種植修復(fù)數(shù)字化口內(nèi)印模及其精度的影響因素

洪濤 李志文 張芳 任楠 趙瑞峰 綜述 白石柱 審校

20 世紀80 年代，計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造(computer aided design and computer aided manufacturing, CAD/CAM)技術(shù)開始被應(yīng)用于口腔修復(fù)體的設(shè)計制作，從此數(shù)字化技術(shù)在口腔醫(yī)學各個領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展[1]。CAD/CAM技術(shù)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與設(shè)計、加工制作三個環(huán)節(jié)組成。從21 世紀初開始，口內(nèi)掃描技術(shù)逐漸成熟，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于口腔修復(fù)領(lǐng)域，成為修復(fù)體制作中印模采集的重要方法。同時，口內(nèi)掃描也逐漸被應(yīng)用于口腔醫(yī)學的其他領(lǐng)域，包括正畸、種植等。

本文簡述種植修復(fù)數(shù)字化口內(nèi)印模工作流程，并對相關(guān)文獻中口內(nèi)掃描儀及種植掃描桿(implant scanning body，ISB)相關(guān)因素對種植數(shù)字化印模精度的影響進行綜述分析。

1 數(shù)字化種植印模技術(shù)

數(shù)字化種植印模是數(shù)字化種植修復(fù)的起始環(huán)節(jié)，在這一階段采集的數(shù)據(jù)對修復(fù)體的精度有著至關(guān)重要的影響。種植體位置關(guān)系轉(zhuǎn)移的不準確會影響修復(fù)體的適合性，誤差較大時修復(fù)體需要重做；較小的誤差即使能夠完成修復(fù)，在功能狀態(tài)下也會對種植體產(chǎn)生不當?shù)膽?yīng)力，進而可能造成骨-種植體界面不利的生物效應(yīng)，導(dǎo)致生物性和機械性并發(fā)癥，如種植體松動、種植體螺絲斷裂等[2]。

數(shù)字化種植印模技術(shù)工作流程可分為直接法和間接法[3]。間接法是利用傳統(tǒng)印模技術(shù)得到石膏模型，然后由修復(fù)技師通過模型掃描儀把石膏模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型。直接法是使用口內(nèi)掃描儀(Intraoral scanner，IOS)通過三維掃描、數(shù)據(jù)處理、三維重建、紋理渲染直接從患者口內(nèi)生成模型數(shù)據(jù)。

1.1 間接數(shù)字化種植印模

模型掃描儀具有相對較高的掃描精度，但是由于首先要利用傳統(tǒng)方法制取印模，因此間接法的印模精度并不能夠完全保證。傳統(tǒng)種植印模技術(shù)流程涉及多個步驟，不可避免會出現(xiàn)取模過程中的誤差，來源包括口內(nèi)取模、灌制模型中人為操作的影響，印模及模型材料的影響等；托盤的適合性、印模材料的味道和固化時間會直接影響患者對取模的接受度，繼而也會對模型采集的準確性造成影響。間接法沒有實現(xiàn)種植修復(fù)體全流程數(shù)字化制作，操作步驟較多，尤其是人為因素造成的誤差將對最終修復(fù)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

1.2 直接數(shù)字化種植印模

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今可以在口內(nèi)直接使用數(shù)字化掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)來制作種植修復(fù)體?？趦?nèi)掃描儀的使用實現(xiàn)了種植修復(fù)體全流程數(shù)字化制作，可以避免傳統(tǒng)印模技術(shù)帶來的一些問題，能夠減少人為因素的影響，減少在印模制取階段的誤差來源，改善病人的舒適度、接受度以及提高模型數(shù)據(jù)采集的效率。

數(shù)字化種植印模不同于普通修復(fù)的口內(nèi)掃描之處在于前者是將ISB與位于齦下的種植體連接后，通過掃描ISB間接獲取種植體的準確位置。因此直接數(shù)字化種植印模的誤差來源除了口內(nèi)掃描儀方面的因素，還要考慮ISB對數(shù)字印模精度的影響。

2 口內(nèi)掃描儀及其影響數(shù)字化口內(nèi)印模精度的相關(guān)因素

2.1 口內(nèi)掃描儀的工作原理

數(shù)字化口內(nèi)印模技術(shù)即口內(nèi)掃描，主要指利用三維掃描儀按照預(yù)設(shè)的掃描間隙和掃描路徑等參數(shù)對口內(nèi)相關(guān)軟硬組織表面進行采樣，獲取其表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)，將其幾何形狀數(shù)字化。該過程以大量的點拼接形成了物體表面，獲取的數(shù)據(jù)以點云形式存在。不同品牌的口內(nèi)掃描儀工作原理不同，主要包括三角測量、共聚焦顯微、立體視覺、相移干涉測量等多種掃描技術(shù)(圖1)[4]。

2.2 口內(nèi)掃描儀工作流程(圖2)

A： 三角測量法； B: 平行共聚焦測量法; C: 激光干涉測量法; D: 雙目立體視覺測量法

A: 捕獲點云; B: 點云處理后根據(jù)坐標系注冊; C: 面片拼接; D: 曲面重建; E: 重建后后處理; F: 匹配顏色

IOS掃描一幀只能捕獲對象的一部分，因此其每一幀獲取的點云數(shù)據(jù)集必須首先注冊到掃描儀內(nèi)置的全局坐標系，以便在圖像重建步驟中將它們逐幀拼接起來，也就是通過逆向工程進行圖像重建[5]。一般來說，在掃描過程中生成的點云密度越大，虛擬曲面重建的精度就越高，反之亦然。

在進行寄生蟲預(yù)防的過程中，養(yǎng)殖人員應(yīng)該對羊舍以及羊活動場所以及用具進行細致的消毒工作。如果養(yǎng)殖廠位于容易發(fā)生疾病的區(qū)域，應(yīng)該建立嚴格的消毒制度，引進專業(yè)人員來進行消毒操作，從而從病源的方面減少疫病發(fā)生的可能。

曲面重建是利用從對象曲面上獲取的點云來建立原始曲面模型的過程[6]。這是通過使用特定的軟件算法來完成的，這些算法將不同的點云拼接、過濾并轉(zhuǎn)換為點云集合。在對無牙頜患者進行口內(nèi)掃描時，由于掃描表面無足夠的特征區(qū)域或點云之間缺少用作拼接參考的數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)不準確的、有噪聲的網(wǎng)格，在曲面重建時就會產(chǎn)生復(fù)合誤差，最終導(dǎo)致圖像可能無法正確拼接；另外，后處理算法會刪除圖像的不連續(xù)部分，有可能造成部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失[7]。在掃描前增加足夠的特征區(qū)域，能夠減少不同掃描表面的拼接誤差，從而提高掃描精度。

三維重建后的數(shù)字模型沒有色彩，為滿足可視化需要，可對其賦以色彩(圖2E)。通常采用2 種方法：一種是掃描儀在掃描的同時拍攝該區(qū)域的彩色照片，隨后通過算法映射到幾何模型上；另一種方法則是在掃描過程中，感光元件在取得點云三維數(shù)據(jù)的同時獲取該點的色彩信息，從而生成彩色的三維模型[8]。常見的彩色光學掃描儀多屬于前者，3Shape Trios掃描儀屬于后者，能夠集取模和比色于一體。

軟件通過計算重新創(chuàng)建組合面片，模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出后就可以用于數(shù)字化工作流程中的設(shè)計和加工制作。根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件時的自由度，IOS系統(tǒng)可分為封閉和開放兩種體系。封閉體系導(dǎo)出的文件，只能在同品牌的設(shè)計軟件中讀取。對于開放體系，通常以標準三角語言(standard triangle language，STL)文件的形式導(dǎo)出，也可導(dǎo)出為有色彩信息的多邊形檔案(polygon file format，PLY)文件。

2.3 口內(nèi)掃描儀相關(guān)的數(shù)字化口內(nèi)印模精度影響因素

2.3.1 口內(nèi)掃描儀種類 掃描技術(shù)是專有的，不同品牌掃描儀有不同的技術(shù)原理，在不同場景下的掃描優(yōu)勢也不同。當與特定的掃描對象功能或設(shè)計相匹配時，某些掃描系統(tǒng)可能更適合和更準確。Bilmenoglu等[9]的體外研究表明，對于戴有ISB的無牙頜石膏模型，Color POD、OmniCam、Apollo DI、Color Cart、Monocor Cart和Bluecam六種掃描儀獲取的模型中，ISB誤差為31～45 μm，均能夠滿足種植修復(fù)體制作的需求；而E4D、3D Progress、Lythos和Planscan這4 種掃描儀的誤差較大。Vandeweghe等[10]的研究表明3M True Definition和Trios掃描儀有著相對較高的精度，而Lava COS不適合用于無牙頜模型的種植取模。

2.3.2 掃描儀頭部 掃描儀頭部大小在一定程度上影響了掃描的精度誤差，Hayama等[11]認為較大的掃描頭比較小的有著更好的掃描精度。掃描儀頭部距離掃描對象表面較遠時，獲取的點云之間存在過多參考點，在模型重建階段會增加計算次數(shù)從而降低識別速率；距離較近時，特征區(qū)域較少造成點云之間缺少足夠的參考點，不利于準確拼接。因此，掃描儀頭部與掃描對象表面的距離也是影響掃描精度的一個重要因素。 Kim等[12]認為當掃描頭到掃描對象的距離為2.5 mm與5.0 mm時，掃描的精度誤差相對較小。

2.3.3 掃描路徑 采用不同的掃描路徑，數(shù)據(jù)處理時拼接的方位、次數(shù)亦不相同，模型拼接完成后造成的誤差也不同。Passos等[13]的研究結(jié)果表明，頰側(cè)重復(fù)掃描路徑在真實度與精確度方面最好，該掃描路徑為27遠中-27舌側(cè)-17舌側(cè)-17遠中-17面-27面-27頰側(cè)-14頰側(cè)，17遠中-17頰側(cè)-24頰側(cè)。Müller等[14]的研究結(jié)果表明以下兩種掃描路徑獲取模型誤差較?。阂粋?cè)頰面至對側(cè)頰面繞遠中再同時掃描舌面與面到起始點，一側(cè)舌面至對側(cè)舌面繞遠中再同時掃描頰面與面到起始點；其精度誤差分別為(7.9±5.6) μm和(8.5±6.3) μm。在臨床上，采用有效的掃描路徑，減少數(shù)據(jù)拼接誤差，能夠提高數(shù)字化模型的精度。

3 ISB及其影響數(shù)字化種植印模精度的相關(guān)因素

2004 年，有學者首次利用個性化愈合基臺(The Bellatek Encode；Biomet 3i)作為可用于掃描的種植修復(fù)部件，從而獲得了種植體位置以及鄰牙、對頜牙和周圍軟組織相關(guān)的3D信息(圖3)[17]。 2008 年，Itero系統(tǒng)首次將ISB作為商品用于種植單冠修復(fù)，但此ISB僅能結(jié)合該公司自己的掃描儀和掃描技術(shù)使用[18]。之后隨著掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，ISB的設(shè)計和使用也在不斷改進和普及。

圖3 第一個可數(shù)字掃描的種植體部件

3.1 ISB的結(jié)構(gòu)

ISB通常由3 個部分組成，分別為頂部、體部、基部(圖4)。各品牌的ISB在材料、形狀、大小、表面紋理、連接結(jié)構(gòu)、回收利用性、軟件兼容性和成本方面都有較大差異(表1)。由于不同品牌的種植體所對應(yīng)的ISB不同，獲取的種植數(shù)字化模型精度也有差異。

圖4 ISB頂部、體部、基部示意圖

3.2 ISB的形狀

獲取ISB的外形及其空間位置用于在設(shè)計軟件中定位種植體和基臺，是口內(nèi)采集數(shù)據(jù)的一個重要目的，因此ISB表面設(shè)計和幾何形狀與掃描精度直接相關(guān)。ISB的整體形狀，即主結(jié)構(gòu)，比二級和三級結(jié)構(gòu)更容易被數(shù)字化掃描儀所采集[19]。ISB的主結(jié)構(gòu)一般為球形或類圓柱形設(shè)計，高度一般為3～17 mm。

Motel等[20]學者對ELOS A/S，nt-trading GmbH 和TEAMZIEREIS GmbH 3 種不同形態(tài)的ISB進行體外模型掃描并對其誤差進行分析。結(jié)果顯示：外形簡單且較平坦的ELOS A/S的平均偏差最小為41 μm，滿足常規(guī)的臨床需求。在全口種植取模中，Huang等[21]的研究表明具有橫向延長結(jié)構(gòu)的掃描桿與圓柱狀掃描桿相比可顯著提高掃描精度。

表1 常見ISB之間的區(qū)別

3.3 ISB的材料

不同品牌的ISB組成材料也不同，包括聚醚醚酮、鈦合金、鋁合金及各種樹脂，這些材料的可加工性和制造公差是影響ISB精度的一個重要因素。ISB的頂部一般是由相同的材料組成，但通常有不同的形狀，可包含1 個或多個掃描區(qū)域。ISB通過基部與種植體連接，基部材料可與體部相同，也可不同。鈦具有密度小、精確度高、強度大、可高溫消毒反復(fù)利用、生物相容性較好等優(yōu)點，但純鈦在掃描時會因為表面反光難以被識別帶來測量誤差。因此鈦及鈦合金材料通常被用作ISB的基部材料，作為頂部材料時必須要進行表面處理。

光固化樹脂，是口腔醫(yī)學領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的高分子材料[22]，通常被作為ISB的頂部材料，其優(yōu)點是輕便、易成型、不易反光、生物相容性良好，且成本低；但其缺陷為強度低、易變形，同時樹脂受溫度影響大，不可高溫消毒反復(fù)利用。

聚醚醚酮是一種熱塑性聚合物，表面不易反光、具有優(yōu)良的抗菌性能、可以高溫消毒反復(fù)利用、生物惰性對軟組織刺激非常小、穩(wěn)定性高。大部分ISB以聚醚醚酮作為頂部材料，由于其強度不高作為基部材料時多次使用會影響精度。

3.4 ISB材料相關(guān)的光散射

口內(nèi)組織及多種修復(fù)材料的光散射程度不同。遇到不同的物體時，部分光可在物體表面反射，部分光可在物體內(nèi)散射或透射，即次表面散射。次表面散射[23](sub surface scattering，SSS)指光從表面進入物體經(jīng)過內(nèi)部散射，然后又通過物體表面的其他頂點出射的光線傳遞過程，用來描述光線穿過透明/半透明表面時發(fā)生散射的照明現(xiàn)象。SSS的“光污染”會造成口內(nèi)掃描系統(tǒng)的傳感器檢測到的表面光測量值不同，因此也降低了掃描的準確度。研究表明暗淡的材料比有光澤的材料更容易掃描，唾液往往會在口內(nèi)硬、軟組織表面形成透明層增加反射表面，導(dǎo)致掃描儀所攝取的圖像中有多種紋理，影響掃描精度，因而在口腔中進行數(shù)字化掃描更具有挑戰(zhàn)性[24]。

使用口內(nèi)掃描儀對ISB掃描時所獲取的點云數(shù)據(jù)，往往會混雜有不合理的噪聲點。對不同材料掃描，獲得的點云不同，混入的噪聲點也不同，進而影響重建精度。Nedelcu等[25]的研究表明，鈦對掃描精度影響最大，其次為樹脂，氧化鋯最小。Kurz等[26]認為，天然牙和不同材料表面的掃描精度存在(0.83±0.45) μm 到(-14.79±3.45) μm 的誤差。其中，不透明初燒結(jié)氧化鋯及金屬的誤差大于天然牙釉質(zhì)，高半透明性玻璃陶瓷的誤差與天然牙釉質(zhì)相近，復(fù)合樹脂的精度誤差小于天然牙釉質(zhì)。李虹等[27]使用6 種不同的半透明均質(zhì)瓷塊研究掃描精度與物體半透明性的關(guān)系，結(jié)果顯示材料半透明性越高，其掃描精度越低。因此掃描不同材料的ISB得到的模型精度也應(yīng)不同，然而目前暫時沒有文獻報道關(guān)于ISB不同材料對掃描精度的影響研究，可能是由于無法排除不同材料加工誤差所帶來的干擾。

3.5 ISB的表面處理

掃描時粗糙表面比光滑表面更容易捕獲到數(shù)據(jù)，但也有研究表明，深紋路、倒凹、陡峭、尖銳、傾斜的表面更難以掃描，這是由于光線無法到達相應(yīng)的區(qū)域，數(shù)據(jù)缺失，從而影響掃描結(jié)果[28]。對于無牙頜患者，口內(nèi)掃描時往往會出現(xiàn)無法識別、面片分層、模型變形等問題而影響口內(nèi)印模的完整獲取，這是由于局部粘膜表面缺乏明顯的紋理特征。Kanazawa等[29]對無牙頜患者進行口內(nèi)掃描的過程中采用噴粉處理，增加粘膜表面紋理，有助于獲取全口義齒的數(shù)字化印模。Nedelcu等[25]認為噴粉的厚度對掃描精度影響不大，不過Hategan等[30]的研究表明噴粉厚度的不均勻會降低掃描的精度，而噴粉厚度的均勻程度與操作者的經(jīng)驗水平有關(guān)。

為使ISB更易識別，需要設(shè)計其表面紋理并進行適當?shù)谋砻嫣幚?，如增加頂部表面的紋路、鈦金屬表面需要增加涂層或氧化表層以提高粗糙度。但目前暫無關(guān)于ISB表面處理對掃描精度影響的文獻報道。

4 小 結(jié)

本文介紹了種植修復(fù)數(shù)字化口內(nèi)印模技術(shù)，并分析了影響印模精度的相關(guān)因素，包括掃描儀的因素如掃描路徑、掃描范圍等，以及ISB的因素如其形狀、材料、表面形貌等。目前的研究表明直接數(shù)字化種植印模的精度滿足多單位種植修復(fù)臨床需求，能夠為后續(xù)修復(fù)體的數(shù)字化設(shè)計制作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；使用ISB的種植數(shù)字印模還能避免傳統(tǒng)印模技術(shù)中主觀因素的影響，改善原有的診療方式和患者舒適度，減少椅旁時間與次數(shù)?，F(xiàn)今關(guān)于精度影響因素的研究大多僅限于模型實驗，臨床研究較少，今后還需要更多的臨床數(shù)據(jù)來評價各種因素實際產(chǎn)生的影響，以更好地指導(dǎo)臨床應(yīng)用。