種植修復(fù)中數(shù)字化印模技術(shù)及其精度的研究進(jìn)展*

陳 越 何東寧 高 雯 秦 嬈 徐林坤 韓 沖

1.引言

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Co?mputer Aided Design, CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(Co?mputer Aided Manufacturing, CAM)在醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了口腔種植數(shù)字化診療的發(fā)展。為了達(dá)到精準(zhǔn)、美觀、安全、舒適的種植修復(fù)效果，數(shù)字化印模應(yīng)運(yùn)而生。而今數(shù)字化印?？煞譃槟Ｐ蛼呙?、口內(nèi)掃描和口外掃描，目前臨床上絕大多數(shù)運(yùn)用模型掃描采集數(shù)據(jù)，即用掃描倉(cāng)對(duì)患者牙列的石膏模型進(jìn)行掃描以獲得數(shù)字化模型，然而模型掃描仍需進(jìn)行傳統(tǒng)模型制取、翻制石膏模型等?？趦?nèi)掃描是指通過(guò)口內(nèi)掃描儀(Intrao?ral Scanner，IOS)記錄種植體在牙弓中的位置，應(yīng)用建模軟件處理生成顯示掃描桿的數(shù)字化模型，虛擬設(shè)計(jì)修復(fù)體，并可運(yùn)用CAM技術(shù)制造[1]?？谕鈷呙枋抢昧Ⅲw攝影測(cè)量法來(lái)采集指定空間內(nèi)相對(duì)于其他物體的位置、形狀、運(yùn)動(dòng)及形變[2]。數(shù)字化印模定位儀(Precise Implants Capture, PIC)是基于此研發(fā)的最新光學(xué)印模儀器，帶來(lái)便利的同時(shí)保持其精度。本文將從數(shù)字化印模的優(yōu)勢(shì)及局限，準(zhǔn)確性及影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)述，以期為臨床指導(dǎo)。

2.數(shù)字化印模的優(yōu)勢(shì)

2.1 高效便捷 傳統(tǒng)印模制取過(guò)程包括選擇托盤(pán)、混合灌模材料，印模制取，印模消毒、灌注石膏模型等程序繁瑣，數(shù)字化印?？梢院?jiǎn)化其程序，減少椅旁時(shí)間，同時(shí)轉(zhuǎn)換為虛擬模型儲(chǔ)存于電子數(shù)據(jù)庫(kù)中，釋放存儲(chǔ)空間，調(diào)用時(shí)也更迅速。掃描生成的 立 體 光 刻(Standard Tessellatio?n Language,STL)文件可以直接發(fā)送到技工室，縮短了患者的整體就醫(yī)時(shí)間[3]。Lee[4]等研究表明傳統(tǒng)印模的平均準(zhǔn)備時(shí)間為4:42 m/s，數(shù)字化印模為3:35 m/s，傳統(tǒng)印模制取總時(shí)間為24:42±7:18 m/s 高于數(shù)字化印模制取總時(shí)間12:29±3:46 m/s，結(jié)果表明數(shù)字化印模更加快捷。Jo?da[5]等在一項(xiàng)交叉研究設(shè)計(jì)中，對(duì)20 名患者進(jìn)行了口內(nèi)掃描和傳統(tǒng)取模對(duì)照實(shí)驗(yàn)，使用視覺(jué)模擬評(píng)分表(Visual Analo?gue Scale, VAS)對(duì)12 個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了獨(dú)立評(píng)估，分析得出評(píng)價(jià)結(jié)果及治療時(shí)長(zhǎng)均傾向于數(shù)字化印模。

2.2 精準(zhǔn)可靠 在傳統(tǒng)印模制取過(guò)程中，由于印模材料的壓迫不可避免地引起軟組織的局部變形，尤其是當(dāng)印模取出時(shí)。牙齦邊緣和齦乳頭區(qū)更加敏感，受力變形后的軟組織不能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，因此在重復(fù)制取印模時(shí)存在差異。此外，也很難完全避免印模撕裂、小碎片和氣泡等。相反，數(shù)字化印模不接觸患者口內(nèi)的軟硬組織，有效消除了對(duì)軟組織的潛在作用力，同時(shí)利于術(shù)后需要進(jìn)行即刻修復(fù)的患者，防止印模材料壓迫創(chuàng)口導(dǎo)致感染[6]。數(shù)字化印模避免了與制取傳統(tǒng)印模程序相關(guān)的長(zhǎng)過(guò)程鏈和累積誤差，極大提高了精度。

2.3 舒適度高 患者的舒適度同樣是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，數(shù)字化技術(shù)改變了治療過(guò)程及患者體驗(yàn)，在記錄一個(gè)數(shù)字化印模時(shí)，它可以隨時(shí)暫停和繼續(xù)，并在一次就診中進(jìn)行雙重檢查，減少了印模失敗及再次掃描的風(fēng)險(xiǎn)，改善了醫(yī)技之間、醫(yī)患之間、醫(yī)師之間的溝通[7]。此外，應(yīng)用IOS消除了托盤(pán)的選擇、印模材料的配比和調(diào)試、以及消毒和運(yùn)輸?shù)炔槐鉡8]。避免了制取過(guò)程中引起的焦慮、惡心、疼痛、口腔異味、嚴(yán)重咽反射等不適[9,10]。Delize[11]等研究證明使用VAS調(diào)查得出與傳統(tǒng)印模相比，IOS在舒適度、焦慮度和味覺(jué)等方面結(jié)果顯著更好，患者的總體偏好更傾向于口內(nèi)掃描，使用數(shù)字化印模技術(shù)獲得了更好的滿意度。

2.4 咬合關(guān)系佳 目前種植修復(fù)的治療理念是以修復(fù)學(xué)為導(dǎo)向，而咬合則是種植牙恢復(fù)原有牙齒美觀、咀嚼功能的關(guān)鍵。咬合過(guò)輕會(huì)影響咀嚼效率，咬合過(guò)重會(huì)引起骨結(jié)合破壞及種植體折斷導(dǎo)致種植失敗。數(shù)字化技術(shù)可以整合面部掃描、口外攝影測(cè)量、口內(nèi)掃描、下頜運(yùn)動(dòng)分析儀和CBCT數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬患者的動(dòng)態(tài)咬合模型，并且IOS行口內(nèi)掃描時(shí)可根據(jù)顏色提示將咬合負(fù)重情況分為咬穿、接觸、強(qiáng)、一般、弱、較弱等，便于把控種植牙的應(yīng)力分布[12,13]。

3.數(shù)字化印模的劣勢(shì)

3.1 設(shè)備成本效益 口內(nèi)掃描儀獲取數(shù)字化印模是口腔種植修復(fù)數(shù)字化診療的流程之一，這意味著需要一系列的設(shè)計(jì)軟件及3d打印設(shè)備來(lái)對(duì)接STL文件及DICOM數(shù)據(jù)。當(dāng)口腔醫(yī)療單位引進(jìn)數(shù)字化設(shè)備時(shí)，應(yīng)熟知各種設(shè)備的自身成本及額外的附加成本。除此之外，醫(yī)師應(yīng)深入了解各種數(shù)字化設(shè)備的特征以便于在特定的臨床環(huán)境中做出最佳的選擇，必要時(shí)應(yīng)對(duì)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)范的培訓(xùn)學(xué)習(xí)。

3.2 軟組織重現(xiàn) 大多數(shù)數(shù)字化掃描儀的原理是通過(guò)發(fā)射激光術(shù)投射到牙齒表面，接收器通過(guò)捕獲反射光來(lái)獲取數(shù)據(jù)，每秒可捕獲上千幅二維圖像，通過(guò)圖像拼接形成三維模型[14]。無(wú)牙頜的患者由于缺乏牙齒及解剖標(biāo)志作為固定的參考點(diǎn)，且掃描范圍大跨度長(zhǎng)，拼接次數(shù)越多誤差越大。此外，當(dāng)預(yù)備體及掃描桿周圍有輕微滲血或唾液時(shí)，會(huì)阻擋激光術(shù)到達(dá)穿齦較深的部位導(dǎo)致IOS設(shè)備軟件無(wú)法捕獲清晰圖像[15]。

3.3 壓力性印模 種植體支持的覆蓋義齒是牙列缺失患者最常見(jiàn)的治療方式之一。無(wú)牙頜患者牙弓的組織學(xué)特征及形態(tài)各不相同，制取功能性印模時(shí)黏膜存在一定的位移可產(chǎn)生不同的可讓性，有利于分散力，避免應(yīng)力集中[16]。而數(shù)字化印模無(wú)法獲取壓力性印模，種植體固位式全頜覆蓋義齒承受咬合力時(shí)，基托易下沉在骨尖、骨棱、特殊解剖處等造成壓痛，甚至導(dǎo)致牙槽骨吸收[17]。但已有學(xué)者通過(guò)使用數(shù)字化技術(shù)制作個(gè)性化托盤(pán)完成終印模的制取，其精度更佳、效率更高、醫(yī)患滿意度更好[18]。

4.數(shù)字化印模的準(zhǔn)確性探討及其影響因素

4.1 數(shù)字化印模的準(zhǔn)確性探討 在口腔種植修復(fù)過(guò)程中，關(guān)鍵是要確保盡可能準(zhǔn)確地再現(xiàn)口內(nèi)情況，因?yàn)殄e(cuò)誤或不準(zhǔn)確的印模會(huì)對(duì)最終的修復(fù)結(jié)果產(chǎn)生影響?？梢?jiàn)印模的準(zhǔn)確性對(duì)制作一個(gè)合適的修復(fù)體尤為重要。從根源上來(lái)講，準(zhǔn)確性來(lái)源于“真實(shí)性”和“精確性”[19,20]。“真實(shí)性”定義為參考數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集之間的比較，參考數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集之間的測(cè)量偏差決定了掃描儀的精度?！熬_性”定義為使用同一數(shù)字化掃描儀獲得的不同數(shù)據(jù)集之間的比較。換句話說(shuō)，當(dāng)對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，掃描儀能確保獲得一致結(jié)果的能力。

為了評(píng)估數(shù)字化印模的準(zhǔn)確性，關(guān)鍵是要區(qū)分不同臨床情況下掃描儀的使用。Sako?rnwimo?n[21]等學(xué)者通過(guò)對(duì)16顆預(yù)備后的磨牙分別行數(shù)字化印模和傳統(tǒng)印模制取，進(jìn)行口內(nèi)評(píng)估檢查，盲檢修復(fù)體的邊緣差異，結(jié)果顯示其準(zhǔn)確性與傳統(tǒng)印模相近。Mangano?[22]等教授在一項(xiàng)體外對(duì)照研究中報(bào)告了對(duì)單顆植體虛擬位置的差異性比較，平均誤差范圍為15±0.8 μm到43±11 μm，證實(shí)了單顆植體修復(fù)掃描結(jié)果的高度可靠性和準(zhǔn)確性。同樣Mizumo?to?[23]等通過(guò)體外對(duì)照實(shí)驗(yàn)以高精度工業(yè)掃描為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估無(wú)牙頜數(shù)字化印模的精度，平均距離偏差為142.7 μm到160.3 μm。目前對(duì)于4-5個(gè)單位的種植修復(fù)或全口種植修復(fù)的數(shù)字化印模，其精確度有待商榷。但仍有學(xué)者認(rèn)為，在進(jìn)行全口掃描時(shí)無(wú)論患者有無(wú)牙列，口內(nèi)掃描的精度都會(huì)隨距離的增加而降低，而無(wú)牙頜由于缺乏穩(wěn)定的參考點(diǎn)導(dǎo)致其精度進(jìn)一步變差[24]。

4.2 數(shù)字化印模精確性的影響因素探討

4.2.1 醫(yī)師操作熟練程度 數(shù)字化印模的可預(yù)期性及可重復(fù)性能夠減少臨床操作時(shí)長(zhǎng)、緩解患者不適，構(gòu)建術(shù)前修復(fù)方案和預(yù)判、處理意外情況的發(fā)生。但不同的數(shù)字化印模技術(shù)有不同的特點(diǎn)及取模流程，缺乏經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師不可避免的會(huì)影響數(shù)字化印模的精度。Giménez[25]等學(xué)者評(píng)估了來(lái)自四名醫(yī)師制取的數(shù)字化印模的精度，其中兩名資深醫(yī)師(100 次以上掃描經(jīng)驗(yàn))及兩名年輕醫(yī)師(無(wú)掃描經(jīng)驗(yàn))均使用共焦成像技術(shù)數(shù)字掃描儀iTero?經(jīng)統(tǒng)一路徑進(jìn)行掃描，導(dǎo)出STL利用工程軟件測(cè)量分析得出有經(jīng)驗(yàn)和無(wú)經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師之間存在顯著差異，有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師能夠更好的運(yùn)用數(shù)字化輔助技術(shù)，可見(jiàn)其制取過(guò)程中不同的信息配準(zhǔn)、整合、校正均得益于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)。資深醫(yī)師使用數(shù)字化輔助技術(shù)可以使種植修復(fù)精度更高，患者體驗(yàn)更佳。

4.2.2 掃描路徑 數(shù)字化印模在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中存在一定的技術(shù)敏感性，掃描路徑受到臨床醫(yī)師操作習(xí)慣的影響。相關(guān)研究證實(shí)掃描路徑對(duì)三個(gè)單位以下的數(shù)字化模型的精度沒(méi)有顯著影響。Mennito?[26]等教授通過(guò)五種掃描途徑：后牙至前牙、前牙至后牙，先頰側(cè)-咬合-舌側(cè)，先舌側(cè)-咬合-頰側(cè)、“S”形環(huán)繞等來(lái)對(duì)比數(shù)字化印模的精度，結(jié)果顯示掃描路徑不會(huì)顯著影響短牙弓數(shù)字化印模的準(zhǔn)確性。而Latham 等學(xué)者[27]通過(guò)使用3Shape TRIOS 3、Planmeca Emerald、iTero? Element、CEREC Omnicam 四種掃描儀選擇四種掃描方法進(jìn)行精度對(duì)比，整體對(duì)比顯示IOS 系統(tǒng)的正確度差異為46 μm至119 μm，其中掃描路徑對(duì)iTero?Element、CEREC Omnicam 精度有顯著影響，最佳掃描路徑為從患者27 舌側(cè)以45°掃描至14，然后以90°返回至起始磨牙舌側(cè)。以相同的方法完成頰側(cè)27 至14 以及對(duì)頜牙齒的掃描。結(jié)果表明全牙弓的數(shù)字印模精度受到掃描路徑的影響。

4.2.3 掃描桿的材質(zhì)和外形 最初提出使用3D圖像采集技術(shù)進(jìn)行印模獲取時(shí)，口內(nèi)掃描桿只能用于單個(gè)種植系統(tǒng)并需要配套的設(shè)備及軟件[28]。然而隨著掃描技術(shù)的提高和普及，掃描桿在材料、外形、可重復(fù)性及設(shè)備兼容性等方面的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)[29]。臨床常用的掃描桿材質(zhì)包括聚醚醚酮(PEEK)、鈦合金、鋁合金和各種樹(shù)脂，由于反復(fù)的使用和消毒，掃描桿的磨損也會(huì)對(duì)印模的精度產(chǎn)生影響。Mo?tel[30]等學(xué)者通過(guò)體外對(duì)照實(shí)驗(yàn)分析三種不同形狀的掃描桿對(duì)數(shù)字化印模精度的影響，結(jié)果顯示與外形不規(guī)則的掃描桿相比，具有光滑表面的圓柱形掃描桿產(chǎn)生的噪點(diǎn)更少、獲取的印模精度更高。Arcuri[31]等教授通過(guò)使用平行共焦成像原理的掃描儀，在口外對(duì)三種不同材料制成的掃描桿進(jìn)行掃描并測(cè)量其線性及角度偏差，結(jié)果分析得出掃描桿的材質(zhì)對(duì)數(shù)字印模精度有顯著影響，PEEK在線性和角度測(cè)量方面均顯示最佳，其次是鈦，鈦-PEEK結(jié)合材質(zhì)效果最差。Chia[32]等人的另一項(xiàng)體外研究表明，在擰緊PEEK掃描桿的過(guò)程中施加15 N·cm的扭矩，由于旋緊過(guò)程對(duì)掃描桿材料的擠壓，可改變其在頂端方向的位置多達(dá)11±4.9 μm，但其他學(xué)者指出根據(jù)PEEK掃描桿的有限證據(jù)表明，連續(xù)使用多達(dá)十次仍不會(huì)影響數(shù)字化印模的精度[33]。

4.2.4 種植體的角度、跨度及深度 由于患者口內(nèi)缺失牙的數(shù)目、位置各不相同，植體角度和跨度也作為臨床因素，已被廣泛研究其對(duì)部分牙缺失和無(wú)牙頜的數(shù)字化印模精度的影響。在Giménez[34]等教授的一項(xiàng)體外研究中，使用放置6 顆植體的無(wú)牙頜模型，分別為側(cè)切牙(12-角度0°、深度4 mm，22-角度0°、深度2 mm)、第二前磨牙(15-遠(yuǎn)中傾斜30°、深度0 mm，25-近中傾斜30°、深度0 mm)、第二磨牙(17、27均為角度0°、深度0 mm)，進(jìn)行5次掃描分析數(shù)據(jù)得出種植體的角度和深度對(duì)數(shù)字印膜的精度無(wú)顯著影響，第二象限的數(shù)字化印模精度明顯低于第一象限。Flügge[35]等學(xué)者研究指出在6-18 mm的距離內(nèi)掃描精度較高，在40-50 mm 的距離內(nèi)掃描精度較低。然而臨床應(yīng)用中，掃描桿因自身表面結(jié)構(gòu)不同、傾斜角度不同可能受到鄰牙、鄰近軟、硬組織的遮擋進(jìn)一步影響數(shù)字化印模的精度。

4.2.5 數(shù)字化掃描設(shè)備 口內(nèi)數(shù)字化印模的獲取依靠不同的技術(shù)、設(shè)備及軟件。臨床技術(shù)包括平行共焦成像技術(shù)、光學(xué)相干斷層技術(shù)、激光三角測(cè)量技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、光學(xué)切片技術(shù)、干涉測(cè)量技術(shù)等，原理多是使用激光發(fā)射器投射激光至種植體掃描桿或預(yù)備體上，以點(diǎn)云的形式獲取原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲面拼接建立三維模型，可以較為真實(shí)的還原患者牙齒、牙齦色澤和形態(tài)[36]。大量文獻(xiàn)證明，不同的設(shè)備及軟件包之間的差異，導(dǎo)致印模準(zhǔn)確性顯著下降[37,38]。Renne[39]等學(xué)者在口外使用七種不同掃描系統(tǒng)對(duì)全牙弓模型進(jìn)行掃描，通過(guò)計(jì)量軟件分析得出平均誤差為3Shape D800-79 μm，Planmeca Planscan-79.8 μm，Cadent iTero?-84.6 μm，CERECBluecam-89.6 μm，CEREC Omnicam-89.8 μm，Carestream 3500-97 μm，3ShapeTRIOS 3-98 μm。但口外實(shí)驗(yàn)仍存在一定局限性，多數(shù)患者進(jìn)行口內(nèi)掃描時(shí)包括軟組織、銀汞合金、金屬冠、全瓷冠、復(fù)合樹(shù)脂、牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)等，目前尚無(wú)明確研究證實(shí)掃描這類材質(zhì)對(duì)掃描精度的影響。盡管如此，目前多數(shù)新一代掃描儀的平均精度誤差小于臨床實(shí)踐中可接受的最大閾值150 μm。

4.2.6 臨床掃描環(huán)境 目前臨床常用的數(shù)字化印模系統(tǒng)涉及光學(xué)原理及算法原理，過(guò)亮的光源、室溫及濕度均會(huì)對(duì)光學(xué)印模的獲取產(chǎn)生干擾。Arakida[40]等教授研究發(fā)現(xiàn)在光學(xué)印模取像系統(tǒng)中最佳的光源條件為色溫3900 開(kāi)爾文、照度500 勒克斯。其它相關(guān)研究表明，每臺(tái)IOS 設(shè)備根據(jù)其固有的圖像采集技術(shù)設(shè)置的特定光照條件下掃描更加準(zhǔn)確[41]。Revilla-León[42]等學(xué)者將實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度分別設(shè)置為15攝氏度、19攝氏度、24攝氏度和29攝氏度，IOS 設(shè)備放置24小時(shí)后在不重新校準(zhǔn)的情況下連續(xù)取30次數(shù)字印模進(jìn)行軟件數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明臨床環(huán)境溫度波動(dòng)會(huì)影響數(shù)字印模的精度，其中24攝氏度時(shí)印模精度最佳，其次為19攝氏度。

5.展望

隨著數(shù)字化技術(shù)、設(shè)備儀器性能的提升，數(shù)字印模的準(zhǔn)確性達(dá)到了臨床應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。然而目前數(shù)字化印模技術(shù)仍無(wú)法完全替代傳統(tǒng)印模技術(shù)，其準(zhǔn)確性仍受到醫(yī)師操作、設(shè)備軟件、掃描方式、臨床環(huán)境等多因素的影響。雖然目前已有許多研究評(píng)估數(shù)字化印模的準(zhǔn)確性，但大多數(shù)研究均是在體外樹(shù)脂模型中進(jìn)行，限制了其臨床意義。因此，進(jìn)一步提升數(shù)字化印模的準(zhǔn)確性將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的方向。除此之外，現(xiàn)階段數(shù)字化掃描儀的設(shè)備系統(tǒng)及使用流程較為繁雜，不利于推廣普及，因此降低設(shè)備成本、開(kāi)放封閉系統(tǒng)、簡(jiǎn)化操作流程是數(shù)字化印模改善的方向之一。