數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

奚祺 吳國鋒

數(shù)字化口內(nèi)掃描(Intra-oral scanning)技術(shù)已經(jīng)成為臨床正在普及的一種先進技術(shù)，近年來基于不同技術(shù)原理國內(nèi)外各種新型口內(nèi)掃描系統(tǒng)迭代推出、臨床應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，更好地幫助醫(yī)師準確、精細、高效地開展數(shù)字化口腔診療技術(shù)。在此臨床大背景下，因此有必要回顧數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)的發(fā)展歷程、系統(tǒng)學習此項技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，幫助臨床科學選擇適合的口內(nèi)掃描系統(tǒng)產(chǎn)品。本文將概述數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)的發(fā)展歷程，基于現(xiàn)有主要口內(nèi)掃描系統(tǒng)對其主要技術(shù)原理進行詳細講解，并對其未來發(fā)展趨勢進行展望。

1 數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)的發(fā)展歷程

1977 年Young等[1]基于全息技術(shù)開發(fā)出口內(nèi)網(wǎng)格繪圖系統(tǒng)，受此啟發(fā)最早提出對口腔組織進行數(shù)字化掃描的設(shè)想。1980 年瑞士Werner M?rmann醫(yī)師和意大利Marco Brandestini工程師合作成功實現(xiàn)了這一設(shè)想，首次開發(fā)出了口內(nèi)掃描技術(shù)，并在兩年后研制出世界上第一臺手持式口內(nèi)掃描儀。1984 年Duret等[2-3]研制出了首套包含口內(nèi)掃描技術(shù)在內(nèi)的牙科專用CAD/CAM設(shè)備，獲得專利授權(quán)保護后被德國Sirona(原西門子)公司收購，于1987年推出了首個商用數(shù)字化牙科CAD/CAM產(chǎn)品-CEREC Ⅰ。該系統(tǒng)最初使用256×256像素的攝像機進行口內(nèi)數(shù)據(jù)采集，僅能滿足嵌體椅旁CAD/CAM的治療需要，隨后升級推出的CEREC Ⅱ、 Ⅲ產(chǎn)品性能不斷提升擴大應(yīng)用于各類高嵌體、單冠、固定橋等修復體類型[4-5]，也逐漸用于全口義齒、活動義齒的修復，成為如今數(shù)字化口腔修復臨床的標準技術(shù)之一。上世紀90 年代后口內(nèi)掃描技術(shù)在口腔正畸領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了巨大成功，1997 年美國Align公司首次利用數(shù)字化口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)制作出隱形矯治器，該技術(shù)較傳統(tǒng)矯治技術(shù)更加精準、快捷、美觀、舒適。隨后2002年Wiechmann[6]首次將口內(nèi)掃描技術(shù)應(yīng)用于舌側(cè)矯治器托槽的CAD/CAM，從而方便為患者高效定制個性化正畸矯治裝置。早期口內(nèi)掃描儀產(chǎn)品操作前需對牙齒等口內(nèi)組織預先表面噴粉，并且只能獲得黑白色數(shù)字化模型。 2006 年Bush等[7]首次實現(xiàn)了無牙頜患者口內(nèi)數(shù)據(jù)采集。 2011 年3Shape公司首次推出彩色數(shù)字化口內(nèi)掃描儀(Trios)，突破了需要噴粉的技術(shù)障礙，可以獲得口腔組織的彩色圖像信息，隨后其他廠家也推出類似產(chǎn)品并且成為當今口內(nèi)掃描儀的技術(shù)主流。我國國產(chǎn)數(shù)字化口內(nèi)掃描產(chǎn)品問世較晚，2016 年朗呈醫(yī)療推出第一個擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)系統(tǒng)——DL-100口內(nèi)掃描儀。目前數(shù)字化口內(nèi)掃描正與CBCT、面部三維掃描、數(shù)字化下頜軌跡描記等多種數(shù)字化手段獲取的多源口腔頜面數(shù)據(jù)進行更好地數(shù)據(jù)融合，并在臨床操作上更加高效、 掃描結(jié)果更為精準，例如可在手機端或平板上操作的掃描管理軟件，提供滿足患者、醫(yī)師、技師等不同需求的一站式數(shù)字化解決方案。

2 數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)的技術(shù)原理

現(xiàn)有數(shù)字化口內(nèi)掃描系統(tǒng)成像均基于光學掃描技術(shù)原理(圖 1)，采用光源進行口內(nèi)組織照明，然后通過數(shù)字傳感器捕捉后進行信息后處理及數(shù)據(jù)輸出。口內(nèi)掃描系統(tǒng)依據(jù)其使用光源不同可主要分為兩大類：一類是基于激光技術(shù)的口內(nèi)掃描系統(tǒng)，所應(yīng)用的技術(shù)原理主要為平行共焦成像技術(shù)和激光三角測量等技術(shù)，口內(nèi)掃描時能從不同的角度和位置捕捉口腔組織圖像；第二類是基于可見光技術(shù)的口內(nèi)掃描系統(tǒng)，技術(shù)原理是通過靜態(tài)圖像采集、視頻捕獲及實時圖像捕捉等技術(shù)方法采集圖像。下面對上述技術(shù)原理分別做詳細介紹[8]:

圖 1 數(shù)字化口內(nèi)掃描儀成像技術(shù)原理及其代表性商用產(chǎn)品

2.1 平行共焦成像技術(shù)

平行共焦成像技術(shù)(Parallel Confocal Imaging Technique)最早起源于顯微鏡成像領(lǐng)域，其方法是將平行激光束通過口內(nèi)掃描儀掃描頭發(fā)送并投射到被掃描物體上，以特定的焦距照射目標后激光束會反射并通過一個小孔并被激光探測器收集，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，通過逐層掃描最終構(gòu)建出口內(nèi)組織的三維圖像(圖 2)。代表性產(chǎn)品為iTero(Align Technology，美國)系統(tǒng)，該掃描儀工作時以300 個不同的焦距投射約10 萬條平行紅色激光束，在1/3 s內(nèi)可對14 mm×18mm的區(qū)域進行采樣，然后將其結(jié)果進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換和輸出。最新的iTero口內(nèi)掃描系統(tǒng)可以捕獲約350 萬個數(shù)據(jù)[9]，顯著增強了數(shù)據(jù)采集能力(掃描速度從原先每秒800 幀提高到每秒6 000 幀圖像)。

圖 2 平行共焦成像技術(shù)原理圖

2.2 激光三角測量技術(shù)

激光三角測量技術(shù)(Laser Triangulation Imaging Technique)原理是指掃描儀利用紅色激光束與微鏡以每秒約2 萬個周期的頻率振蕩，從被掃描物體周圍的多個角度捕獲一系列靜止圖像從而生成三維模型(圖 3)，其突出技術(shù)優(yōu)點是相機僅需要掃描單個方向即獲取該圖像中捕獲目標區(qū)域的所有表面形貌細節(jié)[9]。代表性產(chǎn)品為E4D系統(tǒng)(D4D Technologies，美國)和普蘭梅卡(Planmeca，芬蘭)系統(tǒng)，兩者不同之處在于前者使用的是紅色激光束光源，而后者采用的是藍色激光束光源進行投射。

圖 3 激光三角測量技術(shù)原理

2.3 結(jié)構(gòu)光成像及激光三角測量技術(shù)

結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)及激光三角測量方法(Structured Light Imagingand Laser Triangulation Technique)組合使用有助于連續(xù)捕獲圖像，從而能夠精確地標識出牙齒三維表面形態(tài)。代表性產(chǎn)品為CS3500(Carestream Dental，美國)，該產(chǎn)品利用綠色激光和四個發(fā)光二極管來采集和照明物體，采用互補金屬氧化物半導體(complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS)傳感器來接收采集的數(shù)據(jù)，掃描儀的取景范圍為16 mm×12 mm，工作深度為-1～15 mm，無需噴粉即可進行全牙列掃描，并且獲取的數(shù)字數(shù)據(jù)可用于渲染彩色模型。

2.4 靜態(tài)圖像采集技術(shù)

靜態(tài)圖像采集技術(shù)(StillImage Capture Technique)采用了一種名為主動三角測量的技術(shù)，其原理是通過三條線性光束的交點在三維空間中定位[11]進行數(shù)據(jù)采集。代表性產(chǎn)品為Cerec Omnicam/Bluecam(Sirona,德國)系統(tǒng)。德國Sirona公司的早期產(chǎn)品Cerec Bluecam使用紅外光技術(shù)(其波長為820 nm)，而新一代Cerec Omnicam產(chǎn)品則采用藍色光波(470 nm)掃描牙列，改善波長參數(shù)可以加深景深，掃描精度提高約60%[10-11]，此外還有助于還原真實圖像。新一代國產(chǎn)口內(nèi)掃描系統(tǒng)(朗呈DL-202)也是基于這一技術(shù)原理工作，不同之處在于其選用了LED白光作為口內(nèi)相機的部分光源，無需噴粉即可真彩還原口內(nèi)三維數(shù)據(jù)。

2.5 視頻捕獲技術(shù)

視頻捕獲技術(shù)(Video Capture Technique)中的主動波前采樣技術(shù)是唯一一種可捕獲視頻序列中的三維數(shù)據(jù)并實時建模的技術(shù)。主動波前采樣指的是通過基于主光學系統(tǒng)的散焦來測量深度，從而從單鏡頭成像系統(tǒng)中獲取3D信息。代表性產(chǎn)品為LavaCOS(3M，美國)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含的192 個藍色LED照明、 3 個傳感器和22 個鏡頭可以從不同的角度同時捕獲掃描物體，然后用專用圖像處理算法利用捕獲信息實時生成物體三維表面模型。該口內(nèi)掃描儀取景范圍為10 mm×13.5 mm，與前述使用三角測量原理系統(tǒng)參數(shù)接近，不足之處在于由于需要掃描前噴粉，因此渲染的模型是單色的。

2.6 極速光學切片技術(shù)

極速光學切片技術(shù)(Ultrafast Optical Sectioning Technique)與視頻捕獲技術(shù)相似，可提高連續(xù)圖像捕獲時的掃描速度。代表性產(chǎn)品為Trios系統(tǒng)(3Shape，丹麥)，工作時每秒可捕獲3 000余幅二維圖像，取景范圍為17 mm×20 mm，工作景深為0～18 mm。另外與其他基于可見光的口內(nèi)掃描系統(tǒng)相比，該類產(chǎn)品具有捕獲和渲染全彩色模型的能力。最新推出的第三代Trios產(chǎn)品集成了用于拍攝高清圖像的口內(nèi)攝像頭，同時還推出了具有無線掃描儀的新版本，可顯著提高掃描速度與精度。

目前國內(nèi)外市場上可售的口內(nèi)掃描系統(tǒng)產(chǎn)品超過22 個，雖然數(shù)字化口內(nèi)掃描的臨床工作流程類似，但不同廠家掃描儀的臨床適應(yīng)證存在一定差異(表 1)。不同口內(nèi)掃描系統(tǒng)的掃描頭大小、重量存在顯著差異(表 1、 圖 4)，作者實測了國內(nèi)市場上常見的五種數(shù)字化口內(nèi)掃描系統(tǒng)產(chǎn)品，掃描頭尺寸上國產(chǎn)朗呈的口內(nèi)掃描頭最小、iTero的口內(nèi)掃描頭最大，重量上普蘭梅卡(Planmeca)最輕、iTero產(chǎn)品最重。

表 1 5 種常見數(shù)字化口內(nèi)掃描儀的功能及其適應(yīng)癥

3 數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)的臨床應(yīng)用

3.1 牙體及牙列缺損

口內(nèi)掃描技術(shù)最早應(yīng)用于口腔修復領(lǐng)域，目前已廣泛成熟應(yīng)用于牙體缺損修復和局部牙列缺損修復(圖 5)?，F(xiàn)有絕大多數(shù)口內(nèi)掃描系統(tǒng)產(chǎn)品獲取的數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)為開放格式(表 2)，可以便捷地導入牙科數(shù)字化口腔修復設(shè)計軟件中進行后續(xù)設(shè)計與制作，極大提高了臨床診療效率與精準度，減少了患者候診時間與就診次數(shù)。例如口內(nèi)掃描技術(shù)相比于傳統(tǒng)印模方式省去了口腔印模制取、灌注石膏模型、石膏模型消毒等臨床流程，其獲取的數(shù)字化模型精度、穩(wěn)定性和可重復性更高[12]。當前口內(nèi)掃描系統(tǒng)正在結(jié)合其他各種數(shù)字化手段形成新的臨床診療技術(shù)，以數(shù)字化微笑設(shè)計(Digita lsmiledesign，DSD)[13]、以修復結(jié)果為導向的數(shù)字化種植導板等先進技術(shù)能夠快速呈現(xiàn)出預期修復結(jié)果，利于促進醫(yī)患交流，有效提升患者滿意度。

牙列畸形矯治是目前數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)臨床應(yīng)用的另外一個主要領(lǐng)域，自從1997 年美國Align公司依據(jù)口內(nèi)掃描儀獲取數(shù)據(jù)成功制作出invisalign無托槽隱形矯治產(chǎn)品后，數(shù)字化正畸技術(shù)獲得了巨大的商業(yè)成功。相比于傳統(tǒng)正畸診療模式，利用口內(nèi)掃描儀進行快速取模后能即刻呈現(xiàn)設(shè)計并呈現(xiàn)出矯正后效果。正畸醫(yī)生還可利用數(shù)字化模型提前模擬托槽的位置，用于制作個性化托槽粘接導板，從而大大提升了粘接托槽的準確度，減少了椅旁操作時間。3shape Trios口內(nèi)掃描系統(tǒng)配套的分析軟件還可以實現(xiàn)虛擬排牙、牙齒移動分析等，大大增強了正畸的可控性。

作者近年來將口內(nèi)掃描技術(shù)用于牙周炎患者的治療，用于控制牙合力和療效評價。牙周附著喪失導致的牙齒容易松動或移位，繼發(fā)可能存在咬合早接觸及非功能側(cè)牙合干擾?？趦?nèi)掃描避免了傳統(tǒng)口腔印模中牙齒移位導致的模型精度問題，作者依據(jù)口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)設(shè)計了個性化數(shù)字化牙合墊或牙周夾板(圖 6)，配合常規(guī)牙周感染控制手段治療牙周病，目前已有2 年以上觀察期臨床病例顯示口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)準確、患者佩戴后舒適性更好。

3.2 頜骨及軟組織缺損或缺失

各類先天性唇腭裂或后天腫瘤外傷等導致的頜面部缺損印模制取一直是臨床疑難問題，因取模對象為上下頜骨、腭部以及顏面器官組織，傳統(tǒng)口腔印模方法并不適合使用。作者近年來應(yīng)用口內(nèi)掃描技術(shù)獲取頜骨缺損(圖 7)、腭部缺損(圖 8)等病例數(shù)據(jù)獲得滿意效果。于曉楠等采用口內(nèi)掃描技術(shù)對單側(cè)眶部缺損患者的健側(cè)眶周皮膚表面紋理進行數(shù)據(jù)采集，成功獲得了患者個性化皮膚紋理、色斑甚至毛孔等顏色形態(tài)信息，通過鏡像翻轉(zhuǎn)技術(shù)用于數(shù)字化眼眶贗復體的設(shè)計制作(圖 9)。

圖 4 5 種常見口內(nèi)掃描系統(tǒng)的掃描頭大小測量圖

圖 5 固定橋牙體預備后數(shù)字化口內(nèi)掃描結(jié)果 圖 6 基于口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)設(shè)計牙周夾板 圖 7 半側(cè)上頜骨缺損口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)

圖 8 腭部缺損口內(nèi)掃描數(shù)據(jù) A: 去除顏色信息后掃描數(shù)據(jù)； B: 包括顏色信息的掃描數(shù)據(jù)

作者也應(yīng)用口內(nèi)掃描技術(shù)實現(xiàn)了對新生兒期(出生后28 d內(nèi))及嬰兒期(出生后1 周歲內(nèi))唇腭裂患兒口內(nèi)組織的數(shù)據(jù)獲取，進一步拓展了口內(nèi)掃描的臨床應(yīng)用對象[14]。唇腭裂患兒因其存在唇裂特殊病理結(jié)構(gòu)，較正常嬰兒的開口度更大，寬度更大，從而可以很好地容納口掃頭進入患兒口內(nèi)，進入口內(nèi)掃描時患兒口內(nèi)上方存在唇腭裂，下方有舌體后縮產(chǎn)生的空間，提供了口掃頭上下轉(zhuǎn)動的空間從而能捕獲完整的圖像。掃描獲得的腭裂三維模型數(shù)據(jù)可供臨床設(shè)計制作術(shù)前牙槽嵴-鼻塑形矯治器，也可將其作為數(shù)字化寄存腭裂三維模型，對矯治前后及過程中腭裂畸形矯治和組織發(fā)育變化指標進行對比研究，監(jiān)測患兒頜骨生長發(fā)育的情況以及評價矯治器佩戴療效。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)現(xiàn)階段已獲得了良好的臨床應(yīng)用效果，但仍存在著諸如口內(nèi)掃描頭尺寸偏大、全牙弓掃描精度有待提升、掃描頭消毒次數(shù)對掃描精度影響不明等問題尚未解決，需要在今后臨床工作中繼續(xù)探索研究。需要指出的是，數(shù)字化口內(nèi)掃描技術(shù)雖然擁有快捷、舒適、靈活等優(yōu)點，但現(xiàn)階段尚不能完全取代傳統(tǒng)口腔印模技術(shù)，例如在無牙頜、游離端牙列缺損病例的印模獲取方面尚不能滿足臨床治療需要。此外受限于現(xiàn)有掃描技術(shù)原理限制，口內(nèi)掃描屬于一種物體表面掃描技術(shù)，因此只能獲取口腔軟硬組織表面形貌數(shù)據(jù)，需要結(jié)合CBCT等其他手段才能對頜骨、牙根等口腔頜面部組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行客觀科學評價。值得注意的是，最新出現(xiàn)的光學相干斷層掃描(OCT)技術(shù)有望改變這一局面，該技術(shù)基于光學相干層析成像可以對牙齦溝下組織進行掃描且不會損傷軟組織，在此基礎(chǔ)上開展新型圖像處理算法有可能突破現(xiàn)有技術(shù)表面掃描的技術(shù)瓶頸[15-16〗。