全冠預備體終止線局部掃描正確度對整體的影響

姜 楠，包旭東，岳 林

(北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院，牙體牙髓科 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心 口腔數(shù)字化醫(yī)療技術和材料國家工程實驗室 口腔數(shù)字醫(yī)學北京市重點實驗室, 北京 100081)

椅旁修復牙體缺損的計算機輔助設計與計算輔助制造(computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM)系統(tǒng)自1984年問世以來，因其操作流程簡便而在臨床越來越廣泛地應用[1]。這項數(shù)字化技術在臨床上實施的第一步是應用口內(nèi)掃描儀對預備體進行掃描以獲取數(shù)字化印模，它替代了傳統(tǒng)修復中印模材料制取的實體印模[2]，這一操作的精準性是整個數(shù)字化牙體修復成敗的關鍵[3]。隨著口內(nèi)掃描儀臨床應用的普及，研究報道也逐漸增多。早期研究多關注于口內(nèi)掃描儀獲取全冠預備體的整體掃描正確度，并得到其與傳統(tǒng)印模正確度類似的結果[4-5]。隨著近年來研究的進一步深入，學者們開始發(fā)現(xiàn)全冠預備體某些局部位置的終止線掃描數(shù)據(jù)存在缺陷[4]。2002年，Mou等[6]發(fā)現(xiàn)CEREC口內(nèi)掃描系統(tǒng)對全冠預備體遠中部位終止線的掃描正確度低于其他區(qū)域。2018年，Nedelcu等[7]揭示全冠預備體終止線局部位于齦下時其掃描正確度遠低于局部位于齦上的掃描正確度。2019年，Sim等[8]最新研究表明，全冠預備體鄰面局部區(qū)域及終止線的掃描正確度低于預備體其他部位。終止線作為修復體組織面與預備體之間銜接界面的外緣線，是唯一可以與口腔環(huán)境發(fā)生連通的區(qū)域，即便是局部終止線的掃描正確度有問題，也會導致修復體的這一部位邊緣適合性降低，甚至發(fā)生微滲漏，影響修復體的遠期效果[9]。Nedelcu等[7]還對應用三角測量原理、共聚焦顯微成像原理以及主動波陣面采樣原理的7種目前臨床常用的口內(nèi)掃描儀獲取全冠預備體終止線的掃描正確度進行了比較和評價，結果顯示各口內(nèi)掃描儀的掃描正確度有所差異。目前，臨床在進行口內(nèi)掃描時，尚未能了解到全冠預備體終止線易產(chǎn)生掃描缺陷的部位及其原因。本研究旨在比較CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取全冠預備體局部終止線的掃描正確度，并探尋終止線掃描正確度下降的部位及可能的影響因素，為臨床提高全冠預備體邊緣掃描質量提供指導。

1 資料與方法

1.1 標準全冠預備體模型制備與分組

使用上頜標準樹脂牙列模型(日進公司，日本)作為實驗模型，將右上第一磨牙制備為標準全冠預備體，其中牙合面預備量1.5 mm，牙合齦向高度5 mm，軸壁聚合度10°～12°，肩臺寬1 mm，為內(nèi)線角圓鈍的直角肩臺，終止線平齊齦緣。

將預備體近、遠中均有鄰牙的掃描后數(shù)據(jù)作為牙列內(nèi)全冠預備體組，將近、遠中均無鄰牙的掃描后數(shù)據(jù)作為孤立全冠預備體組。另外,根據(jù)使用的口內(nèi)掃描儀分為CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀組和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀組。

1.2 操作者自身一致性檢驗

1.2.1應用三種掃描儀掃描全冠預備體 (1)掃描方法：①應用Imetric掃描儀掃描全冠預備體：按照設備指導，先對Imetric掃描儀進行校準，然后將全冠預備體標準模型放入掃描儀內(nèi)部掃描平臺上，對全冠預備體進行掃描，將其以STL格式數(shù)據(jù)導出并儲存。②應用CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀掃描全冠預備體：將牙列模型固定于勻速平移臺上，同時用固定夾分別固定CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀取像探頭，使取像探頭透光面平行全冠預備體牙合面，應用數(shù)顯角度尺(分辨率0.05°，規(guī)格0～200 mm)固定掃描距離(指取像探頭至全冠預備體終止線的垂直距離)為10 mm。由遠中向近中方向勻速移動標準模型，平移速度約2mm/s，從而使取像探頭由近中向遠中方向相對勻速平移，從右上第二前磨牙牙合面開始，至右上第二磨牙牙合面止，計為一次整體掃描。將其以STL格式數(shù)據(jù)導出并儲存。(2)掃描程序：首次掃描：應用Imetric掃描儀、CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀，分別按照上述掃描方法，重復掃描6次，獲得6個 STL格式數(shù)據(jù)。第二次掃描：1周后由同一操作者應用同一掃描儀按照同樣方法,對同一全冠預備體標準模型再次重復掃描6次，儲存為STL格式數(shù)據(jù)。

1.2.2提取整體終止線STL格式數(shù)據(jù) 將上述STL格式數(shù)據(jù)文件導入Geomagic Studio 2013軟件(Geomagic公司，美國)，使用軟件中的繪制曲線、轉為邊界、選擇有界組件功能，提取全冠預備體整體終止線圖像(圖1)。

圖1 提取的全冠預備體終止線示例

1.2.3掃描終止線STL格式數(shù)據(jù)間差異的比較 將Imetric掃描儀、CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取的全冠預備體整體終止線STL格式數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio 2013軟件中，應用最佳擬合對齊功能對同一掃描儀前后兩次掃描的整體終止線STL格式數(shù)據(jù)進行兩兩配準，采樣大小設為1 500個參考點(圖2)， 配準的兩個圖像數(shù)據(jù)以最佳適配校準算法重疊;然后對配準了的數(shù)據(jù)進行3D偏差分析，以差異分布彩圖的形式輸出，獲得均方根誤差(root mean square，RMS)值(圖3)。

A, finish line of the full crown preparation obtained by Imetric scanner; B, finish line of the full crown preparation obtained by CEREC Omnicam oral scanner; C, finish line of the full crown preparation after best fit alignment.

圖3 3D偏差分析示例

RMS值用以作為兩個三維模型數(shù)據(jù)間差異大小的指標，RMS值越小，表明兩數(shù)據(jù)差異越小[10]。

其中x1,i表示參考三維模型的測量點，x2,i表示口內(nèi)掃描儀三維模型的測量點，n代表三維模型的點數(shù)，RMS值僅計算牙齒區(qū)域，不計算牙齦區(qū)域。

1.3 牙列內(nèi)全冠預備體終止線RMS值比較

1.3.1CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀全冠預備體整體終止線RMS值比較 采用Imetric掃描儀首次掃描獲得的STL格式數(shù)據(jù)作為參考真值，同時將CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀首次掃描的牙列內(nèi)全冠預備體整體終止線STL格式數(shù)據(jù)，均導入Geomagic Studio 2013軟件中；然后應用最佳擬合對齊功能，將CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取的STL格式數(shù)據(jù)與參考真值進行配準，采樣大小設為1 500個參考點，對配準后的圖像數(shù)據(jù)進行3D偏差分析，獲得RMS值。RMS值越小，表明與參考真值間差異越小，正確度越高[10]。

1.3.2全冠預備體局部終止線RMS值比較 (1)提取局部終止線STL格式數(shù)據(jù):提取參考真值、CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀首次掃描時獲取的全冠預備體局部(近、遠中端，頰、舌側)終止線STL格式數(shù)據(jù) (圖4), 方法與提取整體終止線STL格式數(shù)據(jù)相同。(2)全冠預備體局部終止線RMS值比較:采用CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀的局部終止線STL 格式數(shù)據(jù)，與參考真值進行配準及3D偏差分析，獲得相關RMS值，同樣RMS值越小，正確度越高。

A, mesial finish line; B, distal finish line; C, buccal finish line; D, lingual finish line.

1.4 孤立全冠預備體終止線RMS值比較

1.4.1應用CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀掃描孤立全冠預備體 將右上第一磨牙全冠預備體的前后鄰牙去除，建立孤立全冠預備體模型。分別應用CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲得6個孤立全冠預備體的STL格式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集方法與操作者一致性檢驗的方法相同。

1.4.2提取孤立全冠預備體終止線STL格式數(shù)據(jù) 將STL格式數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio 2013軟件中，提取出整體終止線及局部終止線的STL格式數(shù)據(jù)，提取方法與牙列內(nèi)全冠預備體終止線RMS值比較部分的方法相同。

1.4.3孤立全冠預備體終止線RMS值比較 (1) 孤立全冠預備體整體終止線RMS值比較：獲得RMS值方法與牙列內(nèi)全冠預備體終止線RMS值比較這一部分相同。(2) 孤立全冠預備體局部終止線RMS值比較：獲得RMS值方法與牙列內(nèi)全冠預備體終止線RMS值比較這一部分相同。

1.5 統(tǒng)計學分析

1.5.1操作者自身的一致性檢驗 將Imetric掃描儀、CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀前后兩次獲取的RMS值導入SPSS 22.0軟件(IBM公司，美國)， 進行組內(nèi)相關系數(shù)(intraclass correlation coeficient，ICC)檢驗[11]。

1.5.2全冠預備體終止線RMS值比較 使用Kolmogorov-Smirnoff檢驗各組數(shù)值的正態(tài)分布，使用Levene’s test檢驗方差齊性。對于CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀間的整體或局部終止線數(shù)據(jù)比較以及同一口內(nèi)掃描儀牙列內(nèi)全冠預備體與孤立預備體整體或局部終止線數(shù)據(jù)的比較，如符合正態(tài)分布及方差齊性，則進行配對樣本t檢驗，如不符合則應使用Wilcoxon signed-rank檢驗。對于同一口內(nèi)掃描儀牙列內(nèi)全冠預備體或孤立全冠預備體各部位終止線間的數(shù)據(jù)比較，若符合正態(tài)分布及方差齊性，則進行重復測量方差分析，如不符合則應使用Frideman檢驗。檢驗水準均為α=0.05。

2 結果

2.1 操作者自身的一致性

Imetric掃描儀的ICC值是0.84，CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀的ICC值是0.77，3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀的ICC值是0.77。ICC值均大于0.75，表明一致性好。

2.2 牙列內(nèi)全冠預備體終止線的RMS值比較

2.2.1整體終止線的RMS值比較 CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀掃描全冠預備體整體終止線的RMS值[(44±7) μm]大于3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀[(35±6) μm]，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

2.2.2局部終止線的RMS值比較 CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀掃描全冠預備體的近、遠中,頰、舌側終止線RMS值與3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀的RMS值見表1。CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀掃描全冠預備體遠中終止線的RMS值最大，大于近中和頰、舌側終止線的RMS值，經(jīng)重復測量方差分析，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。近中RMS值大于頰、舌側，但差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀掃描全冠預備體近、遠中終止線的RMS值均大于頰、舌側終止線的RMS值，經(jīng)重復測量方差分析，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05),但近中與遠中終止線的RMS值差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)， 頰側和舌側終止線的RMS值差異也無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀遠中終止線的RMS值大于3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀(P<0.05)，見表1。

表1 全冠預備體各部位終止線的RMS值比較(n=6)

2.3 孤立全冠預備體終止線的RMS值比較

2.3.1整體終止線的RMS值比較 CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取牙列內(nèi)全冠預備體與孤立全冠預備體整體終止線的RMS值見表2。CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取孤立全冠預備體整體終止線的RMS值均顯著小于牙列內(nèi)全冠預備體組，經(jīng)配對樣本t檢驗，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀獲取孤立全冠預備體整體終止線的RMS值與3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀相比，經(jīng)配對樣本t檢驗，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表2 牙列內(nèi)全冠與孤立全冠預備體完整終止線的RMS值比較 (n=6)

2.3.2局部終止線的RMS值比較 CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀掃描牙列內(nèi)全冠預備體與孤立全冠預備體的局部終止線RMS值見表3。CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取孤立全冠預備體近、遠中局部終止線的RMS值均小于牙列內(nèi)全冠預備體，經(jīng)配對樣本t檢驗，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，而對于頰、舌側局部終止線的RMS值，CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀獲取孤立全冠預備體近中局部終止線的RMS值，與3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀相比差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，遠中終止線的RMS值雖然大于3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀，但差異也無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表3 孤立全冠與牙列內(nèi)全冠預備體局部終止線掃描RMS值比較(n=6)

3 討論

3.1 掃描成像原理對全冠預備體終止線掃描正確度的影響

正確度指大量測量值的均值與參考真值間的一致程度,RMS值可表示兩個三維模型間的差異，用來評估三維模型的正確度，本研究用RMS值來表示掃描正確度。RMS值越小即兩個三維模型間的差異越小，掃描正確度越高。計算RMS值時在軟件取樣中可能存在誤差，為控制該誤差首先檢驗了操作者自身一致性，研究首先保證掃描取像獲得模型數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，實驗中將牙列模型固定于勻速平移臺,并用固定夾固定掃描儀探頭進行掃描取像；其次，保證正確提取三維模型圖像終止線，實驗中每個樣本均采用了相同版本的Geomagic軟件，使用人工曲線繪制、自動邊界轉化功能，檢驗結果顯示一致性良好，有效避免了軟件取樣對計算RMS值的影響。

不同口內(nèi)掃描系統(tǒng)的掃描正確度有可能不一樣，這與掃描成像原理有關系。本研究比較了CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀兩種口內(nèi)掃描儀的掃描正確度，結果發(fā)現(xiàn)CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀獲取全冠預備體整體終止線的正確度低于3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀。現(xiàn)有口內(nèi)掃描技術主要應用主動三角測量、共聚焦顯微成像和主動波陣面采樣三種掃描成像原理[12]。三角測量指的是光束從掃描探頭斜向投射到牙齒表面，經(jīng)反射后被圖像傳感器捕獲，從而獲取牙齒表面圖像信息成像，如CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀采用該工作原理進行掃描成像。共聚焦顯微成像原理是通過點光源逐層掃描，獲取牙齒不同深度的焦平面形貌數(shù)據(jù)，從而構建出牙齒的三維形貌，如3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀。主動波陣面采樣原理是利用采樣光路中的旋轉偏心孔裝置過濾牙齒上的反射光線，然后結合已知光路系統(tǒng)參數(shù)，計算獲得牙齒表面被測點的空間坐標形成圖像，3M的True Definition口內(nèi)掃描儀即采用該成像原理[2]。Nedelcu等[7]的研究推測掃描原理的差異可能是掃描儀獲取全冠預備體終止線正確度有差異的原因之一。他們的研究比較了應用上述3種掃描原理的7個口內(nèi)掃描儀的掃描精度，結果表明3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取全冠預備體整體終止線精度最佳，優(yōu)于CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3M True Definition口內(nèi)掃描儀，這與本研究結果類似。

本研究進一步提取全冠預備體近、遠中和頰、舌側局部終止線，比較各部位正確度差異，發(fā)現(xiàn)CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀對遠中終止線的掃描正確度顯著低于3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀，這導致前者獲取全冠預備體整體終止線的正確度值低于后者。CEREC掃描系統(tǒng)應用三角測量原理，其掃描光線從近中斜向遠中入射，預備體本身會形成遮擋，在遠中部位產(chǎn)生陰影現(xiàn)象[3, 10]，因而遠中終止線掃描正確度下降，影響了整體掃描正確度。3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀應用共聚焦顯微成像原理[1]，掃描光源入射光路與反射光路的路徑一致，不存在預備體自身遮擋導致的遠中陰影現(xiàn)象,因此CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀對全冠預備體整體終止線的掃描正確度也就顯著低于3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀。其他掃描儀如Lava C.O.S口內(nèi)掃描儀的掃描原理為主動波陣面采樣技術[1]，也不存在預備體自身遮擋導致的遠中陰影現(xiàn)象。

本研究還發(fā)現(xiàn)CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀對全冠預備體遠中部位終止線的掃描正確度最低，低于近中和頰、舌側，Mou等[6]的研究也得出類似結果。他們觀察了預備體聚合度和高度對全冠修復體內(nèi)部適合性的影響，發(fā)現(xiàn)修復體與全冠預備體近、遠中軸壁間的內(nèi)部間隙均增大，但遠中軸壁的內(nèi)部間隙增大幅度更多，該學者也認為是CEREC系統(tǒng)三角測量原理的遠中陰影現(xiàn)象所致。

3.2 鄰牙遮擋對全冠預備體終止線掃描正確度的影響

本研究發(fā)現(xiàn)CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀獲取全冠近、遠中終止線的RMS值均顯著大于頰、舌側，即近、遠中部位的終止線正確度都低于頰、舌側。由于CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀和3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀掃描光源均為非平行光，當兩種口內(nèi)掃描儀的取像探頭由牙列近中向遠中勻速移動掃描時，近、遠中區(qū)域均可能受鄰牙遮擋，導致進入近、遠中部位終止線的入射光線光強下降，同時預備體表面的反射、散射光線也可能受鄰牙的遮擋，導致掃描儀的光線接收設備接收的反射、散射光線光強下降，而頰、舌側部位終止線區(qū)域的掃描光線沒有遮擋的因素影響。這可能是導致近、遠中終止線正確度低的原因。

為驗證上述推論，本研究設計去除鄰牙遮擋,觀察孤立預備體的掃描正確度，結果發(fā)現(xiàn)無論是CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀還是3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀，獲取全冠預備體整體終止線的正確度顯著提高。同樣進一步提取全冠預備體近、遠中和頰、舌側局部終止線，比較各部位正確度差異，結果顯示近、遠中終止線的正確度明顯提高，而頰、舌側終止線正確度沒有明顯變化，充分驗證了鄰牙對掃描光線的遮擋作用是造成全冠近、遠中部位終止線正確度下降的重要原因。消除鄰牙遮擋之后，雖然CEREC Omnicam口內(nèi)掃描儀獲取整體終止線及遠中終止線的掃描正確度仍低于3Shape TRIOS口內(nèi)掃描儀，但兩者間差異無統(tǒng)計學意義，說明鄰牙遮擋是造成終止線正確度下降的主要原因，而自身結構的遮擋對終止線掃描正確度影響較小。

本研究發(fā)現(xiàn)，全冠預備體近、遠中局部終止線的掃描正確度遠低于其他部位，其主要原因是鄰牙遮擋，由此可導致整體終止線掃描正確度的下降。本研究所采用的兩種口內(nèi)掃描儀的掃描正確度也存在差異，因此，在臨床應用口內(nèi)掃描技術獲取牙冠預備體數(shù)字化印模時，術者應充分了解所使用掃描儀的光學成像原理，從操作層面調整掃描方向和角度，盡量避開鄰牙對光線的遮擋，力爭將掃描正確度提高，從而獲得高質量的全冠修復體。

(志謝：感謝北京大學口腔醫(yī)學院·口腔醫(yī)院口腔醫(yī)學數(shù)字化研究中心王勇教授、張馨月老師在儀器設備使用及口腔數(shù)字化理論基礎方面給出的指導)