0.05).结论采用CBCT构建数字化模型具有可行性,能够简化正畸检查流程、实现患者牙颌状况的数字化存储.采用3D 打印制作牙颌模型精确度良好,可用于正畸临床.%Objective The aim of this study is to build a digital dental model with cone beam computed tomography (CBCT), to fabricate a virtual model via 3D printing, and to determine the accuracy of 3D printing dental model by comparing the result with a traditional dental cast. Methods CBCT of orthodontic patients was obtained to build a digital dental model by using Mimics 10.01 and Geomagic studio software. The 3D virtual models were fabricated via fused deposition modeling technique (FDM). The 3D virtual models were compared with the traditional cast models by using a Vernier caliper. The measurements used for comparison included the width of each tooth, the length and width of the maxillary and mandibular arches, and the length of the posterior dental crest. Results 3D printing models had higher accuracy
compared with the tradi-tional cast models. The results of the paired t-test of all data showed that no statistically significant difference was observed between the two groups (P>0.05). Conclusion Dental digital models built with CBCT realize the digital storage of patients' dental condition. The virtual dental model fabricated via 3D printing avoids traditional impression and simplifies the clinical examination process. The 3D printing dental models produced via FDM show a high degree of accuracy. Thus, these models are appropriate for clinical practice.
【期刊名称】《华西口腔医学杂志》
【年(卷),期】2018(036)002
【总页数】6页(P156-161)
【关键词】数字化牙颌模型;锥形术CT;3D打印技术
【作者】张晖榕;尹乐锋;刘艳丽;严丽谊;王宁;刘刚;安晓莉;刘斌
【作者单位】兰州大学口腔医学院;兰州大学口腔医学院;兰州大学口腔医学院;兰州大学口腔医学院;兰州大学口腔医学院;兰州大学信息科学与工程学院,兰州 730000;兰州大学口腔医学院;兰州大学口腔医学院
【正文语种】中文
【中图分类】R783.5
在正畸临床工作中，对初诊患者需要进行病史采集和影像学检查，进而进行诊断、分析并设计治疗方案。

牙颌模型是患者初始信息和疗程记录的良好载体，也是诊断
分析的重要资料。

目前临床中牙颌模型主要通过印模制取后石膏灌注来完成，传统石膏模型的制作需要医生熟练掌握相关技术，才能达到完整反映患者解剖结构的要求。

但在临床调查中发现，传统取模对患者的感官印象较差，容易引起患者产生恶心、呕吐等不适症状，有些需要矫治患儿配合困难；还有部分解剖异常的患者很难完整取全组织结构。

另一方面，石膏模型本身也存在存储困难、易损坏或断裂等难题。

因此，在取模过程中避免对患者造成不适感、得到解剖结构清晰完整、精确度高且不易损坏的模型成为正畸临床中亟待解决的问题[1]。

随着数字化技术的发展，学者们开始探索利用不同设备或仪器对牙颌进行扫描、获取数字化信息构建数字化模型的可行性。

目前，数字化模型的数据来源主要有三个方面，一是来源于石膏模型，二是通过口内扫描来获得，三是来源于CT或锥形术CT（cone beam computed tomography，CBCT）数据。

以石膏模型为数据构建数字化模型的研究众多。

如利用OrthoCad软件以切片式的扫描方式，将制取的石膏模型层扫后获得数字化信息从而构建模型[2-4]；利用emodel软件中的激光扫描方式扫描石膏模型，将其转化为数字化模型[5-6]；通过激光扫描获得石膏模型数据后由CAD软件构建数字化模型[7-8]；通过三维扫描仪扫描患者石膏模型获得数字化信息[9-11]；通过对石膏模型拍照后导入C3D-builder软件来完成数字化模型制作[12]。

以上研究表明，通过扫描石膏模型构建数字化模型具有可行性且精确度良好，但其制作过程仍建立在采集石膏模型数据的基础上，并没有避免传统取模。

通过口内扫描仪来获取数据的研究也有报道，有学者[13-14]采用口内扫描仪获得了患者口腔内的信息，采用三维逆向工程软件构建出数字化牙颌模型。

Kim等[15]采用蓝色LED牙科扫描仪对患者口内进行扫描，从而构建了三维数字模型，并证明方法可行。

通过CT或CBCT数据直接构建数字化模型是目前的研究热点。

Kau等[16]将头颅
CT数据应用InVivo-Dental软件分析后，在OrthoCAD软件中构建了数字化模型。

de Waard等[17]根据CBCT的数据建立了数字化模型，并通过对模型进行线性测量分析，发现其精确度良好。

以上研究表明，不同数据来源的数字化模型均具有较好的精确度[18]，可供临床测量应用，实现数字化数据存储，并方便医生计算及分析。

然而，实体化的模型更符合正畸医生的操作习惯。

在临床中发现，正畸医生对患者进行病例分析时，更倾向于将模型拿在手中进行观察，这不仅方便从舌侧观察咬合，还能节省观测时间；实体化的模型也更容易与患者交流。

而现有的研究没有将数字化模型转化为实体模型。

3D打印技术近年来在医学领域表现出良好的应用前景。

熔融沉积技术
（fused deposition modeling，FDM）是基于熔化原料并挤压成型的3D打印技术，其特点是成型速度快且相对准确，无需昂贵的激光烧结设备，价格相对低廉。

由于该技术可挤压生物降解性的支架材料，包括聚乳酸、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等，使得FDM技术在制备复合型生物医用高分子支架材料上的应用越来越多。

但在模型制作方面，FDM技术的应用还相对较少[19-21]。

本研究旨在通过获取患者的CBCT数据构建数字化模型，采用3D打印技术完成牙颌模型的制作并进行模型精确度比较分析，为CBCT与3D打印技术在正畸临床牙颌模型制备中的联合应用提供一定的理论与技术支持。

1 材料和方法
1.1 数据获取
选取拟做正畸治疗的患者6例，纳入标准为：1）无乳牙滞留；2）无牙齿畸形或
牙列缺损；3）无牙冠缺损，无充填体；4）无口内修复体。

纳入患者于兰州大学口腔医院进行CBCT（Ka-Vo公司，德国）检查。

CBCT扫描参数为0.25 mm、14.7 s。

患者同时于兰州大学口腔医院正畸科制取传统石膏模型，妥善保存。

1.2 数字化模型制作
利用计算机软件构建患者上下牙颌数字化模型并存储。

主要采用的软件包括Mimics 10.01（Materialise公司，比利时）和Geomagic studio逆向工程软件（Raindrop Geomagic公司，美国）。

1.2.1 数字化模型构建 将采集的CBCT数据的DICOM文件导入Mimics 10.01中，经过Thresholding蒙层指令分离硬组织，执行Region growing命令，保留上下颌骨及牙列，在Edit Masks菜单中，选择Threshold命令并分别设置硬组织
（1 200）及软组织（560）阈值，对牙列及牙槽骨进行分离处理，分别获得上下
颌模型（图1）。

1.2.2 数字化模型处理 将从Mimics获得的数字化模型导出为STL格式，导入Geomagic studio软件中，执行网格医生命令，修复模型并获得良好表面（图2）。

1.3 3D打印模型制作
将数字化模型的三维数据转化为STL格式，导入MakerBot Replicator2X型3D
打印机（MakerBot公司，美国）中，制作上下颌牙颌模型实体。

模型制作材料为聚乳酸，打印厚度为0.15 mm（图3）。

图1 在Mimics 10.01软件中构建上下颌模型Fig1
The maxillary and mandible model constructed in Mimics 10.01 software
图2 经过Geomagic软件表面处理的上颌模型Fig 2
The maxillary model treated through the Geomagic software
图3 由3D打印机制作的上下颌模型Fig3
The maxillary and mandible model made by 3D printer
1.4 模型测量
1.4.1 标准件测量 制作两个标准件，在solid works（Dassault Systemes公司，
美国）绘图软件中绘制长方体及马蹄铁形标准件并打印模型实体，测量实体尺寸与绘制尺寸差异。

1.4.2 牙颌模型测量 通过传统石膏模型和3D打印模型的制作，获得6位患者的
上下颌模型，用游标卡尺对12副模型进行测量分析，记录各项测量值并制表（图4）。

模型的测量项目包括：1）牙冠近远中宽度；2）牙弓宽度：双侧尖牙牙尖之间的距离，双侧第一磨牙中央窝之间的距离；3）牙弓长度：以双侧第一磨牙中央窝之间连线为底，测量中切牙至该连线的垂直距离及尖牙至该连线的垂直距离；4）后牙牙尖三角嵴长度：包含4组测量值，上颌第一前磨牙颊尖三角嵴（UdB）和
舌尖三角嵴（UdL）、上颌第一磨牙近中颊尖三角嵴（UdMB）和近中舌尖三角嵴（UdML）长度，以及下颌第一前磨牙颊尖三角嵴（LdB）和舌尖三角嵴（LdL）、下颌第一磨牙近中颊尖三角嵴（LdMB）和近中舌尖三角嵴（LdML）长度（图5）。

4 cm×5.99 cm；标准件2为马蹄铁形，由半径为3 cm半圆形和两个长
4 cm的臂组成，厚度1 cm，模型实体测量结果显示，打印模型误差在0.02 mm
范围之内。

图4 以电子游标卡尺测量模型Fig 4
Measurements of the dental model through electronic caliper model
图5 测量示意图Fig5 Schematic diagram of the measurement 
2 结果
2.1 标准件测量结果
在solid works绘图软件中绘制的标准件1为长方体，尺寸2 cm×4 cm×6 cm，模型实体测量结果1.98 cm×
2.2 牙颌模型测量结果
以电子游标完成各数据的测量，每个测量值测量3次并求平均值作为结果记录。

将测量数据录入OriginPro 9.0（OriginLab公司，美国）中，绘制散点图，分析
测量数据偏差（图6）。

图6 6组样本测量结果散点图Fig6
Scatter plots of six groups of sample measurement results
2.3 统计学分析
对测量数据进行配对样本t检验，结果见表1。

由表1可见，3D打印牙颌模型和传统石膏模型的测量数据间差异无统计学意义（P＞0.05）。

表1 6组样本配对t检验结果Tab1 Paired t test results of the six groups?
3 讨论
本实验应用CBCT与3D打印相结合的方法，获取患者的口腔数字化信息，建立数字化模型并制作实体模型。

不同于传统取模，通过计算机软件处理和3D打印机辅助完成牙颌实体模型的制作，简化了正畸检查的操作流程，避免了临床中印模制取对患者造成的不适感，并为患者节省就诊时间，有利于初次就诊建立良好的印象。

由CBCT构建数字化模型实现了患者信息的数字化存储，提高了医院对患者资料
处理的效率，能够有效地降低资料丢失及损坏。

另一方面，对于需要与不同地域医师进行交流讨论的病例而言，数字化信息能够实现快速准确的传输，方便不同接诊医师获得患者原始资料。

实体牙颌模型有助于医生灵活地三维观察患者牙颌畸形情况，特别是舌腭侧的咬合状况；也为与患者交流提供形象的交流载体，且符合绝大多数正畸医生的临床习惯。

因此本实验利用3D打印机制作了患者的数字化模型实体。

实验中使用的制作材料聚乳酸是一种新型的生物降解材料，由可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成，其机械及物理性能良好，具有较低的熔体强度，打印模型容易塑形且价格相对低廉。

通过这种方式制作的实体模型重量较轻、不易毁坏且转移方便。

另一方面，实体模型可在医师需要时即时打印，制作时间短而便利，能够为临床使用提
供更大便利。

本实验的结果表明，3D打印模型和传统石膏模型的牙体近远中径、牙弓长度和宽度以及后牙牙尖三角嵴的测量数据均不具有统计学差异，表明3D打印牙颌模型能够应用于临床检查中咬合关系的确定以及模型测量分析。

由于3D打印受到打印材料本身限制，打印层厚需要材料熔点支持，因此材料性能是影响3D打印模型精确度的因素之一。

此外，建立数字化模型的CBCT图像软硬组织阈值没有统一的标准，而另一项研究[22]表明，CBCT不同体素及阈值设定对所构建数字化模型的精确度有影响，因此，软硬组织阈值的标准化统一可进一步提高打印模型的精确度。

本实验研究了牙颌数字化模型的建立，未对软组织作相关研究，后期研究可探讨软组织数字化模型可行性，为全面构建患者的颌面部数据模型及矫治效果的数字化模拟奠定基础。

综上所述，通过CBCT与3D打印技术联合制作牙颌实体模型能够获得良好的精确度，可服务于临床工作。

本研究为改良传统牙颌模型制作提供了新的思路，表明3D打印技术在正畸临床中具有良好的应用前景。

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