数字化口内扫描技术的发展与应用

    数字化口内扫描（Intra-oral scanning）技术已经成为临床正在普及的一种先进技术，近年来基于不同技术原理国内外各种新型口内扫描系统迭代推出、临床应用领域不断拓展，更好地帮助医师准确、精细、高效地开展数字化口腔诊疗技术。
    在此临床大背景下，因此有必要回顾数字化口内扫描技术的发展历程、系统学习此项技术现状与发展趋势，帮助临床科学选择适合的口内扫描系统产品。本文将概述数字化口内扫描技术的发展历程，基于现有主要口内扫描系统对其主要技术原理进行详细讲解，并对其未来发展趋势进行展望。
    1.数字化口内扫描技术的发展历程
    1977年Young等基于全息技术开发出口内网格绘图系统，受此启发最早提出对口腔组织进行数字化扫描的设想。1980年瑞士WernerMrmann医师和意大利MarcoBrandestini工程师合作成功实现了这一设想，首次开发出了口内扫描技术，并在两年后研制出世界上第一台手持式口内扫描仪。
    1984年Duret等研制出了首套包含口内扫描技术在内的牙科专用CAD/CAM设备，获得专利授权保护后被德国Sirona（原西门子）公司收购，于1987年推出了首个商用数字化牙科CAD/CAM产品－CERECⅠ。该系统最初使用256×256像素的摄像机进行口内数据采集，仅能满足嵌体椅旁CAD/CAM的治疗需要，随后升级推出的CERECⅡ、Ⅲ产品性能不断提升扩大应用于各类高嵌体、单冠、固定桥等修复体类型，也逐渐用于全口义齿、活动义齿的修复，成为如今数字化口腔修复临床的标准技术之一。
    上世纪90年代后口内扫描技术在口腔正畸领域的应用获得了巨大成功，1997年美国Align公司首次利用数字化口内扫描数据制作出隐形矫治器，该技术较传统矫治技术更加精准、快捷、美观、舒适。随后2002年Wiechmann首次将口内扫描技术应用于舌侧矫治器托槽的CAD/CAM，从而方便为患者高效定制个性化正畸矫治装置。早期口内扫描仪产品操作前需对牙齿等口内组织预先表面喷粉，并且只能获得黑白色数字化模型。
    2006年Bush等首次实现了无牙颌患者口内数据采集。2011年3Shape公司首次推出彩色数字化口内扫描仪（Trios），突破了需要喷粉的技术障碍，可以获得口腔组织的彩色图像信息，随后其他厂家也推出类似产品并且成为当今口内扫描仪的技术主流。
    我国国产数字化口内扫描产品问世较晚，2016年朗呈医疗推出第一个拥有完全自主知识产权的国产系统——DL-100口内扫描仪。目前数字化口内扫描正与CBCT、面部三维扫描、数字化下颌轨迹描记等多种数字化手段获取的多源口腔颌面数据进行更好地数据融合，并在临床操作上更加高效、扫描结果更为精准，例如可在手机端或平板上操作的扫描管理软件，提供满足患者、医师、技师等不同需求的一站式数字化解决方案。
    2.数字化口内扫描技术的技术原理
    现有数字化口内扫描系统成像均基于光学扫描技术原理，采用光源进行口内组织照明，然后通过数字传感器捕捉后进行信息后处理及数据输出。口内扫描系统依据其使用光源不同可主要分为两大类：一类是基于激光技术的口内扫描系统，所应用的技术原理主要为平行共焦成像技术和激光三角测量等技术，口内扫描时能从不同的角度和位置捕捉口腔组织图像；第二类是基于可见光技术的口内扫描系统，技术原理是通过静态图像采集、视频捕获及实时图像捕捉等技术方法采集图像。下面对上述技术原理分别做详细介绍：
    2.1平行共焦成像技术
    平行共焦成像技术（Parallel Confocal Imaging Technique）最早起源于显微镜成像领域，其方法是将平行激光束通过口内扫描仪扫描头发送并投射到被扫描物体上，以特定的焦距照射目标后激光束会反射并通过一个小孔并被激光探测器收集，然后将其转换成数字图像，通过逐层扫描最终构建出口内组织的三维图像。代表性产品为iTero（AlignTechnology，美国）系统，该扫描仪工作时以300个不同的焦距投射约10万条平行红色激光束，在1/3s内可对14mm×18mm的区域进行采样，然后将其结果进行数字化转换和输出。最新的iTero口内扫描系统可以捕获约350万个数据，显著增强了数据采集能力（扫描速度从原先每秒800帧提高到每秒6000帧图像）。
    2.2激光三角测量技术
    激光三角测量技术（Laser Triangulation Imaging Technique）原理是指扫描仪利用红色激光束与微镜以每秒约2万个周期的频率振荡，从被扫描物体周围的多个角度捕获一系列静止图像从而生成三维模型（图3），其突出技术优点是相机仅需要扫描单个方向即获取该图像中捕获目标区域的所有表面形貌细节。
    代表性产品为E4D系统（D4DTechnologies，美国）和普兰梅卡（Planmeca，芬兰）系统，两者不同之处在于前者使用的是红色激光束光源，而后者采用的是蓝色激光束光源进行投射。
    2.3结构光成像及激光三角测量技术
    结构光成像技术及激光三角测量方法（Structured Light Imaging and Laser Triangulation Technique）组合使用有助于连续捕获图像，从而能够精确地标识出牙齿三维表面形态。代表性产品为CS3500（Carestream Dental，美国），该产品利用绿色激光和四个发光二极管来采集和照明物体，采用互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）传感器来接收采集的数据，扫描仪的取景范围为16mm×12mm，工作深度为－1～15mm，无需喷粉即可进行全牙列扫描，并且获取的数字数据可用于渲染彩色模型。
    2.4静态图像采集技术
    静态图像采集技术（StillImage Capture Technique）采用了一种名为主动三角测量的技术，其原理是通过三条线性光束的交点在三维空间中定位进行数据采集。代表性产品为CerecOmnicam/Bluecam（Sirona，德国）系统。德国Sirona公司的早期产品CerecBluecam使用红外光技术（其波长为820nm），而新一代CerecOmnicam产品则采用蓝色光波（470nm）扫描牙列，改善波长参数可以加深景深，扫描精度提高约60%，此外还有助于还原真实图像。新一代国产口内扫描系统（朗呈DL-202）也是基于这一技术原理工作，不同之处在于其选用了LED白光作为口内相机的部分光源，无需喷粉即可真彩还原口内三维数据。
    2.5视频捕获技术
    视频捕获技术（Video Capture Technique）中的主动波前采样技术是唯一一种可捕获视频序列中的三维数据并实时建模的技术。主动波前采样指的是通过基于主光学系统的散焦来测量深度，从而从单镜头成像系统中获取3D信息。代表性产品为LavaCOS（3M，美国）系统，该系统包含的192个蓝色LED照明、3个传感器和22个镜头可以从不同的角度同时捕获扫描物体，然后用专用图像处理算法利用捕获信息实时生成物体三维表面模型。该口内扫描仪取景范围为10mm×13.5mm，与前述使用三角测量原理系统参数接近，不足之处在于由于需要扫描前喷粉，因此渲染的模型是单色的。
    2.6极速光学切片技术
    极速光学切片技术（Ultrafast Optical Sectioning Technique）与视频捕获技术相似，可提高连续图像捕获时的扫描速度。代表性产品为Trios系统（3Shape，丹麦），工作时每秒可捕获3000余幅二维图像，取景范围为17mm×20mm，工作景深为0～18mm。另外与其他基于可见光的口内扫描系统相比，该类产品具有捕获和渲染全彩色模型的能力。
    最新推出的第三代Trios产品集成了用于拍摄高清图像的口内摄像头，同时还推出了具有无线扫描仪的新版本，可显著提高扫描速度与精度。目前国内外市场上可售的口内扫描系统产品超过22个，虽然数字化口内扫描的临床工作流程类似，但不同厂家扫描仪的临床适应证存在一定差异。不同口内扫描系统的扫描头大小、重量存在显著差异，作者实测了国内市场上常见的五种数字化口内扫描系统产品，扫描头尺寸上国产朗呈的口内扫描头最小、iTero的口内扫描头最大，重量上普兰梅卡（Planmeca）最轻、iTero产品最重。
    3.数字化口内扫描技术的临床应用
    3.1牙体及牙列缺损
    口内扫描技术最早应用于口腔修复领域，目前已广泛成熟应用于牙体缺损修复和局部牙列缺损修复。现有绝大多数口内扫描系统产品获取的数据系统架构为开放格式，可以便捷地导入牙科数字化口腔修复设计软件中进行后续设计与制作，极大提高了临床诊疗效率与精准度，减少了患者候诊时间与就诊次数。例如口内扫描技术相比于传统印模方式省去了口腔印模制取、灌注石膏模型、石膏模型消毒等临床流程，其获取的数字化模型精度、稳定性和可重复性更高。
    当前口内扫描系统正在结合其他各种数字化手段形成新的临床诊疗技术，以数字化微笑设计（Digital smile design，DSD）、以修复结果为导向的数字化种植导板等先进技术能够快速呈现出预期修复结果，利于促进医患交流，有效提升患者满意度。牙列畸形矫治是目前数字化口内扫描技术临床应用的另外一个主要领域，自从1997年美国Align公司依据口内扫描仪获取数据成功制作出invisalign无托槽隐形矫治产品后，数字化正畸技术获得了巨大的商业成功。
    相比于传统正畸诊疗模式，利用口内扫描仪进行快速取模后能即刻呈现设计并呈现出矫正后效果。正畸医生还可利用数字化模型提前模拟托槽的位置，用于制作个性化托槽粘接导板，从而大大提升了粘接托槽的准确度，减少了椅旁操作时间。3shapeTrios口内扫描系统配套的分析软件还可以实现虚拟排牙、牙齿移动分析等，大大增强了正畸的可控性。作者近年来将口内扫描技术用于牙周炎患者的治疗，用于控制牙合力和疗效评价。
    牙周附着丧失导致的牙齿容易松动或移位，继发可能存在咬合早接触及非功能侧牙合干扰。口内扫描避免了传统口腔印模中牙齿移位导致的模型精度问题，作者依据口内扫描数据设计了个性化数字化牙合垫或牙周夹板，配合常规牙周感染控制手段治疗牙周病，目前已有2年以上观察期临床病例显示口内扫描数据准确、患者佩戴后舒适性更好。
    3.2颌骨及软组织缺损或缺失
    各类先天性唇腭裂或后天肿瘤外伤等导致的颌面部缺损印模制取一直是临床疑难问题，因取模对象为上下颌骨、腭部以及颜面器官组织，传统口腔印模方法并不适合使用。作者近年来应用口内扫描技术获取颌骨缺损、腭部缺损等病例数据获得满意效果。于晓楠等采用口内扫描技术对单侧眶部缺损患者的健侧眶周皮肤表面纹理进行数据采集，成功获得了患者个性化皮肤纹理、色斑甚至毛孔等颜色形态信息，通过镜像翻转技术用于数字化眼眶赝复体的设计制作。
    作者也应用口内扫描技术实现了对新生儿期（出生后28d内）及婴儿期（出生后1周岁内）唇腭裂患儿口内组织的数据获取，进一步拓展了口内扫描的临床应用对象。唇腭裂患儿因其存在唇裂特殊病理结构，较正常婴儿的开口度更大，宽度更大，从而可以很好地容纳口扫头进入患儿口内，进入口内扫描时患儿口内上方存在唇腭裂，下方有舌体后缩产生的空间，提供了口扫头上下转动的空间从而能捕获完整的图像。扫描获得的腭裂三维模型数据可供临床设计制作术前牙槽嵴－鼻塑形矫治器，也可将其作为数字化寄存腭裂三维模型，对矫治前后及过程中腭裂畸形矫治和组织发育变化指标进行对比研究，监测患儿颌骨生长发育的情况以及评价矫治器佩戴疗效。
    4.总结与展望
    综上所述，数字化口内扫描技术现阶段已获得了良好的临床应用效果，但仍存在着诸如口内扫描头尺寸偏大、全牙弓扫描精度有待提升、扫描头消毒次数对扫描精度影响不明等问题尚未解决，需要在今后临床工作中继续探索研究。需要指出的是，数字化口内扫描技术虽然拥有快捷、舒适、灵活等优点，但现阶段尚不能完全取代传统口腔印模技术，例如在无牙颌、游离端牙列缺损病例的印模获取方面尚不能满足临床治疗需要。
    此外受限于现有扫描技术原理限制，口内扫描属于一种物体表面扫描技术，因此只能获取口腔软硬组织表面形貌数据，需要结合CBCT等其他手段才能对颌骨、牙根等口腔颌面部组织结构内部结构进行客观科学评价。值得注意的是，最新出现的光学相干断层扫描（OCT）技术有望改变这一局面，该技术基于光学相干层析成像可以对牙龈沟下组织进行扫描且不会损伤软组织，在此基础上开展新型图像处理算法有可能突破现有技术表面扫描的技术瓶颈。