无牙上颌数字模型配准方法的建立及初步应用

徐敏 白石柱 张燕 李艳 于海 洪涛 张玉梅

为了探索不同印模方式对无牙颌牙槽嵴表面黏膜组织的影响，前期研究多采用游标卡尺定点测量［1］、三维有限元建模分析［2］、光学传感系统投射测量［3］等方法，这些传统的实验方法虽已成功应用，但仍存在标志点定位精度不足、建模困难、石膏模型灌制误差等局限性。近年来，三维数字化扫描技术因精确度高、重建图像清晰，无需物理存储，无辐射风险，无成本传输和强大的数据处理功能等优点，在实现口腔软、硬组织三维形态差异的量化评估方面展现出巨大的潜力［4］。然而，同一患者序列数字化模型如何实现可靠的高精度重叠仍是应用的一大难题。赵一姣等［5］对目前常用的4种配准方法的精度进行了比较，认为根据共有牙列区域数据进行迭代计算的全局配准精度更优，但其在无牙颌的应用未见报道。而无牙颌模型重叠广泛使用的最佳拟合对齐算法精度尚不明确［6］。本研究提出一种“腭皱襞特征点手动配准联合腭中缝特征区域全局配准”的复合配准方法，并对其进行了初步应用，以期为临床比较不同印模方式对无牙颌黏膜的影响提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

藻酸盐（金玛克，意大利）；光固化自凝树脂（DMG，德国）；边缘整塑蜡（GC，日本）；聚醚橡胶（3M，美国）；光固化机（上海沪鸽）；口内扫描仪（Planmeca EmeraldTM，芬兰）；逆向工程软件（Geomagic Wrap 2021，3D System，美国）。

1.2 复合配准方法的建立与检验

1.2.1 复合配准方法的建立 该方法分两步实现数字模型的重叠。（1）初始配准：选取包括切牙乳头中点、第一、第二、第三腭皱襞近中末端点及第三腭皱襞远中末端点在内的9个特征点作为重叠标志点，利用N点注册完成模型的初始对齐；（2）精细配准：选择切牙乳头中点至腭小凹中点连线的中2／3，椭圆短轴长约10 mm的区域作为数字化模型两两拟合配准的公共部分，以下称配准区（图1），利用配准区进行全局迭代完成模型的精细配准。

图1 配准区的选择Fig 1 Selection of registration area

1.2.2 复合配准方法的检验 （1）数字模型的构建：采用光学扫描仪获取患者口内无牙上颌光学印模，数据信息以STL格式保存。导入Geomagic Wrap 2021软件，得到参考模型（Ref）M1（图 2）；复制 M1，选择包括配准区在内的5个区域保持不变（图2），其余部分整体向偏移 0.5 mm（图 2），得到测试模型（Test）M2（图 2）；（2）配准方法的检验：将 M1、M2分别采用最佳拟合对齐及复合配准方法进行配准。应用Geomagic Wrap 2021软件的偏差分析功能，根据色谱图及对应的数据信息比较两者配准效果。

图2 模型构建Fig 2 Construction of the model

1.3 复合配准方法在临床中的初步应用

（1）研究对象：60～75岁无牙颌患者5名，入选符合以下标准：①牙槽嵴吸收分级为Atwood I-III级；②腭皱襞、腭中缝等解剖标志清晰易辨；③能够配合医生完成各个动作并按时复诊。签署临床研究知情同意书；（2）数据获取：于上颌初模型制作个别托盘，选定的配准区部位开窗（图3），边缘整塑后制取精细印模，配准区完整去除印模材，聚醚枪注射二次制取，保证其无压或仅有微小压力，以匹配口内相应区域的无压状态。口内扫描仪分别扫描无牙颌黏模、精细印模，获取相应的光学印模（阴模通过软件“翻转法线”功能转换为阳模），数据信息以STL格式保存；（3）标准模型建立：通过Geomagic Wrap 2021软件“创建特征－球体－参数”功能于每位患者精细光模的配准区添加10个直径为0.5 mm的定位球，作为后续计算配准方法差异的标志点；（4）配准实验：将口内光模设置为Ref，精细印模的光模为Test，分别采用以下4种配准方法完成光模间的配准重叠。①最佳拟合对齐：固定Ref，浮动Test，通过软件自带的最佳拟合对齐功能进行配准；②手动配准：在两组数据的腭部区域依次选取切牙乳头中点、第一、第二、第三腭皱襞近中末端点，第三腭皱襞的远中末端点9个特征点，通过N点注册进行配准；③手动配准联合全局配准：按照上述手动配准方法完成初始对齐后，两组数据不选择任何区域直接应用软件的全局配准功能进行迭代计算配准；④复合配准：按照上述手动配准方法完成初始对齐后，两组数据分别选中配准区应用全局配准功能，软件根据选中区域的点云数据进行代计算配准；（5）标志点对间空间偏差测量：应用Geomagic Wrap 2021软件对以上4种配准结果进行偏差分析，获取预先设定的10个定位球的空间偏差值TD，各组取绝对值的均值进行统计分析。

图3 配准区开窗设计的个别托盘Fig 3 Custom tray with window opening design in registration area

1.4 统计学方法

采用 SPSS 25.0软件 Kolmogorov-Smirnov test对各组数据进行正态性检验，Levene检验进行方差齐性检验，因部分数据未满足正态性分布或方差齐性要求，所有数据用“中位数（四分位数间距）［M（QR）］”表示，Kruskal-Wallis test比较4种配准方法的差异，Mann-Whitney U test比较任意2种配准方法的差异。检验水准为双侧α＝0.05，P＜0.05认为差异具有显著性。

2 结 果

2.1 复合配准方法在无牙颌模型配准中的检验

模型M1、M2的复合配准结果中，配准区5及观测区1、2、3、4呈现均匀的绿色覆盖，拟合良好，无变形发生；处理区呈现均匀的橘黄色覆盖，拟合误差约0.5mm，呈现凸出变形，与预期的配准结果基本一致（图4）。

图4 M1-M2偏差分析色谱图 Fig 4 Deviation analysis chromatogram of M1 and M2

2.2 4种配准方法在临床应用中配准差异的研究

（1）4种配准方法配准区配准结果如图 5，聚醚枪注射制取的无压力印模区域（配准区），在最佳拟合对齐、手动配准、手动配准联合全局配准结果中均表现为橘黄色覆盖，凸出变形，仅在复合配准方法中表现为大面积绿色覆盖，拟合良好。

图5 配准区偏差分析色谱图Fig 5 Deviation analysis chromatogram of registration area

（2）对10个定位球点对间的空间偏差TD均值进行统计分析（表1及图6），结果显示，复合配准方法的配准偏差［0.026 7（0.047 9）mm］显著低于其他 3种方法（P＜0.01）；手动配准联合全局配准方法［0.612 1（0.534 0）mm］及最佳拟合对齐［0.592 4（0.901 8）mm］的配准偏差大于手动配准［0.411 0（0.347 3）mm］，各组间两两比较均无统计学意义（P＞0.05）。

表1 4种配准方法配准差异的比较 ［mm，M（QR），n＝5］Tab 1 Comparison of registration difference of 4 registration methods ［mm，M（QR），n＝5］

图6 4种配准方法配准差异箱形图（n＝5）Fig 6 Box plot of registration difference of 4 registration methods（n＝5）

3 讨 论

目前国内外关于无牙颌不同印模制取方式间的差异量化研究较少，结果也不尽相同，这可能与其采用的研究方法有关。随着激光扫描仪及逆向工程软件的开发，越来越多的临床研究开始青睐于使用数字化三维测量分析技术。然而，模型的正确叠加与否，直接影响着最终的实验结果。对于有牙颌患者，数字化模型能呈现剩余牙齿信息，作为两两配准所需的重叠区域，利用牙齿自身稳定的解剖学特征来完成配准；而对于无牙颌患者，口腔黏膜表面通常存在形状特征缺陷［7］。这种参考区域的缺乏给无牙颌图像配准带来了巨大挑战。那么如果能够找到相对稳定、变形量小的区域作配准区，或许可有效提高配准精度。前期研究发现，上颌特有的解剖结构腭皱璧，尤其是第三腭皱璧内侧2／3及背侧小部分区域在生长发育过程中的位置变化很小，具有较高的解剖形态稳定性，可视为数字化模型重叠的金标准，其与腭中缝连线的区域也可达到类似的结果［4］。组织学耐受性上，后者表面覆盖的黏膜下层非常薄，黏膜层几乎贴近于骨骼，对压痛高度敏感［8］，在制取无牙颌印模时，该区域应施加很小的应力或没有应力［9］。因此，本实验选取切牙乳头中点至腭小凹中点连线的中2／3，椭圆短轴约10 mm的区域作为无牙上颌数字模型两两配准的公共部分。经模型的构建与观测发现，该区域能够有效限制对应点对的搜索范围，缩短搜索时间，得到较为准确的配准结果。

在随后的临床实验中，设计制作了配准区开窗的个别托盘，尽量保证该区的印模不变形或变形很小，以匹配口内相应区域的无压状态。由于口内光模为黏膜静止式印模，所以可作后续软件分析的参考基准［10］。通过配准区10个定位球的建立，确保了4种配准方法测量位置的一致性。将复合配准方法与常用的配准方法进行比较研究发现，最佳拟合对齐［11］表现出较大的匹配偏差，这可能与其采用全局搜索，计算量大、运算时间长，易受偏离点影响，迭代过程无法收敛到全局最优解有关［12－13］；手动配准［14］三维偏差显著大于复合配准方法，原因可能在于选取的参考点位置均集中于腭皱璧区域，后部定位点缺乏，模型易向一侧发生偏斜；参考点与模型的空间位置关系不够稳定，存在难以避免的人为定点误差；解剖结构自身形态随时间迁移或受压状态发生变化等；与未选择任何公共区域的手动配准联合全局配准方法相比，本研究提出的首先通过手动配准完成模型的初始对齐，而后利用稳定的、变形较小的腭中缝局部特征区域进行ICP迭代计算的复合配准方法，匹配误差显著减小，拟合精度明显提高，这可能与其为软件寻找最佳的配准位置提供了有效的参考区域和合理的配准方向有关。

综上所述，在无牙上颌数字模型配准时，利用“腭皱璧特征点手动配准联合腭中缝特征区域全局配准”的复合配准方法，可获得良好的匹配精度，为后续软组织形态差异的三维对比评估提供可靠的依据。但研究中仍存在扫描精度较低、配准后标志点对间空间偏差发生的方向不确定等局限性，未来还将精进实验设计以便进行更加深入的探讨。