多模态数据融合引导的数字化种植和全口咬合重建.pdf

口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 254 多模态数据融合引导的数字化种植和全口咬合重建龚德龙1，俞懿强1，刘伟才1，厉超元2，苏俭生1（1.同济大学口腔医学院，同济大学附属口腔医院口腔修复教研室，上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，2.口腔种植科，上海200072）摘要 目的：探究应用多模态数据融合引导完成复杂数字化种植和全口咬合重建的可行性。方法：对一牙列重度磨耗伴牙列缺损的患者，获取并整合其口内扫描（intraoral scanning，IOS）、口外面部扫描（extral-oral face scanning，EOS）、锥形束 CT(cone beam computed tomography，CBCT)及下颌运动等口颌系统的多模态数据，融合构建出四维虚拟牙科患者（virtual dental patient，VDP）。在四维 VDP 的引导下进行数字化种植和全口咬合重建，使用光学定位的下颌运动系统获取动态咬合数据，利用计算机辅助设计和计算机辅助制造（computer-aided design and computer-aided manufacturing，CAD/CAM）设计制作出最终修复体，完成全口咬合重建修复，并进行客观性评估。结果：该病例取得较好的修复治疗效果，患者对美观和功能满意，口颌系统健康、舒适。客观性评估数据显示，咬合重建后，患者牙尖交错位(intercuspal position，ICP)时的静态咬合和前伸、侧方运动时的动态咬合都得到了明显的改善，在前牙美学区和后牙功能区都取得了满意的治疗效果。结论：应用多模态数据融合引导完成复杂数字化种植和全口咬合重建具备可行性，值得推广。关键词牙列重度磨耗；虚拟牙科患者；数字化种植；咬合重建；动态咬合中图分类号 R782 文献标志码 ADOI：10.12439/kqhm.1005-4979.2023.04.009Digital implant restoration and full-mouth occlusal reconstruction guided by multimode data fusionGONG Delong1,YU Yiqiang1,LIU Weicai1,LI Chaoyuan2,SU Jiansheng1(1.Department of Prosthodontics,2.Department of Oral Implantology,Stomatological Hospital and Dental School of Tongji University,Shanghai Engineering Research Center of Tooth Restoration and Regeneration,Shanghai 200072,China)Abstract Objective:To explore the feasibility of applying multimodal data fusion to guide complicated digital implant restoration and full-mouth occlusal reconstruction.Methods:For a patient with severely worn dentition and dentition defects,the multimodal data of her oral and maxillary system were obtained by intraoral scanning(IOS),extral-oral face scanning(EOS),cone beam computed tomography(CBCT)examination and jaw movement,which can be integrated to create a four-dimensional virtual dental patient(VDP)by fusion.Digital implant restoration and full-mouth occlusal reconstruction were conducted under the guidance of the four-dimensional VDP.The dynamic occlusal data was obtained using the optically positioned mandibular motion system,and the final restoration was designed and manufactured by computer-aided design and computer-aided manufacturing(CAD/CAM).Finally,the full-mouth occlusal reconstruction was completed and we have given an objective evaluation.Results:The case gets a good restoration effect.The patient is satisfied with aesthetics and functionality of full-mouth occlusal reconstruction,with her oral and jaw system healthy and comfortable.As the objective evaluation showed,both static occlusion in intercuspal position(ICP)and dynamic occlusion during forward movement and lateral movement had been significantly improved,and satisfactory therapeutic results had been achieved in both the aesthetic area of the anterior teeth and the functional area of the posterior teeth.Conclusion:It is feasible to conduct complicated digital implant restoration and 收稿日期：2023-02-17接受日期：2023-05-03基金项目：国家自然科学基金（82071159）；上海申康医院发展中心促进市级医院临床技能与临床创新三年行动计划临床研究青年项目(SHDC2020CR4088)；上海市“科技创新行动计划”医学创新研究专项项目（21Y11903800）作者简介：龚德龙，住院医师.E-mail:通信作者：苏俭生，教授.E-mail:口腔种植学研究口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 255 full-mouth occlusal reconstruction guided by multimode data fusion,which is worth promoting.Keywordsseverely worn dentition;virtual dental patient;digital implant restoration;occlusal reconstruction;dynamic occlusion牙齿发育异常、年龄因素、咬合力、不正确的刷牙方法、口腔环境因素、医源性因素等都会引起牙齿的磨耗1。牙列重度磨耗常伴有咬合垂直距离的丧失，会对下颌运动及颞下颌关节产生不利影响2-3。咬合重建是治疗该疾病的有效方法。成功的咬合重建不仅能恢复牙列的形态和美观，还能使恢复的咬合关系与口颌系统的整体功能达到协调状态4。数字化口腔修复技术能够使整个治疗流程高效、精准、个性化5。数字化技术可以辅助医生、技师完成固定修复体的设计与制作，降低咬合重建治疗的技术敏感性，提高治疗的质量和成功率。咬合重建的关键和难点在于咬合设计信息的精准传递4。数字化技术在咬合设计信息的精准传递上具有优势。传统的颌位关系转移方法一般转移的是静态的咬合关系，而实际状态下，每一个患者的咬合运动都是动态的。因此，要想达到满意的咬合重建效果，有必要对患者的动态咬合加以记录。动态咬合包括下颌的侧方运动和前伸运动，侧方运动引导包括尖牙保护和组牙功能两种模式。动态咬合与颞下颌关节、颌骨肌、中枢神经系统之间相互依赖、相互制约，彼此之间协调统一，才能维护口颌系统的健康6。目前，市场上涌现了多种下颌运动描记系统。相较于传统的机械式面弓，光学定位或超声定位的下颌运动描记系统简化了记录装置的结构，提高了记录的精度和效率7。而且，数字化的下颌运动轨迹数据可以用于修复体的计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM），电子式下颌运动实时记录系统将是未来的发展趋势。对于涉及大范围区域或全口重建的复杂修复案例，术前评估和诊疗设计中需要对患者口颌信息进行多源地获取和整合，包括牙列图像、面部软组织图像、锥形束 CT（CBCT）来源的骨组织图像及下颌运动轨迹数据等。随着数字化技术的发展，医师通过整合包含三维骨骼、面部和牙齿成像的多模态数据，能构建出三维虚拟牙科患者（VDP）模型8。目前，VDP 已逐步应用于口腔颌面外科及口腔美学修复病例的临床诊断、治疗计划辅助制定及术前修复效果预测等方面，以提高治疗的准确性和可预期性9。然而，如何通过数字化技术完成牙列重度磨耗患者的 VDP 模型构建、精准的咬合重建，仍然是临床上的一大难点。本文通过 1 例牙列重度磨耗伴牙列缺损患者的数字化种植修复和咬合重建过程来探究应用多模态数据融合引导完成数字化种植和全口咬合重建的可行性。1资料和方法1.1病例资料患者女，汉族，61 岁，因“全口牙齿磨损严重，要求恢复功能和美观”于我科就诊。自述有咬硬物习惯，有夜磨牙病史，否认系统性疾病史、家族史及药物过敏史。临床检查：面部对称，无畸形，面下 1/3 高度降低，开口度及开口型正常，颞下颌关节无弹响及疼痛。口内见 13、15、26、37、46、47 缺失，27 伸长至对 颌牙龈，前牙度深覆，浅覆盖，下颌前牙切端磨损严重，24、25、34、35、36、44、45面大面积磨损至牙本质中层，25、27 窝沟龋（图 1），全口牙周情况可，CBCT 示全口牙槽嵴未见明显吸收。诊断：牙列重度磨耗；上、下颌牙列缺损；窝沟龋（25、27）。1.2治疗方案及流程在牙周基础治疗后，拔除 27；采用数字化种植修复 13、15、26、46，采用数字化全口咬合重建来修复全牙列重度磨耗。通过多模态数据融合构建VDP，基于此进行数字化种植设计和咬合重建设计，制作出固定式临时修复体。基于 VDP 引导数字化种植设计，制作种植手术导板，进行修复引导的种植手术。固定式临时修复体戴用 3 个月后，患者自觉临时修复体舒适，颞下颌关节无不适，在患者口内分前后 2 个区段进行牙体预备，再次进行口内扫描（IOS），通过四维 VDP 引导包括种植义齿在内的全口咬合重建设计，对接 CAD/CAM 系统加工制作出最终全解剖形态修复体，试戴、评估并粘接最终修复体，完成牙列重度磨耗的数字化种植和全口咬合重建。口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 256 1.2.1获取牙列、颌骨、面部软组织数据使用口内扫描仪 3 shape Trios3（3Shape 公司，丹麦）获得具有咬合关系的、完整牙列的三维数字图像，保存为立体光刻（stereolithography，STL）格式（图 2AC）；使用 CBCT（Morita 公司，日本）获得全牙列、上颌骨和下颌骨的硬组织 3D 图像，并将 CBCT 文件保存为 DICOM 格式（图 2DF）；使用面部扫描仪Bellus3D Dental Pro（Bellus3D 公司，以色列）收集 A.上颌牙列面照；B.右侧咬合照；C.正面咬合照；D.左侧咬合照；E.下颌牙列面照。图 1术前口内照Figure 1Initial intraoral photographs of the patientAC.牙列信息；DF.颌骨信息；GI.面部软组织信息。图 2获取患者三维数字化牙列、颌骨及面部软组织信息Figure 2Obtaining three-dimensional digital information of teeth,jaw and face of the patient口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 257 患者最大微笑位置和牙间交错位置的颅面软组织 三维图像，保存为 OBJ 格式（图 2GI）。1.2.2获得动态咬合数据用下颌运动记录仪（MODJAW 公司，法国）记录下颌运动轨迹，并将动态咬合数据保存为可扩展标记语言（extensible markup language，XML）格式文件。1.2.3构建 VDP将 IOS、口外面部扫描（EOS）、CBCT 图像和下颌运动学文件的多模态数据导入牙科 CAD 系统（Exocad GmbH 公司，德国）。基于匹配的完整牙列，在前额和数字咬合叉上标记点，以CBCT 数据为媒介，匹配上述多模态数据，整合所有数据，构建一个四维 VDP（图 3）。1.2.4数字化咬合重建设计，制作固定式临时修复体基于多模态数据融合引导构建的四维 VDP，进行数字化咬合重建设计（图 4A），打印数字化牙列模型（图 4B）。依据分段打印的数字化牙列模型，制作 透明硅橡胶模板（图 4C）。使用临时冠桥材料精确制作固定式临时修复体（DMG 公司，德国）（图 5A），进行精细咬合检查和选磨，定期复诊调（图5B、C）。1.2.5数字化种植设计与种植手术基于多模态数据融合引导构建四维 VDP，引导数字化种植设计，以修复为导向确定缺牙区的最佳种植位点及种植轴向，制作种植手术导板。在种植手术导板下植入13、15、26、46 种植体（图 6）。A.右侧面观；B.正面观；C.左侧面观。图 3四维 VDPFigure 3Four-dimensional VDP1.2.6数字化咬合重建修复与种植修复戴入固定式临时修复体 3 个月后，患者适应现有的颌位和咬合关系，颞下颌关节与肌肉无任何不适后，可进行最终修复治疗。采用光学定位电子面弓（MODJAW 公司，法国）记录下颌运动轨迹，获取个性化动态咬合关系，并通过多模态数据融合构建四维 VDP。在固定式临时修复体基础上进行精确牙体预备（accurate preparation technique，APT）（图 7），使 用IOS 设备扫描预备后的牙列。在四维 VDP 的引导下，于牙科 CAD 程序中进行数字化美学设计，重建牙龈曲线的位置和形态及前牙的切缘位置和唇面形态（图 8AC）；进一步根据个性化动态咬合关系进行咬合设计，重建平面位置和修复体面形态（图 8DF），指导全解剖形态修复体的设计。通过 CAD/CAM 系统制作出最终的全解剖形态修复体（13、15、26、46 为氧化锆种植冠；24、25、34、35、44、45为颊贴面；11、12、14、21、22、23、31、32、33、41、42、43 为氧化锆全冠）。最后，行口内试戴、评估并粘固最终修复体（图 9），完成牙列缺损伴牙列重度磨耗的数字化种植与咬合重建修复。2结果本病例通过融合患者牙、颌、面及下颌运动轨迹的多模态数据，构建四维 VDP，应用 CAD/CAM 系统对 1 例牙列重度磨耗伴牙列缺损的病例进行种植义齿、全冠及颊贴面 3 种形式的固定修复咬合重建。本病例运用数字化技术定量精确恢复垂直距离，患者感觉舒适，无颞下颌关节不适和肌肉酸痛。2.1美学评估前牙区美学效果评估结果显示，患者中切牙的形态与面型相协调，微笑时牙齿暴露量得到改善，切缘弧线与下唇上缘协调，牙龈曲线对称协调，前牙区因重度磨耗导致的长宽比例失调和形态不良有了显著的改善（图 9AF），使用全解剖形态修复口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 258 体可获得预期的美学效果（图 9G）。2.2功能评估通过对比咬合重建修复前后的动态咬合数据及口内咬合接触印迹，定量分析结果显示，咬合重建修复后，ICP 位时，上下颌后牙的功能尖均匀广泛接触，修复后的咬合接触区面积显著高于修复前（图 9H、I 及图 10A、B）。咬合重建前，下颌前 伸运动不稳定，运动轨迹无可重复性；咬合重建后，下颌前伸运动轨迹稳定、可重复（图 10C、D）。在治疗前，侧方运动时，尖牙及前磨牙引导接触，后牙存在咬合干扰；在种植修复及咬合重建修复之后，尖牙引导侧方运动，消除了后牙的咬合干扰（图 10EH）。由此可见，咬合重建后，患者 ICP 位时的静态咬合和前伸、侧方运动时的动态咬合都得到了明显的改善，在美学区和功能区都取得了满意的治疗效果。3讨论伴有咬合垂直距离丧失的牙列重度磨耗及牙列缺损的咬合重建是临床工作中较为棘手的问题。传统的全口咬合重建需要解决颌位关系的记录与转移、在何处建颌、咬合具体抬高多少等困难4，这A.咬合重建设计（依次为右侧面观、正面观和左侧面观）；B.三维打印数字化牙列模型（上方为上颌，下方为下颌）；C.制作透明硅橡胶模板（上方为上颌，下方为下颌）。图 4依据咬合重建设计，打印数字化牙列模型和制作硅橡胶模板Figure 4 Printing the digital dentition model and fabricating the transparent silicone rubber template according to the occlusal reconstruction designA.戴入固定式临时修复体；B、C.定期咬合调整。图 5固定式临时修复体Figure 5Fixed temporary restoration口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 259 依赖于操作者的临床经验，其技术敏感性高，且无法进行量化和可视化，具有不确定性10。伴随着口腔数字化技术的发展，患者的牙列、颌骨、面部软组织、下颌运动等信息均能以数据的形式通过口腔辅助检查及治疗的设备采集到，这为全程数字化 技 术（completely digital design/completely digital manufacture，CDD/CDM）在咬合重建治疗中的应用打下基础11。A.上前牙牙体预备后；B.下前牙牙体预备后；C.左上前磨牙牙体预备后；D.右下前磨牙牙体预备后。图 7精确牙体预备Figure 7Intraoral photographs showing APTA.以修复为导向的种植设计（从左至右依次为右侧面观、正面观、左侧面观）；B.确定最佳种植位点和种植轴向（左图为上颌缺失牙的种植设计，右图为下颌缺失牙的种植设计）；C.设计制作种植导板（左图为上颌缺失牙的种植导板设计图，右图为下颌缺失牙的种植导板设计图）。图 6数字化种植设计Figure 6Design of digital implant restoration口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 260 目前大多数牙科修复 CAD 系统采用静态的方法设计修复体的面形态，但真实场景下的咬合都是动态的，这种静态方法制作的修复体难以精准适配具有个性化动态咬合的患者。因此，修复体需要经医生咬合调整后方可戴入使用。由于修复体面的形态在咀嚼运动与修复体的稳定性中起到了至关重要的作用，建立合适的咬合接触被视为修复成功的标准12。要建立合适的咬合接触，动态咬合信息的获取不可或缺。动态咬合来源于下颌运动，下颌运动轨迹的记录可以反映下颌的个性化运动。MODJAW 系统是一种基于光学引导的下颌运动记录系统，将定位装置固定于患者下颌，使用三AC.数字化前牙美学设计（依次为在前伸运动、左侧侧方运动和右侧侧方运动引导下完成）；DF.数字化后牙咬合设计（依次为在前伸运动、左侧侧方运动和右侧侧方运动引导下完成）。图 8基于多模态数据融合构建四维 VDP，进行数字化种植修复设计与咬合重建设计Figure 8 Creating a four-dimensional VDP by multimode data fusion,and conducting digital implant restoration design and occlusal recon-struction designAC.修复后的人像照（分别为右侧面观、正面观、左侧面观）；DF.修复后的口内照（分别为上颌牙列照、咬合照、下颌牙列照）；G.全瓷冠及颊贴面；H、I.修复后 ICP 位的咬合接触情况（H 为上颌牙列，I 为下颌牙列）。图 9数字化种植修复及咬合重建术后照Figure 9Photographs showing the patient after digital implant restoration and occlusal reconstruction口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 261 维摄像机捕捉其运动轨迹，并支持下颌运动/动态咬合数据与虚拟患者模型的多模态数据相拟合7。本病例创新性地将 MODJAW 系统用于全口咬合重建和数字化种植，在个性化下颌运动数据的指导下进行安全、定量、可视化的咬合重建设计，为全口咬合重建取得满意的治疗效果提供支持。全解剖形态修复体是以可切削陶瓷材料为原材料，利用 CAD/CAM 技术设计并加工制造出的修复体。通过使用数控铣削设备完美地将 CAD 软件设计的个性化全解剖形态修复体制造出来，实现“所见即所得”。通过这种全数字化的方法制作出的全解剖形态修复体能够真实、准确地反映出数字化咬合重建设计中的静态和动态咬合，从而达到预期的咬合重建治疗效果。伴有牙列缺损的全口咬合重建的种植义齿修复是以修复为导向的。在咬合重建修复前进行数字化咬合重建设计，依据此设计，通过固定式临时修复体的制作进行咬合抬高。种植体的植入是在咬合抬高以后进行的，基于数字化咬合重建设计，以修复为导向确定缺牙区的最佳种植位点及种植轴向，制作种植手术导板，进行种植外科手术。种植牙牙冠制作是在患者适应新的颌位和咬合关系A.咬合重建前，ICP 位咬合接触；B.咬合重建后，ICP 位的咬合接触；C.咬合重建前的前伸运动；D.咬合重建后的前伸运动；E.咬合重建前的右侧方运动；F.咬合重建后的右侧方运动；G.咬合重建前的左侧方运动；H.咬合重建后的左侧方运动。图 10患者咬合重建前后的下颌运动对比Figure 10Comparison of the patients jaw movement before and after occlusal reconstruction口腔颌面外科杂志 2023 年 8 月 第 33 卷 第 4 期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol.33 No.4 August,2023 262 后进行的，基于四维 VDP 引导的数字化咬合重建设计，通过 CAD/CAM 系统制作出最终全解剖形态的种植牙牙冠。在这样的工作流程下，实现多模态数据融合引导全口咬合重建中数字化种植义齿修复。全口咬合重建和复杂种植修复要取得良好的修复效果，需要综合考虑患者的牙列形态、颌骨的结构、面部软组织的形态及动态咬合。许多学者13-15 成功地整合了这些多源的数字化信息，创建出了VDP，将其用于牙科疾病的诊疗。本病例中，我们整合患者的口内扫描、面部扫描、颌骨-颞下颌关节CBCT 及动态咬合等多模态数据，创建了四维 VDP（图 3），用以精确指导全口固定咬合重建中的修复体咬合设计。通过三维技术打印出咬合重建设计好的数字化牙列模型，制作种植手术导板，实现精准引导缺牙区种植的植入位点。在最终修复体的设计中通过四维 VDP 引导进行种植修复的咬合设计，二者结合实现了牙列缺损的数字化种植修复。在本病例中，我们根据患者的牙列形态、牙体缺损情况，选择了全冠、颊贴面、种植义齿 3 种修复方式，在最终修复体的设计中使用虚拟架进行虚拟调，通过 CAD/CAM 系统将修复体制作出来，戴牙后在美学区和功能区都取得了不错的修复效果。综上所述，应用多模态数据融合引导完成数字化种植和全口咬合重建具备可行性，伴有动态咬合的四维 VDP 的应用能够使咬合重建治疗过程可视化、定量化，能够保证咬合重建恢复的垂直距离在一个安全的范围内，有利于降低咬合重建治疗的技术敏感性，从而有利于该技术的推广。当然，该病例咬合重建的治疗还未结束，仍需要进行长期的观察和维护。参考文献：1 韩睿,胡建.牙齿磨耗的分类及相关因素 J.口腔生物医学,2017,8(1):49-52.2 侯潇,汲平.牙齿磨耗的研究进展 J.口腔颌面修复学杂志,2007,8(2):156-158.3 冒蕾,曹卫彬.牙齿磨耗的病因及重度磨耗的修复治疗 J.医学综述,2016,22(2):283-287.4 刘洋.关于咬合重建的几个重要问题 J.华西口腔医学杂志,2020,38(4):357-363.5 吴哲,丁烨.数字化技术在口腔修复中的应用 J.中华口腔医学研究杂志(电子版),2019,13(4):200-203.6 易新竹.学 M.3 版.北京:人民卫生出版社,2012:29.7 李如意,罗锋,万乾炳.下颌运动实时记录系统的原理及其应用进展 J.国际口腔医学杂志,2022,49(2):182-188.8 Joda T,Brgger 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