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1、2022口腔修复中虚拟患者的构建和应用(全文)摘要近年，随着数字化技术的发展，虚拟患者在口腔修复、口腔正畸和口腔颌面外科等学科中的应用逐步增多。虽然不同学科关注口腔虚拟患者的侧重点有所不同，但口腔虚拟患者在辅助预测疗效和制订治疗计划等方面均有良好的应用前景。三维图像和数据的来源、配准的方法和方式均可影响口腔虚拟患者的构建精度和呈现效果。本文结合笔者团队研究、临床应用经验以及国内外其他团队的研究，论述口腔修复中虚拟患者的构建数据来源、构建方法及临床应用，为口腔虚拟患者在口腔修复中的规范应用和发展提供参考，并进一步展望口腔虚拟患者的未来发展方向。虚拟患者(virtualpatient)的概念源自虚
2、拟现实(virtualreality虚拟现实是利用计算机技术生成具有逼真的三维视觉、触觉、听觉及嗅觉等多种感官体验的模拟现实的场景，在教育、影视娱乐、医学、设计、军事等多个领域均有重要应用1o近年，虚拟现实逐步应用于口腔医学领域。口腔虚拟患者指利用三维扫描技术或其他捕获技术获取患者多源图像或数据，如颜面部软组织图像、牙列图像、CT来源的骨组织或软组织图像以及下颌运动轨迹数据等，构建能同时展现上述图像或数据及患者信息的口腔复合虚拟图像20由于二维图像与口腔实际情况差异较大，口腔虚拟患者常采用三维或四维数据构建，其又可分为牙面虚拟患者(virtualdentofacialpatient)及牙-颌-
3、面虚拟患者(virtualdentomaxillofacialpatient牙一面虚拟患者指同时包含颜面部及牙列图像的三维或四维复合图像3,4;牙-颌-面虚拟患者指同时包含颜面部、牙列和颌骨图像的三维或四维复合图像50口腔虚拟患者最早用于教学，现已逐步应用于临床诊断、治疗计划辅助制订及术前修复效果预测等方面。一、构建口腔虚拟患者的图像或数据及其获取方法构建口腔虚拟患者需要获取多源数据，多源指多次扫描、多种设备扫描或多种捕获方式获得的图像或数据。如牙颌模型扫描或口内扫描获取的牙列及牙龈图像、三维面部扫描获得的颜面部图像、螺旋CT或锥形束CT扫描获得的牙根及颌骨图像、下颌运动轨迹记录获得的下颌或颠
4、下颌关节运动轨迹等数据。L数字化牙列图像：构成口腔虚拟患者的多种图像或数据中，数字化牙列图像是口腔医学关注的重点，牙列图像在口腔修复、口腔正畸和口腔种植等专业的临床诊疗过程中发挥重要的作用，可用于研究分析、治疗计划辅助制订以及修复体设计和制作等领域60数字化三维牙列图像较传统石膏模型更易保存、更环保且更节省空间，是口腔修复体数字化设计和制作的基础7JO数字化三维牙列图像主要通过数字印模技术获得，包括牙颌模型扫描技术（间接扫描）和口内扫描技术（直接扫描牙颌模型扫描技术按扫描对象不同可分为石膏模型扫描、印模扫描、蜡型扫描等。口内扫描利用口内扫描仪在患者口内直接扫描牙齿及周围软组织,获得口内软硬组织
5、表面三维形态、颜色纹理等信息。口内扫描的应用也存在一定的局限：由于口内操作空间及扫描头尺寸的限制，口内扫描过程的单视场范围有限；被扫描对象和操作者均处于运动状态，无法保持绝对的稳定；口内扫描获得的全牙列及软组织数据的拼接准确性较低。此外，通过CT数据阈值分割及三维重建也可获得数字化三维牙列图像。上述几种数字化三维牙列图像中，石膏模型扫描和印模扫描获取的数字化三维牙列图像精度较高，且两者间差异无统计学意义；口内扫描获取的数字化三维牙列图像精度较石膏模型扫描和印模扫描低；锥形束CT三维重建获取的数字化三维全牙列图像精度较差，仅可用于精度要求较低的情况8I不同的研究中，因选用的设备和测量方法不同，数
6、字化三维牙列图像精度的具体数值有所不同。笔者团队研究显示，石膏模型扫描获取的数字化三维牙列图像的尺寸精度约为0.06mm卸模扫描的尺寸精度约为0.03mm,形态精度约为0.09mm;口内扫描获取的数字化三维牙列图像的尺寸精度约为0.37mm,形态精度约为0.17mm;锥形束CT获取的数字化三维牙列图像的尺寸精度约为054mm形态精度约为0.89mm8o数字化四维牙列图像是在数字化三维牙列图像的基础上增加了动态因素，即牙列（主要是下颌牙列）在下颌运动中形成的动态运动图像91数字化四维牙列图像在咬合诊断、修复体功能面设计、教学等方面可发挥重要作用。2.面部图像：三维面部图像可通过三维面部扫描技术获
7、取，构建口腔修复虚拟患者以带有颜色纹理信息的三维面部图像为佳。三维面部扫描包含不同技术原理的扫描技术，包括激光扫描、结构光扫描、立体摄影扫描、CT扫描和MRI扫描等技术。激光扫描技术的三维面部扫描精度最高(0.001-0.050mm),但存在视网膜损伤风险，扫描速度略慢；结构光扫描和立体摄影扫描对人体无创，扫描速度快，扫描精度为0.0280.500mm;CT扫描的扫描时间略长，患者可能受到一定剂量的X线辐射，扫描精度为0.10-2.00mm3,4,10o目前，三维面部图像的成像精度较三维牙列图像低,但基本可满足口腔临床中虚拟仿真设计的需求10o构建口腔虚拟患者常需获取多张不同状态的三维面部图像
8、，用于显示患者不同状态及多源数据配准11L四维面部图像是在三维面部图像的基础上增加动态因素后形成的动态三维面部图像，其可通过专用设备进行四维面部扫描或录像获得，也可用多张连续动态表情下的三维面部图像按顺序整合获得。四维面部图像可显示患者从闭唇到大笑过程中的唇齿美观效果，有利于便捷地获取患者的被动微笑姿态。3. 骨组织图像：骨组织图像主要通过螺旋CT或锥形束CT扫描获得，其可较清晰地显示患者颅颌面部骨组织和牙根的三维形态以及软硬组织病变等结构，可用于分析上述组织和病变的变化及其与邻近组织、器官的关系。CT扫描获得的数据通过不同的阈值分割，可分别三维重建骨组织、牙齿(包括牙根面部软组织的三维图像，
9、用于种植体三维植入位置设计、涉及颌骨的口腔小手术（如冠延长术）设计、教学等方面。不足之处为图像精度有限,牙齿面等精细结构体现不足,且图像质量受金属伪影影响。4. .下颌运动轨迹图像和数据：下颌运动轨迹记录仪可实时动态采集患者个性化下颌功能运动轨迹，即下颌牙列在下颌功能运动过程中实时动态轨迹的图像和数据，在软件中实现下颌运动的可视化，并得到下颌运动的具体参数，可用于口颌系统的分析、诊断以及修复体设计等方面。下颌运动轨迹图像和数据的引入和整合，可有效提高口腔虚拟患者的仿真程度以及数字化蜡型或修复体功能面数字化设计的质量。二、口腔虚拟患者的构建牙列、面部、颌骨等数字化图像或数据经过配准和整合，可得到
10、一个能同时显示软硬组织空间形态的整体复合图像，即口腔虚拟患者。口腔修复中的虚拟患者，通常选择牙颌模型扫描或口内扫描获得的高精度数字化三维牙列模型、三维面部扫描获得带有颜色纹理的三维面部图像、CT扫描获得的骨组织图像或牙根图像、下颌运动轨迹数据等图像中的两种或多种图像构建，且一般均包含三维面部图像。1.仿真色数字化三维牙列模型的构建：目前，部分口内扫描仪可通过口内扫描直接获得彩色的数字化三维牙列模型，但扫描图像中的颜色信息仅能于扫描仪配套的软件中显示，通用软件中常不能显示。临床可在通用的逆向工程软件中，将口腔二维数码照片的颜色信息投影至数字化三维牙列模型上,构建出可在通用软件中显示的具有仿真色的
11、数字化牙列模型12,进而提高口腔虚拟患者的仿真效果。2.多种来源图像或数据的配准：颅颌面部包含多种软硬组织和器官，包含多个空腔样解剖结构，组织类型也多种多样，适合表达不同组织的图像或数据来源不同。不同捕获设备获得的图像或同一捕获设备获取的不同图像,通常处于不同三维坐标系中，因此需将不同的图像或数据统一至同一个坐标系，才能使不同来源的图像获得与实际一致的相对空间位置关系。这一过程在软件中通过配准实现。配准，又称重叠、重合或注册13,是通过迭代最近点算法14,即基于最小二乘法，通过不断重复搜索最近邻点作为点云的对应点和最优的变换矩阵，获得数据集间的最优匹配位置。配准的准确性可直接影响口腔虚拟患者的
12、构建精度。图像的配准包括数字化牙列图像、数字化面部图像和颌骨等图像之间的配准。(1)不同表情状态下三维面部图像的配准：对于同一患者，需扫描多个表情状态下的三维面部图像，并配准至同一坐标系中。同一患者不同三维面部图像之间的配准，可用面中上部无运动变化的解剖特征点(或区域)为标志点(或共同区域)进行配准。(2)三维牙列图像与三维面部图像的配准：三维面部图像和三维牙列图像的配准可构建牙-面虚拟患者。三维面部图像与三维牙列图像的配准精度，可在较大程度上决定虚拟患者的构建精度。笔者研究团队主要以牙列或中介物为共同区域进行两种图像的配准。第一种：以固定于牙列上并延伸至口外的中介物为媒介进行配准。此法需借助
13、中介物，中介物口内端固定于牙列上，并能体现牙列形态，如用托盘制取的上颌硅橡胶印模；中介物口外端有三维立体结构作为配准块，三维面部扫描时能清晰扫描出配准块的形态，如连接于托盘手柄的配准块。三维面部扫描时，需将中介物固定于患者牙列上进行一次面部扫描，以戴中介物的三维面部扫描图像和中介物的三维图像为媒介，配准自然状态（或其他需要的状态）下的三维面部图像和三维牙列图像15Jo第二种：以暴露前牙的三维面部图像为媒介进行配准。此法需在牵拉口唇暴露前牙区时进行一次三维面部扫描，以该三维面部图像为媒介，配准自然状态（或其他需要的状态）下的三维面部图像与三维牙列图像。笔者团队研究显示第一种方法的配准精度高于第二
14、种为LOmm左右，但需要额外的中介物；第二种方法较简便，配准精度为2.3mm,适用于对配准精度要求不高的情况15o（3）牙列图像、面部图像和CT图像的配准：模型扫描或口内扫描来源的数字化三维牙列图像、三维面部扫描来源的三维面部图像、CT来源的骨组织图像和牙根图像的配准，需首先将牙列图像与面部图像配准，可优先使用以固定于牙列上并延伸至口外的中介物为媒介的配准方法，初步形成高精度的牙-面虚拟患者。将CT图像分别根据牙齿、骨组织和软组织阈值三维重建构建CT来源的三维牙列图像（包含牙根）、三维骨组织图像和三维面部图像，三者因来源于同一数据源而处于同一坐标系下，相对空间位置关系是准确的。再将CT来源的牙
15、列图像、骨组织图像和面部图像作为整体，以面中上部无运动变化的解剖特征点（或区域）作为标志点（或共同区域）或以牙列作为共同区域配准至牙-面虚拟患者上。笔者建议首选以面中上部无运动变化的解剖特征点（或区域）作为标志点（或共同区域）的配准方法，此配准方法精度较高。多源数据配准时，应尽量提高配准精度，从而提高虚拟患者的构建精度。不同的应用场景、目的和需求，对多源数据配准精度的要求不同。对于治疗需求的配准，如牙列图像和锥形束CT配准后设计种植外科手术导板,配准精度应尽量高；对于展示需求的配准，如牙列图像和面部图像配准后展示唇齿关系，配准精度达到适宜精度即可。3. 不同图像或数据的整合：不同来源的图像或数
16、据配准后，各图像间的相对空间位置是准确的，但可能存在重复、冗余的图像。根据使用目的，删除或隐藏重复及冗余的图像，合并需要的图像，即通过数据整合完成口腔虚拟患者的构建。（1）删除冗余图像：根据使用目的，删除冗余图像，特别是碎片化的冗余图像，可于配准前或配准后删除，使口腔虚拟患者显得整洁16O笔者认为，明显无关的大量碎片化冗余图像，应尽量在图像获取后删除，配准后仅进行少量的修整和删除；但碎片化的冗余图像，并不影响口腔虚拟患者构建过程的配准精度，因为配准主要基于共同标志点或共同区域，采用多点对齐或基于共同区域的最佳拟合配准进行，而不是全局配准。(2)删除重复的图像：构建口腔修复虚拟患者时，部分组织图像可同时来源于两种或两种以上的图像，通常选择保留精度较高的图像，删除精度较低的图像。CT来源的牙列图像(不含牙根)，因精度低于模型扫描或口内扫描来源的牙列图像，需要删除；CT来源的面部图像，因缺乏颜色纹理，需要
