張紫薇 明先慶 張 瑋

隨著口腔數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，口內(nèi)掃描儀（intraoral scanner，IOS）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于口腔臨床診療過程中。使用IOS 對掃描對象直接獲取數(shù)字化印模，可以有效避免傳統(tǒng)取模方式中印模材料變形、石膏凝固膨脹、模型氣泡和折斷等產(chǎn)生的錯誤與誤差[1]，對于臨床醫(yī)生來說，IOS 使取模過程更加方便省時，對于患者來說，口掃產(chǎn)生的不適感明顯比傳統(tǒng)取模方式更低，因此，口內(nèi)數(shù)字化掃描方式讓臨床醫(yī)生和患者都更加滿意[2～5]。

目前應(yīng)用于臨床的IOS 都是基于光學(xué)掃描技術(shù)，例如采用激光三角測量技術(shù)的E4D系統(tǒng)、平行共聚焦成像技術(shù)的iTero 系統(tǒng)、靜態(tài)圖像采集技術(shù)的Cerec Bluecam 系統(tǒng)、視頻捕獲技術(shù)的LavaCOS系統(tǒng)、極速光學(xué)切片技術(shù)的Trios 系統(tǒng)等[6]，具體的工作原理即掃描儀發(fā)出光源照射到掃描目標(biāo)表面，數(shù)字傳感器捕獲被反射的光線，高清攝像頭拍攝二維圖像，通過整合光學(xué)信息、拼接二維圖像，實時重建掃描物體的數(shù)字化3D模型[7]。

IOS 較多地應(yīng)用在計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制作（computer aided design/computer aided manufacturing, CAD/CAM）全冠修復(fù)中，而對于大面積牙體缺損的情況，則需要先利用根管空間行樁核修復(fù)，恢復(fù)缺損的部分牙體以獲得足夠的固位形和抗力形[8]，再行牙體預(yù)備和全冠修復(fù)，此時對基牙進行口掃時，掃描對象不僅有牙體組織，還需要掃描基牙的各種樁核材料表面，不同材料表面對IOS 準(zhǔn)確度的影響現(xiàn)在尚無統(tǒng)一定論。

本研究排除口內(nèi)環(huán)境的影響，對不同基質(zhì)材料的基牙分別在口外進行IOS 掃描和傳統(tǒng)取模，獲取數(shù)字化印模和傳統(tǒng)印模的3D數(shù)據(jù)，基于三維對比分析，評估不同材料基牙的數(shù)字化印模的準(zhǔn)確度，并與傳統(tǒng)印模進行對比，分析不同材料表面對口掃準(zhǔn)確度的影響，為指導(dǎo)臨床根據(jù)掃描目標(biāo)選擇合適的取模方式提供參考。

資料和方法

1.主要材料及設(shè)備

加成型硅橡膠印模材料（DMG Silagum，德國），I型超硬石膏（飛馬，中國），成品一次性印模托盤（同欣，中國），鈷鉻合金打印材料（南通金源，中國），TC4鈦合金打印材料（成都優(yōu)材，中國），氧化鋯瓷塊及染色液（貝施美，中國），冠橋樹脂塊（滬鴿，中國），掃描顯像劑（億橋，韓國），ATOS III Triple Scan 工業(yè)掃描儀（Gom，德國），Trios3 口內(nèi)掃描儀（3Shape，丹麥），金屬3D打印機（鋮聯(lián)激光，中國），X-MILL數(shù)字研磨儀（翔通，中國）。

2.實驗方法

（1）研究樣本制作：在南京醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)和監(jiān)督下（PJ2021-140-001），收集1 顆臨床為正畸拔除的上頜第一前磨牙離體牙，牙冠完整、無明顯齲壞及缺損、無明顯磨耗，體外參照全冠預(yù)備標(biāo)準(zhǔn)完成牙體預(yù)備，咬合面預(yù)備量為1.5 mm，各軸面去除倒凹，預(yù)備牙體的聚合度為2°～5°，頸緣處形成1 mm 的直角肩臺，得到預(yù)備好的離體牙，離體牙表面去凈牙釉質(zhì)后的牙本質(zhì)表面，于頸緣下約1 mm 處用超硬石膏灌注模型底座，修整后得到離體牙樣本。用ATOS III Triple Scan 工業(yè)掃描儀對離體牙樣本進行數(shù)字化掃描，導(dǎo)出數(shù)字化模型的立體光刻（stereolithography, STL）文件，根據(jù)該數(shù)字化模型制作其他基質(zhì)材料的研究樣本，3D 打印鈷鉻合金樣本和純鈦樣本各1 個，切削出氧化鋯樣本和復(fù)合樹脂樣本各1 個，依照臨床上制作修復(fù)體的流程，對鈷鉻合金樣本和純鈦樣本進行表面拋光，對氧化鋯樣本進行切削后燒結(jié)，并且氧化鋯樣本和復(fù)合樹脂樣本的顏色選擇常用的A2色號，更大程度地模擬臨床掃描過程中口內(nèi)修復(fù)體的實際情況。上述共得到5 種形態(tài)相似的、不同基質(zhì)材料的研究樣本即：離體牙樣本、鈷鉻合金樣本、純鈦樣本、氧化鋯樣本、復(fù)合樹脂樣本（圖1）。

圖1 研究樣本

（2）評價指標(biāo)：現(xiàn)階段多從三維角度評價IOS 的準(zhǔn)確度，利用3D 分析軟件比較掃描儀獲得的圖像差異[9，10]。準(zhǔn)確度，即精度（accuracy），指在一定條件下多次測定的平均值和真實值的符合程度，根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 6379.1-2004）[11]和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)（ISO 5725.5-1998）[12]，數(shù)字化印模的“準(zhǔn)確度”由“正確度（trueness）”和“精密度（precision）”組成?！罢_度”代表測量值與真實值的偏差，即衡量掃描圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的接近程度；“精密度”是指多個測量值相互之間的偏差，即掃描圖像彼此的接近程度。正確度和精密度共同衡量數(shù)字化印模的準(zhǔn)確度，但彼此之間相互獨立，分別代表了口掃的重現(xiàn)能力和可重復(fù)能力，結(jié)果不一定完全一致[13]。獲取正確度需要一份用以比較的“真實值”，在此前的多項研究中，皆選用高精度的掃描儀作為參考掃描儀，其掃描獲取的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為對比的“真實值”，IOS 掃描得到的數(shù)據(jù)與之重疊并測出差異，這是目前在多數(shù)研究中使用的獲取IOS 正確度的唯一方式[14～20]。

（3）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取：使用高精度的ATOS III Triple Scan 工業(yè)掃描儀獲取本研究的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，該掃描儀在多數(shù)研究中被用作參考掃描儀[13,21～24]。具體方法為使用ATOS III Triple Scan 工業(yè)掃描儀對5個樣本進行數(shù)字化掃描，掃描之前在每個樣本表面都均勻噴涂顯像劑，以消除掃描時樣本的反射光線對掃描儀捕獲圖像的影響，獲得每個樣本完整的數(shù)字化模型，導(dǎo)出為STL文件，作為每個樣本各自的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即用作后續(xù)研究對比分析的“真實值”。上述標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的掃描過程皆由同一經(jīng)驗豐富的工程師操作完成。

（4）口掃印模組數(shù)據(jù)獲?。菏褂肨rios3 口內(nèi)掃描儀對5個研究樣本分別進行掃描（圖2），掃描時將樣本固定放置在水平桌面，先以垂直角度掃描基牙咬合面，隨后再轉(zhuǎn)至基牙軸面掃描各軸面。每個樣本分別掃描5 次，記錄每次掃描頁面顯示的掃描時間和掃描圖像數(shù)量以備后續(xù)對比分析，掃描圖像導(dǎo)出為STL 文件，每個樣本得到5 個口掃數(shù)字化印模的圖像數(shù)據(jù)。上述掃描過程確保在相同環(huán)境下由同一操作者完成。

圖2 使用Trios3口內(nèi)掃描儀掃描研究樣本

（5）傳統(tǒng)印模組數(shù)據(jù)獲取：用硅橡膠印模材料分別對5 個研究樣本制取傳統(tǒng)印模，每個樣本硅橡膠取模5 次，翻制出5 個石膏模型，此石膏模型亦是實體模型，無法進行三維對比，故使用ATOS III Triple Scan 工業(yè)掃描儀掃描石膏模型得到其“真實值”，即可將石膏模型轉(zhuǎn)為3D 數(shù)據(jù)，導(dǎo)出為STL 文件，每個樣本得到5個傳統(tǒng)印模的圖像數(shù)據(jù)。

（6）掃描數(shù)據(jù)處理：將所有的STL 文件導(dǎo)入Geomagic Wrap 3D 分析軟件中進行處理和分析。使用“裁剪”工具沿基牙圖像的預(yù)備體邊緣進行剪切，刪除預(yù)備體邊緣線以外的多余圖像范圍（圖3A）。對于正確度的評估，使用“最佳擬合對齊”工具將裁剪后的口掃印模數(shù)據(jù)分別與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對齊重疊，執(zhí)行“偏差分析”，得到偏差色譜圖（圖3B）與偏差值即均方根（root mean square，RMS），每個樣本得到5個RMS值，為該樣本口掃印模組的正確度，RMS值越大代表正確度越差；對于精密度的評估，每個樣本的5 個口掃印模數(shù)據(jù)之間兩兩匹配，共得到10 個匹配結(jié)果，匹配的兩個數(shù)據(jù)對齊重疊后進行偏差分析，共輸出10 個RMS 值，即為該樣本口掃印模組的精密度，RMS 值越大說明精密度越差。將樣本的傳統(tǒng)印模組數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D 分析軟件參照上述同樣方法進行處理，得到各樣本傳統(tǒng)印模組的正確度和精密度。

圖3 3D分析軟件圖像處理

3.統(tǒng)計學(xué)分析

將RMS值導(dǎo)入SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，統(tǒng)計結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，對每個樣本數(shù)字化印模組和傳統(tǒng)印模組的數(shù)據(jù)進行Mann Whitney U 檢驗，5 個研究樣本的口掃印模組數(shù)據(jù)進行Kruskal-Wallis 秩和檢驗，Bonferroni 校正法檢驗樣本間差異。對5 個樣本的掃描時間、掃描圖像數(shù)量進行單因素方差分析ANOVA 和Tukey's 檢驗，統(tǒng)計學(xué)差異標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為P＜0.05。

結(jié) 果

1.口掃印模與傳統(tǒng)印模對比結(jié)果

口掃印模組和傳統(tǒng)印模組的正確度分析結(jié)果見表1，僅離體牙模型的兩組正確度結(jié)果有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05），其口掃印模正確度較傳統(tǒng)印模差，而其他樣本的兩組印模正確度差異無統(tǒng)計學(xué)意義；口掃印模組和傳統(tǒng)取模組的精密度分析結(jié)果見表2，離體牙、氧化鋯和復(fù)合樹脂的兩組印模精密度差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），口掃印模組的精密度較高。

表1 口掃印模組和傳統(tǒng)印模組的正確度對比

表2 口掃印模組和傳統(tǒng)印模組的精密度對比

2.不同材料的口掃印模對比結(jié)果

不同基質(zhì)材料基牙的口掃印模正確度和精密度對比結(jié)果見圖4，秩和檢驗結(jié)果顯示5個研究樣本之間的口掃印模正確度和精密度差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。離體牙的正確度最差，且與鈷鉻合金、純鈦、氧化鋯的正確度差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；鈷鉻合金和純鈦的精密度較低，且分別與離體牙、氧化鋯、復(fù)合樹脂的精密度差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

圖4 不同材料基牙的口掃印模對比結(jié)果

3.不同材料的掃描時間及掃描圖像數(shù)量對比結(jié)果

掃描圖像數(shù)量和掃描時間的統(tǒng)計結(jié)果見表3，不同樣本的對比結(jié)果見圖5，單因素方差分析ANOVA 結(jié)果顯示5 個樣本的掃描圖像數(shù)量和掃描時間的差異存在統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），其中鈷鉻合金樣本的掃描圖像數(shù)量最大、掃描時間最長，鈷鉻合金與其他4 種模型之間、純鈦與復(fù)合樹脂樣本之間有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。

表3 掃描時間、掃描圖像數(shù)量結(jié)果

圖5 掃描時間、掃描圖像數(shù)量對比

討 論

在對比IOS 準(zhǔn)確度的各項研究中，學(xué)者們在不同的掃描條件和研究方式下觀點各異，有多項研究結(jié)果表明，基于平行共聚焦成像原理的Trios 掃描儀似乎表現(xiàn)出相對更高的準(zhǔn)確度[25～28]，且不同基質(zhì)表面對其影響程度與其他掃描儀相比并不明顯[13]，故本研究選用了臨床常用的掃描效果比較理想的Trios3 口內(nèi)掃描儀來獲取數(shù)字化印模，該掃描儀采用了共聚焦顯微技術(shù)和極速光學(xué)切片技術(shù)，每秒可捕獲超3000 幅二維圖像，實時拼接創(chuàng)建出掃描物體的三維數(shù)據(jù)，廠家報告精度達(dá)20 μm[6]。

本研究中，由于不同基質(zhì)材料樣本的制作方式和加工機器不同，難以確保實驗樣本的形態(tài)外形完全相同，因此，各樣本需與各自的“真實值”進行三維對比，利用兩者的偏差評估樣本數(shù)字化印模的正確度。作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的“真實值”應(yīng)盡可能接近掃描物體的真實外形，本研究使用的參考掃描儀ATOS III Triple Scan 是一種高精度的工業(yè)級光學(xué)掃描儀，采用結(jié)構(gòu)光測量原理，以藍(lán)光技術(shù)為基礎(chǔ)，將帶有相位信息的光柵條紋投影到目標(biāo)物體表面，通過兩臺相機依照立體攝像原理記錄，獲取物體的坐標(biāo)信息[23]；經(jīng)研究證實該掃描儀在全牙弓掃描的正確度可達(dá)3 μm，精密度達(dá)2 μm，在既往多個研究中被用作獲取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的參考掃描儀[13,21～24]，其掃描數(shù)據(jù)滿足本研究對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的需求。由于一些材料具有反射性表面，光學(xué)掃描儀可能難以獲取完整的掃描圖像，合理使用顯像劑能夠消除材料的反射表面對掃描儀捕獲圖像的影響[29]，為了讓每個研究樣本在獲取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)時保持一致的表面性質(zhì)，消除材料光學(xué)特性的影響，本研究在掃描標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之前對每個樣本都均勻地噴涂顯像劑。

從口掃印模組和傳統(tǒng)印模組的對比結(jié)果看，在正確度上，離體牙的口掃印模的表現(xiàn)不如傳統(tǒng)印模，其他樣本口掃印模的正確度與傳統(tǒng)印模無統(tǒng)計學(xué)差異。在臨床可接受的口掃誤差方面目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有研究稱數(shù)字化印模存在50～75 μm 的誤差可被接受[30]，根據(jù)既往研究，Trios3 口內(nèi)掃描儀掃描單齒模型的偏差范圍普遍在50 μm 以下[13,31～37]，雖然離體牙的口掃印模正確度較傳統(tǒng)印模低，但從數(shù)據(jù)上看偏差值可被臨床接受。在精密度上，兩種金屬基牙的口掃印模與傳統(tǒng)印模無統(tǒng)計學(xué)差異，但從數(shù)據(jù)上看兩個樣本的口掃印模的精密度偏差值較小，離體牙、氧化鋯和復(fù)合樹脂模型的精密度比傳統(tǒng)印模更佳，即口內(nèi)數(shù)字化印模的重復(fù)性更高。這主要是因為傳統(tǒng)取模和石膏模型灌注過程中會隨機產(chǎn)生錯誤和誤差，例如氣泡、材料變形、石膏模型磨損等都會使最終的傳統(tǒng)印模產(chǎn)生明顯的偏差。因此可以得出結(jié)論，口掃獲取的數(shù)字化印模總體上比傳統(tǒng)印模更穩(wěn)定，其準(zhǔn)確性在一定程度上比傳統(tǒng)印模更佳，可以替代傳統(tǒng)取模方式來獲取模型。

從樣本之間的對比結(jié)果看，口掃印模的準(zhǔn)確度受掃描物體材料的影響。在正確度上，離體牙、復(fù)合樹脂的數(shù)字化印模的正確度較低，這證實了既往研究的結(jié)論，即透明度較高的材料其口掃的誤差相對較大[17]。光學(xué)掃描儀是通過捕捉被掃描物體表面反射的光線來成像的，當(dāng)掃描透明度較高的材料表面時，掃描儀發(fā)出的光線有部分并沒有直接被物體表面反射，而是可以穿透材料表面，直至被物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)以不同的角度反射出來，最終偏離了物體表面的直接反射路徑，這些光線干擾了IOS 內(nèi)傳感器對直接反射光線的感應(yīng)，導(dǎo)致了掃描圖像的變形[17]；燒結(jié)后的氧化鋯表面也有一定的透明度，但厚度是氧化鋯材料透明度的影響因素[38]，在本研究中氧化鋯樣本有相對較大的厚度，其基底透明性有限，因此氧化鋯表面對口掃準(zhǔn)確度的影響與離體牙和復(fù)合樹脂相比并不明顯；當(dāng)掃描金屬材料表面時，并沒有表現(xiàn)出更差的正確度，這與Dutton E, Song J 等學(xué)者的發(fā)現(xiàn)相符合[13，33]，在本研究的有限條件下，可以解釋為半透明性表面對Trios3 掃描儀的影響比反光性表面更顯著，但在其他一些研究中亦發(fā)現(xiàn)金屬會對口掃產(chǎn)生不良干擾[36，39]，這些結(jié)論的差異或許與研究設(shè)計和使用的樣本材料不同有關(guān)。在精密度上，金屬材料比其他材料表現(xiàn)出更低的精密度，可能的原因是光線會在拋光金屬的光滑表面發(fā)生鏡面反射，此時，強烈的反射光線會使其成為高光區(qū)域，IOS 獲取的掃描圖像可能存在過度曝光，掃描儀難以辨認(rèn)金屬樣本的形貌，則需要拍攝更多的圖像來獲得更加完整的3D 數(shù)據(jù)，所需的掃描時間也相應(yīng)延長[33]，更多的掃描圖像進行拼接，重復(fù)性較低，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差[15]；而獲取半透明性材料的數(shù)字化印模并不需要拼接過多的掃描圖像，其三維印模的可重復(fù)性相對較高。因此，臨床中進行口掃時應(yīng)注意不同基質(zhì)材料的影響，掃描透明度較高的材料時會產(chǎn)生一定的誤差，掃描反射性較高的材料時穩(wěn)定性相對較差。

另外，本研究存在一定的局限性。為了避免口掃的各種影響因素之間的相互作用，研究在體外進行，并設(shè)計了單齒模型，未能完全模擬臨床口掃的真實環(huán)境。一方面，在掃描目標(biāo)預(yù)備體時，鄰牙、牙齦組織、舌體以及血液等可能會產(chǎn)生視覺遮擋，影響數(shù)字化印模的準(zhǔn)確度；另一方面，口腔內(nèi)存在的唾液、齦溝液也可能改變預(yù)備體表面的光學(xué)性質(zhì)，光線可經(jīng)水膜折射偏離原本的傳播方向，進而影響IOS 捕獲圖像的準(zhǔn)確度[40，41]。上述因素也許會影響IOS 的實際應(yīng)用效果，因此，本研究在一定程度上反映了全冠預(yù)備體的基質(zhì)表面對數(shù)字化印模準(zhǔn)確度的影響，但若要得出更加全面的結(jié)論需進一步研究驗證。

本研究在口外比較了數(shù)字化印模和傳統(tǒng)印模的準(zhǔn)確度，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化印模比傳統(tǒng)印模更穩(wěn)定，不同基質(zhì)材料會對口掃準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，但總體誤差在臨床可接受范圍內(nèi)，一定程度上為臨床選取合適的取模方式提供了參考。但口外實驗和單齒模型無法完全模擬臨床口掃的實際情況，研究結(jié)果缺乏一定的普適性。因此，對影響數(shù)字化印模準(zhǔn)確度的其他臨床因素還需要進一步探究，口內(nèi)掃描儀的準(zhǔn)確度和口掃技術(shù)需要持續(xù)發(fā)展和完善。