3D打印技术在口腔医学教学模型中的应用进展

随着数字化技术的高速发展,计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)和3D打印技术越来越多的应用于口腔医学临床与教学实践中。3D打印技术因其可进行复杂内部结构的精确制备、原材料多样等优点,已经广泛应用于口腔颌面外科修复、正畸、种植等科教领域。传统口腔实验教学通常使用离体牙、树脂牙或各类商业成品模型,从而缺乏临床医疗场景的个性化和复杂化的体现,通过3D打印口腔模型可实现标准性、可量产同时还原真实的临床场景,帮助口腔医学生在临床前实习实践阶段建立以人为本的医疗思维。该文综述了3D打印口腔模型在口腔修复、牙体牙髓、口腔颌面外科等专业教学中的最新应用和研发进展,总结不同研究目的所对应的相应制作工艺和原材料,展望发展趋势和亟需解决的问题,旨在促进3D打印技术研究策略在口腔医学临床前教学阶段的研发、应用和普及。

光固化3D打印模型穿龈轮廓尺寸稳定性的研究

目的:研究储存时间和储存条件对3D打印光敏树脂牙列模型穿龈轮廓尺寸稳定性的影响。方法:选取前牙美学区单颗种植术后戴用临时修复体拟进行正式修复的患者,使用数字化间接印模方法获取患者口内组织信息并储存为标准曲面细分语言(STL)文件。通过光固化3D打印机制造24个打印模型。模型在打印后使用桌面扫描仪获取STL文件(命名为N-1d)。储存条件分为开口容器和封闭盒子。储存时间分为TO、T3、T5、T7、T14、T28、T60、T90。将相应储存条件和时间的模型使用桌面扫描仪获取STL文件(命名为N-Lit-nd和N-Box-nd)。在表面匹配软件程序中将N-Lit-nd和N-Box-nd与N-1d拟合,尺寸精度通过均方根误差(RMS)进行测量和比较。结果:对于相同储存时间点,开口容器组穿龈轮廓的RMS值均大于封闭盒子组。RMS值差异在T14有统计学意义(P<0.05)。对于相同储存条件,穿龈轮廓形态的尺寸变化随储存时间延长而增加,与T3,T5,T7相比,T14、T28、T60、T90的RMS值差异有显著统计学差异(P<0.01)。其余时间点T3与T5,T14与T28,T28与T60,T28与T90的RMS值差异有统计学意义(P<0.05)。结论:光固化3D打印牙列模型的穿龈轮廓形态在严格避光条件下密封储存时较自然光照条件更为稳定。为了减少前牙种植修复体制作中的误差,建议从模型打印完成到使用不应超过14d。

应用3D打印熔融沉积技术制作个性化种植修复体的精确度研究

目的应用3D打印熔融沉积(FDM)技术制作个性化种植修复体,评估其与天然牙的误差。方法通过Mimics 15.0软件提取锥形束CT(CBCT)扫描的6颗因正畸减数而需拔除牙(体内牙)的数据模型并制作个性化种植修复体。在相同参数下重新扫描拔除后的正畸减数牙(体外牙)及个性化种植修复体获取数据模型,利用Geomagic studio软件比较3种数据模型之间的三维偏差大小。结果个性化种植修复体与体内牙数据模型整体模型间的高低区域偏差的平均值为0.19 mm和-0.16 mm,体内牙与体外牙数据模型整体模型间的高低区域偏差的平均值为0.14 mm和-0.07 mm;两组数据经独立样本t检验,差异均无统计学意义(P>0.05)。结论 1)应用3D打印FDM技术制作的个性化种植修复体精密度良好。2)基于相同参数CBCT扫描数据获得的体内牙与体外牙的数据模型仍存在一定误差。

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

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精确度。方法通过Mimics10.01软件处理正畸临床患者CBCT数据,并结合Geomagicstudio三维软件制作牙颌数字化模型,导入Maker BotReplicator2X型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3D打印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t检验,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。

3D打印技术在种植牙患者中的应用价值探究

目的:探究3D打印技术在种植牙患者中的应用。方法:研究对象选取笔者医院2017年1月-2018年12月收治的42例种植牙患者,共计128颗牙,使用随机数字表法将其分为常规组(20例,64颗牙)及3D组(22例,64颗牙),常规组使用传统种植牙技术进行手术,3D组使用3D打印种植导板进行手术。比较两组术后种植牙偏离距离、偏离角度,患者治疗前后咀嚼功能、成功率及满意度。结果:两组治疗前咬合力及咀嚼效率无显著性差异(P>0.05)。3D组术后种植牙颈部及尖部各方向偏离距离、近远中向及颊舌向偏离角度显著低于常规组(P<0.05);治疗后3D组咬合力及咀嚼效率显著优于常规组(P<0.05);3D组修复成功62颗(成功率96.88%),常规组修复成功54颗(成功率84.38%),3D组明显高于常规组(P<0.05);3D组满意度为94.45%,常规组为85.00%,3D组显著高于常规组(P<0.05)。结论:3D打印技术能有效降低种植牙患者种植体偏移,提高手术精度,提高患者咀嚼功能,改善患者满意度及种植成功率,具有临床推广意义。

桌面光固化3D打印模型远期尺寸稳定性的研究

目的:研究3D打印树脂牙列模型的尺寸稳定性。方法:首先计算Form 2三维打印机在各方向的补偿参数,应用补偿参数使用牙科模型树脂打印5个上颌牙列模型,后处理后保存于特定条件下。在打印完成的第1、2、3、5、7、14、21、28天使用三维模型扫描仪对5个牙列模型进行扫描,分析不同长度牙列模型随着时间推移发生形变的情况。结果:从第5~7天开始,牙列模型开始发生明显形变(P<0.05)。在第28天时,不同长度牙列模型相对于打印完成当天均发生了明显形变(P<0.05)。结论:为了减少修复体制作中的误差,建议在牙列模型打印完成的5~7 d内完成修复体的制作。

结构设计对三维打印树脂牙列模型尺寸稳定性的影响

目的 研究结构设计对三维打印上颌树脂牙列模型远期尺寸稳定性的影响。方法 使用模型扫描仪扫描上颌标准石膏牙列模型,导入3Shape软件中设计两组不同结构设计的牙列模型,分别为马蹄形实心模型和马蹄形空心模型。使用三维打印机每组打印5个树脂牙列模型。在打印完成后第1、2、3、5、7、14、21、28天,使用模型扫描仪对其进行扫描,并将扫描文件保存为“.stl”文件格式,导入Geomagic软件中与相应的模型设计文件进行偏差分析。结果 马蹄实心设计的打印模型组28 d内的偏差范围为(31.41±4.29)μm到(36.38±3.99)μm,马蹄空心组28 d内的偏差范围为(57.36±7.66)μm到(97.64±27.14)μm。两种结构设计的三维打印牙列树脂模型偏差均小于100μm。马蹄实心组打印完成28 d内的精度与第1天对比均无统计学差异(P>0.05);马蹄空心组打印后第7天开始,精度与第1天对比存在统计学差异(P<0.05),随着存储时间的延长牙列模型的形变变得明显。结论 马蹄实心结构设计的打印树脂模型长期尺寸稳定性良好。马蹄空心结构设计的打印树脂模型7 d内尺寸稳定性良好。

自主最大笑容三维面像与数字化三维牙列模型整合方法的建立及其准确性研究

目的拟建立一种将自主最大笑容(AMS)三维面像与数字化三维牙列模型整合的方法,以实现在三维面像背景下显示数字化正畸终末位设计的目的。方法利用Geomagic Studio软件,通过手动注册和全局注册功能,将AMS三维面像和初始牙列模型进行配准对齐,然后用终末位牙列模型在原位替换初始牙列模型,并去除AMS三维面像口内区域,从而实现AMS三维面像和终末位牙列模型的融合显示。计算AMS三维面像和初始牙列模型上4组对应标志点对间的距离,通过配对t检验评估配准操作的准确性。结果该方法成功实现了AMS三维面像与初始、终末三维牙列模型的整合。两次配准对齐后,点对间的平均距离分别为(1.19±0.55)mm和(1.55±0.59)mm。两次测量结果的差异无统计学意义(P>0.05),且具有很高的一致性(组内相关性系数=0.914)。结论本研究建立了AMS三维面像与数字化初始、终末三维牙列模型整合的方法。该方法具有较高的准确性,有助于实现在三维面像背景下数字化正畸终末位设计效果的显示,从而提升以隐形正畸为代表的数字化正畸终末位设计的质量。

三维牙颌模型的牙齿形状建模方法

针对三维牙颌模型由于齿间粘连导致单颗牙齿局部形状缺失的问题,提出一种综合性的牙齿形状建模方法.根据三维牙颌模型的形态特征,采用基于曲面最小主曲率的方法对粘连区域进行准确的检测提取;对删除齿间粘连区域后生成的齿间开口利用局部最优化权值规则进行剖分并细分优化,生成"中间"恢复曲面;根据牙齿的生理医学特征,以齿间开口的边界信息为约束条件,采用基于最小化曲面能量函数的方法对"中间"恢复曲面进行变形调整,实现单颗牙齿缺失形状的准确恢复.实验结果表明,采用文中方法能取得满足临床口腔医学要求的形状建模结果.

牙龈软组织变形仿真技术研究

基于三角网格描述的三维牙颌模型,根据牙龈变形的生理医学特性,结合牙龈变形仿真的实时性和逼真性要求,提出一种完整的牙龈软组织变形仿真算法.该算法根据三维牙颌模型的曲率特性,对其生物特征信息进行定量描述;在曲率特性分析的基础上进行区域划分,确定牙冠、牙龈及变形中的固定区域;根据牙龈的变形类似于带边界约束的弹塑性薄膜的变形特性,采用能量函数驱动方式,实现牙龈动态连续变形.

Pro/E的自适应功能在建立螺纹型牙种植体骨块三维有限元模型中的应用

目的:探讨利用Pro/E软件自适应功能建立包含不同螺纹形态、不同螺距牙种植体的下颌骨骨块的三维有限元模型的方法。为不同螺纹界面的力学分析,螺纹的优化设计提供分析平台。方法:使用pro/E软件建立包含不同螺纹形态、不同螺距的牙种植体的下颌骨骨块三维实体模型,导入ansys workbench9.0有限元分析软件中,进行单元划分、初始应力的验证分析,建立三维有限元模型。结果:螺纹角度、尺寸与设定相同,形状同真实螺纹完全一致,力学分析结果与文献报道一致。结论:探索了基于Pro/E软件自适应功能建立含有不同螺纹形态、不同螺距牙种植体的下颌骨骨块的三维有限元模型的方法,提高了建模的准确性,灵活性和速度,所建模型能够满足不同螺纹界面应力的力学分析的要求,也为螺纹的优化设计提供分析平台。

口腔种植学虚拟现实三维模型素材库的初步建立

目的:建立口腔种植修复学教学用虚拟现实所需要的数字化三维模型库及相关素材,为制作三维互动化的虚拟现实教学课件提供基础条件。方法:利用现代计算机三维图形技术,在3Dsmax和Rhinoceros三维造型软件中,根据口腔种植学相关实体的三维形态,构建相应数字化三维模型,并结合平面图形软件制作模型贴图和材质。搭建1例口腔种植学典型三维虚拟场景,初步利用虚拟现实软件生成可执行的三维互动教学课件。结果:制作完成了部分常用口腔种植系统的相关三维模型,初步建立起了口腔种植修复学教学用虚拟现实的三维模型素材库,初步搭建了1例典型的口腔种植修复临床治疗场景,编辑生成了可直接操作的三维虚拟现实课件。结论:虚拟现实技术在口腔种植修复学教学中将会有广泛的应用,制作基于个人电脑的虚拟现实教学课件对口腔医学教学也有着较高的实用价值。三维模型素材库的初步建立为开发完善的口腔医学虚拟现实教学系统提供了先期研究基础和所必需的基本素材。

牙颌模型的三维激光扫描和多基线近景摄影测量的初步对比分析

目的:比较三维激光扫描法和多基线数字近景摄影测量法在牙颌模型的三维测量中的差异方法采用20副标准理想颌牙颌石膏模型,由同一实验者在不同时间段,分别用两种方法进行三维成像和建模,并在计算机上重复两次标注测量标志点,测量设定项目数据,采用SPSS10.0统计学软件对测量数据进行对比分析。结果:两种测量方法的牙颌模型测量结果未见统计学差异(P<0.05)。结论:多基线数字近景摄影测量法和三维激光扫描法均可满足牙颌模型的三维测量临床需求。虽然,激光扫描法精度上略高于多基线数字近景摄影测量法,但多基线数字近景摄影测量法所需设备少、价格低,更利于基层医院和口腔诊所普及使用。

三维数字化牙模的牙弓线探测(英文)

提出了一种在三维数字化牙颌模型上直接探测牙弓线的方法。首先,根据给定的顶点法向和咬合面的夹角阈值过滤出初始特征点,并拟和得到初始牙弓线;其次,对初始特征点集进行等分并找出对应的局部最高顶点,对局部最高顶点进行拟和得到最终的牙弓线。通过对多副牙颌模型的实验表明,所提方法稳定、有效。

一种基于DensePoint的牙颌模型语义分割方法

牙颌模型分割是虚拟正畸系统的关键环节,针对传统的分割方法人工干预较多且交互操作复杂的问题,提出一种基于DensePoint的端到端牙颌模型语义分割方法。对牙颌模型的三维点云数据进行采样、标注和扩增处理,以满足分割网络训练要求;结合U-Net设计基于DensePoint的牙颌模型语义分割网络,同时面向点云数据集对网络下采样过程中的局部空间参数进行适应性优化,以确保网络能够提取到有效的局部特征;在Python环境和Pytorch框架中进行实现,并在增强的点云数据集上进行对比实验。结果表明:该方法的分割效果更优,准确率约90%,并且在相邻的牙齿边界和畸形的牙齿模型上具有更好的鲁棒性,较好地满足了虚拟正畸系统智能化的需求。

应用牙颌模型扫描和CT扫描技术构建咀嚼黏膜的三维模型

目的:探讨构建口腔软组织3D模型的方法。方法:对1例年轻女性采用头颈部螺旋CT扫描,通过Mimics14.0软件构建牙颌硬组织三维模型,通过Dental wings牙颌模型扫描设备辅助Geomagic12.0软件获得封闭的志愿者牙颌石膏3D模型;利用迭代最近点方法对两组模型全局配准,并进行布尔运算作差,后去除悬浮数据获得咀嚼黏膜数字模型;对照测量方法选择涂布显影剂辅助CBCT扫描进行软组织厚度的测量验证,统计学方法采用配对t检验。结果:构建了人体咀嚼黏膜的三维数字模型,在Mimics软件视窗下可观测模型任意角度的解剖形态以及通过轮廓线显示进行黏膜的厚度分析,该方法测量牙槽嵴顶处黏膜厚度与使用黏膜轮廓显影剂的对照方法测量结果差异为:上颌0.032mm,下颌0.009mm,两组方法的测量结果无统计学意义(P>0.05)。结论:通过影像学手段结合数字化技术,能获取较为精确的咀嚼黏膜三维模型,从而使人口腔软组织的三维可视化、记录和各部位的厚度测量得以实现。

结构设计对三维打印上颌树脂模型精度的影响

目的:研究不同的结构设计对三维打印上颌树脂模型精度的影响。方法:使用模型扫描仪扫描上颌标准石膏牙列模型,导入3shape软件中设计4组不同结构的打印模型,分别为完整上腭实心模型、完整上腭空心模型、马蹄形实心模型、马蹄形空心模型。使用三维打印机每组打印5个树脂模型,记录各组模型的打印时间并称重。在打印完成后第1、7天,使用模型扫描仪对其进行扫描,在Geomagic软件中与相应的结构设计文件进行偏差分析。结果:4组打印模型第1天的精度范围为(31.40±4.26)μm到(57.38±7.56)μm,第7天精度范围为(34.26±5.06)μm到(86.40±26.93)μm。不同结构设计的三维打印上颌树脂模型间的精度具有统计学差异。马蹄形空心组打印模型形变最大,马蹄实心组形变最小。完整上腭实心组与完整上腭空心组的精度介于前两组之间。4种类型模型质量范围为(15.82±0.04)g到(42.08±0.31)g。结论:4种不同结构设计的打印模型精度均在临床接受范围。从打印精度和材料利用率考虑,马蹄实心设计的上颌打印模型具有优势。

基于局部注意力机制的三维牙齿模型分割网络

从三维牙齿模型中准确分割出牙齿部分是正畸计算机辅助诊疗的基础.由于现有的三维模型分割网络对局部特征建模方式相对简单,这些方法无法有效提取牙齿边缘区域更细节的局部特征信息,进而导致这些区域出现牙齿多分、漏分等情况.本文提出一种基于局部注意力机制的三维牙齿模型分割网络以提高牙齿边缘区域的分割性能.首先,对原始牙齿模型中的三维网格数据进行多尺度的局部空间区域构建.其次,根据每个局部区域内的网格空间分布和网格特征差异进行注意力权重的学习.最后,基于学习到的网格权重进行局部特征聚合,以使得网络能自适应地去关注各个局部区域内更具有表达性网格特征.在临床数据集上的实验结果表明,相对于现有方法,本文网络的分割结果在牙齿边界区域更加准确光滑.

两种数字化咬合导板颌骨定位精度比较研究

目的对比研究数字化咬合导板的设计和制作方法,提高数字化咬合导板的颌骨定位精度。方法通过扫描口内天然牙列与体外石膏模型两种方法获取两组数字化牙模型,将数字化牙[牙合]模型导入Mimics Medical 20.0软件,进行咬合导板设计及3D打印制作,术中导航记录两组咬合导板定位颌骨的标记点坐标,计算7个颌骨测量点与设计方案数据间的距离偏差(DE)。应用咬合导板的适应性、偏差分析中的指标均方根值(RMS)、术中导航数据综合评价两组咬合导板的精度。结果两组咬合导板口内适应性比较差异具有统计学意义(χ^2=22.308,P<0.01)。两组咬合导板RMS比较差异有统计学意义(t=2.086,P<0.05)。两组咬合导板在上下颌导航X轴上A点和Y轴上A、FPR、FPL、RPR、RPL点与设计方案数据间的DE比较差异具有统计学意义(Z=-2.871^-2.020,P<0.05)。结论口扫咬合导板的定位精度优于模扫咬合导板。

基于三维扫描牙颌模型的牙弓线拟合方法研究

牙弓曲线是口腔正畸矫治的基础,在临床上需要对牙弓曲线进行形状分析和测量。首先基于网格显著性初次筛选网格特征点,然后再利用网格特征点与咬合平面的夹角和距离筛选出初始参照点;接着将三维模型上选中的初始参照点投影到咬合二维平面,在二维平面上用四次多项式拟合映射点;最后快速、自动、精确地得到牙弓线。绘制出来的牙弓线可以用来辅助正畸医师判断牙齿错颌的情况,对患者进行诊断,设计并制定正畸计划。