叶年嵩 房兵

200011， 上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔正畸科， 上海交通大学口腔医学院， 国家口腔医学中心， 国家口腔疾病临床医学研究中心， 上海市口腔医学重点实验室

数字化技术的发展为口腔正畸的数据获取、诊断设计、矫治器制作及临床治疗带来了革命性的变化。借助数字化技术，正畸治疗的模式从传统“摸石头过河”、边诊断边治疗的模式转变成了以“目标引导”下的治疗模式。数字化正畸技术可分为数据获取技术、数字化诊断技术、以及数字化加工技术及数字化定制式矫治器。本文就以上几方面内容的发展现状作一评述和展望。

1 数字化正畸诊断数据获取

1.1 数字化牙列模型

精准的数字化牙列模型是数字化正畸诊断、方案模拟以及矫治器制作的数据基础。与传统石膏模型相比，数字化模型的优点在便于存储和传输、不易丢失和损坏、方便测量和分析。据统计，存储1 000 例患者治疗前、后的石膏记存模型，需要约10 m2的物理空间，而1 000 例患者的数字STL格式模型，仅仅需要40 GB的硬盘存储空间。目前，数字化牙列模型获取的方法主要有光学模型扫描和口内扫描两种方式。光学扫描设备根据扫描光源形式不同，可分为点光扫描技术、线光扫描技术和面光扫描技术。模型扫描设备主要用于口腔技工室，作为石膏模型或硅橡胶托盘模型数据的获取方式，完成全口牙列数据扫描仅需2～3 min，精度可达到5～15 μm[1]。近些年，随着口内扫描设备的普及和国产化，越来越多的口腔医院和诊所开始采用口内扫描数据作为初诊和结束正畸患者的牙列数据记录，口内扫描技术通过直接从患者口内获取牙列模型数据，避免了传统印模制取过程中的形变、气泡等问题，同时还可以获取牙齿和牙龈的颜色数据，提高了模型数据的精确性(精度可达5～20 μm)、减少了临床操作时间(扫描时间5～10 min)[2]。但是口内扫描目前仍旧存在一些不足，部分设备扫描探头的尺寸较大，对于开口度较小的患者，以及第二磨牙的颊侧和远中面可能存在扫描不全的情况。此外，患者的唾液、软组织等可能影响图像采集的精度和质量。对于需要制作功能矫治器的患者，口内扫描对于唇、颊侧系带和牙龈软组织的扫描仍旧存在一些不足。

1.2 数字化颌骨模型

目前，数字化的二维X线片(侧位片、正位片、全景片、关节片)仍旧是正畸治疗术前、术后常规的影像学检查项目，但二维X线片对颅颌面骨骼结构的显示存在一定局限性，容易导致诊断上的误差。近年来，随着锥形束CT(CBCT)设备在口腔临床的普及，让正畸医生对阻生牙、牙根、牙槽骨、颞下颌关节、气道、腺样体、上颌窦等问题有了更深入的理解[3-4]。相比于传统螺旋CT，CBCT具有扫描精度高(体素可达0.1 mm)、扫描速度快(10～20 s)、放射剂量少、患者坐姿体位等优点。特别是近年来大视野扫描的CBCT设备逐渐普及，一次CBCT扫描可以获取几乎所有需要的颅颌面三维影像学资料，CBCT扫描获取的DICOM格式数据，通过影像软件也可直接转化成传统的二维X线片用于测量分析，或者通过软件进行三维重建，直接应用三维数据进行诊断分析。三维影像数据的快速发展对正畸方案的制定将产生重大影响，大大降低临床上误诊的风险，提高诊断的效率，提高临床治疗的安全性。

1.3 数字化面部软组织模型

正畸治疗过程中，患者的面部软组织变化是正畸医师关注的重点。目前，对于面部软组织的病历数据记录大多数医师仍旧采用二维数码照片的方法，但由于每次用数码相机拍摄的时候无法保证拍摄的角度及参数的一致性，无法实现精确的数据对比。随着立体摄影技术的快速发展，三维面部扫描已经可以运用于正畸患者的面部数据记录和三维测量中，获得的面部软组织模型包含患者的面部颜色纹理信息、软组织几何形态、自然头位，甚至可以实现“四维”面部扫描，记录面部咀嚼运动各个瞬间的软组织状态[5-6]。面部软组织模型可以应用于软组织测量分析、治疗前、后的软组织面形对比、面部及微笑美学分析、软组织面形预测及下颌运动分析[7-10]。

1.4 数字化图像融合技术

上述的数字化牙列模型、颌骨模型及面部软组织模型可以通过图像融合技术，将口内扫描的牙列数据和面部扫描的数据配准到CBCT模型数据上，建立一个“全脸数字化”的虚拟患者数据[11-12]，用于正畸病历资料存储、诊断分析、治疗模拟、矫治器设计制作及医患沟通使用。

2 数字化正畸诊断技术

2.1 数字化头影测量

自从1931年Broadbent等[13]将头影测量方法引入到正畸学领域，头影测量已成为正畸诊断分析的常规标准。随着数字化X线片的普及，头影测量也从传统的采用硫酸纸描记转变成了数字化头影测量软件定点。近年来，随着计算机人工智能技术的快速发展，基于卷积神经网络算法(CNN)的自动定点技术可以实现80.40%～88.43%的准确率。目前，国产正畸头影测量软件Uceph、智贝云等可以实现在几秒钟的时间完成头影测量分析，为正畸医师节约了大量的诊断、分析时间。

2.2 数字化模型分析

随着牙列模型的数字化，模型分析也从传统的测量石膏模型转变为在软件上测量数字牙列模型[14]。计算机人工智能技术的成熟，模型分析可以实现完全的自动化分析，通过软件自动识别每颗牙的形态，计算牙冠宽度、拥挤度、覆覆盖、Bolton指数、牙弓宽度等数据信息。

2.3 数字化预测分析

对于儿童和青少年患者，其生长发育阶段的预测分析对治疗方案的制定至关重要。传统的方法是正畸医师通过评估颈椎或手腕X线片进行分析。随着人工智能算法的进步，目前软件对于颈椎成熟度的预测分析的准确度可以达到58.3%～77.02%[15-16]。目前，国产智贝云软件已经可以实现在侧位片上一键自动测量颈椎的形态，并自动生成颈椎骨龄定性和定量的分析报告。

2.4 数字化排牙和数字化正畸方案

传统的正畸方案制定，是通过对石膏模型和侧位片测量分析而得出的，缺乏对牙齿排列的精准预测。数字化排牙可以实现在治疗前对患者的牙列模型进行一种或多种排牙方案的模拟，让医师选择出一个最佳的治疗方案。根据Hou等[17]研究发现，当医师进行了数字化排牙后，有24% 病例的治疗方案会发生改变。

正畸治疗方案的制定需要正畸医师对患者牙列模型数据、头影测量数据、面形分析数据、生长发育情况、患者主诉及病史信息进行综合分析后才能得出一个或多个适合的方案。然后，同一个病例在不同正畸医师的诊断下，可能会出现完全不同的治疗方案(例如：拔牙或不拔牙方案；手术或非手术方案)。Jung等[18]学者利用两层神经网络和反向传播算法，将12项头影测量数据、4类模型分析数据、1类面形分析数据、患者主诉数据作为输入数据，将拔牙模式作为输出数据，让软件进行自我学习，建立了一个正畸拔牙方案人工智能系统。其对是否拔牙的准确率高达93%，对拔牙模式的选择上，其准确率也高达84%。Thanathornwong等[19]学者通过1 000 例恒牙列正畸患者的大数据分析建立的训练模型，可以预测恒牙列患者对正畸治疗的需求，可以达到93%～95%的准确率。

此外，现在国内外的口内扫描软件自带的人工智能自动排牙软件(iTero, 先临三维等)，可以在几十秒的时间内完成口内扫描数据的牙列自动分割和自动排牙。但这种人工智能排牙仅仅只能做到排齐整平。但是对于真实的正畸方案中有很多方面的考量缺失，例如：直接排齐牙列后牙量与骨量是否协调、拔牙与否、上下牙弓矢状向和横向位置和关系、垂直向控制、面部美学比例是否合适等问题，仍旧需要医生进行干预才能建立准确的排牙结果。

2.5 数字化正畸-正颌模拟

对于需要正畸-正颌联合治疗的患者，传统的石膏模型外科方法需要耗费大量的时间而且准确性也较差。通过数字化扫描技术、图像融合技术，可以建立患者虚拟颅颌面数据，在软件里精准模拟手术截骨及软组织面形预测，根据虚拟手术后的颌骨位置，设计各类正颌手术截骨导板、颌骨定位板，并通过三维打印直接制作手术导板，节约了方案设计时间、提高了手术精度[20-23]。

3 数字化正畸加工技术及定制式正畸矫治器

3.1 三维打印技术

三维打印技术也称为快速成型技术，是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”。根据其成型的方式和成型材料种类的不同，可分为熔融沉积成型技术(FDM)、立体光固化技术(SLA)、聚合物喷射技术(PolyJet)选择性激光熔融技术(SLM)等技术[1,24]。目前，在数字化口腔正畸领域应用较多的是SLM技术(俗称金属打印)，其精度可以达到20～30 μm，可以用于金属托槽、金属带环、舌侧保持器等钴铬合金或钛合金材料的直接金属打印；以及DLP技术和LCD技术(俗称树脂打印)，其精度最高可以达到16 μm，可以应用于各类铸造类矫治器的蜡型打印、各类正畸导板打印(托槽间接粘接导板、种植钉导板、板等)、正畸模型打印等。但是，现阶段限制三维打印技术应用的主要瓶颈在于材料，能直接应用于制作口腔正畸矫治器的打印材料有限，目前多数的应用主要集中于制作临时辅助类的导板矫治器。随着三维打印材料的不断发展，近期韩国的Graphy公司已成功开发出了一种可以直接三维打印透明牙套的树脂材料，这种材料具有形状记忆功能，可以记住原始打印的形状，有望实现隐形牙套的直接椅旁快速打印制作。

3.2 数控加工技术

数控加工技术是一种利用数字化控制系统控制胚料或刀具移动，利用各种刀具对材料进行部分切除从而得到所需形状的机械加工方法。目前，个性化托槽、个性化镍钛丝成形模具、舌侧保持丝、保持器或功能矫治器的塑料基托部分都可以通过这种方式进行加工[25-27]。

3.3 个性化唇侧托槽矫治器

随着医生和患者对矫治结果的要求越来越高，正畸医师们发现传统的以人种正常牙齿平均数据为基础设计的直丝弓托槽矫治器和弓形不适合所有患者牙齿和牙弓，治疗中医师仍旧需要进行弓丝弯制、托槽再定位以补偿解剖差异所导致的牙齿美观、咬合及根骨健康关系的问题。为了提高固定正畸的临床疗效，近年来国内外出现了多款通过三维打印或数控加工技术制作的个性化唇侧托槽矫治器，通过在数字化排牙模型上设计个性化托槽、个性化弓丝及托槽间接粘接定位器。其中美国Insignia个性化唇侧托槽矫治器，根据Brown等[28]的临床研究，可以缩短37%的临床治疗周期。国产的FORMULA个性化唇侧托槽矫治器，根据Wang等[29]的临床研究发现，个性化托槽治疗后的实际牙弓与虚拟排牙的牙弓之间的实现率高达96%～97%。个性化唇侧托槽可以大大缩短治疗周期、提高治疗效果。

3.4 个性化舌侧托槽矫治器

个性化舌侧托槽的原理与上述个性化唇侧托槽类似，也是在数字化排牙的模型上设计底板与牙面完全贴合的舌侧托槽及个性化舌侧弓丝，通过三维打印技术和精密铸造技术制作出贵金属或钴铬合金材质的托槽，其个性化舌侧弓丝则可通过机械手进行个性化弯制，该项技术最早由德国的Wiechmann医师发明，Incognito个性化舌侧托槽开创了舌侧带状弓系统的新浪潮[30]，紧随其后的国产品牌如eBrace、FORMULA、Inbracket等也成功研发出了国产个性化舌侧托槽并应用于临床并取得了较好的效果。个性化定制的托槽大大降低了托槽厚度，提高了患者舒适度，全套弓丝都是由机械手弯制，减少了医师的操作时间，带状弓系统可以更有效的控制前牙转矩、减少“垂直过山车”效应，对于东亚人种双颌前突、高角拔牙病例具有较好的临床控制效果[31-33]。

3.5 透明牙套矫治器

20多年前，透明牙套矫治器刚问世的时候，受到设计软件、三维打印精度、牙套材料性能的影响，只能适用于一些较简单的病例。但随着近年来隐形矫治设计软件、三维打印技术、材料性能的不断提高，各种辅助隐形矫治器的附件和辅助装置(隐适美MA、Bite Ramp、优化附件；时代天使的天使扣、天使杆；正雅S系列等)的出现，一些相对复杂的病例(需功能矫治病例、拔牙病例、正畸正颌联合治疗病例、牙周正畸联合治疗病例)，也可应用隐形矫治器进行治疗[34]。

目前，也有一些透明牙套厂家和三维打印机厂家另辟蹊径，开发了一套适用于口腔诊所椅旁的排牙设计、三维打印、透明牙套压模制作系统，让医生可以直接在诊室里为患者设计制作透明牙套矫治器。但是，椅旁制作透明牙套的流程仍比较复杂，需要耗费医师和技师大量的时间，而且透明牙套矫治器属于二类医疗器械，诊所自制透明牙套仍旧处于需要合规申请的状态，可能需要被市场监督管理局检查批准。

3.6 数字化正畸导板

随着数字化设计软件和三维打印技术逐渐普及，正畸医师和技师们根据临床需求，开发出了各种应用于辅助正畸治疗的导板。其中较为常用的有托槽间接粘接导板[35]、托槽直接粘接导板[36]、种植钉支抗导板[37]、正颌-正畸手术导板[38]、关节板[39]等。根据Ye等[40]研究，通过使数字模型偏置0.1 mm后，再经过布尔运算设计的数字化导板，可避免因导板无法就位导致的定位误差。

3.7 数字化正畸矫治器和保持器

在正畸临床治疗中除了托槽类矫治器，常需要用到很多传统定制式正畸矫治器，比如功能矫治器、扩弓器、支抗装置(横腭杆、舌弓、Nance弓等)，这类矫治器目前大多是由医师或技师手工制作。现在也有很多学者尝试采用数字化的手段来制作这类正畸矫治器，Graf等[41]学者通过数字化软件在虚拟架模型上设计双颌垫矫治器，并通过三维打印的方法，采用NextDent公司具有生物相容性的丙烯酸树脂材料打印制作，该矫治器通过基托固位，没有设计固位卡环。为了能使三维打印的矫治器有更好的固位效果，Sofrata等[27]学者预先在软件里的虚拟基托上设计好钢丝槽，利用数控加工技术，通过切削聚甲基丙烯酸甲酯材料块的方法制作矫治器基托部分，切削完成后将预先弯制的卡环和唇弓通过自凝树脂埋入到钢丝槽内，同样的方法还可以将扩弓螺丝埋入基托内。此外，金属类的矫治器(如横腭杆、舌弓、扩弓器等)或舌侧保持丝都可以通过金属直接打印的方法或者金属切割的方法进行数字化定制[26,42-43]。

4 未来展望

数字化扫描技术的发展有助于正畸医师更全面、更精确地获取患者的牙列、颌骨及面部软组织的三维数据资料，提高诊断效率和准确性。未来随着扫描技术和虚拟现实技术的发展，甚至可以使实现患者面部动态数据的追踪和模拟，可以在元宇宙的世界里建立数字虚拟人患者与现实进行互动。

现阶段正畸数字化软件功能越来越完善，可以涵盖建模、诊断、分析、预测及矫治器设计制作等功能。数字化软件现在正朝着人工智能的方向发展，人工智能可以帮助正畸医生节省工作时间，并在诊断评估和预后预测方面达到与经验丰富的正畸医师相当的准确性。然而，根据目前的研究，最有应用前景的方向是头影测量、骨骼生长发育分型和拔牙方案决策[44]，相信未来会有更多的正畸临床应用场景。

随着正畸矫治个性化的需求越来越高，3D 打印技术和数控加工技术的不断发展，相信不久的将来，将能够在诊室椅旁现场设计和制作各类正畸矫治器和保持器。