口內數(shù)字印模的準確性應用探討

劉翠，張敏，蔣一，王婧，肖瑞，白陽，曹均凱

1 解放軍總醫(yī)院京中醫(yī)療區(qū)口腔科，北京 100120；2 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心口腔科，北京 100853

數(shù)字化掃描系統(tǒng)于20 世紀80 年代引入口腔科。作為口腔科計算機輔助設計/計算機輔助制造(computer aided designed/computer aided manufactured，CAD/CAM)技術的初始步驟，數(shù)字化印模越來越多地應用于單冠、多單元固定橋的制作，近年來更擴展到了口腔種植修復、全口義齒修復和贗復體等領域。而新興的數(shù)字化印模技術是直接在口內將口腔數(shù)字化并創(chuàng)建三維虛擬模型，所應用的設備被稱為口內掃描儀(intraoral scanners，IOSs)[1]。除此之外，IOSs 還被應用在比色、模擬治療過程、牙齒移動和磨損的監(jiān)測、早期齲的診斷和監(jiān)測[2]、正畸[3]、法醫(yī)口腔學[4]等領域。本文旨在提高數(shù)字印模的質量，對IOSs、口內數(shù)字印模準確性的影響因素、提高口內數(shù)字印模準確性的方法做一綜述。

1 IOSs 概述

IOSs 通常是一種便捷式手持設備，掃描儀的頭部插入口腔[4]，將光束或光網(wǎng)(結構光或激光)投射到牙齒表面或軟組織上，并通過高分辨率攝像機捕捉光束或光網(wǎng)投射到的這些結構；然后將收集到的信息利用軟件進行處理，重建所需的三維模型；從一個點云的開始，到一個多邊形網(wǎng)格的導出，被掃描的對象進一步被處理，得到最終的三維模型[5]。數(shù)字印模數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為開放式和封閉式。開放系統(tǒng)以標準細分曲面語言(standard tessellation language，STL)格式處理基牙的三維數(shù)據(jù)，該格式是口腔科CAD/CAM 系統(tǒng)中最常用的格式，制造商可以輕松訪問STL 數(shù)據(jù)。而在封閉系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的限制，印模數(shù)據(jù)只用于制造修復體[6]。

三維掃描技術有多種，如接觸式掃描和非接觸式掃描。接觸式掃描是通過物理接觸進行探測；非接觸式掃描是通過光反射或物體輻射探測物體或環(huán)境。根據(jù)不同的物理原理，可以分為激光三維掃描技術、結構光三維掃描技術、圖像三維掃描技術和接觸式三維掃描技術[7]。目前，非接觸式掃描技術得到廣泛應用，臨床上數(shù)字印模的獲取方式主要有直接口內掃描法和間接口外掃描法，口外掃描可實現(xiàn)快速高分辨率數(shù)據(jù)的采集，精度為5～ 10 μm，口內掃描的精度為50 μm。

與傳統(tǒng)的印模技術相比，口內掃描的優(yōu)點有：(1)明顯簡化了修復流程，縮短了臨床時間[8]；(2)避免了因托盤或印模材料引起的惡心不適，耐受性更好[5]；(3)不會因印模材料或石膏模型的化學反應而發(fā)生尺寸變化[9]；(4)不需要物理存儲空間[10]，無需清潔、消毒印模和印模托盤、無需灌注模型[11]；(5)印模可以通過電腦直接發(fā)送至技工室，實現(xiàn)醫(yī)技快速溝通[10]，實時可視、易于重復[11]；(6)即使在張口受限的情況下，IOSs 也可以輕松快速地獲取口腔內結構的實時成像[4]；(7) COVID-19 的主要傳播途徑有飛沫傳播、直接接觸傳播等，廣泛應用的非接觸式IOSs 減少了與口腔結構和唾液的直接接觸，并且不需要存儲石膏模型，降低了交叉感染的風險[12]?？傊徽搹目谇会t(yī)師角度，還是從患者角度，口內數(shù)字掃描都被認為是一種更快速、更方便的技術[11]。

2 常見的IOSs

了解IOSs 的性能及區(qū)別有助于幫助口腔醫(yī)師針對不同的病例選擇合適的IOS，目前臨床上應用較多、口碑較好的IOSs 有以下幾種。

2.1 CS 3600? 一款結構化光掃描儀，配有可互換和可高壓滅菌的尖端，不需要使用粉末，即使最困難的區(qū)域也能方便的掃描，并能提供3D 高清全彩圖像，具有智能匹配系統(tǒng)。

2.2 Trios3? 一種結構光掃描儀，使用共焦顯微鏡和超快光學掃描每秒捕獲3 000 多張二維圖像的技術，不含粉末，彩色掃描有助于區(qū)分天然牙結構和牙齦組織，有助于識別邊緣線[13]。

2.3 iTero? 一種口內激光掃描儀，通過平行光共聚成像，即通過多個小孔發(fā)射光束，在一定距離內的物體表面反射，進而形成三維影像，無需噴粉[14]。

2.4 Cerec Omnicam? 一種結構光掃描儀，使用白色LED，在光學三角測量和共焦顯微鏡原理下工作，不用粉末，在重建模型中融入顏色，工作流程可直接椅旁完成。

2.5 True Definition? 一種結構光掃描儀，使用脈沖可見藍光，是一種3D 視頻技術。使用鈦氧化物粉末，是一個半封閉系統(tǒng)，速度不如其他設備快[5]。

3 口內數(shù)字印模準確性的影響因素

傳統(tǒng)的修復程序涉及許多步驟，在物理印模、咬合記錄或將模型傳遞給技工室時，誤差都可能會出現(xiàn)[15]。對于一個成功的口腔修復流程，準確的數(shù)字印模是至關重要的[7]。準確性由真實度和精度來描述。真實度是指從重復測量得到的平均值與真實值的接近程度。精度是指重復測量值之間的接近程度。換句話說，真實度決定測量值與實際值的關系，精度代表重復測量的一致性[16]。

數(shù)字印模的準確性受多個因素影響，包括IOSs 設備性能、口腔環(huán)境因素(溫度、濕度)、操作員影響、掃描策略、掃描跨度、掃描時間、牙弓表面不規(guī)則性、患者運動等[9,11,17]。

3.1 口腔環(huán)境的影響 口腔環(huán)境中含有唾液、血液和口腔結構的人工反射面，這些都可能會對數(shù)字印模的準確性產(chǎn)生影響[1]?？谇粌冉Y構的光學性質和折射率與石頭、金屬、橡膠或樹脂的光學性質和折射率大不相同。天然牙齒具有不同的半透明度和陰影范圍，修復材料、牙齦和黏膜組織的光學性質與掃描的人工模型或牙模型也不同。當掃描牙釉質、牙本質的硬組織基質時，所有掃描儀的準確性表現(xiàn)相同。總的來說，牙冠預備后基牙的掃描相比全弓掃描更準確。這是由于牙冠預備后的基牙可被完整掃描，牙本質與牙釉質的折射率不同，能收集到更多的光學折射點，從而減少了拼接錯誤[8]。但在預備基牙頸部齦緣較深或出血的情況下，很難檢測到準確的邊緣線[7]。

3.2 操作員的影響 操作員的掃描技能也會對生成虛擬模型的準確性產(chǎn)生影響，即有經(jīng)驗的操作員能夠進行更準確的掃描[1]。

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3.3 掃描數(shù)據(jù)的影響 STL 文件是存儲IOSs 掃描信息的一種通用、準確且經(jīng)過時間檢驗的方法，其數(shù)據(jù)是將IOSs 的掃描結果與各種尺寸的三角形或三角形網(wǎng)格疊加，生成掃描對象的計算機模型。掃描對象越復雜，三角形就越小、數(shù)量就越多。文件的大小會影響保存及導出至技工室進行處理的速度，即必須考慮到文件大小對IOSs 分辨率的影響，也要考慮到數(shù)據(jù)保存與傳遞的準確性。近年來出現(xiàn)了新文件格式，如OBJ 和PLY，提供了量化掃描對象顏色和紋理的高級功能[18]。

3.4 掃描策略的影響 準確的掃描策略將數(shù)字制造工作流程中的不準確性降至最低，并創(chuàng)建精確的虛擬三維數(shù)據(jù)集。以無牙頜為例，IOSs 在對無牙區(qū)進行掃描時，單點云的拼接和匹配過程較差。全弓掃描的準確性與正確的掃描策略有關[1]。因此，為了獲得可用的虛擬三維模型，正確的掃描路徑至關重要。

3.5 掃描跨度的影響 隨著掃描牙弓跨度的增加，口腔內數(shù)字印模的精度下降，當掃描范圍小于半口時，精度在臨床上是可以接受的，換句話講，掃描區(qū)域越大，牙弓表面越復雜，精度越低[11]。從單冠到局部義齒再到全口義齒修復的掃描印模結果中，誤差逐漸增大，真實度都要優(yōu)于精度[13]。IOSs 不能用一張圖像掃描整個牙弓，而是一張張單張圖像通過匹配或拼接構建三維模型。而全弓掃描的誤差增強主要是由于匹配或拼接誤差，這些誤差隨著掃描長度的延長而增加[19]。

3.6 掃描深度的影響 有研究提出掃描深度也會對印模的準確性產(chǎn)生影響，增加髓腔固位冠預備的牙髓腔延伸深度會降低掃描精度，因此在掃描嵌體、高嵌體、髓腔固位冠時，選擇合適的IOSs至關重要[20]。

3.7 掃描時間的影響 從大多數(shù)IOSs 的掃描中還發(fā)現(xiàn)更長的掃描時間也會增加誤差。全弓的掃描時間與真實度和精度高度相關。當掃描一牙弓時，IOSs 通常會捕獲約1 200 張圖像。掃描錯誤可能是由于部分圖像的重疊，特別是在前牙區(qū)。前牙區(qū)數(shù)字印模誤差的增加主要是由于牙面結構較差和牙面坡度較大[7]。

3.8 不同IOSs 的差異 IOSs 在真實度和精度上存在顯著差異，多項研究對IOSs 進行了比較研究，Imburgia等[5]研究認為不同IOSs 的真實性存在顯著差異，CS 3600?給出了最好的真實結果，CS 3600?、Trios3?、Cerec Omnicam? 和True Definition?在精度上無顯著差異，但Trios3?在從牙列缺損到無牙頜模型的過渡過程中表現(xiàn)更好，也具有較高的終點線清晰度[21]，但iTero?較Trios3?、Cerec Omnicam?的真實度和精度都要更好，iTero?在磨牙間寬度和尖牙間寬度測量方面較其他IOSs 更精確[14]。全弓掃描的時間與真實度和精度高度相關，Trios3?被發(fā)現(xiàn)有最好的速度和準確性的平衡[7]。在長跨度牙弓的掃描中，如無牙頜，iTero?的準確性取決于使用的掃描策略[22]。

3.9 其他因素的影響 研究發(fā)現(xiàn)，牙弓寬度對全牙列、腭部軟組織數(shù)字印模的精度有顯著影響，其精度隨著牙弓寬度的增加而降低[23]。但總體來說，所有掃描儀在硬組織上的表現(xiàn)都優(yōu)于軟組織，牙列數(shù)字印模的真實度要高于腭部軟組織，上頜弓數(shù)字印模的真實度要高于下頜弓[10]，IOSs掃描牙列的準確性相當高，只是在牙弓的遠端、前牙區(qū)和鄰接區(qū)會有較大差異[23]。

4 提高口內數(shù)字印模準確性的方法

為了提高數(shù)字印模的準確性，研究者提出很多方法，值得臨床工作者深思和借鑒。

4.1 數(shù)字化結合的方式 錐形束CT(cone-beam computed tomography，CBCT)可反映頜骨和牙齒的硬組織。但牙冠形態(tài)和咬合關系很難在CBCT圖像中描繪出來。使用高分辨率的IOSs 可以獲得詳細的牙冠三維圖像。結合三維成像技術互補的特點，可構建具有精確冠、根形態(tài)的三維牙體模型[24]。臨床上使用IOSs 采集初始數(shù)據(jù)，使用面部掃描進行美學調整。通過三維面部掃描獲得的軟組織輪廓信息與IOSs 或口腔外掃描儀獲得的信息進行融合，是對現(xiàn)有掃描技術的理想補充[25]。3D 打印精度高，可幫助實現(xiàn)精細程度要求極高的手術[26]。融合CBCT、IOSs、面部掃描、3D 打印等信息，借助CAD 數(shù)字處理軟件，可提高數(shù)字化修復的準確性[27]。

4.2 選擇合適的掃描策略 掃描策略對掃描質量有顯著影響，對于不同的病例、不同的IOS 選擇適合的掃描策略，目前常用的掃描策略如下。(1)由外向內法：先掃咬合面，從左側第二磨牙(27)掃到右側第二磨牙(17)，經(jīng)過前庭溝返回，最后掃腭側；(2)象限法：即先掃咬合面，從右側中切牙(11)掃至17，經(jīng)過前庭溝返回，后掃腭側，再左側按同樣方式掃描；(3)六分法：先掃咬合面，從17 至右側第一前磨牙(14)，經(jīng)過前庭溝，然后是腭側，再掃咬合面，從右側尖牙(13)到左側尖牙(23)，前庭溝返回至腭側，最后掃咬合面，從左側第一前磨牙(24)開始至27，前庭溝返回到腭側[22]；(4)左右分法：一種是從左側側切牙(22)掃至17，再從右側側切牙(12)掃至27，進行重疊匹配[28]；(5)“之”字形掃描：首先掃描上頜的左1/3，從遠頰區(qū)開始，將掃描頭緩慢地按“之”字形向前牙區(qū)移動，然后返回到軟腭區(qū)，再掃上頜的中1/3，從軟腭區(qū)開始，將掃描頭慢慢地按“之”字形折向前牙區(qū)，然后回到軟腭區(qū)，最后從軟腭區(qū)開始，掃描上頜的其余1/3，緩慢地按“之”字形折向前牙區(qū)，返回右側的遠頰區(qū)[15]；(6)舌面掃描法：沿咬合面從17 向27 掃描，然后掃舌面，但不掃描頰面[24]；(7)頰面咬合腭(buccal-occlusalpalatal，BOP)策略：先掃描頰面，再掃咬合面，從腭面返回；或先掃描咬合面，再掃腭面，從頰面返回[1]；(8)順序掃描法：按順序掃描每顆牙齒的咬合面、頰面和腭面，從17 開始向各個方向做“S”形移動，不用再返回起點[22]；(9)腭部軟組織的掃描策略：從17 或27 的腭側到對側牙弓的腭側進行腭部掃描，按照“倒U”型不斷縮小掃描范圍，在17 或27 的遠端完成整個腭部的掃描[23]。

以上掃描策略可以獲得準確性更高的數(shù)字印模，其中BOP 和“之”字形技術主要用于無牙頜的口內掃描[27]。全弓掃描時推薦使用BOP 策略的“先咬合面、再腭面、頰面返回”途徑，在全弓掃描中會得到較高的真實度和精度。與傳統(tǒng)印模不同，BOP 將掃描的全弓限制在一個象限，從而獲得更好的重疊精度結果，達到提高印模準確性的目的[28]。

4.3 掃描輔助工具法 Fang等[15]介紹了一種掃描牽開器，它可以彎曲以適應上頜無牙弓的輪廓，有助于前庭區(qū)的伸展和固定、唇部和頰部的收縮，使用此工具后，使掃描獲得的數(shù)字印模質量足以確定解剖標志和義齒邊緣線，如上頜切跡、切牙乳突和牙槽黏膜轉折處。對于下頜弓，也建議一種舌側框架，可以延伸到舌側前庭的深處，以固定舌側前庭，同時收回舌頭。利用輔助工具有助于IOSs 掃描獲得更精準的印模，重建更準確的口腔解剖結構三維模型。

4.4 輔助功能性運動法 在進行口內掃描時，用手指拉伸黏膜可能有助于捕獲足夠數(shù)量的黏膜反射，并實現(xiàn)良好的邊緣封閉。必須注意不要過度伸展中間皺襞，以避免前庭組織過度移位。但傳統(tǒng)的功能性印模不僅包括操作者手動拉伸黏膜，還包括患者自己進行的邊界成型運動[22]。所以，這樣的功能性輔助掃描能提高一定的準確性，但無法完整地記錄成型運動。

4.5 輔助掃描材料的使用 為了減少掃描誤差，需要在被掃描對象上使用輔助掃描材料。一些研究報告稱，使用粉末涂層可以提高無粉末掃描儀的精度。液體型掃描輔助材料的形狀重現(xiàn)性優(yōu)于粉狀材料。

輔助掃描材料一般由二氧化鈦組成，以增強表面的不透明度，并使光線均勻反射。另外，輔助掃描材料在金屬表面相比樹脂類材料更有效。輔助掃描材料創(chuàng)造了一個統(tǒng)一的反射表面，并增強了掃描對象的不透明度，從而使IOSs 可以更有效率地識別對象。當輔助掃描材料應用于全牙弓時，掃描的時間效率和精度顯著優(yōu)于未用輔助材料。在有口腔內唾液、舌頭等限制的真實臨床環(huán)境中，輔助掃描材料的應用可以減少工作時間，更有效地獲取全弓掃描圖像[19]。在使用IOSs前，有必要仔細檢查牙齒表面是否有液體殘留，而使用三用氣槍吹干牙齒被證實可以有效消除液體引起的掃描誤差[29]。

4.6 提高腭部軟組織印模準確性的方法 掃描腭部時，參照非游離端的相對準確的后牙列區(qū)域(即頰面、腭面、咬合面)的區(qū)域重疊掃描，可提高腭部掃描的準確性[23]。另外，注意保持黏膜干燥，頻繁清除口內唾液，并從不同方向多次和慢速掃描，也可提高準確性[30]。通過使用最佳的患者特定灰度值閾值，基于軟組織的IOSs 和CBCT 掃描配準方法為完成無牙上頜的虛擬工作流程提供了準確的解決方案[31]。

5 結語

IOSs 掃描獲得的數(shù)字印模準確性是臨床可接受的，且市場一直在推出新設備，如Dentsply Sirona 的Primescan?、3 Shape 的Trios4?、Carestream的CS 3700?等[13]，新設備不斷發(fā)展，軟件不斷更新，能更好地滿足臨床需求。未來IOSs 仍面臨很多困難和挑戰(zhàn)，如掃描頭過大、無牙頜掃描準確性有待提高、游離端牙列缺損病例的口內數(shù)字印模制取問題等，但相信隨著科學研究的不斷深入，口內數(shù)字印模終將逐步取代傳統(tǒng)印模方式，為臨床醫(yī)師和患者提供更多的便利。

作者貢獻劉翠：文章總體構思、查閱文獻、撰寫初稿；王婧、肖瑞、白陽、曹均凱：監(jiān)督指導；劉翠、張敏、蔣一：審讀和修訂；曹均凱：資金獲取。

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