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口腔数字化扫描技术的临床应用研究

2020-08-15 1067 上传者：管理员

摘要：随着口腔数字化技术迅猛发展和广泛运用,数字化诊疗已经成为一种新型诊疗模式。数字化口腔扫描作为获取口内软硬组织形态信息数据的方式,是数字化诊疗的首要步骤,其扫描精度直接影响修复体的质量。本文对数字化口腔扫描系统的工作原理、临床操作方式与优势、种类、特点以及精度等方面进行阐述,以期对口腔医师全面了解数字化口腔扫描系统,推动口腔临床数字化技术的应用提供帮助。

关键词：
信息获取
口内扫描
数字化印模
精度
计算机辅助设计与计算机辅助制造(CAD/CAM)
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获取患者口内软硬组织形态信息作为修复体制作过程中的首要步骤,是临床决定修复体质量的关键因素之一。数百年来,口内信息的采集主要依靠印模材制取和石膏模型灌注。科技的发展使口腔临床医学在诊疗方式上发生着变革,数字化诊疗成为新型诊疗模式。而在获取口内软硬组织形态方面,数字化口腔扫描系统的出现也从根本上改变了临床信息获取方式。与传统印模技术相比,口内数字化印模技术避免了印模材料对患者的异物感,省略了繁琐的印模制取、模型灌注和代型修整等程序。不但提高了临床治疗的时效性和精度,更使得口腔数字化诊疗体系的全面构建成为可能。为此,本文对数字化口腔扫描系统的工作原理、临床操作方式与优势、种类、特点以及精度等方面进行综述,并探讨数字化技术在口腔领域的未来发展趋势。

1、数字化口腔扫描系统工作原理

口腔数字化信息获取是由光学摄影、计算机处理及虚拟成像等多方面技术共同组成的，其主要原理是通过光学信息将口内软硬组织情况反映到计算机中，在信息整合叠加下呈现可视化立体模型[1]，是一种实物信息到虚拟信息的转变。临床中，数字化口内扫描仪工作原理主要有光学三角测量原理、共聚焦显微成像原理及波前采样原理等[2]。

2、数字化口腔扫描系统的临床操作方式与优势

目前临床中数字化信息采集方式可分为直接法和间接法两种。

间接法即口外采集法,即用扫描仪或扫描仓对患者口内印模或翻制出的石膏模型进行扫描,从而间接取患者口内信息。该方式仍需在印模制取和翻制石膏模型的基础上进行,虽有文献证实间接法获得的数字印模精度与传统印模或石膏模型几乎无差别[3,4],但印模及石膏模型本身所带来的误差却无法忽略。

直接法即口内扫描法,即将扫描头置于患者口内,对口内软硬组织进行扫描,实时获取口内信息。从而避免了传统印模材料取模时患者恶心不适、误食等现象,以及多余材料粘于患者面部引起的反感,从而提高了患者的诊疗体验。Burzynski等[5]对正畸患者进行数字化和传统印模临床满意度的比较中发现,曾经接受过口内扫描的患者对数字化方式接受度更高。而且随着扫描头缩小和扫描速度的提升,患者对数字化印模的接受程度也越来越高[6]。另外该方式强调了对临床信息采集的直接性,大大简化了印模操作步骤,节约了临床时间。在操作过程中能实时监测印模质量,对未达标的部位可进行即刻修改,相较于传统方式的重新取模更加方便快捷。Joda等[7]通过随机对照试验的方式比较口内扫描与传统取模对单个种植位点取模的时效性发现,口内扫描平均总工作时间为(4.53±1.34)min,远低于传统取模方式平均操作时间(10.09±1.15)min。Koulivand等[8]也在其研究中证实了数字化印模在临床耗时方面明显低于传统印模。

3、数字化口腔扫描系统的种类与特点

20世纪80年代第一台数字化扫描仪问世以来,越来越多的公司投入于对新型数字化扫描仪的开发。根据各个厂家技术特点的不同,临床中常用的扫描系统主要分为接触式机械扫描仪和非接触式光学扫描仪两种[9]。

3.1接触式机械扫描仪

即口腔扫描过程中扫描头全程接触被扫描物体,同时产生一定压力,通过设备传感器记录每一段扫描数据,并在计算机中整合建立三维立体模型。接触式扫描仪具有精度高、价格低、盲区小等优势。但鉴于其扫描方式的特殊性,扫描速度较慢,而且对于一些扫描头无法探入的位置,接触式扫描仪也无法记录相应的数据。此外,接触式扫描仪对软组织扫描误差较大,扫描过程中易引起组织形变,从而造成数据偏差,因而临床中常不用于对软组织的记录。在众多接触式扫描仪中以ProceraForte扫描仪为主要代表,国外学者通过临床研究肯定了其较高的精度[10],国内学者也通过总结ProceraForte扫描仪扫描单冠、贴面、桥和种植单个蜡型基台过程中遇到的常见问题给与相应的处理对策,为广大学者提供了宝贵的经验[11]。

3.2非接触式光学扫描仪

即扫描过程中扫描头与被扫描物体不接触,两者之间保留一定距离。非接触式光学扫描仪内包含半导体激光发射器,在扫描过程中发出多条聚合光束直射于物体表面形成反射光,由接收器捕获转为电子信号,通过数字处理系统组建三维立体图像。非接触式扫描仪具有精度高、速度快、扫描范围广等优点,但对于一些较大的倒凹仍存在视野盲区[12]。目前,临床中非接触式扫描仪的代表有CEREC、TRIOS、iTero以及LavaTMC.O.S系统等。

3.2.1CEREC系统

德国Sirona公司推出的CEREC系统是最早一批应用于临床的数字化口内扫描仪。该系统是基于激光的三角测量原理,通过3条光线的交点确定空间位点实现数字信息转化,从而构建三维立体图像[13]。CEREC系统属于封闭系统,其采集的信息必须通过专有格式文件传递。作为首次将数字化扫描与铣床相结合的操作系统,CEREC系统通过一次治疗即可为患者佩戴修复体,大大减少了临床复诊次数。早期的CEREC扫描仪为喷粉式扫描仪,临床中需要在患者口内均匀喷洒一层二氧化钛粉末,以确保扫描信息的精准性。2010年Sirona公司推出第4代CERECACBlue系统,采用短波蓝光作为光源扫描获得单一图像,通过自动匹配把数个图像整合而成三维立体图像。第4代CERECACBlue系统摄像头可自动准确曝光,且摄像头手柄内置防抖系统,因而可自动捕捉清晰图像并释放快门,扫描速度快。而2012年投入市场使用的CERECACOmnicam系统具有连续成像技术,通过连续成像拼凑成完整的3D模型。同时作为真彩扫描仪在扫描前无需对牙齿进行喷粉,从而提高效率,提升患者体验度。

3.2.2TRIOS系统

丹麦3Shape公司生产的TRIOS数字化扫描仪是一种基于共聚显微照相技术原理下,通过对物体表面平行反射光的捕获,每秒捕捉3000幅二维图像从而实时实现临床动态成像及三维立体模型构建,创建出三维数字化牙颌信息。该系统作为一种“开放式”扫描工具,可将数据直接转存为STL格式并适用于多种设计软件。同时TRIOS作为一种无需喷粉的数字化扫描仪,大大减轻了患者临床不适感,为患者带来良好的就医体验。另外在临床研究中发现TRIOS扫描仪扫描精度受牙面位置影响最大,其中牙齿远中面的扫描精度最低;而扫描仪的分辨率对印模精度无明显影响,仅对扫描时间和捕获图像数量有影响[14]。

3.2.3iTero系统

Cadent公司生产的iTero系统临床工作原理主要为平行光共聚成像原理,与TRIOS一致。临床中iTero扫描仪通过多个小孔发射10万束平行光束,在一定距离内的任何物体表面将光反射回,并且在1/3s内反射光被转换为电子数据并形成三维影像[15]。iTero系统是开放式系统,通过STL格式将信息传递给多种设计软件[16,17]。该系统具有扫描速度快、精度高、无需喷粉等优点,临床研究结果也表明iTero系统无论对于单颗牙扫描还是全牙弓扫描,其精度均与传统印模无明显差异[18,19]。

3.2.4Lava系统

3M公司生产的LavaTMC.O.S椅旁口内扫描仪是基于波前采样原理,结合光学设计、图像处理算法和实时模型重建,以捕获视频序列中的三维数据,并对数据进行实时建模。这种原理使得LavaTMC.O.S口内扫描仪捕获扫描图像速度快,每秒可获得约20个3D数据集或每个牙弓接近2400个数据集。该系统设备扫描头小,以脉冲可见蓝光作为光源,因扫描前需喷涂粉末增强辨识度,所得印模为非真彩印模。另外该系统需在专有平台上以专有格式传递信息,通过特定CAD/CAM设备设计和制作修复体,但其具备与其他软件的兼容性,因此为半开放系统[15]。临床操作过程中LavaTMC.O.S扫描仪只需将扫描头环绕牙齿轴向转动逐面扫描,并根据系统中不同颜色的指示修改印模,以减少视野盲区。

4、数字化口腔扫描系统印模精度

精度(accuracy),又称准确度,是指在一定实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度[20]。根据中华人民共和国国家标准GB/T6379.1-2004[21]以及国际标准化组织标准ISO5725.5-1998[22],精度包含精密度(precision)和正确度(trueness)两个概念。精密度是指在规定条件下,独立测试结果间的一致程度。精密度越高,则测试结果的可信度越高。正确度指测量值与真实值之间的误差大小。正确度越高,则测量结果越接近真实值。目前数字化印模精度是通过评价数字化印模获取的修复体内部及边缘的适合性来评价[23]。美国牙科协会规定,修复体边缘和内部的密合度为25～40μm[24],可接受的最大边缘间隙为120μm[25]。

4.1不同数字化口腔扫描系统间印模精度比较

在不同数字化口腔扫描系统精度对比研究方面,学者们持有不同观点。Motel等[26]在对比不同外形扫描体和扫描方法对数字化种植体印模精度影响的研究中认为TRIOS扫描仪具有较高的精度,值得临床推荐。Haddadi等[27]在传统印模及数字化印模边缘精度的比较中也提出TRIOS扫描仪精度明显高于传统印模及其他口内扫描系统。但VanderMeer等[28]通过对LavaTMC.O.S、iTero及CEREC3种数字化扫描仪对36、46、11这3个位点上由peek材料制作的种植体的下颌进行扫描,评估3种扫描仪下种植体间的距离误差和角度误差从而评价各扫描仪的扫描精度,研究发现LavaTMC.O.S系统匹配误差最小,精度最高。而且Shembesh等[29]在对印模数字化扫描(3ShapelabscannerD700)、模型数字化扫描(3ShapelabscannerD700)、iTero口腔扫描及LavaTMC.O.S口腔扫描4种不同扫描系统下3单位氧化锆边缘适合性的研究中发现,印模数字化扫描组边缘间隙为81.4μm,模型数字化扫描组为50.2μm,iTero组为62.4μm,LavaTMC.O.S扫描组所制作的氧化锆单冠边缘间隙最小,仅为26.6μm,精度最高。虽然不同研究结果并不一致,但这些数字化口腔扫描系统精度均在临床可接受范围内(冠边缘间隙<120μm)。

4.2数字化口腔扫描系统印模精度与传统印模精度比较

传统印模精度虽可以满足临床要求,但其受到外界因素影响较多,操作过程中材料的客观形变和操作者的经验与操作能力都会造成不同程度的影响。而数字化印模制取过程中省略了医师制取弹性印模与技师操作的复杂工序,从而简化步骤,提高精度[30]。Seelbach等[31]通过对比LavaTMC.O.S、CEREC、iTero3种扫描系统数字化印模及传统印模制作的冠修复体内部及边缘的适合性发现,数字化印模和传统印模所制作的修复体适合性基本处于同一水平。Tsirogiannis等[32]通过系统综述和Meta分析对传统印模和数字化印模制作的1个单位瓷修复体的边缘间隙发现两者比较差异无统计学意义,但从数值上数字化印模组修复体边缘间隙为(56.1±9.8)μm,低于传统印模组修复体边缘间隙(79.2±9.7)μm。同样Haddadi等[33]也对不同印模方法制作的修复体内表面适合性的研究中发现数字化方式制作出的修复体内部更贴合,精度更高。

4.3影响数字化口腔扫描系统印模精度的因素

目前临床中影响数字化口腔扫描系统印模精度的因素主要有3个方面:仪器本身因素、患者因素和操作者因素。在仪器本身方面,各扫描仪系统元件自身的设计特点以及系统的升级都使其扫描精度不断提高。如CERECACBlue系统的防抖功能以及LavaTMC.O.S.系统小扫描头设计及实时建模是其扫描精度高的因素之一[34]。在患者方面,包括患者的配合度、患者的口腔内环境、口腔空间及扫描位置与范围对精度都有重要的影响。目前数字化扫描对单颗或多颗牙齿印模获取具有较高精度,对可摘局部义齿也有较满意的临床效果[35],而对于全口印模的精度尚存争议[36,37]。在操作者方面,主要表现在操作者的熟练度、扫描预备体的操作要点与预备体边缘的暴露等方面。口内扫描仪扫描的难点集中在肩台及邻面的扫描上[38,39],数字化扫描仪操作技术性较高,初学者较难掌握,扫描过程常需要专人指导[40]。因而,建议临床操作时,对于难达到的位置多练习扫描技巧,把握角度。

5、数字化口腔扫描系统展望

尽管数字化口腔扫描系统存在价格昂贵、数据共享受限等局限性,但其精度高、扫描能力强、数据易于存储,是实现数字化诊疗必不可少的组成。随着5G大数据时代的到来,数据信息的整合与共享会使口腔诊疗经历一场真正的数字化革命。通过数字化面部扫描、数字化口腔扫描及CBCT扫描,将颜面部、口内软硬组织、颌骨及关节等数据信息整合,实现口腔多学科精确诊断、科学合理选择治疗方案,实现患者“个性化精准治疗”。未来“口腔数字一体化”伴随着技术、材料、设备及理念的发展,将口腔医疗变得更加安全、便捷和高效。

参考文献：

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