口腔种植体植入精度评估方法的应用进展

    随着科学技术发展数字化种植逐渐走入人们视野，静态导板、动态导航与口腔种植机器人等数字化外科技术已广泛应用于临床。从术前规划到术中导航再到术后分析，数字化技术贯穿口腔种植全程。数字化外科技术可以实现精准种植，因此记录种植体的正确位置对于种植修复体的计算机辅助设计/计算机辅助制造（computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM）以及评估种植手术精度至关重要。
    根据ISO 5725-1-1994 测试方法与结果的准确度（正确度与精密度）第1部分：基本原理与定义，精度（accuracy）又可称为准确度，分为精密度（precision）与正确度（trueness）。“精密度”描述的是同一物体的重复测量之间的距离，而“正确度”描述的是测量结果与被测量物体的实际尺寸之间的距离，两者都是数字化口腔种植工作流程中的重要考虑因素。
    在临床上，种植体植入术后评估常使用各种数字化技术进行测量，例如使用锥形束计算机体层成像（cone beam computed tomography，CBCT）和口内扫描仪直接记录种植体位置，也可以通过台式光学扫描仪扫描从工作印模中倒出的石膏模型来间接记录。在实验室则可以使用三坐标测量仪（coordinate measuring machine，CMM）来记录种植体位置信息。已知的精度评估方法包括使用X射线、扫描仪、三坐标测量仪、激光跟踪仪、拍照或显微镜等，每种方法的原理各不相同，有各自适合的使用场景。本综述将对目前应用于计算机辅助种植领域中的几种术后评估方法进行总结，以期为口腔种植术后评估方法的选择提供参考。
    1.CBCT术后评估方法
    CBCT是一种带有锥形X射线束的计算机体层成像设备，已被广泛应用于术前评估种植体围的骨质和骨量，是种植体三维位置评估的首选成像工具。其原理是Ｘ射线发生器发射较低剂量的放射线围绕待测物体做环形数字式投照，将所获得的数据在计算机中重建获得三维图像信息。
    在选定的视野范围中，生成患者颌骨的三维灰度图像和正交横切面（矢状面、冠状面和水平面）视图，医生可以在外科种植体规划软件中规划和放置虚拟种植体并在术后验证软件中进行术后精准度评估。在国外，德国西诺德、意大利NEW TOM、德国KAVO等公司均已经开发出成熟的口腔CBCT诊断设备；国内安科、朗视仪器、普爱医疗等公司也拥有各自成熟的CBCT产品。自其发展以来，CBCT的三维成像技术作为一种诊断、术前计划和口腔种植相关的工具在临床已被广泛应用。据相关文献报道，CBCT的线性误差高达0.6 mm，有文章对NewTom品牌的CBCT进行报道，其正确度为（82±23）μm。
    1）CBCT精度评估操作流程：将带有术前虚拟种植体规划坐标信息的CBCT数据与种植术后CBCT数据进行拟合，通过相关术后评估软件，如：Co-DiagnostiX软件、Medraw软件、Simplant软件等进行运算，将术前术后影像进行配准，软件自动计算种植体平台、顶点的三维偏移，以及计划位置与放置位置之间的角度偏移。
    2）CBCT精度评估的优点：与常规CT相比，CBCT具有图像采集速度快、辐射剂量小等优点。由于CBCT的有效剂量较低，取代了多探测器计算机体层成像。此外，CBCT设备体积小、成本低、易于使用。在口腔种植数字化流程中，拍摄CBCT是进行种植计划的前提，其可以显示骨密度、骨厚度以及软组织轮廓。作为口腔种植术后评估设备，其具有操作简单、设备容易获得、时间短、数据格式通用等优点。
    3）CBCT精度评估的缺点：在大多数类似的研究中，术后需要第二次拍摄CBCT用于评估种植体的位置，然而这将使患者暴露在额外的辐射之下，并违背了ALARA（低到可以合理实现的程度）原则。而且，这种评价方法似乎并不够精确。CBCT扫描是从一系列2D侧位和后侧位头影测量图像中重建的，它们之间有微小的偏移。因此，两个连续图像之间的数据丢失可能降低其准确性。
    除本身三维重建误差外，金属伪影、人工制品、体素等因素也可能会妨碍清晰的可视化和精确的骨骼测量。Ye等采用不同体素对离体牙进行CBCT扫描后重建，发现其测量体积均大于激光扫描模型，且随着扫描过程中体素尺寸的增加，牙的体积测量往往更大。由Al-Ekrish等进行的一项研究则发现，由于金属伪影的存在，很难确定种植体正确的植入位置，这导致CBCT图像和直接测量之间的平均偏差为0.49 mm。
    除此以外，在术前与术后影像配准时也会产生误差，而这个误差会放大设备本身所产生的误差，导致术后评估不准确。配准误差难以避免，只能通过尽量减少设备误差和人为误差来降低配准误差。而低密度的模型在CBCT中建模轮廓并不清晰，在术后评估时，如果采取表面标志配准也将增大术后评估误差，而且CBCT所生成的“.DICOM”格式数据并不能在第三方软件中广泛应用，这将对术后评估软件产生限制。
    2018 年ITI共识中称未来研究不应使用CBCT/CT进行种植前和种植后位置评估。未来的研究应侧重于使用表面扫描设备评估种植体最终位置，这将减少患者的辐射暴露，并提高术后评估结果的准确性。
    综上所述，CBCT虽然在临床中常用但干扰因素较多，应根据术后评估软件的原理以及实际临床情况来考虑是否选用CBCT作为术后评估设备。如果术后评估软件是通过标志点进行配准，患者不介意二次辐射而且影像中标志点清晰没有伪影，这种情况下可以选择二次拍摄CBCT来进行术后评估。
    2.口腔扫描仪术后评估方法
    口腔扫描仪是使用不同的光学技术收集数据来重建三维模型，它可以通过测量物体表面的光反射时间来记录组织表面的几何形状，整个过程通常在几分钟内完成。口内扫描系统有中国Launca DL-100，丹麦3Shape、Copenhagen，美国的Primescan、Dentsply Sirona等品牌，台式光学扫描系统有美国的Atlantis IO-P-03、Dentsply Sirona，丹麦的3Shape Scanner D 700、3Shape A/S、Copenhagen等，还包括一些工业扫描仪Activity 880、Smart Optics等品牌。不同的光学技术，不同的外部因素，如校准、唾液反射或黏膜移动等口内条件、光线环境、扫描程序等都会影响口内扫描系统的准确性。
    口内扫描仪的原理有激光三角测量、主动波阵面采样、超快光学切割、共聚焦显微测量、激光平行共聚、光学相关体断层成像等。临床上较为常见的iTero与Trios就是采用共聚焦显微成像技术，利用放置在光源后的照明针孔和放置在检测器前的探测针孔实现点光源和点探测，通过逐层扫描，获取牙不同深度的焦平面形貌数据，从而构建出牙的三维形貌。
    有不同的文献对口内扫描系统的精度进行了描述，Mizumoto等报道口内扫描仪正确度大于170 μm；Liu 报道数字模型叠加后的正确度小于0.05 mm；另一项研究中所使用的扫描仪精密度为4.5 μm；Primescan品牌扫描仪的正确度和精密度分别为25 μm和10 μm；还有其他文献认为口扫的正确度在18.4 ～ 21.1 μm之间。
    台式光学扫描技术又可以称为间接扫描技术，其原理有测量头直接接触被测物三维坐标重建、相机或摄像机立体摄影、光栅干涉获得被测物影像、激光三角测距法等。3D模型扫描仪orthoX平均扫描精度为0.5 mm；台式光学扫描仪3Shape D250 的扫描精度低于20 μm；3Shape 的D2000 扫描仪的正确度和精密度分别为17.47 μm和16.6 μm。
    除此之外，还有一些高精度工业扫描仪，例如：蓝光工业扫描仪COMET L3D的不确定度小于11 μm；工业光学扫描仪ATOS Core-80 设备的偏差值为1.8 μm，一致性率为99%。
    1）口腔扫描仪精度评估操作流程：其操作流程与CBCT操作流程相似，但口腔扫描仪在进行术前规划时，不仅需要术前CBCT数据，还需要术前口扫数据，在两者融合的基础上才可以进行种植体规划，与术后口扫数据进行拟合，通过软件运算，得出种植体植入误差。
口内扫描仪的使用是在测量前需要在种植体上安装测量杆，使用口内扫描仪时，可以在患者口内直接操作，吹干唾液，将口扫探头直接伸入口内进行口内扫描，而台式光学扫描仪需要制取患者口内印模，在模型上安装扫描杆后再进行扫描，两者都生成“.STL”格式文件，将术后口扫数据导入相应种植体术后评估软件，如：Geomagic Studio、Geomagic Control X、3-Matic、Materialise、Leuven等软件进行术后评估。
    2）口腔扫描仪精度评估的优点：在一些研究中发现口扫的术后评价方法优于CBCT术后评价方法，也有研究表示口扫精准度低于CBCT，但其可以避免患者接受二次辐射伤害。台式光学扫描仪显示出卓越的精度，并成为许多研究中的虚拟金标准。
    Kernen等报道，口内扫描仪可以提高构建三维模型的准确性。除此之外，扫描仪所生成的“.STL”数据可以在第三方软件中通用，这将扩大术后评估软件的选择范围，由于其扫描表面清晰，在进行术后评估配准时可以减少配准误差。
    3）口腔扫描仪精度评估的缺点：有研究表明口内扫描系统与台式光学扫描系统拥有相似的精度，但是实验环境并不能完全模拟临床环境，所以临床上的测量精度误差值可能会发生变化。尽管近年来表面扫描设备的精度有了很大提高，但对于增大跨度的，尤其是当涉及整个牙弓时，扫描设备仍存在不准确的问题。
    如果扫描范围越大，形成的三维模型越不精准。除此之外，医生使用口内扫描仪时手部不稳定会导致模型采集信息不精准或者出现分层现象。而台式光学扫描仪在临床中则只能间接构建三维模型，需要借助于患者灌注的石膏模型，这将会引入取印模时与灌注石膏时的误差。扫描仪虽然可以精准扫描表面形态，但因其无法透射骨组织的形态，导致在种植体位置规划时无法直接在口扫文件上进行规划，仍需要融合CBCT数据，而两者的融合也会产生一定的误差。而且其术后评估也需要在此基础上与术后口扫数据进行融合，这增加了术前准备的工作步骤。
    综上所述，扫描系统根据不同原理与品牌有不同的精度，但其与CBCT术后评估系统对比，优势在于减少辐射伤害，但对于大范围扫描时精度无法保证、增加术前准备步骤且依赖于医生操作。对患者口内因有多颗修复义齿而影响CBCT影像清晰度、难以识别标志点的情况更有优势。但是对于牙列缺失患者，患者颌骨缺少口扫识别标志点，口扫所生成的三维模型误差会变大，术后评估也会变得不准确。
    3.三坐标测量仪术后评估方法
    三坐标测量仪是一种可在三个相互垂直的导轨上移动，三个轴的位移测量系统经数据处理器或计算机等计算出工件各点（x，y，z）的探测器。三坐标测量仪的测量原理是通过各种技术获取待测位置三维坐标信息，将待测坐标信息与术前规划位置信息进行匹配来进行误差分析。三坐标测量仪在工业领域应用广泛，其品牌包括Faro、ZEISS、HEXAGON等品牌，其常被用来测量孔轴线偏差。有文献报道称三坐标测量仪线性精度在所有轴上都在1 μm以内。
    Pan等报道，使用三坐标测量仪作为实验金标准，对比口内扫描仪、台式光学扫描仪与CBCT术后评估误差，此三坐标测量仪的精度为±2 μm，其最大线性误差为1.8 μm+3L/300，其中L是测试对象的长度，单位为毫米。还有采用全转动关节结构的Faro Edge三坐标测量仪，球面测量范围为1.8 ～ 3.7 m，测量精度为0.024 ～ 0.064 mm。
    1）三坐标测量仪精度评估操作流程：不同的三坐标测量仪有不同获取待测位点三维坐标的方式，文献中提及使用探针进行接触测量，也有一些采用非接触测量方式。在口腔种植领域，三坐标测量仪目前只应用于体外实验，使用刚性测头进行接触式测量或将其放置于台上非接触式测量对术后种植体坐标信息进行测量，生成的被测物坐标与术前规划坐标通过算法进行误差分析，以评估植入精度。
    2）三坐标测量仪精度评估的优点：三坐标测量仪最大的优势在于其高精度，而且适用范围较广。
    3）三坐标测量仪精度评估的缺点：有一些原理的三坐标测量仪需要使用探针，人为去测量，这将会引入人为测量误差。三坐标测量仪已广泛应用于工业试验的孔洞测量中，但因为其体积较大、价格昂贵等原因不适用于临床。
    总而言之，三坐标测量仪以其高精度的优势应用于口腔种植体外实验的种植体术后评估，其测量结果相较于CBCT与口腔扫描术后评估精度更高。
    4.其他术后评估方法
    还有一些其他测量方法，例如用数字工具显微镜（德国Leitz Wetzlar WM标准工具显微镜），参照支架上的立方体角，物理测量种植体顶点的坐标，该方法具有平面三坐标测量仪的功能。平行于立方体表面的亚克力平台，借助平行度计附着在石膏模型上。用显微镜测量平面坐标，用丙烯酸平台将石膏模型平行放置在一个平面上，其精度为0.0025 mm。
    摄影测量是一种通过记录数字图像来确定物体的几何特征及其三维空间方向的技术，已有效地用于广泛的口腔计量用途。除此之外较多实验选择使用电子卡尺进行测量，此物理测量方法简便快捷。而对于孔径的测量，许多钻孔实验选择使用塞规来测量孔的直径。也有使用超景深显微镜对孔的定位精度进行检测，在超景深显微镜下的工件图像上绘制钻孔处的圆和工件的边缘直线，然后利用显微镜测量孔心位置到工件边缘直线的距离和相邻两孔的孔心距离。
    在医学机器人实验过程中选择记录末端运动轨迹，最后用定位探针来检测实际钻孔点位置来测量术后误差。以上测量方法都是由人眼读取，会引入人为误差，而且操作过程繁琐，适用范围局限，且难以测量种植体植入时的角度误差。
    在不同的领域均会涉及钻孔，这就会需要仪器对所钻孔洞进行精准测量，对于大型钻孔场景，例如钻井等选择三坐标测量仪等测量范围广的评估方法；对于飞机的精细化钻孔则会选择三坐标测量仪、超景深显微镜、塞规、电子卡尺、激光跟踪仪等方式进行测量；对于医学领域多选择术后拍摄影像进行测量；在口腔种植领域多选择术后拍摄影像或者进行口腔扫描进行术后评估，在实验室中也有使用三坐标测量仪、显微镜、电子卡尺等方式进行测量，但是这些方式在临床上并不适用。
    还有许多领域中会应用到类似的评估方式，但大部分集中于钻井、飞机钻孔、数字化医疗等领域。有些评估方式可以同时应用于不同领域，在后续的研究中，可以尝试跨领域使用高精度评估设备。
    5.小结
    在口腔医学临床领域，最为常见的术后评估方法即为CBCT与口腔扫描，在体外实验中会使用三坐标测量仪以及显微镜进行术后评估但并不适用于临床。CBCT适用于影像清晰的点配准评估方式，口腔扫描仪适用于影像有较多干扰因素且患者不愿接受二次辐射的情况，三坐标测量仪与显微镜测量更适用于体外实验需要更为精准评估的情况。目前尚未有一种测量方式适用于所有情况，未来可以尝试其他领域评估设备，找到适用范围更为广泛的评估方法。