北京大学学报(医学版)
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JOURNAL OF PEKING UNIVERSITY!HEALTH SCIENCES)Vol.53No.1Feb.2021
精度评价
房硕博―2，杨广聚―2，康艳凤―2，孙玉春1，谢秋菲心
!北京大学口腔医学院•口腔医院，1.修复科，2.口颌功能诊疗研究中心国家口腔疾病临床医学研究中心口
腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室口腔数字医学北京市重点实验室，北京100081)
［摘要］目的：建立数字化辅助确定再定位殆垫颌位的方法，并在体外评价此方法的精度以及垂直距离升高量对
精度的影响。方法：招募受试者1例，获取上下颌光学牙列模型、锥形束CT(cone beam computed to mography,CBCT)
牙颌图像、下颌运动数据，融合光学牙列模型与重建的CBCT模型，并将融合后的模型配准到下颌运动数据的参考 系。根据受试者前牙开口3mm和矢状位上課突位于关节窝中部确定再定位殆垫的颌位，进行计算机辅助设计并 3D打印制作再定位殆垫。受试者试戴殆垫后拍摄CBCT，观察比较戴入后的課突位置与设计时的課突位置。体外
模型实验中，灌制一副标准全牙列石膏模型，在底座上粘固标志球体，模型于牙尖交错位上全可调殆架，扫描模型
建立数字化牙列模型，使用超声下颌运动轨迹描记仪记录殆架上模拟的下颌运动并重复3次。融合牙列模型与下
颌运动数据，基于下颌运动数据辅助确定3个颌位，分别为切点沿运动轨迹升高4mm、5mm、6mm且下颌均前伸
2mm，保存设计颌位为STL格式数据，设计并3D打印制作再定位殆垫。将再定位殆垫戴入石膏牙列模型进行
3次颌位扫描，获得扫描颌位的STL格式数据。以下颌模型为共同区域配准设计颌位与扫描颌位，比较上颌模型的
均方根误差。拟合设计颌位与扫描颌位上颌标志球的球心坐标，计算球心在4、T、Z轴方向上的差值绝对值。采用
SPSS18.0软件进行单因素方差分析，双侧检验，显著性水平#取0.05。结果：利用多源数据融合和个体下颌运动，
建立数字化辅助确定再定位殆垫颌位的方法，右侧課突实现了预期的调整，左侧課突较预期位置偏前下。体外模
型实验中，扫描颌位与设计颌位上颌模型的整体偏差(均方根误差)为！0.25±0.04)mm，不同垂直距离升高量的
偏差大小差异无统计学意义!P>0.05)o标志球球心在4、T、Z轴方向的偏差(差值绝对值)分别为(0.08±0.01)
mm、(0.30±0.02)mm、(0.21±0.04)mm，不同垂直距离升高量的偏差大小差异无统计学意义！P>0.05)。结论：
建立了数字化辅助确定再定位殆垫颌位的新方法，实现多源数据融合、数字化设计与制作并完成个体试戴，证明此
方法可行。体外模型研究表明此方法可以实现较为精确的颌位调整，其应用效果尚需进一步临床研究评价。
［关键词］殆垫；颌位；下颌运动；计算机辅助设计
［中图分类号］R782.6［文献标志码］A［文章编号］1671567X(2021)01-007637
doi：10.19723/j.issn.1671-167X.2021.01.012
Method and accuracy of determining the jaw position of repositioning splint with the
ait of digital technique
FANG Shuo-bo1'2,YANG Guang-ju1'2,KANG YanReng1'2,SUN Yu-chun1,XV QiuGei1'2A
(1-Department of Prosthodon/cs,2-Center for Oral and Jaw FuncTonal Diagnosis,Peking University School and Hospital
of Stomatolo/&Na/onai Clinical Research Center for Oral Diseases&National Engineering Laboatoa for Digital and Ma-
oaal Techngo/of Somatology&Beijing Key Laboatory of Digital Stomatolo/,Beijing100081,China)
ABSTRACT Objective:Toestabiosh h woekoiowoodetemonongtheiawp sotoon ooeeposooonongspiont
with the aid of digital technique,and tv evymaig the accuracy of this worktow and compara thuccuracy
of raising dCmreni veVicai dimensions in vitro-Methods:A volunteer was mcmicd.The data of full-
aah scons,con e beam computed tomooraphe(CBCT)image and ultrasonic jaw motion tracking of the volunWar wera acquired.The full-arch wans wea merged with the CBCT image,which wera then
atch?d toth?iwm toon eackonge?oe?n c?s ystm.Th iawposo t oon ooepostoonongspi o n w asd?t e-
m on?d wh?n th?a nteo o e??t h op?n ngwa3mm nd th?condyi wa on cnte o ceiatoon oo t h?oo s on
th?sgo t ipian?.Ad g t aie?posot o onong s piontw a sd?sogn?d on th?s ootwa?bas?d on eoetuaiaetocuitoe
and mbVcated with additiye mnufactuVng technique.After the splint was wCd in,another CBCT image
was taken and a qua/tativa analysis was conducted tv campve-he position of condyle between they-wo
CBCT images.In the in vitro study,standard dental plaster ccsts with resin bXl markers attached tv the
A Corresponding author(s e-mail,xieqiuf@163-com
网络出版时间：2020-12-2110：07：54网络出版地址：htt p：//kd neCkcmWdeOil/11.4691.R.20201219-1542.002.html
房硕博，等数字化辅助确定再定位牙合垫颌位方法的探索和精度评价・77・b seweeemounted ntoatu
a yadiu b eaetcu atoein theinteecu paaposition.Thedentaacasts eee scsnned by an extraoral scynner to establish digital modVs.The ultrasonic-aw motion Wxckiny device was
used to bt a in simuaed n on theaeticu a ate#which waseepeaed to e theeetime h digitaam deasand d a aot iawmoeeme n ts weeemeeged in o necooedination with t h aid otbitetoek s.T h e
iawp siti o n oteposi t i oningsp int asdeeemined byadiustingdataotia moem e nts#ech otwh ch was
used t o deteein e theeeeetic a ia w p si t i ons4mm#5mm#and6mm w ith th hoeieontaiawpos i tion ot peoteusin2m m.Th e eietu a a eticuaat o swith di t eeentyadiusted iawmoeem e n sweee a ppaid in d sg-ningeep o siioningspaints#a nd thetinaa e positioningsp a in sand eietuaaiaweea t i onshipswee expoetd i n STLtoem t.Then heeepositioningsp in sweeetabea t e d with dditieem a nutctu ingt e chn qu e and
teid in p ste asson th mechanica a t i cuaatoe#wh ic h e sc a nned and theiw e ationsh i pson the
m chan c aa a e t i c uaa t wee e expoted a ate e.Theeietuaaia w ee aationshipsand nned i a w eeationship eeg i steeed acc oe dingto aow e mod asand dispaacem ntouppeemod awa sca acuated.Ba a maekee s
光固化打印机
weee tittoacquieethecooedinat e sotcnteesand bsoaut e d t eeenceeaau es otcentees a aongtheeecooedi-ndtiny axes4,Y#and U were cslculated.One-w a y analysis of veeanco was conducted using SPSS18.0
so t w e tocomp eedeeiationsotthe t h eeedi te eenteeeticaaiaweeaionsh p s in two-sdetestand thesig nificsnco level was0.05-Results:With the aid of multi-source data fusion and individualized jaw mo
ton,th e cainicaawoektaow otdeteem i ningiaw p o sition oteepositiningspaintwaspeam i naeiay stab
ash d.The designed iawposiion waseaaied n h eightand thec o ndyaewasmoe int e i oethan th e de
s i gn e d position on theaet.Bo t h dipaac e m e nt o t t h e upp mod as nd bsoaut d te eenceeaauesotcn-
Oy showed no siynificsnl diU/vces(P>0.05)in dUferent verticyl yaw dimensions.The displacemenl
of the upper models w a s(0.25±0.04)mm.The absolut e diU/vco veluvs of centers along the three coordinating axes4,Y,and U were respectively(0.08±0.01)mm,(0.30±0.02)mm,and(0.21±
0.04)mm.Conclusion:A nove l method of determining the-aw position of eposiboniny splint with the
aid of digital technique is established.Il is proved to be feasible by try-in after multi-data fusion,com-
put/wided d/iyn and computer-aided manufxcturiny.As is shown in vitro,it is yccura l e to apply this method in adjusting-aw position.Further clinicyl tmal wilt be designed O eveluate its clinicyl e/ect.
KEY WORDS Occlusal splints；Jaw position%Madibular movement%Computer-aided design
再定位跆垫是一种覆盖全牙列的导向型跆垫，通过跆面明显的引导斜面和尖窝形态诱导下颌到达性颌位，常用于盘突关系紊乱和咬合重建前的诊断性。应用再定位跆垫的理论假设是改变課突位于关节窝中的位置可以改变盘突关系和改善下颌功能⑴，效果极大程度上取决于改变后的颌位。
临床上通常使用手法确定再定位跆垫的颌位，由于操作时无法直接观察課突的移动，医生仅能通过上下颌牙列位置与弹响发生的位置推测課突与关节盘、关节窝的相对位置变化，无法直观评价手法确定的颌位是否到达预期位置，效果比较依赖于医生的操作经验。再定位跆垫在口外制作时，需要将临床确定的颌位转移到跆架上，然后经过雕蜡型和装胶等制作，这些过程中的误差都会对确定的颌位产生影响。
机械跆架采用机械结构模拟人体颞下颌关节形态，通过设置参数模拟下颌运动。虚拟跆架是口腔数字
化软件中模拟人体口颌系统的模块，共有两类，一类虚拟跆架类似机械跆架，模拟参数化运动；另一类虚拟牙合架通过应用锥形束CT（cone beam computed tomography,CBCT）获取人体真实的颞下颌关节图像，并与个体的下颌运动数据结合，可以在体外重现个体的下颌运动。目前模拟个体下颌运动的虚拟跆架多用于观察关节结构的动态变化[2-3]，尚未见 将其应用于确定再定位跆垫颌位的研究。
本研究探索建立一种基于多源数据融合和个体下颌运动辅助确定再定位跆垫颌位的方法，并进行再定位跆垫的数字化设计与3D打印制作。在体外实验中模拟这一流程并计算产生的偏差，评价这种方法的精度，为进一步的临床评价提供参考。
1资料与方法
1-1设备与软件
研究中使用全可调跆架KaVo PROTARevv（德国KaVo），牙颌模型扫描仪Shining（中国先临三维），超声下颌运动轨迹描记仪JMAnalyser+（德国Zebris），光固化三维打印机Objet30Pro（美国S/ata-sys），锥形束计算机体层摄影设备NewTom VGI（意大利NewTom），三维测量分析软件GeomagicStudio 2013（美国3D System），三维测量分析软件Geomagi Qualify2013（美国3D System），牙科设计软件Dental/AD（德国Exocad），统计分析软件INM SPSS Sta-tWhcs18（美国INM），医学影像处理软件Mimics Medicsl20.0（比利时Mateealise）。
1-2建立数字化辅助确定再定位跆垫颌位及数字化设计制作的流程
为探索应用数字化技术辅助确定再定位跆垫颌
北京大学学报（医学版）
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位的流程，在北京大学口腔医院研究生中招募1名受试者，女性,25岁，无颞下颌关节疼痛和弹响，无口面部肌肉疼痛，张口度大于37mm,CBCT检查显示受试者双侧課突后移位，左侧課突前斜面骨质增生及課突顶凹陷。
获得受试者知情同意后，制取受试者上下颌牙列印模并灌注超硬石膏模型，应用牙颌模型扫描仪Shining扫描建立数字化牙列模型。在医学影像处理软件Mimics Medicci20-0中进行CBCT数据重建，分割并导出上下颌颌骨牙列数据。应用超声下颌运动轨迹描记仪JMAnXysar+记录个体的下颌运动，通过跆记录固定跆叉与上颌石膏牙列并进行扫描，获得带有上颌牙列扫描数据的数字化跆叉。
在Geomagic Studio2013中，选取牙列龈缘以上部分为共同区域，采用全局配准方法将光学扫描的牙列与CBCT重建的颌骨牙列参考系进行统一。保留光学扫描的牙列部分与CBCT重建的颌骨部分，组合形成复合上下颌数字模型。选取牙列颊侧部分为共同区域，将复合上颌数字模型与数字化跆叉数据配
准，实现复合上下颌模型与下颌运动参考系的统一。在探索方法中，再定位跆垫设计为垂直距离升高3mm、矢状位上課突位于关节窝中部且前牙浅覆盖的颌位。
将复合上下颌数字模型导入牙科设计软件Dental/AD，按软件设计流程设计就位道方向、倒凹保留量、跆垫覆盖范围等，形成跆垫基本形态。设计跆垫跆面时，启用颌骨运动导入功能和显示咬合空间功能，依据设计的颌位进行虚拟调跆，形成前牙区的引导斜面和后牙区的牙尖形态，同时保证正中咬合均匀接触，保存再定位跆垫的设计数据，
将设计数据进行打印前设置，保证组织面为非支撑面。使用透明树脂材料与光固化三维打印机Objet30Pa，用数字光处理（digital light processing, DLP）3D打印技术制作再定位跆垫，制作完成后去除支撑材料。
将再定位跆垫进行临床试戴，少量调改后跆垫完全就位，评价固位与稳定后，调跆至正中咬合均匀接触，受试者佩戴跆垫再次进行CBCT检查，观察戴入跆垫后課突在关节窝中位置的改变以及与设计的課突位置的一致性。
1-3体外评价数字化辅助确定再定位跆垫颌位及数字化设计制作的精度
1-3.1实验模型选择成品标准牙列橡胶阴模，使用V型高强度中等膨胀模型石膏（美国Gaxeca）灌制一
副标准上下颌石膏牙列模型。在AutoCAD 2014软件中设计直径为5mm的3/4球体,3D打印制作8个树脂标志球，分别粘固于上下颌模型底座双侧的尖牙区和第一磨牙区，形成组合模型，上下颌标志球从右至左分别命名为标志球U1~U4、标志球L1~L（图1），设置跆架参数为前伸課导斜度30。、侧方課导斜度15。、侧移角0。、后退0mm，模型按牙尖交错位上全可调跆架，使用白零膨胀石膏（德国丹特纳）连接模型与架环。在牙颌模型扫描仪Shining上，采用跆架转动扫描模式获取上下颌石膏牙列牙尖交错位颊侧位置关系，下一步分别扫描上下颌石膏牙列模型，在配套软件中按提示建立上下颌数字化牙列模型，以STL格式保存数据。
1.3.2记录下颌运动因为跆架通过移动上颌模拟下颌运动，所以实验中将超声下颌运动轨迹描记仪JMAna/sar+的发射器固定于上颌石膏牙列唇颊侧，接收器固定于相对于下颌位置不变的实验平台上。在跆叉前后牙区段孔洞位置注射咬合记录硅橡胶材料，压置于下颌牙列正中位置，用于记录下颌参考平面。操作者在下颌运动轨迹描记仪配套软件中选择对应的记录模块，驱动跆架模拟开闭口运动、前伸及侧方运动并进行记录，保存下颌运动数据为XML格式文件。重复下颌运动记录过程3次，共获得3组殆叉与对应的下颌运动数据。修整跆叉硅橡胶记录，保证跆叉与下颌石膏牙列模型对位良好，固定跆叉与下颌石膏牙列模型，置于牙颌模型扫描仪Shing上进行扫描，保存带有下颌牙列模型数据的数字化跆叉STL格式数据。
1-3.3数字化辅助确定再定位牙合垫颌位从Dental/AD软件中导出虚拟跆架中配准用跆叉的STL 格式数
据，将此数据导入GeomagocStudoo2013软件中作为固定对象，将其和1-3.2小节中的数字化殆叉数据进行配准。导入建立的数字化牙列模型，以下颌牙列模型颊侧和底座为共同区域进行最佳拟合对齐，测量切点坐标。根据下颌运动的XML格式数据，计算切点的运动轨迹。根据垂直距离升高4 mm、5mm、6mm到运动轨迹上的切点坐标，再模拟下颌前伸2mm变换切点坐标。根据变换后的切点坐标，将下颌运动的XML格式数据对应调整（图2）,
1-3.4数字化设计并制作再定位跆垫同1.2小节的步骤设计再定位跆垫，保存设计数据为STL格式，并保存设计颌位的STL格式数据。每一次记录的下颌运动设计出3个颌位的再定位跆垫,3组下颌运动数据共设计出9个再定位跆垫，同1.2小节的步骤3D打印制作再定位跆垫。
房硕博，等 数字化辅助确定再定位牙合垫颌位方法的探索和精度评价・79・
Baamaekeeso uppeeand oweecastseegisteeed asU1 -U4 and L1 -L4 from right to left respectively -
图1 牙合架、上下颌石膏模型及标志球，标志球分别粘固于
上下颌模型底座的尖牙区和第一磨牙区
Figurr 1 The aOiculator , dental plaster casts , and ball markers
atached tocanineaeeaand fiestmoaaeaeeaofthebase
1.4颌位关系实现精度评价
1.4.1整体偏差分析制作完成的牙合垫在上颌模
型上就位，使用100 |xm 红咬合纸（德国宝诗）检 查正中咬合接触是否均匀，必要时进行调改。将再
定位殆垫戴入殆架上的模型，连同牙合架在牙颌模型
扫描仪Shining 上以牙合架转动扫描模式进行扫描，获 得扫描颌位，重复戴入并扫描3次，获得同一个
牙合垫
的3次扫描颌位数据。将设计颌位数据与扫描颌位
数据导入Geomagic Studio 2013软件中，以下颌牙列
模型为共同区域进行最佳拟合对齐。保留设计与扫
描颌位的上颌模型导入Geomagic Qualify 2013软件
中，将设计颌位中的上颌模型设置为参考对象，扫描
颌位中的上颌模型设置为测试对象，进行三维偏差
分析（图3），得到均方根误差。本实验共进行3次
下颌运动记录，分别设计了 3种颌位，制作出9个
再定位殆垫，每个殆垫重复扫描颌位关系3次，所
有设计颌位与对应的扫描颌位进行三维偏差分
析，共得到27组数据。以均方根误差为偏差统计 量，使用SPSS 18.0软件进行分析，采用均数土标
准差描述，单因素方差分析，双侧检验，显著性水
平#取0. 05 °
Digital models and mandibular movement Wajecto- during this workUow : inteouspal position ( A )，raising 6 mm of the veOical dimension ( B )，poto-
sion 2 mm ofthemandibae ( C ) .
图2数字化颌位关系确定流程
Figurr 2
WorkUow of digitalized jaw relationship determination
图3设计颌位与扫描颌位的上颌模型三维偏差阶图
Figurr 3
3 Dcooedi f eeencemap between designed and scanned maiiaeymodes
0.499 850.420 6 F 0.341 50.262 40.183 20.104 1
8
般8
0.104 10.183 20.262 4 s 0.341 5!0.420 6 S 0.499 8]
1.4.2标志球球心在4、T 、Z 轴方向的偏差分析在Geomagic Studio 2013软件中，拟合设计颌位与扫 描颌位中上颌标志球U1〜U4球心的坐标，计算扫
描与设计数据的球心在4、T 、Z 轴三个方向差值的
绝对值。以下颌牙列模型为参照，参考系4轴正向
为水平向右、T 轴正向为垂直向下、Z 轴正向为水平
向前。以差值绝对值为偏差统计量，使用SPSS 18.0 进行分析，差值绝对值采用均数土标准差描述，单因
素方差分析，双侧检验，显著性水平#取0.05 °
2结果
2-
建立数字化辅助确定再定位殆垫颌位的流程
北京大学学报(医学版)
JOURNAL OF PEKING UNIVERSITY!HEALTH SCIENCES)Vol.53No.1Feb.2021・80・
初步建立应用数字化技术辅助确定再定位跆垫颌位的临床流程，流程包括获取并融合CBCT数据、牙列数据、下颌运动数据建立虚拟跆架，并基于下颌运动数据进行颌位确定。在牙科设计软件中设计再定位牙合垫，进行3D打印制作。定性观察发现，受试者戴入再定位跆垫后，右侧課突在关节窝中的位置基本实现了预期的调整，左侧较设计的位置稍偏前下(图4),
Positions of the condyle in the fossa in the sayittal view of design soOwaro:before(A)and after(B)d/iyning the repositioning sp/nt on the right,before(C)and after(D)designing the repositioning splint on the left-Positions of the condyle in the fossa in the cowected sagittal view of CBCT image: before(E)and after(F)wearing the repositioning splint on the right,before(G)and after(H)wearing the repositioning splint in the Gft-
图4设计软件和CBCT显示的課突在关节窝中的位置
Figure4Positions of the condyle in the foss a in the design soOwaro and in CBCT image
2.2整体偏差分析
设计颌位与扫描颌位的上颌模型三维偏差中，最大偏差值为0.32mm，最小偏差值为0.19mm，平均偏差为!0.25±0.04)mm。垂直距离升高4mm、5mm、6mm时，上颌模型的三维偏差分别为(0.22±0.03)mm、(0.28±0.02)mm、( 0.25±0.07)mm，单因素方差分析显示，不同垂直距离升高量的上颌模型三维偏差均值的差异无统计学意义(P二0.384),
2-标志球球心在4、Y、Z轴方向的偏差分析设计位置上颌球心与扫描位置上颌球心在4、Y、Z轴三个方向差值绝对值的均值如表1所示，Y 轴方向垂直距离升高6mm偏差最大，为(0.33±0.04)mm,4轴方向垂
直距离升高6mm偏差最小，为!0.06±0.01)mm。4、Y、Z轴方向偏差均值分别为！0.08±0.01)mm、(0.30±0.02)mm、(0.21±0.04)mm，单因素方差分析显示，三个方向不同垂直距离升高量的三维偏差均值的差异均无统计学意义。
3讨论
本研究通过多源数据融合在体外重现个体下颌运动，并应用下颌运动数据辅助确定再定位跆垫的颌位，结合计算机辅助设计与计算机辅助制作技术加工再定位殆垫，建立了数字化辅助确定再定位跆垫颌位的方法以及临床应用此方法的流程。受试者的检查结果基本实现了预期的颌位调整，表明这种方法可用于再定位跆垫颌位的确定，但结果中也出现了与预期不符之处，提示此方法需要进一步的评价与改进。
表1上颌标志球球心在4、Y、U轴方向的差值绝对值分析
Table1Analysis of abso/te dUferenco values of centers of upper jaw ball mark/s along three coordinating axes4,Y,U
Axis Bite opening Deviation/mm,)±s P eaau?
4 4.0mm
0.06±0.02
5.0mm0.12±0.03
6.0mm0.06±0.01
Totaa0.08±0.010.723 Y 4.0mm0.31±0.03
5.0mm0.30±0.04
6.0mm0.33±0.04
Totaa0.30±0.020.187 U 4.0mm0.28±0.09
5.0mm0.24±0.03
6.0mm0.12±0.04
Totaa0.21±0.04
0.132
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