种植修复中数字化印模技术及其精度的研究进展

    1.引言
    随着计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）在医学中的广泛应用，促进了口腔种植数字化诊疗的发展。为了达到精准、美观、安全、舒适的种植修复效果，数字化印模应运而生。而今数字化印模可分为模型扫描、口内扫描和口外扫描，目前临床上绝大多数运用模型扫描采集数据，即用扫描仓对患者牙列的石膏模型进行扫描以获得数字化模型，然而模型扫描仍需进行传统模型制取、翻制石膏模型等。
    口内扫描是指通过口内扫描仪（Intraoral Scanner，IOS）记录种植体在牙弓中的位置，应用建模软件处理生成显示扫描杆的数字化模型，虚拟设计修复体，并可运用CAM技术制造。口外扫描是利用立体摄影测量法来采集指定空间内相对于其他物体的位置、形状、运动及形变。数字化印模定位仪（Precise Implants Capture, PIC）是基于此研发的最新光学印模仪器，带来便利的同时保持其精度。本文将从数字化印模的优势及局限，准确性及影响因素进行简述，以期为临床指导。
    2.数字化印模的优势
    2.1 高效便捷
    传统印模制取过程包括选择托盘、混合灌模材料，印模制取，印模消毒、灌注石膏模型等程序繁琐，数字化印模可以简化其程序，减少椅旁时间，同时转换为虚拟模型储存于电子数据库中，释放存储空间，调用时也更迅速。扫描生成的立体光刻（Standard Tessellation Language,STL）文件可以直接发送到技工室，缩短了患者的整体就医时间。
Lee等研究表明传统印模的平均准备时间为4:42 m/s，数字化印模为3:35 m/s，传统印模制取总时间为24:42±7:18 m/s 高于数字化印模制取总时间12:29±3:46 m/s，结果表明数字化印模更加快捷。Joda等在一项交叉研究设计中，对20 名患者进行了口内扫描和传统取模对照实验，使用视觉模拟评分表（Visual Analogue Scale, VAS）对12 个问题进行了独立评估，分析得出评价结果及治疗时长均倾向于数字化印模。
    2.2 精准可靠
    在传统印模制取过程中，由于印模材料的压迫不可避免地引起软组织的局部变形，尤其是当印模取出时。牙龈边缘和龈乳头区更加敏感，受力变形后的软组织不能在短时间内恢复，因此在重复制取印模时存在差异。此外，也很难完全避免印模撕裂、小碎片和气泡等。相反，数字化印模不接触患者口内的软硬组织，有效消除了对软组织的潜在作用力，同时利于术后需要进行即刻修复的患者，防止印模材料压迫创口导致感染。数字化印模避免了与制取传统印模程序相关的长过程链和累积误差，极大提高了精度。
    2.3 舒适度高
    患者的舒适度同样是一个值得关注的问题，数字化技术改变了治疗过程及患者体验，在记录一个数字化印模时，它可以随时暂停和继续，并在一次就诊中进行双重检查，减少了印模失败及再次扫描的风险，改善了医技之间、医患之间、医师之间的沟通。此外，应用IOS消除了托盘的选择、印模材料的配比和调试、以及消毒和运输等不便。
    避免了制取过程中引起的焦虑、恶心、疼痛、口腔异味、严重咽反射等不适。Delize等研究证明使用VAS 调查得出与传统印模相比，IOS 在舒适度、焦虑度和味觉等方面结果显著更好，患者的总体偏好更倾向于口内扫描，使用数字化印模技术获得了更好的满意度。
    2.4 咬合关系佳
    目前种植修复的治疗理念是以修复学为导向，而咬合则是种植牙恢复原有牙齿美观、咀嚼功能的关键。咬合过轻会影响咀嚼效率，咬合过重会引起骨结合破坏及种植体折断导致种植失败。数字化技术可以整合面部扫描、口外摄影测量、口内扫描、下颌运动分析仪和CBCT数据构建虚拟患者的动态咬合模型，并且IOS行口内扫描时可根据颜色提示将咬合负重情况分为咬穿、接触、强、一般、弱、较弱等，便于把控种植牙的应力分布。
    3.数字化印模的劣势
    3.1 设备成本效益
    口内扫描仪获取数字化印模是口腔种植修复数字化诊疗的流程之一，这意味着需要一系列的设计软件及3d打印设备来对接STL文件及DICOM数据。当口腔医疗单位引进数字化设备时，应熟知各种设备的自身成本及额外的附加成本。除此之外，医师应深入了解各种数字化设备的特征以便于在特定的临床环境中做出最佳的选择，必要时应对医护人员进行系统规范的培训学习。
    3.2 软组织重现
    大多数数字化扫描仪的原理是通过发射激光术投射到牙齿表面，接收器通过捕获反射光来获取数据，每秒可捕获上千幅二维图像，通过图像拼接形成三维模型。无牙颌的患者由于缺乏牙齿及解剖标志作为固定的参考点，且扫描范围大跨度长，拼接次数越多误差越大。此外，当预备体及扫描杆周围有轻微渗血或唾液时，会阻挡激光术到达穿龈较深的部位导致IOS设备软件无法捕获清晰图像。
    3.3 压力性印模
    种植体支持的覆盖义齿是牙列缺失患者最常见的治疗方式之一。无牙颌患者牙弓的组织学特征及形态各不相同，制取功能性印模时黏膜存在一定的位移可产生不同的可让性，有利于分散力，避免应力集中。而数字化印模无法获取压力性印模，种植体固位式全颌覆盖义齿承受咬合力时，基托易下沉在骨尖、骨棱、特殊解剖处等造成压痛，甚至导致牙槽骨吸收。但已有学者通过使用数字化技术制作个性化托盘完成终印模的制取，其精度更佳、效率更高、医患满意度更好。
    4.数字化印模的准确性探讨及其影响因素
    4.1 数字化印模的准确性探讨
    在口腔种植修复过程中，关键是要确保尽可能准确地再现口内情况，因为错误或不准确的印模会对最终的修复结果产生影响。可见印模的准确性对制作一个合适的修复体尤为重要。从根源上来讲，准确性来源于“真实性”和“精确性”。“真实性”定义为参考数据集和测试数据集之间的比较，参考数据集和测试数据集之间的测量偏差决定了扫描仪的精度。“精确性”定义为使用同一数字化扫描仪获得的不同数据集之间的比较。换句话说，当对同一对象进行多次测量时，扫描仪能确保获得一致结果的能力。
    为了评估数字化印模的准确性，关键是要区分不同临床情况下扫描仪的使用。Sakornwimon等学者通过对16 颗预备后的磨牙分别行数字化印模和传统印模制取，进行口内评估检查，盲检修复体的边缘差异，结果显示其准确性与传统印模相近。Mangano等教授在一项体外对照研究中报告了对单颗植体虚拟位置的差异性比较，平均误差范围为15±0.8 μm到43±11 μm，证实了单颗植体修复扫描结果的高度可靠性和准确性。
    同样Mizumoto等通过体外对照实验以高精度工业扫描为标准来评估无牙颌数字化印模的精度，平均距离偏差为142.7 μm到160.3 μm。目前对于4-5 个单位的种植修复或全口种植修复的数字化印模，其精确度有待商榷。但仍有学者认为，在进行全口扫描时无论患者有无牙列，口内扫描的精度都会随距离的增加而降低，而无牙颌由于缺乏稳定的参考点导致其精度进一步变差。
    4.2 数字化印模精确性的影响因素探讨
    4.2.1 医师操作熟练程度
    数字化印模的可预期性及可重复性能够减少临床操作时长、缓解患者不适，构建术前修复方案和预判、处理意外情况的发生。但不同的数字化印模技术有不同的特点及取模流程，缺乏经验的医师不可避免的会影响数字化印模的精度。Giménez等学者评估了来自四名医师制取的数字化印模的精度，其中两名资深医师（100 次以上扫描经验）及两名年轻医师（无扫描经验）均使用共焦成像技术数字扫描仪iTero 经统一路径进行扫描，导出STL 利用工程软件测量分析得出有经验和无经验的医师之间存在显著差异，有经验的医师能够更好的运用数字化辅助技术，可见其制取过程中不同的信息配准、整合、校正均得益于医生的经验。资深医师使用数字化辅助技术可以使种植修复精度更高，患者体验更佳。
    4.2.2 扫描路径
    数字化印模在数据采集过程中存在一定的技术敏感性，扫描路径受到临床医师操作习惯的影响。相关研究证实扫描路径对三个单位以下的数字化模型的精度没有显著影响。Mennito等教授通过五种扫描途径：后牙至前牙、前牙至后牙，先颊侧-咬合-舌侧，先舌侧-咬合-颊侧、“S”形环绕等来对比数字化印模的精度，结果显示扫描路径不会显著影响短牙弓数字化印模的准确性。
    而Latham 等学者通过使用3ShapeTRIOS 3、Planmeca Emerald、iTero Element、CEREC Omnicam 四种扫描仪选择四种扫描方法进行精度对比，整体对比显示IOS 系统的正确度差异为46 μm 至119 μm，其中扫描路径对iTero Element、CEREC Omnicam 精度有显著影响，最佳扫描路径为从患者27 舌侧以45°扫描至14，然后以90°返回至起始磨牙舌侧。以相同的方法完成颊侧27 至14 以及对颌牙齿的扫描。结果表明全牙弓的数字印模精度受到扫描路径的影响。
    4.2.3 扫描杆的材质和外形
    最初提出使用3D图像采集技术进行印模获取时，口内扫描杆只能用于单个种植系统并需要配套的设备及软件。然而随着扫描技术的提高和普及，扫描杆在材料、外形、可重复性及设备兼容性等方面的设计也在不断改进。临床常用的扫描杆材质包括聚醚醚酮（PEEK）、钛合金、铝合金和各种树脂，由于反复的使用和消毒，扫描杆的磨损也会对印模的精度产生影响。
    Motel等学者通过体外对照实验分析三种不同形状的扫描杆对数字化印模精度的影响，结果显示与外形不规则的扫描杆相比，具有光滑表面的圆柱形扫描杆产生的噪点更少、获取的印模精度更高。Arcuri等教授通过使用平行共焦成像原理的扫描仪，在口外对三种不同材料制成的扫描杆进行扫描并测量其线性及角度偏差，结果分析得出扫描杆的材质对数字印模精度有显著影响，PEEK在线性和角度测量方面均显示最佳，其次是钛，钛-PEEK结合材质效果最差。
    Chia等人的另一项体外研究表明，在拧紧PEEK扫描杆的过程中施加15 N·cm的扭矩，由于旋紧过程对扫描杆材料的挤压，可改变其在顶端方向的位置多达11±4.9 μm，但其他学者指出根据PEEK扫描杆的有限证据表明，连续使用多达十次仍不会影响数字化印模的精度。
    4.2.4 种植体的角度、跨度及深度
    由于患者口内缺失牙的数目、位置各不相同，植体角度和跨度也作为临床因素，已被广泛研究其对部分牙缺失和无牙颌的数字化印模精度的影响。在Giménez等教授的一项体外研究中，使用放置6 颗植体的无牙颌模型，分别为侧切牙（12-角度0°、深度4 mm，22-角度0°、深度2 mm）、第二前磨牙（15-远中倾斜30°、深度0 mm，25-近中倾斜30°、深度0 mm）、第二磨牙（17、27 均为角度0°、深度0 mm），进行5 次扫描分析数据得出种植体的角度和深度对数字印膜的精度无显著影响，第二象限的数字化印模精度明显低于第一象限。
    Flügge等学者研究指出在6-18 mm的距离内扫描精度较高，在40-50 mm 的距离内扫描精度较低。然而临床应用中，扫描杆因自身表面结构不同、倾斜角度不同可能受到邻牙、邻近软、硬组织的遮挡进一步影响数字化印模的精度。
    4.2.5 数字化扫描设备
    口内数字化印模的获取依靠不同的技术、设备及软件。临床技术包括平行共焦成像技术、光学相干断层技术、激光三角测量技术、数字摄影测量技术、光学切片技术、干涉测量技术等，原理多是使用激光发射器投射激光至种植体扫描杆或预备体上，以点云的形式获取原始数据，进行曲面拼接建立三维模型，可以较为真实的还原患者牙齿、牙龈色泽和形态。
    大量文献证明，不同的设备及软件包之间的差异，导致印模准确性显著下降。Renne等学者在口外使用七种不同扫描系统对全牙弓模型进行扫描，通过计量软件分析得出平均误差为3Shape D800-79 μm，Planmeca Planscan-79.8 μm，CadentiTero-84.6 μm， CERECBluecam-89.6 μm，CEREC Omnicam-89.8 μm，Carestream 3500-97μm，3ShapeTRIOS 3-98 μm。但口外实验仍存在一定局限性，多数患者进行口内扫描时包括软组织、银汞合金、金属冠、全瓷冠、复合树脂、牙釉质、牙本质等，目前尚无明确研究证实扫描这类材质对扫描精度的影响。尽管如此，目前多数新一代扫描仪的平均精度误差小于临床实践中可接受的最大阈值150 μm。
    4.2.6 临床扫描环境
    目前临床常用的数字化印模系统涉及光学原理及算法原理，过亮的光源、室温及湿度均会对光学印模的获取产生干扰。Arakida等教授研究发现在光学印模取像系统中最佳的光源条件为色温3900 开尔文、照度500 勒克斯。其它相关研究表明，每台IOS 设备根据其固有的图像采集技术设置的特定光照条件下扫描更加准确。
    Revilla-León等学者将实验室的环境温度分别设置为15 摄氏度、19 摄氏度、24 摄氏度和29 摄氏度，IOS 设备放置24 小时后在不重新校准的情况下连续取30 次数字印模进行软件数据分析，结果表明临床环境温度波动会影响数字印模的精度，其中24摄氏度时印模精度最佳，其次为19摄氏度。
    5.展望
    随着数字化技术、设备仪器性能的提升，数字印模的准确性达到了临床应用的标准。然而目前数字化印模技术仍无法完全替代传统印模技术，其准确性仍受到医师操作、设备软件、扫描方式、临床环境等多因素的影响。虽然目前已有许多研究评估数字化印模的准确性，但大多数研究均是在体外树脂模型中进行，限制了其临床意义。因此，进一步提升数字化印模的准确性将会是未来发展的方向。除此之外，现阶段数字化扫描仪的设备系统及使用流程较为繁杂，不利于推广普及，因此降低设备成本、开放封闭系统、简化操作流程是数字化印模改善的方向之一。