網格數量簡化對單冠修復體外形體積及正確度影響的研究

王馨 馬旦 劉琛 劉昱晨 白石柱

隨著計算機輔助設計與計算機輔助制造(CAD/CAM)技術在口腔醫學中的廣泛應用,數字化口腔模型的應用逐漸取代了傳統的實體模型[1-2]。這種數字化模型不僅有助于減少材料浪費,還提供了更便捷的數字存儲和跟蹤功能,為醫生和患者提供了更便捷的服務。這些CAD模型通常以三維網格形式存在,由頂點、邊和多邊形構成[3-4]。數字化掃描儀通過捕捉口腔內的各種細節,生成大量的頂點數據,點與點連接成邊構成多邊形用于構建表面網格,這些多邊形以及它們的連接方式形成了口腔結構的復雜表面[5]。多邊形的密度和排列方式會影響口腔模型的精細程度和正確性。簡而言之,更多的細節、體積和網格質量意味著三維網格中存在更多的多邊形,從而增加了整個三維模型文件的大小[6-7]。

在口腔修復體的設計中,幾何細節對于其臨床適合性和美觀性至關重要[1]。然而,當使用配置較低的計算機進行復雜修復體設計時,可能需要更多的計算資源,這可能導致計算機性能下降,表現為運行速度減緩、應用程序響應時間延遲和系統卡頓,進而降低工作效率[6,8]。簡化修復體的網格數量是一種提高工作效率的解決方式,但需注意的是,過度簡化可能導致網格質量下降以及修復體細節喪失。特別是對于精度要求較高的固定義齒修復,可能會導致就位不佳、邊緣不密合、咬合不適等問題的出現[9]。

本研究目的是比較不同簡化比例下單冠修復體的外形正確性、體積、文件大小以及網格邊長的變化，以幫助臨床醫生在臨床可接受的范圍內確定最佳的簡化比例，有助于為口腔修復體的數字設計提供指導，確保在保持質量的前提下提高工作效率。零假設是在簡化網格數量后，單冠修復體的肩臺、組織面和咬合面的正確性、體積、文件大小以及網格邊長不會發生顯著變化。

1 材料與方法

1.1 模型選擇

從空軍軍醫大學口腔醫院數字化中心數據庫中隨機選取15 例上頜第一磨牙單冠修復體的數字化文件，以標準三角形語言(standard triangle language，STL)格式導出。以上修復體均為同一技師在牙科設計軟件 (DentalCAD，Exocad GmbH，德國)中設計完成。

1.2 網格簡化

將每個修復體單獨導入逆向工程軟件(Geomagic Wrap, 3DSystems, 美國)中,通過多邊形簡化功能減少三角形面片數量,減少至原文件的75%,然后導出簡化后STL文件并重命名為“Crown75%”,按照相同的流程,減少面片數量至50%、 25%、 10%、 5%, 分別導出STL文件并記錄其文件大小。最終實驗組共獲得了15 個修復體的75 個簡化修復體文件。參考模型則是未經簡化的數字模型。

1.3 修復體網格邊長的計算以及外形正確度的評價

在Geomagic軟件中，記錄不同簡化比例修復體的體積并測量相同區域的網格邊長。在參考模型中選擇肩臺，組織面(除肩臺)，咬合面區域，提取對應的曲線。通過曲線裁剪實驗模型的對應部位。使用“3D比較”功能分別對實驗組的肩臺、組織面(除肩臺)以及咬合面區域與參考模型的相應部位進行偏差分析。正確度用均方根誤差(root mean square error，RMSE)值表示，RMSE被認為是衡量兩個3D數據之間差異的標準化變量[10]。RMSE值越小，簡化后的修復體的精度越高，其計算公式為

式中x1,i為參考模型上的測量點,x2,i為簡化修復體數據上的測量點,i,n為每個樣本上測量點對總數。

1.4 統計學方法

使用SPSS 25(IBM,美國)軟件進行統計分析,使用Shapiro-Wilk檢驗和Levene檢驗分析數據正態性及方差齊性。采用單因素方差分析檢驗分析差異,如果單因素分析顯示存在顯著差異,將進行Tukey組間多重比較。顯著性水平設定為P<0.05。

2 結 果

不同簡化比例下單冠修復體的肩臺、組織面和咬合面的3D偏差、文件大小以及網格邊長變化如表1所示。

表1 不同簡化比例修復體的體積,文件大小、網格邊長及外形正確度的比較 (n=15)

2.1 修復體體積、文件大小以及網格邊長

網格數量減少得越多,簡化后修復體的體積與參考數據相比降低得越多,但其結果無顯著性差異(P>0.05)。隨著網格數量減少,修復體文件大小均勻的減少,網格邊長均勻增加,且均具有顯著性差異(P<0.001)。

2.2 修復體外形的正確度

簡化單冠修復體的網格數量對修復體肩臺(P<0.001)、組織面(P<0.001)和咬合面(P<0.001)的正確度均產生顯著影響。當將網格數量簡化至75%時,修復體的肩臺(P<0.001)、組織面(P<0.001)和咬合面的正確度仍然較高。當將網格數量簡化至5%時,修復體的肩臺(25.55±2.09) μm、組織面(19.76±1.55) μm和咬合面(18.18±1.69) μm的正確度最低。對不同簡化比例下的修復體進行了多重比較分析發現,除了Crown75%與Crown50%兩組之間的修復體肩臺、組織面和咬合面的正確度沒有統計學差異(P>0.05)外,其余組間多重比較均存在顯著性差異(圖1～3)。

圖1 不同簡化比例修復體在不同區域的正確度比較(含有不同字母表示組間差異顯著)

3 討 論

本研究的目標是探究網格簡化的比例對單冠修復體的外形正確度和體積的影響。對于修復體的體積,未發現顯著差異,因此接受零假設。然而,對于修復體的肩臺、組織面和咬合面的正確度,文件大小以及網格邊長,拒絕了零假設,表明網格簡化對這些方面產生了顯著影響。

隨著科技的不斷發展,數字化模型和修復體在口腔醫學中變得越來越重要。傳統的手工方法逐漸被數字化工作流程所取代,這使得口腔醫生和技師能夠更準確、更高效地進行口腔修復工作。為了將數字化模型的數據應用于CAD程序,必須將實體模型轉化為3D模型并導出為適合的文件格式,如STL[11]。在口腔數字化操作中,醫生和技師追求的目標是在數字修復體的最低分辨率下,仍能夠保持符合口腔醫學臨床標準的精確度。這種追求不僅有助于確?；颊叩闹委熀托迯蜐M足專業要求,還考慮到當前有限的計算機性能,以確保數字化操作的高效性。

影像學中的有損圖像壓縮通過犧牲一些圖像細節和信息來減小圖像文件的大小。這種壓縮方法依賴于分析和編碼圖像信息,刪除或減少不太重要的數據,同時保留對于人眼或特定應用而言最關鍵的信息[12-13]。同理,在數字化模型中,可以通過從網格中移除部分頂點和三角形,減小文件大小。然而含有復雜曲率和精細細節的曲面通常由密集的頂點組成[14]。在修復體等具有明顯特征區域周圍,例如磨牙的咬合面,通常存在高密度的頂點,而用于表示平坦形態的區域,如牙齒的唇頰舌面,通常采用較稀疏的頂點密度。網格減少后,模型的幾何形態可能會在其原始結構特征基礎上發生變化,特別是在涉及高曲率變化的區域可能會更大。因此本研究通過減少單冠修復體三角形數量,分析網格簡化對具有復雜曲率和精度要求嚴格的區域(肩臺、組織面和咬合面)外形正確度,體積,文件大小以及網格邊長的影響。

本研究中,隨著網格數量的減少,簡化后的修復體的體積相對于參考數據有所降低,但這一降低并不顯著。這意味著即使進行了不同程度的網格簡化,修復體的整體體積變化較小。與體積不同,網格簡化對修復體外形的正確度產生了顯著影響。將三角形網格減小到50%的面片數量并未導致顯著的三維偏差且文件大小減少了接近50%。這一結果與以前的研究一致[15-17]。相比之下,Elbashti等[17]將CBCT重建的STL文件簡化網格數量至75%時觀察到的三維偏差為7.8 μm,本研究中將STL模型網格數量減小到75%顯示出較小的三維偏差(咬合面0.39 μm、組織面0.69 μm、肩臺0.44 μm)?？偨Y而言,與Elbashti等的比較顱骨的實驗不同,對于單冠來說,小幅度減小網格數量對修復體的正確度影響不大。當減少網格數量大于75%,修復體的三角形數量顯著減少,網格面片邊長增加,會導致在明顯特征區域處喪失細節,正如圖2～3所示,這樣加工出來的修復體則可能出現就位不佳,咬合不適,冠邊緣不密合等問題。這一研究為單冠修復體的數字化設計提供了設置文件大小和正確度的參考。

圖2 不同簡化比例修復體組織面以及肩臺部分的網格密度比較

圖3 不同簡化比例修復體咬合面部分的網格密度比較

本研究局限在體外環境,未評價在口內的臨床適合性。未來的研究可以繼續探討不同簡化比例下的修復體在臨床中的實際效果,以確定最佳的簡化策略。此外,還可以研究不同修復體類型在不同軟件下的簡化效果,以制定更具體的網格簡化標準。

4 結 論

本研究表明在單冠修復體設計中,簡化網格數量對修復體的整體體積影響較小,但對其正確性有顯著影響。在平衡計算需求和正確性時,可以適度簡化修復體模型,以減小文件大小,降低計算需求,而對單冠修復體的正確性影響相對較小。