模型可以明显克服以上不足，其获得简便且来源途径较广，可通过CBCT扫描石膏模型、激光扫描或已有的三维系统直接在口内扫描重建获得，获得后数据可以方便高效地分类管理，占用存储空间很少，获取的模型测量可以直接通过计算机完成，而且数字化数据可以通过网络快速传输，方便远程及多学科会诊。有研究表明在三维数字模型上正畸常规数据测量时，与传统石膏记存模型无显著差异，具有高度的准确性和可重复性[25]。熊再道，赵桂芝，柯 杰
(中国人民解放军空军总医院 口腔科，北京 100136)
【摘要】随着国内外对三维重建技术研究的深入，其在口腔医学中的应用也逐渐成为热点。作为正畸领域越来越重要的辅助手段，精确地构建颅颌面组织三维结构并进行相应的分析，能够协助正畸医师准确高效地完成诊疗工作。本文就三维重建技术在口腔正畸学中的应用现状和研究进展作一综述。
【关键词】CBCT；三维重建；口腔正畸
口腔正畸研究的对象是具有三维结构的牙齿、牙弓、颅颌骨。由于其解剖结构的复杂性，准确的测量分析是口腔正畸医师诊断与治疗牙颌畸形的必要前提。传统的全景和头侧片等二维影像由于受投射角度的影响，存在放大、失真、重叠等缺陷[1]。近年来随着口腔影像学的发展，传统的医学二维影像观察逐渐发展为三维空间观察。经重建后的三维模型能够弥补传统成像设备所提供信息数据的不足，清晰再现原组织器官的结构形态，并可以进行相应的定性定量分析[2]，在正畸临床诊断、设计、分析中具有重要应用价值。现就三维重建技术在口腔正畸中的应用加以综述。
三维重建技术是医学图像可视化技术最关键的部分。其实质为通过对一系列从医学设备获取的连续二维图像进行识别处理并还原出多角度、立体透明的多方位医学三维图像。目前临床上常见的获取数据来源主要有计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、超声(US)、正电子发射型计算机断层显像(PET)、激光扫描等[3]。随着可视化三维重建技术的发展，国内外成品的商业级三维医学软件也越来越多，除各种设备技术厂商提供的随机附带可视化系统外，常用的有美国宾夕法尼亚大学开发的3DSlicer、澳大利亚Visage公司的Amira、比利时Materialise公司研发的的Mimics和中科院开发的3dMED、Medvis等软件。
2.1 三维头影测量分析 头影测量是正畸诊断及评价的重要方法。通过头影测量可分析错合畸形的机理、制定治疗计划、评价治疗结果等。以往二维头影测量局限于矢状向和垂直向的角度和线距，而三维重建后图像可以测量结构中任意的角度、距离、面积及体积，能够精确地反映颅颌骨的位置关系和上下牙列间的咬合关系，极大地丰富了头影测量的内容，从而可更有效地指导临床工作。有学者比较了锥形束CT(cone beam CT，CBCT)三维测量及X线片二维头影测量线距及角度，认为三维头影测量可靠及精确度优于X线片[4]。Gribel等[5]通过比较侧位片与CBCT在颅骨测量方面的精确度，发现头颅侧位片会有不同程度的失真与变形，而三维重建后所得的数据更接近真实的物理测量结果。
2.2 埋伏牙的诊断与治疗 埋伏牙是口腔正畸科临床常见的牙合畸形，其发病年龄分布较广，患病率较高，以上颌尖牙和中切牙最为常见[6]，可引起牙列不齐，邻牙吸收、咬合关系紊乱等疾病。由于位置差异较大，对于需要正畸牵引治疗的埋伏牙，牵引前了解牙齿的位置、发育状况和与周围组织结构的关系尤为重要。既往的诊断方法主要是医师根据不同角度的根尖片重叠，再结合全口曲面断层片进行定位[7]。三维重建后的图像不仅可以确定埋伏牙的数目、大小、形态、颌骨内具体的位置以及周围解剖结构间的关系，同时也能观察其萌出方向，以指导临床正畸牵引的角度和路径。师莉芳等[8]研究表明螺旋CT三维重建后的图像对唇腭侧的埋伏牙定位准确率明显优于全口曲断片。Creseini等[9]及Magnusson等[10]认为利用CT三维重建能够准确定位埋伏阻生牙，指导制定正确的正畸治疗计划、暴露正确的外科路径、施加正确的正畸力方向，从而提高治疗的成功率。
2.3 三维有限元分析 有限元法属于力学分析法中的数值法。其思路是将复杂的连续整体分解为有限单元个体，对每个单元个体进行逐个研究，最终获得整体的性质，相比基础及临床试验，有限元分析有着自己独特的优势。 Thresher等[11]和Farah等[12]于1973年将有限元分析引入口腔医学领域，早期受技术影响停留在二维有限元研究阶段，随着影像技术与计算机技术的不断进步和发展，三维有限元建模技术逐渐取代二维有限元研究，在口腔医学的多个领域得到了广泛的推广，近年来其在正畸领域的发展也是突飞猛进。Pawan等通过三维有限元模型研究认为扩弓联合前方牵引能够有效减少下颌骨的后下旋转[13]，Chen等[14]重建了带牙周膜的三维有限元模型，为正畸移动牙齿设计和预测提供更科学的量化指标。
2.4 微种植体的诊断与评价 植入微种植体是目前正畸临床上广泛应用于增强支抗的手段，而其植入后的稳定性受植入区域解剖结构的影响[15]。三维重建后的信息可帮助临床医生在植入时找到皮质骨质量和厚度适宜的区域，避开如上颌窦、邻牙牙根、下颌神经管等重要解剖结构。有学者利用三维重建后的模型制作了微种植体导板，大大提升了微种植体手术的成功率和减少了对邻近解剖结构的损伤[16]。与此同时，三维重建技术不仅可以引导微种植体手术的操作，同时也能够对微种植体植入效果进行评价。樊林峰等[17]通过CBCT三维重建观察种植体植入后周围骨质的情况及植体与周围组织结构的关系，用以评估种植体植入后的风险，指导加载方式及加载力等，同时定期对种植体及牙齿牙列观察，可以更有效地了解治疗效果。
2.5 颞下颌关节的检查及评估 正畸治疗的最终目标不仅是牙齿的排齐与正常咬合的建立，还应使牙颌面形态和功能协调稳定，从而促进全身健康。错合畸形可以导致颞下颌关节疾病，同时颞下颌关节结构形态功能又是正畸治疗的影响因素。三维重建技术为评估颞下颌关节状态和正畸治疗之间的关系提供了一种新的方法。Marques等[18]认为CBCT三维重建可量化直观地显示髁突与关节窝的结构位置关系，可以准确判断髁突位置与咬合的关系，是一种有效的诊断工具。国外有学者应用髁突三维重建后的形态及应力分布研究，证实错合畸形引起的异常合力能够引起髁突的适应性改建[19]。CT对骨及牙体组织等高密度组织显影良好，但观察关节盘等软组织有所欠缺，而MRI对软组织结构敏感，但对硬组织几乎不成像。丁月峰等[20]及林有籁等[21]先后通过融合CT与MRI扫描图像对颞下颌关节进行三维重建，认为重建后的模型形态逼真，具有良好的几何相似性，可用于颞颌关节的生物及运动学研究，为模拟颞颌关节力学研究提供基础。
2.6 软组织变化的评价 随着社交活动的频繁，以要求改善面型为主诉寻求正畸治疗的患者越来越多，其对美观的期望值往往较高，以往对软组织变化的测量只能依靠二维的头颅侧位片，已经无法满足当代正畸需求。近年来通过激光扫描建立的面部软组织三维图像立体具有直观清晰、可重复性高、可以准确多角度地全面观察软组织的变化情况等优点。Park等[22]通过CBCT三维重建后的网格模型，在面颊部多位定点，从多个侧面定量评价了软组织的变化。苏莉等[23]通过激光扫描三维重叠的方法，评价同一患者正畸治疗前后面部软组织变化，提出三维点重叠方法比区域重叠更加准确地反映了正畸前后面部变化的观点。袁玲君等[24]通过激光三维扫描重建比较成年女性非拔牙矫治前后软组织的变化，初步证实了成人非拔牙正畸面部区域变化的趋势。
2.7 建立数字化牙合模型 传统石膏模型作为患者错颌畸形记录载体目前应用十分广泛，但是存在以下缺点：(1)制作费时费力；(2)体积庞大，占用空间，不易搬运；(3)容易损坏。三维数字化模型可以明显克服以上不足，其获得简便且来源途径较广，可通过CBCT扫描石膏模型、激光扫描或已有的三维系统直接在口内扫描重建获得，获得后数据可以方便高效地分类管理，占用存储空间很少，获取的模型测量可以直接通过计算机完成，而且数字化数据可以通过网络快速传输，方便远程及多学科会诊。有研究表明在三维数字模型上正畸常规数据测量时，与传统石膏记存模型无显著差异，具有高度的准确性和可重复性[25]。
2.8 个性化矫治器制作及弓丝的弯制 随着计算机辅助设计与辅助制造(computer aided design and computer aided manufacture，CAD/CAM)技术在口腔医学中日益广泛的应用，基于三维数字化模型设计的无托槽矫治系统及舌侧矫治系统能够满足人们的正畸美学需求，同时弓丝机器弯制技术能够极大地减轻正畸医师的临床负担。国内学者研发了一种量化弓丝弯制机器人，能够有效提高正畸弓丝弯制的准确率，减轻医师椅旁工作强度，降低患者就诊时间[26]。Gilbert[27]设计出了一种新型舌侧矫治器及其配套的弓丝弯制系统，能够有效降低托槽脱落率，提高患者的舒适度，从而提高临床治疗效率。Solano-Mendoza等[28]通过比较治疗前后牙弓宽度，发现Invisalign无托槽矫治系统能够增加尖牙后段的牙弓宽度，具有一定的扩弓效应。
2.9 正颌手术中的指导及预测作用 正颌手术的目的是以外科手段纠正患者先天性发育性畸形及后天获得性畸形。由于颌面部组织的特殊性，手术不仅要求重建患者正常生理结构功能，同时也要关注患者颜面部外观美学需求。传统手术多由CT二维序列数据为依据，缺乏对手术过程的直观指导，医师阅片负担重，临床难度大。随着手术计划仿真系统问世，传统的数据引导模式逐渐转化为新型的人机交互模式，1984年Vannier等[29]首次三维模拟了颅眶部的整复手术，认为这种手段对临床操作具有重要指导意义。虚拟手术技术允许医师在计算机上通过对预建的三维数字模型进行设计模拟，从而引导实际手术过程。安娜等[30]通过比较计算机模拟手术的术前预测值和术后实际值发现，其对牙颌硬组织预测具有高度的准确性。
综上所述，三维重建技术在正畸诊疗设计中具有直观有序等优点，能让医师动态及整体地了解患者正畸治疗过程中颅颌牙结构的状况，扩展了传统二维研究的局限性，对于正畸操作具有指导性意义。随着技术的提高和研究的深入，三维重建技术在正畸领域的应用将会有更广阔的前景。
参考文献：
[1]VAN ELSLANDE D C，RUSSETT S J，MAJOR P W，et al.Mandibular asymmetry diagnosis with panoramic imaging[J].American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics，2008，134(2)：183-192.
[2]ALCALDE R E，JINNO T，POGREL M A，et al.Cephalometric norms in Japanese adults[J].Journal of Oral and Maxillofacial Surgery，1998，56(2)：129-134.
[3]SZYMOR P，KOZAKIEWICZ M，OLSZEWSKI R.Accuracy of open-source software segmentation and paper-based printed three-dimensional models[J].Journal of Cranio - Maxillofacial Surgery，2016，44(2)：202-209.
[4]刘怡，赵健慧，丁云，等.锥形束CT转化头颅侧位片定点精确性的研究[J].中华口腔正畸学杂志，2010，17(2)：61-65.
[5]GRIBEL B F，GRIBEL M N，FRAZ
O D C，et al.Accuracy and reliability of craniometric measurements on lateral cephalometry and 3D measurements on CBCT scans[J].Angle Orthod，2011，81(1)：26-35.
[6]庞煊奈，康娜.正畸患者埋伏牙患病情况的流行病学分析[J].广西医科大学学报，2013，30(3)：468-469.
[7]张君，张文娟，王旭霞，等.不同年龄组上颌埋伏阻生尖牙正畸牵引的疗效比较[J].上海口腔医学，2006，15(2)：130-132.
[8]师莉芳，秦瑞峰，白芝兰，等.螺旋CT与全口曲面断层对上颌骨内埋伏牙的唇腭向定位对比研究[J].牙体牙髓牙周病学杂志，2013，23(11)：721-723.
[9]CRESCINI A，NIERI M，BUTI J，et al.Orthodontic and periodontal outcomes of treated impacted maxillary canines-An appraisal of prognostic factors[J].Angle Orthod，2007，77(4)：571-577.
[10]MAGNUSSON C K H.Retention of second molars：diagnosis.Treatment and outcome：a retrospective follow-up study[J].Angle Orthod，2009，79(3)：422-427.
[11]THRESHER R W，SAITO G E.Stress analysis of human teeth[J].J Biomech，1973，6(5)：443-449.
[12]FARAH J W，CRAIG R G，SIKARSKIE D L.Photoelastic and finite element stress analysis of a restored axisymmetric first molar[J].J Biomech，1973，6(5)：511-520.
[13]GAUTAM P，VALIATHAN A，ADHIKARI R.Skeletal response to maxillary protraction with and without maxillary expansion：a finite element study[J].American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics，2009，135(6)：723-728.
[14]CHEN J，LI W，SWAIN M V，et al.A periodontal ligament driven remodeling algorithm for orthodontic tooth movement[J].J Biomech，2014，47(7)：1689-1695.
[15]MONNERAT C，RESTLE L，MUCHA J N.Editor’s summary，Q&A，reviewer’s critique：tomographic mapping of mandibular interradicular spaces for placement of orthodontic mini-implants[J].American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics，2009，135(4)：428-429.
[16]QIU L，HARUYAMA N，SUZUKI S，et al.Accuracy of orthodontic miniscrew implantation guided by stereolithographic surgical stent based on cone-beam CT-derived 3D images[J].Angle Orthod，2012，82(2)：284-293.
[17]樊林峰，潘晓岗，浦益萍，等.CBCT和曲面体层片在上颌后牙区种植治疗中的诊断价值比较[J].上海口腔医学，2008，17(5)：548-551.
[18]MARQUES A P，PERRELLA A，ARITA E S，et al.Assessment of simulated mandibular condyle bone lesions by cone beam computed tomography[J].Braz Oral Res，2010，24(4)：467-474.
[19]KURUSU A，HORIUCHI M，SOMA K.Relationship between occlusal force and mandibular condyle morphology：evaluated by limited cone-beam computed tomography[J].Angle Orthod，2009，79(6)：1063-1069.
[20]丁月峰，周培刚，费学东.多种软件和图像联合技术构建个体化颞下颌关节三维有限元模型的初步研究[J].口腔颌面外科杂志，2014(2)：108-112.
[21]林有籁，刘月华，王冬梅，等.CT和MRI图像融合三维重建颞下颌关节的研究[J].华西口腔医学杂志，2008，26(2)：140-143.
[22]PARK S B，KIM Y I，HWANG D S，et al.Midfacial soft-tissue changes after mandibular setback surgery with or without paranasal augmentation：cone-beam computed tomography (CBCT) volume superimposition[J].J Craniomaxillofac Surg，2013，41(2)：119-123.
[23]苏莉，王红梅，白玉兴.基于激光扫描的面部软组织三维模型的重叠和分析方法的建立[J].北京口腔医学，2015(3)：135-140.
[24]袁玲君，毛丽霞，夏韫晖，等.成人非拔牙正畸后面部软组织变化的三维测量研究[J].中华口腔正畸学杂志，2015，22(1)：10-14.
[25]KIM J，HEO G，LAGRAV
RE M O.Accuracy of laser-scanned models compared to plaster models and cone-beam computed tomography[J].Angle Orthod，2014，84(3)：443-450.
[26]JIN-GANG J，YONG-DE Z，MING-LIANG J.Bending process analysis and structure design of orthodontic archwire bending robot[J].International Journal of Smart Home，2013，7(5)：345-352.
[27]GILBERT A.An in-office wire-bending robot for lingual orthodontics[J].J Clin Orthod，2011，45(4)：230-234； quiz 236.
[28]SOLANO-MENDOZA B，SONNEMBERG B，SOLANO-REINA E，et al.How effective is the Invisalign© system in expansion movement with Ex30′aligners?[J].Clin Oral Investig，2016.
[29]VANNIER M W，MARSH J L，WARREN J O.Three dimensional CT Reconstruction images for craniofacial surgical planning and evaluation[J].Radiology，1984，150(1)：179-184.
[30]安娜，郑颖，牛磊，等.正颌外科手术的计算机辅助模拟以及预测的准确性评价[J].口腔医学研究，2014，30(6)：523-527.
通信作者：柯杰，xzdall4u@163.com
【中图分类号】R783.5
【文献标识码】A
DOI：10.11851/j.issn.1673-1557.2017.03.002
优先数字出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1688.R.20170412.1642.008.html
(收稿日期：2016-07-26)