种植修复数字化口内印模及其精度的影响因素

    20世纪80年代，计算机辅助设计和计算机辅助制造（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技术开始被应用于口腔修复体的设计制作，从此数字化技术在口腔医学各个领域得到了迅速的发展。CAD/CAM技术由数据采集、数据处理与设计、加工制作三个环节组成。
    从21世纪初开始，口内扫描技术逐渐成熟，现已被广泛应用于口腔修复领域，成为修复体制作中印模采集的重要方法。同时，口内扫描也逐渐被应用于口腔医学的其他领域，包括正畸、种植等。本文简述种植修复数字化口内印模工作流程，并对相关文献中口内扫描仪及种植扫描杆（implant scanning body，ISB）相关因素对种植数字化印模精度的影响进行综述分析。
    1.数字化种植印模技术
    数字化种植印模是数字化种植修复的起始环节，在这一阶段采集的数据对修复体的精度有着至关重要的影响。种植体位置关系转移的不准确会影响修复体的适合性，误差较大时修复体需要重做；较小的误差即使能够完成修复，在功能状态下也会对种植体产生不当的应力，进而可能造成骨－种植体界面不利的生物效应，导致生物性和机械性并发症，如种植体松动、种植体螺丝断裂等。
    数字化种植印模技术工作流程可分为直接法和间接法。间接法是利用传统印模技术得到石膏模型，然后由修复技师通过模型扫描仪把石膏模型转化为数字化模型。直接法是使用口内扫描仪（Intraoral scanner，IOS）通过三维扫描、数据处理、三维重建、纹理渲染直接从患者口内生成模型数据。
    1.1间接数字化种植印模
    模型扫描仪具有相对较高的扫描精度，但是由于首先要利用传统方法制取印模，因此间接法的印模精度并不能够完全保证。传统种植印模技术流程涉及多个步骤，不可避免会出现取模过程中的误差，来源包括口内取模、灌制模型中人为操作的影响，印模及模型材料的影响等；托盘的适合性、印模材料的味道和固化时间会直接影响患者对取模的接受度，继而也会对模型采集的准确性造成影响。间接法没有实现种植修复体全流程数字化制作，操作步骤较多，尤其是人为因素造成的误差将对最终修复结果产生不利影响。
    1.2直接数字化种植印模
    随着CAD/CAM技术的发展，现今可以在口内直接使用数字化扫描技术获取数据来制作种植修复体。口内扫描仪的使用实现了种植修复体全流程数字化制作，可以避免传统印模技术带来的一些问题，能够减少人为因素的影响，减少在印模制取阶段的误差来源，改善病人的舒适度、接受度以及提高模型数据采集的效率。数字化种植印模不同于普通修复的口内扫描之处在于前者是将ISB与位于龈下的种植体连接后，通过扫描ISB间接获取种植体的准确位置。因此直接数字化种植印模的误差来源除了口内扫描仪方面的因素，还要考虑ISB对数字印模精度的影响。
    2.口内扫描仪及其影响数字化口内印模精度的相关因素
    2.1口内扫描仪的工作原理
    数字化口内印模技术即口内扫描，主要指利用三维扫描仪按照预设的扫描间隙和扫描路径等参数对口内相关软硬组织表面进行采样，获取其表面离散点的几何坐标数据，将其几何形状数字化。该过程以大量的点拼接形成了物体表面，获取的数据以点云形式存在。不同品牌的口内扫描仪工作原理不同，主要包括三角测量、共聚焦显微、立体视觉、相移干涉测量等多种扫描技术。
    2.2口内扫描仪工作流程
    IOS扫描一帧只能捕获对象的一部分，因此其每一帧获取的点云数据集必须首先注册到扫描仪内置的全局坐标系，以便在图像重建步骤中将它们逐帧拼接起来，也就是通过逆向工程进行图像重建。一般来说，在扫描过程中生成的点云密度越大，虚拟曲面重建的精度就越高，反之亦然。曲面重建是利用从对象曲面上获取的点云来建立原始曲面模型的过程。这是通过使用特定的软件算法来完成的，这些算法将不同的点云拼接、过滤并转换为点云集合。
    在对无牙颌患者进行口内扫描时，由于扫描表面无足够的特征区域或点云之间缺少用作拼接参考的数据，会出现不准确的、有噪声的网格，在曲面重建时就会产生复合误差，最终导致图像可能无法正确拼接；另外，后处理算法会删除图像的不连续部分，有可能造成部分关键数据丢失。在扫描前增加足够的特征区域，能够减少不同扫描表面的拼接误差，从而提高扫描精度。三维重建后的数字模型没有色彩，为满足可视化需要，可对其赋以色彩。
    通常采用2种方法：一种是扫描仪在扫描的同时拍摄该区域的彩色照片，随后通过算法映射到几何模型上；另一种方法则是在扫描过程中，感光元件在取得点云三维数据的同时获取该点的色彩信息，从而生成彩色的三维模型。常见的彩色光学扫描仪多属于前者，3ShapeTrios扫描仪属于后者，能够集取模和比色于一体。软件通过计算重新创建组合面片，模型数据导出后就可以用于数字化工作流程中的设计和加工制作。根据导出数据文件时的自由度，IOS系统可分为封闭和开放两种体系。
    封闭体系导出的文件，只能在同品牌的设计软件中读取。对于开放体系，通常以标准三角语言（standard triangle language，STL）文件的形式导出，也可导出为有色彩信息的多边形档案（polygon file format，PLY）文件。
    2.3口内扫描仪相关的数字化口内印模精度影响因素
    2.3.1口内扫描仪种类
    扫描技术是专有的，不同品牌扫描仪有不同的技术原理，在不同场景下的扫描优势也不同。当与特定的扫描对象功能或设计相匹配时，某些扫描系统可能更适合和更准确。Bilmenoglu等的体外研究表明，对于戴有ISB的无牙颌石膏模型，ColorPOD、OmniCam、ApolloDI、ColorCart、MonocorCart和Bluecam六种扫描仪获取的模型中，ISB误差为31～45μm，均能够满足种植修复体制作的需求；而E4D、3DProgress、Lythos和Planscan这4种扫描仪的误差较大。
    Vandeweghe等的研究表明3MTrueDefinition和Trios扫描仪有着相对较高的精度，而LavaCOS不适合用于无牙颌模型的种植取模。
    2.3.2扫描仪头部
    扫描仪头部大小在一定程度上影响了扫描的精度误差，Hayama等认为较大的扫描头比较小的有着更好的扫描精度。扫描仪头部距离扫描对象表面较远时，获取的点云之间存在过多参考点，在模型重建阶段会增加计算次数从而降低识别速率；距离较近时，特征区域较少造成点云之间缺少足够的参考点，不利于准确拼接。因此，扫描仪头部与扫描对象表面的距离也是影响扫描精度的一个重要因素。Kim等认为当扫描头到扫描对象的距离为2.5mm与5.0mm时，扫描的精度误差相对较小。
    2.3.3扫描路径
    采用不同的扫描路径，数据处理时拼接的方位、次数亦不相同，模型拼接完成后造成的误差也不同。Passos等的研究结果表明，颊侧重复扫描路径在真实度与精确度方面最好，该扫描路径为27远中－27舌侧－17舌侧－17远中－17面－27面－27颊侧－14颊侧，17远中－17颊侧－24颊侧。
    Müller等的研究结果表明以下两种扫描路径获取模型误差较小：一侧颊面至对侧颊面绕远中再同时扫描舌面与面到起始点，一侧舌面至对侧舌面绕远中再同时扫描颊面与面到起始点；其精度误差分别为（7.9±5.6）μm和（8.5±6.3）μm。在临床上，采用有效的扫描路径，减少数据拼接误差，能够提高数字化模型的精度。
    2.3.4扫描范围
    在数据图像采集中，随着扫描范围的增大，新的一帧像素拼接时精度误差就会被逐渐放大，最终得到的模型精度误差也随之增大。Park等的研究表明扫描范围越大，各口内扫描仪的精度误差就越大，因此口内扫描仪更适用于扫描范围小的模型采集。但也有研究表明，牙列缺损模型和无牙颌模型在真实性和精确度上没有显著性差异，但不同扫描仪之间的真实性和精确度均有显著性差异。如Mangano等研究表明在牙列缺损的模型中，CS3500的真实度和精确度最好，分别为47.8μm和40.8μm，其次是TRIOS、ZFXIntrascan，Planscan；而在无牙颌石膏模型中，CS3500的真实度和精确度也最好，分别为63.2μm和55.2μm。
    3.ISB及其影响数字化种植印模精度的相关因素
    2004年，有学者首次利用个性化愈合基台（The Bellatek Encode；Biomet3i）作为可用于扫描的种植修复部件，从而获得了种植体位置以及邻牙、对颌牙和周围软组织相关的3D信息。2008年，Itero系统首次将ISB作为商品用于种植单冠修复，但此ISB仅能结合该公司自己的扫描仪和扫描技术使用。之后随着扫描技术的不断发展，ISB的设计和使用也在不断改进和普及。
    3.1ISB的结构
    ISB通常由3个部分组成，分别为顶部、体部、基部。各品牌的ISB在材料、形状、大小、表面纹理、连接结构、回收利用性、软件兼容性和成本方面都有较大差异。由于不同品牌的种植体所对应的ISB不同，获取的种植数字化模型精度也有差异。
    3.2ISB的形状
    获取ISB的外形及其空间位置用于在设计软件中定位种植体和基台，是口内采集数据的一个重要目的，因此ISB表面设计和几何形状与扫描精度直接相关。ISB的整体形状，即主结构，比二级和三级结构更容易被数字化扫描仪所采集。ISB的主结构一般为球形或类圆柱形设计，高度一般为3～17mm。
    Motel等学者对ELOSA/S，nt-tradingGmbH和TEAMZIEＲEISGmbH3种不同形态的ISB进行体外模型扫描并对其误差进行分析。结果显示：外形简单且较平坦的ELOSA/S的平均偏差最小为41μm，满足常规的临床需求。在全口种植取模中，Huang等的研究表明具有横向延长结构的扫描杆与圆柱状扫描杆相比可显著提高扫描精度。
    3.3ISB的材料
    不同品牌的ISB组成材料也不同，包括聚醚醚酮、钛合金、铝合金及各种树脂，这些材料的可加工性和制造公差是影响ISB精度的一个重要因素。ISB的顶部一般是由相同的材料组成，但通常有不同的形状，可包含1个或多个扫描区域。ISB通过基部与种植体连接，基部材料可与体部相同，也可不同。钛具有密度小、精确度高、强度大、可高温消毒反复利用、生物相容性较好等优点，但纯钛在扫描时会因为表面反光难以被识别带来测量误差。因此钛及钛合金材料通常被用作ISB的基部材料，作为顶部材料时必须要进行表面处理。
    光固化树脂，是口腔医学领域应用广泛的高分子材料，通常被作为ISB的顶部材料，其优点是轻便、易成型、不易反光、生物相容性良好，且成本低；但其缺陷为强度低、易变形，同时树脂受温度影响大，不可高温消毒反复利用。聚醚醚酮是一种热塑性聚合物，表面不易反光、具有优良的抗菌性能、可以高温消毒反复利用、生物惰性对软组织刺激非常小、稳定性高。大部分ISB以聚醚醚酮作为顶部材料，由于其强度不高作为基部材料时多次使用会影响精度。
    3.4ISB材料相关的光散射
口内组织及多种修复材料的光散射程度不同。遇到不同的物体时，部分光可在物体表面反射，部分光可在物体内散射或透射，即次表面散射。次表面散射（subsurface scattering，SSS）指光从表面进入物体经过内部散射，然后又通过物体表面的其他顶点出射的光线传递过程，用来描述光线穿过透明/半透明表面时发生散射的照明现象。SSS的“光污染”会造成口内扫描系统的传感器检测到的表面光测量值不同，因此也降低了扫描的准确度。
    研究表明暗淡的材料比有光泽的材料更容易扫描，唾液往往会在口内硬、软组织表面形成透明层增加反射表面，导致扫描仪所摄取的图像中有多种纹理，影响扫描精度，因而在口腔中进行数字化扫描更具有挑战性。使用口内扫描仪对ISB扫描时所获取的点云数据，往往会混杂有不合理的噪声点。对不同材料扫描，获得的点云不同，混入的噪声点也不同，进而影响重建精度。Nedelcu等的研究表明，钛对扫描精度影响最大，其次为树脂，氧化锆最小。
    Kurz等认为，天然牙和不同材料表面的扫描精度存在（0.83±0.45）μm到（－14.79±3.45）μm的误差。其中，不透明初烧结氧化锆及金属的误差大于天然牙釉质，高半透明性玻璃陶瓷的误差与天然牙釉质相近，复合树脂的精度误差小于天然牙釉质。李虹等使用6种不同的半透明均质瓷块研究扫描精度与物体半透明性的关系，结果显示材料半透明性越高，其扫描精度越低。因此扫描不同材料的ISB得到的模型精度也应不同，然而目前暂时没有文献报道关于ISB不同材料对扫描精度的影响研究，可能是由于无法排除不同材料加工误差所带来的干扰。
    3.5ISB的表面处理
    扫描时粗糙表面比光滑表面更容易捕获到数据，但也有研究表明，深纹路、倒凹、陡峭、尖锐、倾斜的表面更难以扫描，这是由于光线无法到达相应的区域，数据缺失，从而影响扫描结果。对于无牙颌患者，口内扫描时往往会出现无法识别、面片分层、模型变形等问题而影响口内印模的完整获取，这是由于局部粘膜表面缺乏明显的纹理特征。Kanazawa等对无牙颌患者进行口内扫描的过程中采用喷粉处理，增加粘膜表面纹理，有助于获取全口义齿的数字化印模。
    Nedelcu等认为喷粉的厚度对扫描精度影响不大，不过Hategan等的研究表明喷粉厚度的不均匀会降低扫描的精度，而喷粉厚度的均匀程度与操作者的经验水平有关。为使ISB更易识别，需要设计其表面纹理并进行适当的表面处理，如增加顶部表面的纹路、钛金属表面需要增加涂层或氧化表层以提高粗糙度。但目前暂无关于ISB表面处理对扫描精度影响的文献报道。
    4.小结
    本文介绍了种植修复数字化口内印模技术，并分析了影响印模精度的相关因素，包括扫描仪的因素如扫描路径、扫描范围等，以及ISB的因素如其形状、材料、表面形貌等。目前的研究表明直接数字化种植印模的精度满足多单位种植修复临床需求，能够为后续修复体的数字化设计制作提供数据基础；使用ISB的种植数字印模还能避免传统印模技术中主观因素的影响，改善原有的诊疗方式和患者舒适度，减少椅旁时间与次数。现今关于精度影响因素的研究大多仅限于模型实验，临床研究较少，今后还需要更多的临床数据来评价各种因素实际产生的影响，以更好地指导临床应用。