数字印模技术在无牙颌种植修复中的应用及研究进展

    种植体的动度低于天然牙，种植修复上部结构的被动就位对于减少远期的机械和生物并发症，获得长期稳定的种植修复效果至关重要。在修复前获得满足临床精度需求的印模是其必要的前提条件。作为种植修复“全数字化流程”的一环，数字印模具有传统印模所不可替代的优势。
    对于单颗牙或短跨度的种植修复，数字印模简便、高效且精度较高。而对于无牙颌种植修复，如何获得满足临床精度需求的数字印模是一个难点（本文关注的无牙颌种植印模精度特指印模中种植体的位置精度，直接影响修复体的被动就位），原因在于无牙颌黏膜缺少数字化扫描数据拼接所需的特征性可识别结构。
    无牙颌种植修复数字印模技术的发展可以大致分成三个阶段：“口外-口内-口外”。第一阶段的“口外”数字印模是指先用传统印模技术获得无牙颌种植印模，再通过口外扫描印模或石膏模型获得数字印模，即基于传统印模技术间接得到的数字印模，其印模精度对操作者的经验有一定要求，临床部分的操作流程较为复杂。
    而目前文献中常见的“数字印模”多指第二阶段的口内数字印模（Intraoral Scanning，IOS），即通过口内扫描仪直接采集口内无牙颌软组织和扫描杆形态数据，从而获得具有种植体位置信息的无牙颌种植数字印模，这种方法大大简化传统制取印模的操作流程，同时提高了患者的舒适度，但不足之处是数字印模中的种植体位置精度并不理想，主要原因是无牙颌黏膜缺少扫描拼接特征。
    在这个背景下，第三个阶段的“口外”扫描应运而生，即基于立体摄影测量技术的数字印模技术（Photogrammetry）。它是指在口外使用具有多个摄像头的立体相机，对口内安装有特殊扫描装置的对象进行不同角度的拍摄，通过获得的扫描装置标记信息计算出其几何特性及空间排列关系的技术，是一种无需将摄像机放入口内即可获得无牙颌植体位置信息的数字印模技术。这种技术应用于无牙颌数字印模的表现是目前口腔临床关注的热点。本文将对上述三种无牙颌数字印模技术做文献综述。
    1.基于传统印模扫描的无牙颌种植数字印模技术
该方法是指先用传统印模技术获得无牙颌种植印模或石膏模型，再通过体外高精度扫描仪扫描印模或石膏模型获得无牙颌种植的数字印模。为了获得高精确的种植体位置信息，口腔临床常采用夹板开窗式印模，其操作流程为：制取初印模、灌制石膏模型、在石膏模型替代体上连接印模转移杆、以牙线和树脂等材料为夹板连接固定印模转移杆、在相邻转移杆间切断夹板、将各转移杆连接到口内相对应的种植体或基台上、连接夹板断端、制取开窗式印模。
    在患者口内获得传统印模之后，在口外使用高精度牙颌模型扫描仪配合种植体扫描杆进行印模或石膏模型的扫描，即可获得具有种植体位置信息的无牙颌数字印模。
    这种方法获得的无牙颌种植数字印模可以避免石膏膨胀形变带来的误差，精度较高，常做为研究其他无牙颌数字印模技术精度的传统技术参考组。不足之处在于：操作流程较为复杂，患者容易感到不适，印模材料可能存在变形等，这些因素可能影响种植体位置精度，且对临床医生操作手法的熟练度和经验依赖性较高。
    2.基于口内扫描的无牙颌种植数字印模技术
相比操作复杂的传统印模间接法，口内数字印模是一种“直接数字印模”技术，技术流程简便、高效。在患者口内置入小型光学扫描头，通过小面积单视场扫描点云数据的连续重叠拼接得到扫描口腔对象的全部表面数据，直接对口内软硬组织表面数据进行实时捕获和数字模型重建。
    对于无牙颌种植的患者，取印模时需先将具有特征性表面形态的口内用种植扫描杆连接固定在种植体或基台上，再使用口内扫描仪直接采集扫描杆及口内软组织表面信息，获得无牙颌种植数字印模。但由于无牙颌黏膜缺少扫描拼接特征，口内无牙颌种植印模尚不能满足临床中的种植体位置精度要求。
    2018年国际口腔种植协会（ITI）共识报告建议：口内数字印模的精确度可以满足种植单冠修复病例临床应用的要求，但仍不建议其临床常规应用于多单位种植修复或牙列缺失的种植固定修复。因此如何提高无牙颌种植口内数字印模的精确度成了近年来的研究热点。
    1）扫描技术和扫描设备
    目前市场上可用于种植修复的商业化口内扫描系统主要有丹麦3shape公司的TRIOS系统、德国Sirona公司的CEREC系统、美国的Lava C.O.S、iTero、True Definition系统等，这些口内扫描系统采用了不同的扫描技术原理，其中主流技术主要包括共聚焦显微成像技术、主动波阵面采样技术和三角测量技术等。
    这些扫描系统精度各不相同，Kim、Bilmenoglu等人的研究结果显示，Trios、True Definition、iTero、Omnicam在无牙颌印模中表现出较高的准确性。Papaspyridakos等作者则认为，不同扫描仪在无牙颌印模中表现出的正确度差异没有统计学意义。此外，Mizumoto等认为使用不同的口内扫描杆，也会影响无牙颌印模中种植体位置的精确度。
    2）口内直接扫描技术的局限性
    对于单冠修复，口内数字印模的精度可以媲美实验室条件下的传统印模。但对于无牙颌种植修复，一方面，种植体间黏膜组织缺乏扫描拼接特征、反光性强，且扫描杆间形态相同，这使得扫描仪识别图像的难度增高，扫描精度较低。另一方面，黏膜具有一定的动度，也会降低无牙颌种植口内扫描精度。最后，无牙颌牙弓扫描路径长，无法一次获得所有数据，需要拼接多个点云数据图像才能生成完整的数字印模，拼接次数的增加则会导致误差的积累。
    有研究表明，后续扫描象限的精确度低于第一个扫描象限的精确度，多个扫描杆中最后扫描的扫描杆位置的三维偏差最大。原理是各公司大多使用的是迭代最近点算法的某种变形，该算法通过最小化两个独立点云上公共点距离的最小均方误差（MSE）来拼接图像。如果拼接后的数字印模种植体之间的距离和角度偏差太大，则会影响上部结构的被动就位，这也是此前口内数字印模精度难以满足临床需求的原因。
    此外，其它影响无牙颌种植口内数字印模中种植体位置精度的因素还包括扫描仪类型、扫描模式、扫描杆材料与几何形状；环境光、操作者经验；种植体角度和深度、种植体间距离、口内操作空间、颊舌软组织干扰、血液唾液污染等。
    3）口内直接扫描技术的改进研究
    基于黏膜缺少扫描拼接特征这一原因，近年来许多研究者提出了提高口内无牙颌种植扫描精度的方法，其基本思想是在分散的扫描杆之间增加稳定连接的特征性结构。这些改进方法根据个性化程度大致可以分为三种：第一种方法是在黏膜上添加玻璃珠、牙线、压力指示剂、英文字母几何结构、氧化铝块等简易标记物，或在扫描时增加腭皱结构的上腭扫描，其目的都是为了增加黏膜特征性识别结构，但上述研究结果对提高无牙颌种植口内数字印模精度的效果很有限；第二种方法是使用牙线、正畸钢丝、自凝树脂等材料制作夹板，连接固定相邻的扫描杆，这种方法可一定程度上提高无牙颌种植口内数字印模的精度；第三种方法是制作个性化口内辅助扫描装置并在口内就位固定，比较常用的方法是增加利于被识别的具有牙齿形态的结构，如预成树脂牙或含树脂牙的夹板、患者的旧义齿和临时修复体、患者天然牙等。
    Huang和Farhan改变了传统扫描杆的形态，其中前者设计了具有延伸结构的扫描杆，这些延伸结构将分散的扫描杆连接成一个整体，减少扫描种植体间黏膜时出现的拼接误差；后者在各扫描杆上设置了不同缺口，有利于扫描过程中系统识别区分不同的扫描杆，减少拼接错误。这些个性化口内辅助扫描装置使得无牙颌种植口内数字印模的精度有所提高，甚至优于传统夹板开窗式印模。由于上述研究设计的异质性普遍存在，难以对不同研究进行定量分析。传统印模和口内数字印模哪种技术更优，尚无统一定论。
    相比基于传统印模间接扫描获得无牙颌种植数字印模，各种改良口内无牙颌种植数字印模技术具有明显优势：首先，口内无牙颌种植数字印模的操作流程更为简便，大大减少诊疗时间，提高了工作效率，对医生的软件培训也相对简单，即使某个部位获得的图像不满意，只需对该部位补充扫描，无需重复所有操作流程。
    其次，可以减少甚至避免使用传统印模材料，避免刺激口腔原发疾病，患者体验舒适、满意度较高。第三，口内软硬组织形态和色彩的实时呈现便于医-患交流，便利的数据储存功能共享数据库的医-医、医-技交流。
    第四，种植后即刻修复前获取口内无牙颌种植数字印模，可以避免传统印模材料引起的伤口感染和组织刺激，也避免了传统印模过程中可能对未完全形成骨结合的种植体产生不良应力。其不足之处在于，获得满足修复体被动就位精度的种植体位置仍是一个难点，研究者们期待一种既操作简便，又能精确获得种植体位置信息的数字印模技术出现。
    3.基于立体摄影测量技术的无牙颌种植数字印模技术
    在口内无牙颌种植印模技术逐渐成熟的背景下，立体摄影测量技术成为了一种获取无牙颌种植数字印模的新选择。立体摄影测量技术是指使用具有多个摄像头的立体相机对具有多个标记点的扫描对象进行多次不同角度的扫描，通过所获图像计算出各标记点的三维位点及空间排列，进而获得扫描对象三维位置的技术。
    这种技术在地形测量、汽车制造、土木工程等其它学科已表现出很高的精度，在口腔正畸学科中已被应用于评价牙弓对称性及颜面部改变。在口腔种植学科中被用于分析不同技术和材料获得的种植体位置精度，现已初步用于口外直接获得无牙颌种植的种植体位置信息。
    立体摄影测量技术最初在1994年被Lie和Jemt提出作为检测植入物和上部结构适合度的方法，1999年，Jemt等人提出认为这项技术是无牙颌传统印模合适的替代品。此后，人们开始研究立体摄影测量技术在口腔种植中的应用，认为其适用于获取部分无牙颌和完全无牙颌患者的种植修复数字印模。将立体摄影测量技术获得的种植体位置信息和口内直接扫描技术获得口内黏膜形态相结合，可以获得满足无牙颌种植修复精度需求的数字印模。
    1）扫描设备
    目前文献报道中可见的无牙颌种植立体摄影扫描系统主要包括：Icam4D（Imetric4D Imaging Sàrl，瑞士）和PiCcamera（PiCdental，西班牙），其中前者具有4个摄像头，后者具2个摄像头。上述系统还可配备红外闪光灯，可不断照亮扫描对象，消除环境光产生的阴影。立体摄影扫描系统的无牙颌印模及种植体位置获取流程如下：
    （1）获取种植体位置数据：先将具有多个特定标记点的专用扫描杆连接固定在复合基台上，立体相机装置于口外直接扫描获得口内扫描杆的标记点空间位置，由此计算出扫描杆轴线所代表的种植体位置信息和方向信息的，命名为model A。
    （2）获取软组织信息及颌位关系数据：将口内用印模帽连接固定在复合基台上，结合使用口内扫描仪直接获得带有印模帽形态的上下颌软组织表面形态数据。当口内扫描难以获取良好的软组织信息时，也可以用石膏模型扫描来获取软组织信息。如果患者口内有咬合稳定的临时义齿或旧义齿，可以通过口内扫描获得颌位关系，再将此口扫数据里的临时义齿删除，剩余的黏膜信息就可以与戴印模帽的上下颌口扫数据里的黏膜进行配准，从而获得含颌位关系的上下颌软组织表面信息，命名为model B。
    （3）整合种植体位置数据与软组织形态数据：将上述model A和model B导入立体摄影扫描系统的专用软件，通过将model A中的种植体轴线位置与model B扫描获得的印模帽轴线位置进行对齐，获得同时具有种植体位置、软组织表面信息和颌位关系的无牙颌种植数字印模数据。
    2）立体摄影无牙颌种植数字印模的植体定位精度研究
    目前针对立体摄影测量技术获取无牙颌种植体定位精度的研究相对较少，实验室研究中对该技术精度的评价主要采用与传统临床种植印模方法比较，分析植体或上部结构的三维偏差、线性偏差、角度偏差等。作为对照组的传统方法常采用传统夹板开窗印模法，使用树脂或金属夹板转移种植体位置到口外，于口外进行精度评价。
    Tohme在一篇研究中使用立体摄影测量技术（PiC camera）、口内扫描技术（TRIOS 3；3Shape A/S）和传统印模技术（基于双浇标准化技术）分别于体外模型获得无牙颌种植印模，并使用口外高精度模型扫描仪获得传统印模组的数字印模，参考数据用桌面扫描仪（E3；3Shape A/S）获得。
    计算三组无牙颌数字印模中扫描杆平均角度偏差和三维偏差，两者的正确度均表现为立体摄影测量组最优，传统印模组次之，口内扫描组相比前两组略显不及，而精密度结果均表现为立体摄影测量组最优，口内扫描组次之，传统印模组略显不及。
    Ma在一篇研究中同样设置了立体摄影测量组（ICam4D）、口内扫描组（TRIOS3；3Shape）和传统印模组（夹板开窗印模），用桌面扫描仪（E4；3Shape A/S）获得参考数据，计算无牙颌印模种植体基台的三维偏差，结果的正确度和精密度均表现为立体摄影测量组最优，传统印模组次之，口内扫描组欠佳。
    孙玉洁也设置了摄影测量组（PiC camera）和传统印模组（夹板开窗印模），用桌面扫描仪（E4；3Shape A/S）获得参考数据，比较无牙颌印模种植体基台三维偏差，摄影测量组的正确度和精密度均优于传统印模组。Sallorenzo以三维坐标测量机（CMM）所获数据为参考组，计算立体摄影测量技术（PiC camera）与口内扫描技术（TRIOS 3；3Shape A/S）获得的无牙颌印模种植体的线性偏差和种植体角度偏差，其正确度和精密度均表现为摄影测量组优于口内扫描组。
    然而，也有研究者得出了不同结论。例如，Revilla-León等发表的一篇研究中使用了摄影测量技术（ICam4D）、口内扫描技术（iTero Element；Cadent和TRIOS 3；3Shape A/S）、传统印模技术（使用夹板框架的开窗印模）获得无牙颌种植印模，并使用三维坐标测量机获得参考数据。比较四组数据的种植体基台替代体线性偏差和角度偏差，立体摄影测量组呈现出更高的线性差异和角度差异，精确度更低。
    上述研究结果不一致的原因可能是参考数据获取方式以及精度评价方法不同所导致：Tohme、Ma、孙玉洁等使用模型扫描仪获取参考数据及传统印模组数据，选用三维偏差和角度偏差作为评价指标，而Revilla-León通过坐标测量机获取参考数据及传统印模组数据，分析种植体基台替代体的线性偏差与角度偏差。
    Tohme的研究指出，使用软件程序的不同也可能造成评价结果的不一致，部分研究使用的最佳拟合算法（基于迭代最近点算法），使用所有可用的点云数据进行种植体位置配准，而另一些研究中的软件程序仅将扫描体的特定倾斜面区域配准，这种算法获得的偏差可能比前者的三维偏差更大。此外，学者认为部分研究使用的专业软件算法比临床使用的CAD软件算法更准确，可能会低估临床数据的误差。
    相比口内扫描技术，立体测量技术具有独特的优势，即不依赖图像配准技术，避免了数据的连续拼接产生的误差，而是直接、准确获得无牙颌种植口内多颗扫描杆之间的相对位置关系，允许患者一定程度的移动，同时也避免了血液、唾液或残留物的影响。其局限性在于无法直接获得黏膜信息，需结合口内直接扫描技术获得的黏膜形态数据相结合，才能获得完整的无牙颌种植数字印模。
    而且由于摄像头尺寸较大，不能进入口内，患者张口度和嘴角宽度可能影响其边缘处种植体位置获取精度。同时，尚缺乏研究评估不同类型的立体摄影测量系统、精度评价方法、种植体的数量和角度、配件的连接等因素对立体摄影测量获得的印模种植体位置精度的影响。不同的实验设计对研究结果产生何种影响，以及评价不同印模技术精度的最优方法尚待进一步研究。
    综上所述，经过众多研究者的努力，口内数字印模技术正逐渐克服其应用在无牙颌种植修复中精度不足的问题，有望未来推广临床使用。而立体摄影测量技术作为一颗新星则更受期待，它是否适合制作无牙颌种植数字印模，是否能够替代传统印模，仍待更进一步的研究。
    尽管如此，数字印模在无牙颌种植修复中的应用仍有一定的局限性。一方面，静态光学扫描无法获得功能性印模，无法直接获得黏膜受功能压力的形态。另一方面，目前仅有极少的文献研究表明软组织运动会降低无牙颌种植数字印模的精度。而且目前针对无牙颌种植数字印模精度的研究更多的是体外实验，不能完全复制患者的口内情况，无法分析实际临床操作中可能存在的口内唾液、龈沟液、潮湿环境、黏膜动度以及患者张口度等因素对数字印模精度的影响，仍需更多的临床研究为数字印模技术在无牙颌种植修复中的应用提供更加有力的证据支持。
    针对以上不足，无牙颌的数字印模应进行针对性地改进，随着上述问题的逐步解决，无牙颌种植数字印模将具有良好的临床应用前景，进一步促进无牙颌种植治疗“全数字化流程”的实现。