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数字化三维技术在正畸诊疗中的应用进展

2019-12-6 16:12  来源:医学综述
编辑:周源 胡江天 阅读量:6845

    近年来,随着三维数字化技术及相关信息技术的发展,数字化的相关产物蓬勃发展。医学技术与数字化技术的完美结合形成了一个新的交叉学科———数字医学。数字医学集中体现了计算机辅助设计-计算机辅助制造、材料学、数控技术、电子激光技术等科技在口腔领域的发展。数字化技术的蓬勃发展也对错畸形的诊断设计和矫治带来了革命性变化。新的数字技术极大地促进了现代正畸治疗的发展。

    螺旋CT扫描仪的发明为正畸医师、口腔颌面外科医师及牙科医师提供了强大的成像处理能力。锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)通过与三维重建相结合,一方面改善了正畸的诊断和治疗;另一方面还可以帮助开发治疗程序,如引导植入导板,正颌手术导板、个性化矫治器等治疗方法。由于可视化诊疗的发展使医患之间的沟通更加具体、形象,极大地改善了临床诊疗现状及诊疗环境,提高了工作效率、减少了医患矛盾。数字医学的益处日益显现,临床实践和实验室技术也正在转向基于虚拟的工作流程,使医师对于正畸的诊断和治疗逐渐趋向于精确化、智能化、简易化。现就数字化三维技术在口腔诊断及辅助治疗中的研究进展进行综述。

    1.三维数字化技术在诊断中的应用

    1.1头影测量分析

    头影测量是正畸医师进行错畸形诊断与治疗设计的重要手段。自20世纪30年代以来,传统的头部测量术已被用作分析颌面畸形和正畸问题的标准程序工具,尤其是评估生长或治疗变化,但传统的头部测量方法存在重叠的剖解结构图像模糊、测量数据有限、对于面部不对称患者测量数据失真、头部转动造成影像失真比例放大等问题。

    直到2001年,CBCT的产生从根本上解决了二维头颅侧位片存在的测量问题且还能更准确地分析不对称结构。CBCT作为常规的术前诊断影像资料,具有影像清晰、辐射量小、成像速度快等优点。目前CBCT进行3D头部测量标志的识别和3D头影测量的方法更多的是使用三维多平面重建定点法技术,从矢状向、冠状向和水平向联合定点,是一种完全不同于二维头影测量的三维测量系统。

    Moshiri等研究发现从CBCT截取的侧位片较传统的二维头颅侧位片在线距测量上有较高的精确性。有学者认为采用CBCT影像对牙、颌、面结构进行的测量具有重复性,与传统的二维头影测量相比,具有更高的精确性和准确性。传统2D头影测量与CBCT-3D测量及CBCT-2D测量结果之间存在一定的差异,但三维测量体系正处于初级阶段,定点及测量方法仍不完善,利用从CBCT截取的侧位片可以实现一个良好的过渡。

    从CBCT截取的侧位片虽然也是二维影像资料,但是由CBCT数据转化而来的头颅侧位片,可以调整片子的对比度、明暗度、色彩度及渲染等效果,提高了定点和测量的精确性,特别是颅底点、眶点、耳点、前鼻棘点、下颌角点、上齿槽座点,切牙点及磨牙根尖点等。头颅CT扫描数据通过Mimics、In Vivo-Dental、Dolphin imaging等App进行三维重建,在虚拟、可自由旋转的三维头颅上进行定点、测量、切割、拼接与分析。

    研究表明,从CBCT截取的侧位片测量的可重复性优于CBCT三维测量和传统X线头颅侧位片二维测量。三维头影测量标志点的定位和测量与传统的二维头影及通过CBCT转化而来的头颅侧位片相比更加可靠。三维成像可以更好地反映头颅面的真实形态,避免二维影像带来的误差。但是不同的定点和测量平面在CBCT与从CBCT截取的侧位片测量中的可重复性、精确性和便捷性存在差异。

    有学者进行对比研究认为CBCT-3D头影测量方法可靠性更高。但目前三维头影测量仍处于初级阶段,对于定点及测量方法无统一的标准,只有通过大量的临床实践,制订出一套科学的、完善的测量体系才能使头影测量由传统的二维时代向数字化的三维时代飞跃。

    1.2可视化诊断性分析

    可视治疗目标(visual treatment objective,VTO)是Ricketts于1957年提出的治疗目标描图预测法。其理论基础是Ricketts头影测量分析法。VTO是当前对错畸形进行诊断分析的有效辅助手段。计算机辅助的VTO可以对治疗前后的上下颌骨、上下切牙位置进行定位、模拟与预测。VTO可以分为静态VTO和动态VTO。成年患者的VTO是静态VTO,为处于生长发育期的患者而制订的VTO称为动态VTO。动态VTO需要先对处于生长发育的患者进行生长预测,根据预测得到的面部侧貌,再根据静态VTO的分析方法加以分析。

    VTO是目前临床上常用且最有效的辅助方法,为临床工作及科研提供了科学引导。为需要做正畸或正颌手术的患者制订了一套个体化矫治方案。结合上下牙间关系、颌骨间关系、牙与颌骨的关系、口唇关系,通过三维数字化App整合,可以较为准确地将牙颌模型、颌骨、面部软组织再次进行重建组合,对颅、颌、面三维的空间结构关系做出精确的分析与判断,选择最佳的矫治方案并为教学、科研和医患沟通提供丰富的资料。

    VTO的可预测性、精确性与便捷性使临床医师对错牙合畸形的诊断分析更客观、具体。随着VTO的广泛应用,正畸的诊断与治疗将会从技术性向科学性逐步发展。有学者认为基于计算机辅助的VTO预测结果与治疗后硬组织的测量值基本一致,其对硬组织变化的预测是可信的。Peterman等回顾性研究得出结论,VTOApp可模拟正颌手术患者的手术方式,制订治疗计划,但不建议用于制订治疗计划时测量范围小于1mm的精确移动。对于双颌手术的病例对下唇的预测最不准确。

    Toepel-Sievers等研究表明对于2年和5年两个预后期,VTO对于上颌前倾位置的预测、上颌骨生长、下颌前后位置、下颌骨的旋转、下颌骨和上颌骨的基本位置关系配置和垂直颅面发育较准确,但对咬合关系的预测或软组织预测准确性差。VTO虽然可以将牙颌模型、颌骨、面部软组织3种数字化信息通过三维数字化App整合联系在一起,帮助正畸医师对牙颌面错畸形做出精确的判断与分析,选择最佳的矫治方案并可促进医患的良好沟通,但通过VTO得到的结果并不是与患者治疗后的实际结果完全吻合,对于咬合关系及软组织的预测仍不理想。

    1.3气道分析

    现代成像工具能够评估咽上部空间的结构和功能静态和动态变化,用于成像的主要方式包括鼻咽镜、声反射、透视、X线头影测量、多层螺旋CT和磁共振成像,但存在低分辨率、高成本、可视性差等缺点。随着三维影像学技术的发展,上气道的三维影像得于重建。目前主要是通过Simplant、Mimics、InVivoDental、Dolphinimaging等App进行三维重建,应用三维重建App在三维图像上确定组织结构,在具体的剖解结构上精确定点,定点完成后,三维重建App可以自动识别软硬组织,实现角度、线距、体积及面积的测量。

    根据测量重建出舌体及气道的三维影像。该方法常被应用于阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征的分析、诊断与治疗,并可以评价患病的严重程度及正颌手术术后对上气道的影响和治疗效果。大部分学者认为使用Dolphin3D、InVivoDental、Mimics和OnDemand3D等三维重建App,以CBCT数据为基础对气道进行的三维测量分析与传统二维X线片测量进行对比,三维测量具有测量方法简便直观、测量项目丰富以及测量数据精确等优势。但目前研究中,由于各学者研究目标和研究对象不一,尚无统一的三维测量标准。故也无法对各种测量方法及各种三维重建App的性能进行对比分析。

    2.三维数字化技术在辅助治疗中的应用

    2.1正颌手术的设计及模拟

    数字化正颌外科是利用医学影像及模型外科技术来诊治牙颌面畸形。1931年Broadbent首次提出了头影测量分析,这一辅助诊断设计方法逐渐成为正颌手术的“金标准”。1986年,Mankovich等首次以三维重建技术为支撑、虚拟头颅为基础,辅助制造出了赝复体并应用于颌面部的缺损修复。随着数字化模型、三维重建App、激光扫描、三维摄像等技术的发展,计算机辅助设计/计算机辅助制造更广泛地应用于颅颌面外科。

    1987年,Hemmy首次在颌面外科领域中应用三维重建技术。传统的正颌手术方案的制订需要几个步骤,这些步骤不可避免地会引入不可纠正的错误并导致最终结果不精确。正颌手术医师通过三维数字化模型与CBCT整合,完全实现计算机化的手术模拟和术前正畸方案的制订。计算机辅助设计技术是数字化外科的核心。通过将CBCT数据导入SurgiCase、MagicRP等三维重建App。通过三维重建App进行上下颌骨的虚拟切割与移动,可以提高正颌手术的精确性和效率,减少术后并发症。随着计算机信息技术和三维重建技术的发展,正颌手术已成为治疗牙颌面畸形的最有效手段。

    在三维剖解结构上进行精确的定点、测量、分割,使牙、颌、颅骨通过三维重建App进行重建,以制订出最合理的手术方案。但对于颌面部缺损的患者,如何恢复理想的面部结构和咬合关系仍较困难。通过Mimics、Dolphinimaging等三维重建App对虚拟的三维头颅模型进行分析、测量、切割及重叠,实现了术前手术方案的制订、模拟及修改,使术者通过模拟手术过程,规避术中可能存在的风险,增加手术的精确性,缩短手术时间,减少术中及术后并发症。

    有研究报道,三维数字化技术制作的手术导板在术中及术后取得了令人满意的效果。实时导航是目前正在发展的集自动化、智能化、可视化一体的新技术,是正颌手术导航未来的研究方向。通过三维数字化技术,应用三维数字化App对需要进行正颌手术的患者在虚拟的三维头颅上进行定点测量分析、模拟上下颌骨的移动,预想术中可能出现的并发症,并最终根据分析结果制订出精度较高的手术导板应用于临床,增加了术中颌骨吻合的精确性和术后颌骨固定的稳定性,减少了术后畸形、术后复发等并发症。

    2.2数字化模型

    在口腔正畸学中,石膏模型是三维牙颌记录和诊断的基础。牙科模型提供了关于牙齿的近远中径,牙弓长度差异,牙齿不对称和三维牙弓关系的大量信息。常规使用模型分析是诊断及制订治疗计划的关键。通过模型分析可以了解潜在的治疗目标,如获得所需间隙是通过拔牙、领面去釉、扩弓或推磨牙向后等一种或多种方法而得到。目前临床上常用的是石膏模型存在存储空间大、易磨损、易丢失等缺点。

    直到1999年OrthoCad(Cadent,Carlstadt,NJ,USA)商业引入数字化模型。数字记录存储有以下优点:易于访问,需要的存储空间小以及通过互联网与其他专业人员进行资源共享;随着数字化三维技术和相关正畸App的发生发展,正畸医师可以通过数字化模型检查牙弓和牙关系;在虚拟模型上,从不同视角观察三维模型可以更好地评估上颌骨和下颌弓之间的横向关系;数字模型还具有允许“虚拟处理”和“虚拟设置”的优势,而且可以直接使用数字化模型生产多种矫治器,如固定器、扩展器和透明固定器等;数字化模型可缩短临床时间,降低成本。随后口内扫描仪的出现可更加便捷、快速地从患者口内获得牙颌的三维信息。

    有学者研究发现使用表面激光扫描仪获得的数字模型对于牙弓宽和长度的测量是可靠的。Anh等报道,从临床角度分析,无论牙齿不规则程度如何,口内扫描仪都具有高度的准确性。但扫描序列和扫描程序的仔细程度对最终结果的精确度影响较大,特别是对于牙弓后部的扫描可能与扫描技术和难度有关。有学者将iTero、CERECAC、LavaCOS三种扫描仪与传统印膜技术进行比较,表明数字化模型测量的有效性和精确性均高于传统印膜技术,获得的数字化模型便于提取及存储,有利于远程会诊,模拟正畸牙移动,个性化矫治器的设计、间接粘接和隐形矫治等方面。在口腔正畸矫治中,数字模型作为传统石膏模型的替代品正在获得越来越多的认可。

    与传统模型相比,数字模型的线性和角度测量的有效性,测量的效率和易用性等正随着三维数字化技术的发展而变得更有优势。但目前应用于数字化模型的扫描方法和扫描App各异,并无统一的标准。扫描而成的数字化模型虽然是三维的,但只能以二维的形式展现出来。实现完全的三维数字化模型还有待信息技术及相关工业技术的发展。

    3.展望

    诊断和治疗计划的制订是正畸矫治成功与否的关键,三维数字化技术有助于正畸医师对错牙合畸形进行科学的诊断、分析与治疗,规避临床治疗中及治疗后可能存在的风险及并发症。通过三维数字化技术分析术前、术后的患者颌面部的改变,预测疗效,便于与患者沟通,增加依从性,提高疗效。但目前正畸的治疗结果与预测结果有所差距,这可能是由于正畸治疗期间各种并发症和不良反应,如个体对治疗机制的反应,牙周限制,使用不一的矫治器和三维数字化技术仍不完善等均会影响前后治疗效果。目前三维数字化技术已渗透并应用于正畸及口腔的相关领域,三维数字化技术将会使常规的诊疗活动逐渐向精确化、智能化、简易化发展。

编辑: 陆美凤

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