Abstract
目的
探讨利用面部与义齿三维(three dimensional，3D)图像融合方法评估全牙列种植固定修复前后鼻唇区软组织形态变化的可行性。
方法
选择于北京大学口腔医院种植科就诊的上颌无牙颌患者共12例(女性4例、男性8例)，平均年龄(54.82±5.50)岁(45~62岁)。于上颌植入4~6枚种植体，6个月后为患者佩戴全牙列固定义齿，捕捉患者佩戴义齿前后的3D面相及义齿形态数据。将三维数据置于同一坐标系中，对义齿和软组织标志点进行测量，分别比较各标志点[左口角点(cheilion left, CHL)、右口角点(cheilion right, CHR)、左唇峰点(crista philtri left，CPHL)、右唇峰点(crista philtri right, CPHR)、上唇缘点(labrale superius, LS)、鼻下点(subnasale, SN)、口裂正中点(stomion，STO)、上中切牙点(upper incisor, UI)、义齿上边缘顶点(F-point, F)]的位移量及标志点间线距[人中长度(SN-LS)、双唇峰间距(CPHR-CPHL)、口裂宽(CHR-CHL)、上唇红高度(LS-STO)]变化。
结果
义齿与软组织拟合后，义齿上边缘顶点与鼻下点直线距离(F-SN)三次测量结果的一致性检验显示该方法可重复性好，组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)为0.983 (95%CI：0.957~0.995)。佩戴义齿后，软组织各标志点均发生前徙变化，鼻底区域变化最小，SN前后方向上的位移为(0.61±0.44) mm，LS前后向位移为(3.12±1.38) mm。在垂直方向上，SN、LS、CPHL、CPHR均向上移动, STO、CHL、CHR向下方少量移动。除SN-LS略微减小外，CHR-CHL、CPHR-CPHL、LS-STO均增大(P < 0.01)。SN与F、LS与UI的Z轴坐标值均呈现高度相关(r=0.904 3、r=0.958 4)。
结论
三维面像与义齿图像融合方法可重复性好，经该方法检测，义齿与软组织标志点的前后向位移之间存在高度相关性。
Keywords: 人体测量术; 上颌牙列缺失; 牙种植; 图像处理, 计算机辅助
Abstract
Objective
To explore the applicability of integration between three-dimensional (3D) facial and dental data to evaluate the nasolabial morphology variation before and after the cross-arch fixed restoration of the maxillary implant-supported prostheses.
Methods
Twelve patients (4 women and 8 men), mean age (54.82±5.50) years (from 45 to 62 years) referred to the Department of Oral Implan-tology, Peking University School and Hospital of Stomatology, were selected and diagnosed with edentulous maxilla. For all the patients, 4 to 6 implants were inserted into the maxilla. Six months later, the final cross-arch fixed prostheses were delivered. The 3D facial images were collected before and after the final restoration. The 3D data of prostheses were also captured. All the 3D data were registered and measured in the same coordinate system. Then the displacement of all the landmarks [cheilion left (CHL), cheilion right (CHR), crista philtri left (CPHL), crista philtri right (CPHR), labrale supe-rius (LS), subnasale (SN), stomion (STO), upper incisor (UI), upper flange border of the prostheses (F-point, F)], and the variation of the distances between these landmarks (SN-LS, CPHR-CPHL, CHR-CHL, LS-STO) were analyzed and compared.
Results
The consistency test among three measurements of the length of F-SN indicated that the integration method of the dental prostheses and soft tissue had the good repetitiveness, ICC=0.983 (95%CI: 0.957-0.995). After wearing the final cross-arch maxillary implant-supported prostheses, all the landmarks on the soft tissue moved forward. The nasal base area changed minimally, and the shift of SN in the sagittal direction was only (0.61±0.44) mm. But the sagittal shift of LS was (3.12±1.38) mm. In the vertical direction, SN, LS, CPHL, and CPHR moved upward. But STO, CHL, and CHR moved downward a little. Except for the slight decrease of the length of philtrum (SN-LS), the length of CHL-CHR, CPHL-CPHR, and the height of upper lip were increased together (P < 0.01). In the direction of Z axis, the strong correlations were found not only between the movements of SN and F (r=0.904 3) but also between the movements of LS and UI (r=0.958 4).
Conclusion
The integration method of 3D facial and dental data showed good repetitiveness. And the strong correlations between the landmarks of prostheses and nasolabial soft tissue in the sagittal direction were found by this new method.
Keywords: Anthropometry; Edentulous maxilla; Dental implantation; Image processing, computer-assisted
全牙列种植固定义齿因采用少量种植体刚性连接的一体化修复方式，减少了手术创伤的同时又为患者提供了固位形式接近天然牙列的固定修复，近年来在临床上逐渐广泛应用。考虑到清洁的需要，种植固定式义齿无唇颊侧基托设计，因而所能提供的唇部支撑低于总义齿及覆盖义齿。目前，从面型支持的角度，对于该修复形式的选择很大程度上依赖基于临床经验的主观判断。
随着口腔数字化技术的发展，患者面像及义齿的数字化数据为临床义齿修复后的软组织客观评价和预测提供了可能。Kamashita等曾利用三维(three dimensional，3D)激光扫描技术评价了总义齿修复后的面部软组织形态改变。近年来出现的立体摄影测量术[1]是一种精度高、耗时短且行之有效的3D形态捕捉技术[2]。该技术使患者面部软组织与义齿3D形态的精准获取与分析成为可能。然而，既往研究主要对于修复后软组织形态进行评价，对于其关系的研究，尤其是种植固定式义齿与软组织变化的关系鲜见报道。
本研究拟通过可重复性检验，探讨面部与义齿3D图像融合方法对于评估全牙列种植固定修复前后鼻唇区软组织3D形态变化的可行性，并初步探究义齿与软组织变化的相关性。
1. 资料与方法
1.1. 研究对象
选取2008年4月至2016年12月于北京大学口腔医院种植科就诊的上颌牙列缺失患者。纳入标准[3-4]：(1)上颌牙列缺失或余留牙无保留价值；(2)下颌为天然牙列或已行义齿修复；(3)上颌骨量至少允许植入4枚长度≥10 mm的种植体。排除标准[5-7]：(1)全身系统性疾病无法耐受手术；(2)有磨牙症或紧咬牙习惯；(3)重度吸烟患者(日均吸烟量≥20支)；(4)口腔卫生状况差，依从性不良；(5)处于放化疗阶段或有双磷酸盐类药物使用史。
本研究通过北京大学口腔医院生物医学伦理委员会批准(PKUSSIRB-201631105)，所有研究对象均签署知情同意书。
1.2. 手术及修复过程
患者于术前1 h预防性口服抗生素头孢呋辛酯500 mg。在心电监护仪全程监护下，于患者上颌唇腭侧行阿替卡因局部浸润麻醉。行牙槽嵴顶切口，翻瓣充分暴露，于上颌双侧前牙区及后牙区至少分别植入一颗种植体，共植入4~6颗种植体，植入扭矩>35 N·cm，以保证初期稳定性。为取得共同就位道，选取并安装直基台或角度基台，连接保护帽后缝合伤口。修复时于基台水平连接转移杆，制取联冠印模，灌制模型，铺暂基托及蜡堤，咬合记录并确定丰满度。技师根据蜡堤所提供的中线、丰满度、牙合平面等信息排牙后于患者口内试戴，确认无误后制作临时义齿并于手术当日完成戴牙。术后5 d持续口服头孢呋辛酯500 mg/次、2次/d，约术后6个月完成全牙列终义齿固定修复[5]。终义齿修复过程包括制取印模、转面弓、上颌架、试排牙、内置支架、戴牙等步骤，其中与本研究密切相关的上前牙排列位置通常按照排牙一般原则，根据患者的颌位关系、垂直距离、牙合平面位置、覆牙合覆盖、上唇丰满度、牙弓形态、种植体位置轴向等因素，并参考患者动态美学的个性特征进行美学区域个性化排牙。试排牙时征求患者及家属意见进行个性化调整，达到满意的功能和美学效果，形成最终的排牙方案。根据排牙方案进行内部加固装置的设计制作，最终完成戴牙过程。
1.3. 3D数据获取
在上颌终义齿制作完成后，利用Face Scan (3D-SHAPE, Germany)捕捉3D面像，在拍摄前需要使用激光水平仪校准患者头位，使患者眶耳平面与水平面相平行，以保证患者每次拍摄均为自然头位[8]。患者散乱的头发均需用头带固定起来，避免影响面部形态获取[9-10]。
终义齿戴入前，对上颌无牙颌患者行息止牙合位面部3D扫描以获取义齿佩戴前面中1/3塌陷面相[11]。终义齿戴入后，再次拍摄牙尖交错位3D面相。此外，利用开口器撑开口唇软组织充分显露口内义齿，拍摄3D露齿面像，以备后期数据拟合[12]。最终利用IScan D104i (Imetric 3D SA, Switzerland)配合喷粉获取患者终义齿的完整3D数据。
1.4. 数据配准
将修复前后面部3D扫描数据和3D义齿数据一同导入Geomagic Studio 2013软件(Raindrop Geomagic, United States)，在软件内依次配准并测量相关标志点变化及进行整体变化分析。
为了增加配准精度，对义齿戴入前后的两个闭口面像依次进行“多点配准”和“局部特征区域配准”[11]。“多点配准”即基于患者左右内外眦点、左右耳点以及鼻根点进行初次配准，“局部特征区域配准”即选取修复前后相对稳定不变的区域进行二次“面-面”配准。上颌义齿佩戴后，患者的上下唇和鼻部为潜在改变区域，因此我们选取发际线至眉弓上缘为稳定配准区域进行二次配准[12]。
通过3D色谱进行修复前后整体面像分析，可见多次配准后面像拟合良好，面部误差较小(图 1)。
图1.
修复前后鼻唇区软组织整体偏差分析
Variance analysis of the nasolabial soft tissue before and after restoration
利用同样的配准方法将露齿面像和义齿戴入后面像配准在一起，最后再将义齿数据和露齿面像配准在一起，这样就成功通过露齿面像这一中间数据，将终义齿在口内的实际解剖位置重现在了软件中(图 2)。
图2.
3D面像和3D义齿图像获取及拟合过程
Protocol for 3D data collection and integration
1.5. 空间坐标系建立
顺次连接患者左、右外眦点建立X轴，此时患者右侧为X轴正方向。设置两外眦点连线的中点在患者鼻部皮肤表面投影点为坐标原点，并利用此三点建立X-Z平面，设置患者正前方为Z轴正方向，此时过原点与X、Z轴同时垂直的为Y轴，设置向下为Y轴正方向。
1.6. 标志点描记及测量分析
在义齿戴入前后的两个闭口面像上分别标记左口角点(cheilion left，CHL)、右口角点(cheilion right，CHR)、左唇峰点(crista philtri left，CPHL)、右唇峰点(crista philtri right，CPHR)、上唇缘点(labrale superius，LS)、鼻下点(subnasale，SN)、口裂正中点(stomion，STO)，测量分析各点在坐标系中的具体位移以及人中长度(SN-LS)、双唇峰间距(CPHR-CPHL)、口裂宽(CHR-CHL)、上唇红高度(LS-STO)等标志点间线距的具体变化，此外，分别标记鼻下点、义齿上边缘顶点(F-point, F)[13]、上唇缘点、上中切牙点(upper incisor，UI)来反映义齿及软组织变化(图 3)。
图3.
义齿与修复后软组织特征点标注示意图
The schematic graph of the landmarks on the prostheses and the soft-tissue after restoration
SN, subnasale; LS labrale superius; F, F-point; UI, upper incisor.
1.7. 统计学分析
由同一位操作者利用相同方法拟合所有患者的义齿及修复后闭口面像，在义齿及软组织上分别描记特征点，测量F点和SN点之间的直线距离，该操作共重复三次，进而在SPSS 20.0软件(IBM，Chicago, United States)中利用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)对该方法进行一致性评价[14]。
在获取所有义齿戴入前后标志点的点坐标和标志点间线距值后，利用SPSS 20.0软件对两组距离值进行Shapiro-Wilk检验，验证数据呈正态分布后进行配对t检验，P < 0.05为差异有统计学意义。对SN与F、LS与UI这两组标志点在修复后面像上的Z轴坐标值进行线性回归分析，比较两组特征点在前后方向上位置变化的相关性。
2. 结果
2.1. 患者一般情况
本研究共纳入患者12例，其中男性8例，女性4例，平均年龄为(54.82±5.50)岁(45~62岁)，所有患者均完成了上颌全牙列种植固定修复。数据采集期间，无患者口内种植体脱落，种植体留存率为100%。
2.2. 可重复性检验
通过三次测量所有患者义齿上边缘顶点与鼻下点的直线距离(F-SN)，对3D面像及义齿拟合测量的可重复性进行验证。三组数据的一致性检验结果ICC为0.983 (95%CI：0.957~0.995)，可见该拟合方法重复性好。
2.3. 不同方向上各标志点位移变化
如表 1所示，在选取的上唇所有标志点中，位于中线附近的SN、LS、STO均约有1 mm的水平偏移。左右唇峰点与左右口角点均具有向两侧移动、彼此逐渐远离的趋势，且两侧口角点移动幅度略大于左右唇峰点。在垂直方向上，SN、LS、CPHL、CPHR均向上移动，具有抬高趋势；而STO、CHL、CHR则向下方少量移动。在前后方向上，各标志点均发生前徙变化。
表1.
上颌全牙列种植固定义齿修复前后各标志点平均位移(x±s)
The average shift of landmarks after the cross-arch fixed restoration of the maxillary implant-supported prostheses (x±s)
| Rank | D/mm | X/mm | Y/mm | Z/mm |
| D, total shift; X, horizontal shift, the rightward direction is defined as positive; Y, vertical shift, the downward direction is defined as positive; Z, sagittal shift, the forward direction is defined as positive. SN, subnasale; LS, labrale superius; STO, stomion; CPHL, crista philtri left; CPHR, crista philtri right; CHL, cheilion left; CHR, cheilion right. | ||||
| SN | 1.30±0.28 | -0.74±0.35 | -0.64±0.38 | 0.61±0.44 |
| LS | 4.36±1.07 | -1.18±0.75 | -2.02±1.69 | 3.12±1.38 |
| STO | 3.54±1.16 | -1.12±0.77 | 1.78±1.35 | 2.16±1.62 |
| CPHL | 3.92±0.84 | -1.16±0.78 | -1.95±1.51 | 2.68±1.05 |
| CPHR | 3.99±1.37 | 1.19±1.08 | -1.77±1.30 | 2.97±1.36 |
| CHL | 3.39±0.67 | -2.06±0.49 | 1.84±1.06 | 1.41±1.06 |
| CHR | 2.87±0.80 | 1.59±0.76 | 1.57±0.80 | 1.53±0.68 |
SN点不论是总位移[(1.30±0.28) mm]，还是水平[(-0.74±0.35) mm]、垂直[(-0.64±0.38) mm]、矢状[(0.61±0.44) mm]方向上的位移都是最小的，此外，SN、CHL和CHR三点在修复前后的位置变化以左右水平向位移为主，其左右向位移大于垂直向位移，大于前徙距离(图 4A)。LS总位移最大，其位移变化主要集中在Z轴方向[(3.12±1.38) mm]，具有相似变化特征的还有STO、CPHL和CPHR，这四个标志点均为前徙距离大于垂直向移动距离，大于左右向移动距离(图 4B)。
图4.
上颌种植固定义齿修复前后各标志点在不同方向上平均位移变化比较(Δ代表差值)
Comparison of average displacement changes of landmarks in different directions before and after the restoration (Δ= change)
Abbreviations as in Table 1.
各标志点间线距在义齿戴入后也发生了显著变化(P < 0.01)，其中，上唇左右唇峰间距及左右口角间距均增加，LS与STO两点的垂直距离反映上唇红高度，该距离也在义齿戴入后变大，唯独SN与LS直线距离变小，即人中长度减小(图 5)。
图5.
上颌全牙列种植固定义齿修复前后软组织标志点间距离平均变化
The average variation of distance before and after the cross-arch fixed restoration of maxillary implant-supported prostheses
**, P < 0.01. LS-STO (Y), represents the vertical distance between the two points. Abbreviations as in Table 1.
2.4. 义齿与软组织标志点变化相关性分析
如表 2及图 6所示，将终义齿上的F点、UI点和修复后面像上的SN点、LS点在空间坐标系Z轴上的坐标值进行线性回归分析后得出：在前后方向上，软组织SN点的坐标值与义齿F点坐标值呈高度相关(r=0.904 3)，LS与UI点在Z轴上的坐标也具有高度相关性(r=0.958 4)。
表2.
义齿与软组织标志点在Z轴方向上位移的临床相关性分析
The clinically relevant corresponding prostheses and soft tissue changes in the Z-axis direction analyzed to derive the Pearson correlations and coefficients of determination
| Soft tissue-to-prostheses relationship | Pearson correlation (r) | Coefficient of determination (R2) | P value for Pearson correlations |
| a, linear regression equation, Z (SN)=8.834+0.742 Z (F), n=12, # P < 0.001; b, linear regression equation, Z (LS)=11.979+1.013 Z (UI), n=12, # P < 0.001. Abbreviations as in Table 1. | |||
| SN-Fa | 0.904 3 | 0.817 8 | < 0.001# |
| LS-UIb | 0.958 4 | 0.918 6 | < 0.001# |
图6.
义齿与软组织标志点在Z轴方向上位移的相关性结果
The Pearson correlations of clinically relevant corresponding prostheses and soft tissue changes in the Z-axis direction
Abbreviations as in Table 1.
3. 讨论
面型测量与分析的传统方法为直接测量法，即二维的头影测量分析法，测量步骤繁琐，操作起来耗时、耗力[15]。Fourie等[16]发现3D扫描系统与直接人体测量相比精度更高，经验证可应用于临床。Littlefield等[10]也同样评估了各类3D成像系统，发现立体摄影测量术是获取软组织3D图像最安全而精确的方法。另有研究对3D成像系统生成的软组织数据和3D锥形束CT软组织分段数据进行比较，得出两种成像方法可以被交互使用[17]。可见，3D面扫系统已被反复多方证实是一种精确且可靠的面部软组织形态获取方法。随后，该技术被广泛应用于口腔正畸[2]、正颌[18]、唇裂治疗及面部生长发育评价[9]等多个领域，但遗憾的是，尚未见相关研究利用此技术对上颌全牙列种植固定式义齿修复后软组织变化进行分析。
自然头位的确定是3D软组织分析的前提条件，自然头位具有较高的临床可重复性和较简单的临床操作性[8, 18]。依靠激光水平仪对患者头位进行调整，使其眶耳平面与水平面平行，嘱患者做吞咽动作后放松下颌，保持面部软组织的放松自然状态。
3D数据的精确拟合是软组织分析的关键。Rangel等[11]曾将患者牙列的数字化模型与患者数字化面扫数据相融合并获得成功，提出“区域配准法”只需选取一个相对稳定的不规则区域即可，过多的配准区域并不会增加配准结果的精确性。Rosati等[12]做了相似的数据拟合并证实了其可靠性和精确性。本研究不仅对义齿及面像3D数据之间的拟合测量方法进行了可重复性验证，还利用IScan D104i设备直接扫描患者义齿，进一步避免了石膏模型变化带来的误差，提高了数据拟合的精度。
以往研究在分析正颌手术前后的软硬组织变化关系时，多选用上齿槽座点(A. subspinale, A)和上中切牙点的变化来反映硬组织移动，相对应的软组织移动则分别由鼻下点和上唇缘点来反映[19]。然而，在种植义齿的研究中，口内义齿上边缘线与矢状平面的交点即义齿上边缘顶点，常被选为特征点来反映义齿的上部位置，从而进行一系列测量[13]，于是，本研究以义齿上边缘顶点F点取代正颌研究中的A点，与鼻下点成组分析，探究义齿上边缘顶点与鼻下点变化之间的相关性。
上颌种植固定义齿修复后，在鼻唇软组织的众多标志点之中，变化量最小的为SN点，其总位移、水平位移、垂直位移和矢状位移都是最小的，这一特点也在修复前后面像3D色谱差异图中有所表达，与种植固定式义齿无唇侧基托支撑鼻底区有很大关系。LS总位移最大，且位移变化主要集中在前后向，可见上颌义齿的戴入对于鼻下点附近区域影响较小，对于上唇唇红缘前后位置影响较大。
在左右方向上，左右唇峰点与左右口角点均具有向两侧移动、彼此逐渐远离的趋势，且双侧口角点移动幅度略大于双侧唇峰点。患者上颌牙列缺失后，上颌牙槽骨唇侧吸收较腭侧吸收更加明显，整体吸收趋势为向上、向内，导致患者在未佩戴义齿时，上唇组织凹向内，双侧口角点轻微内收。在义齿恢复了患者的上唇软组织支撑之后，患者上唇内陷表现被纠正，双侧口角点恢复到相对正常位置，双侧唇峰点也因义齿支撑所致的软组织张力而彼此远离，但变化相较于口角点略小。
在前后方向上，各标志点均发生前移，与此同时，在垂直方向上，SN、LS、CPHL、CPHR均向上移动，仅STO、CHL、CHR向下方少量移动，可见上唇软组织变化为向前、向上，这一系列表现也充分说明了义齿戴入后患者上唇丰满度得到了改善。
此外，义齿修复后各标志点间距离也发生了显著变化，其中，上唇唇红高度在义齿戴入之后变大，人中长度却减小，这与上唇的位置改变相一致，当上唇被义齿抬高后，上唇白唇张力减小，长度相应减小，而随着LS、CPHL、CPHR点的一致上移和STO、CHL、CHR点的下移，上唇唇红的高度也就自然表现为增大。
以往研究表明，传统上颌总义齿戴入后，患者左右侧唇峰的前移量分别为(3.65±0.21) mm和(3.81±0.17) mm，左右侧口角的前移量分别为(2.51±0.16) mm和(3.84±0.20) mm[20]。本研究中，患者在上颌种植固定式义齿戴入后，左右侧唇峰的前移量分别为(2.68±1.05) mm和(2.97±1.36) mm，左右侧口角的前移量分别为(1.41±1.06) mm和(1.53±0.68) mm，均小于传统总义齿，本研究关于上颌全牙列种植固定义齿与软组织变化的结果，对于上颌牙列缺失患者修复方式的选择具有参考价值。
本研究的成像拟合方法仍旧存在一些误差来源，首先，义齿的半透明性和表面唾液的附着都会造成义齿图像的轻微形变，这就需要在拍摄前保证口内义齿唇面的充分干燥；其次，由于拍摄露齿面像时，口内光线暗、视野差，无法充分暴露的后牙区形变量较大，因此将义齿配准在露齿面像上时，只有前牙区可以被当作配准区域[12]；再者，由于拍摄露齿面像时，下颌义齿被上颌义齿遮挡，无法完全清晰显示，该方法暂不能实现下颌义齿与面像的拟合，可能需要其他数字化3D设备的辅助，尚待进一步的研究和探索。考虑到样本量有限，本研究并没有以唇厚度为标准进行分组分析，但以往研究表明，薄唇患者(唇厚≤15 mm)的LS点随UI点的变化程度是厚唇患者(唇厚>15 mm)的2.8倍[19]，可见唇厚度对于软组织的变化量有着很大的影响，在种植修复领域尚待进一步分析研究。本研究结果提示，该方法的建立有利于客观分析种植覆盖义齿、种植固定义齿、传统可摘总义齿不同修复方式所能提供的具体软组织变化及修复体与软组织潜在变化关系，在修复前对义齿佩戴后软组织效果进行预测，提前预知患者修复后面型外貌恢复程度，但仍需要大样本、多因素的研究分析。
综上所述，本研究验证了3D面像与种植固定式义齿图像融合的可重复性，证明该方法可对全牙列种植固定修复前后鼻唇区软组织3D形态变化进行客观的测量分析，对该方法测量得出的数据进行分析得出义齿与软组织标志点的前后向位移之间存在高度相关性。
志谢
感谢北京大学口腔医院口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室对本研究的支持，感谢北京大学口腔医院种植科老师及同学们对于患者数据收集的支持。
Funding Statement
北京大学口腔医院临床新技术新疗法基金(PKUSSNCT-17A05)
Supported by the Program for New Clinical Techniques and Therapies of Peking University School and Hospital of Stomatology (PKUSSNCT-17A05)
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