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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

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华西口腔医学杂志·156" 第36卷第2期2018年4月 http://www.hxkqyxzz.net West China Journal ofStomatology Vo1.36 No.2 Apr.2018 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1严丽谊 王宁·刘刚:安晓莉 刘斌 1.兰州大学口腔医学院;2.兰州大学信息科学与工程学院,兰州730000 I摘要l 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 通过Mimics 1O.01软件处理正畸临床患者CBCT ̄据,并结合Geomagic studio三维软件制作牙颌数字 精确度。方法化模型,导入MakerBot Replicator2X ̄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3D4T ̄IJ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啦验,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。 I关键词】 数字化牙颌模型; 锥形术CT; 3D打印技术 【中图分类号l R 783.5 l文献标志码l A Idoil 1O.7518/hxkq.2018.02.008 Fabrication and accuracy research On 3D printing dental model based on cone beam computed tomography digital modeling Zhang Huirong1 Yin Lefeng .Liu Yanlii.Yan Liyil Wang Ning1.Liu Gang2.An Xiaolii.Liu Bini f1.School of Stomatology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China,"2.School ofInformation Science and Engineering,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China) Correspondence. An XiaolL E—mail:anxl@lzu.edu.CE/. IAbstractl 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 1O.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 signiicantf difference was observed between the two groups f尸>0.05).Conclusion Dental digital models built with CBCT realize the digital storage ofpatients’ dental condition.The virtual dental model fabricated via 3D printing avoids traditional impression and simpliies fthe 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. IKey words1 digital dental model;cone beam computed tomography;3D printing technique 在正畸临床丁作中,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 l收稿日期】2017—03—02;I修回日期】2017 11一O8 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 【作者简介】张晖榕,硕士,E-mail:milano09@1 26.corn f通信作者1安晓莉,副教授,博士,E-mail:anxl@lzu.edu.cn 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 华西口腔医学杂志第36卷第2期2018年4月 http://www.hxkqyxzz.net ·157· WestChina Journal ofStomatology Vo1.36 No.2 Apr.2018 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_ ];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f5-61;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㈣; 通过三维扫描仪扫描患者石膏模型获得数字化信 息t9 ;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I12]。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【l3 ]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[1 5]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 6]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 ]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[19-2】l。 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 1 0.0 1(Mate. rialise公司,比利时)和Geomagic studio逆向工程软 件(RaindropGeomagic公司,美国)。 1.2.1 数字化模型构建将采集的CBCT数据的DI— COM文件导入Mimics 1 0.0 1中,经过Thresholding蒙 层指令分离硬组织,执行Region growing ̄ff令,保留 上下颌骨及牙列,在Edit Masks菜单中,选择Thres— h01d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) ̄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 人MakerBot Replicator2X ̄J3D打印机(MakerBot ̄v 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)。 华 I:l腔 ·l 58· 杂忠 36巷第2期2018年4 http://www.hxkqyxzz.net West China Journal of Stomatology Vo1.36 No.2 Apr.20 1 8 矮 …~ 一 I图l 在Mimics 1O.OI软件中卞勾建上下颌模型 Fig l The maxillary and mandible model constructed in Mimics 10 01 software _' 左:唇而观;右:殆 观一 罔2经过Geomagic软件表面处理的上颔模型 Fig 2 The maxillary model treated through the Geomagic software 左:正面观;中:上领模型;右:下颌摸型 陶3 I ̄t3D]】 印机制作的上下颌模型 Fig 3 The maxillary and mandible model made by 3D printer 1.4模型测量 模型的制作,获得6位患者的上下颌模型,用游标 制作两个标准件,在solid works 卡尺对l2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 1.4.I标准件测量(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 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 两I1腔医学杂忠第36卷第2期2018年4 J J ·159" West China Journal of Stomatology Vo1.36 No.2 Apr.20 1 8 http://www.hxkqyxzz.net 该连线的垂直距离及尖牙至该连线的垂直距离;4) 4 cmx5.99 cm;标准件2为马蹄铁形,南半径为3 cm 半网形和两个长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 n'lm范嗣之内: 后牙牙尖 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j角嵴(UdL)、 上颌第一磨牙近中颊尖i角嵴(UdMB)和近中舌 尖i角嵴(UdML)长度,以及下颌第一前磨牙颊 尖i角嵴(LdB)和舌尖■角嵴(LdL)、下颌第 一磨牙近中颊尖三角嵴(LdMB)和近中舌尖 角 嵴(LdML)长度(图5): 爿 )宽度:d13-23为I二做双侧尖牙的牙尖 离;d16—26为双侧上 颁第一磨牙中爽窝连线的距离牙弓K度:dll为 颌中切牙深度. 是有侧上颁中切 切缘至上颁双侧第一磨牙lIlr火窝连线的垂直距离; d13为}:领尖牙深度.是有删f -7领,犬纤牙尖至f:领双侧第一腑牙中央 窝连线的垂 距离 罔4以电子游标 尺测量模型 Fig 4 Measurements ofthe dental model through electronic caliper model 5测最示意 Fig 5 Schematic diagram of the measurement 2.2牙颌模型测量结果 以电子游标完成各数据t-gN量,每个测量值测 2结果 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): 2-3统计学分析 对测量数据进行配对样本,j佥验,结果见表1。 2.1标准件测量结果 在solid works绘罔软件中绘制的标准件1为长方 体,尺寸2 cmx4 cm ̄6 cm,模型实体测量结果1.98 ClTlX .吕- 壬 A、B、C、D分别表示Il—l7、21—27、3I 37、4l—47 网6 6ill样本测量结果散点 Fig 6 Scatter plots of six groups of sampte measurement results 华西口腔医学杂志·160· 第36卷第2期2018年4月 West China Journal ofStomatology Vo1.36 No.2 Apt.2018 http://www.hxkqyxzz.net 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>O.05)。 3讨论 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 本实验应用CBCT与3D打印相结合的方法,获 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。 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。 综上所述,通过CBCT与3D ̄'TffJ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。 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 【参考文献】 [1] Yuzbasioglu E,Kurt H,Turunc R,et a1.Comparison of digital and conventional impression techniques:evaluation 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 of patients’perception,treatment comfort,effectiveness and clinical outcomes[J].BMC Oral Health,2014,14:10. [2]Tomassetti JJ,Taloumis LJ,Denny JM,et a1.A comparison of3 compmefizedBoltontooth—size analyseswih ta commonly 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 used method[J].Angle Orthod,2001,71(5):351-357. [3] Santoro M,Galkin S,Teredesai M,et a1.Comparison of 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 measurements made on digital and plaster models[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,2003,124(1):101—105. [4] Quimby ML,Vig KW,Rashid RG,et a1.The accuracy and reliability of measurements made on computer—based digital models[J].Angle Orthod,2004,74(3):298—303. [5] Mullen SR,Martin CA,Nqan P,et a1.Accuracy of space analysis with emodels and plaster models[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,2007,1 32(3):346—352. [6]Horton HM,Miller JR,Gaillard PR,et a1.Technique corn— 华西口腔医学杂志第36卷第2期2018年4月 ·16l· WestChina Journal ofStomatology Vo1.36 No.2 Apr.20l8 ht :ffwwW.hxkqyxzz.net parison for efficient orthodontic tooth measurements using [1 6】Kau CH,Littlefield J,Rainy N,et a1.Evaluation of CBCT digital models and traditional models using the Little’s Index digital models[J].Angle Orthod,2010,80(2):254—261. [7] Motohashi N,Kuroda T.A 3D computer-aided design sys— tern applied to diagnosis and treatment planning in orthodon— [J].Angle Orthod,2010,80(3):435—439. [1 7】de Waard 0,Rangel FA,Fudalej PS,et a1.Reproducibility and accuracy of linear measurements on dental models derived tics and orthognathic surgery[J].Eur J O ̄hod,1999,21(3): 263—274. rfom cone—beam computed tomography compared with digital [8]Hirogaki Y,Sohmura T,Satoh H,et a1.Complete 3-D re— construction of dental cast shape using perceptual grouping dental casts[J].Am J Orthod Dentofacial Oahop,2014,146 (3):328—336. [J1.IEEE Trans Med Imaging,2001,20(10):1093—1 101. [9]Lu P,Li Z,Wang Y,et a1.The research and development of noncontact 3-D laser dental model measuring and ana— [1 8]Gholinia F,Dalili Z,Nahvi A.Reliability and validity of dental measurements madeon digital and stone orthodontic models[J].J Dentomaxillo Facial Radiol,Pathol Surg,2012, 1(1):1-8. lyzing system[J].Chin J Dent Res,2000,3(3):7-14. [10]Redlich M,Weinstock T,Abed Y,et a1.A new system for scanning,measuring and analyzing dental casts based on a [19]孙成,于金华.3D打印技术在口腔临床的应用[J]_口腔生 物医学,2014,5(1):49—52. Sun C,Yu JH.The application of 3D printing in oral clinical 3D holographic sensor[J].O ̄hod Craniofac Res,2008,1 1 f2):90—95. application[J].Oral Biomed,2014,5(1):49—52. [1 1]Kasparova M,Grafova L,Dvorak P,et a1.Possibility of reconstruction of dental plaster cast from 3D digital study [2O】胡敏,谭新颖,鄢荣曾,等.3D打印技术在口腔颌面外科 领域中的应用进展[J】.中国实用口腔科杂志,2014,7(6): 335—339. Hu M,Tan XY,Yan RZ,et a1.Application progress of 3D printing technology in the field of oral and maxillofacial models[J].Biomed Eng Online,2013,12:49. [12]Bell A,Ayoub AF,Siebert P.Assessment of the accuracy of a three—dimensional imaging system or farchiving dental study models[J].J Orthod,2003,30(3):219—223. [13]Kim JH,Kim KB.Evaluation of dimensional stability of digital dental model fabricated by impression scanning me— surgery[J].Chin J Pract Stomatol,2014,7(6):335—339. [21]杨新宇,詹成,李明,等.3D打印技术在医学中的应用进 展[J].复旦学报(医学版),2016,43(4):490—494. Yang XY,Zhan C,Li M,et a1.Application progress of 3D thod[J].J Dent Hygiene Sci,2014,14(1):15-21. [14J Zhang F,Suh KJ,Lee KM.Validity ofintraoral scans corn— pared with plaster models:an in—vivo comparison of dental printing in medical ifeld[J].Fudan Univ J Med Sci,20 1 6, 43(4):490.494. [22]Ye N,Long H,Xue J,et a1.Integration accracy uof laser— scanned dental models into maxillofaeial cone beam eom. puted tomography images of different voxel sizes with dif- measreuments and 3D surface analysis[J].Plos One,2016, 1 1(6):e0157713. 【1 5]Kim JH,Jung JK,Kim KB.Evaluation of validity of three dimensional dental digialt model made from blue LED dental ferent segmentation treshhold settings[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol,2014,1 17(6):780—786. scanner[J].J Korea Academia—Industrial Coop Soc,2014, 15(5):3007—3013. (本文编辑杜冰) 2018年儿童D Il1.科临床技术操作与病例解析培训班通知 北京大学口腔医院儿童口腔科将于2018年5月】l一13日(I期)和2018 ̄1z6月l~3日(Ⅱ期)分两期在 北京举办儿童口腔科临床技术培训班,包括儿童无痛麻醉操作、儿童橡皮障隔离术和乳牙预成冠(前牙透 明冠和后牙金属预成冠)操作、牙外固定技术和儿童咬合诱导技术。报名时间:3月10日一5月15日,额满 为止。联系人:刘志萍;电话:010.82195520;报名信箱:bdpedodent@126.corn,具体报名方式及注意事项 请登录网:&ht ̄tp://www.cndent.com/archives/54386查询。 北京大学口腔医院儿童口腔科 

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