口内数字印模的准确性应用探讨

刘翠，张敏，蒋一，王婧，肖瑞，白阳，曹均凯

1 解放军总医院京中医疗区口腔科，北京 100120；2 解放军总医院第一医学中心口腔科，北京 100853

数字化扫描系统于20 世纪80 年代引入口腔科。作为口腔科计算机辅助设计/计算机辅助制造(computer aided designed/computer aided manufactured，CAD/CAM)技术的初始步骤，数字化印模越来越多地应用于单冠、多单元固定桥的制作，近年来更扩展到了口腔种植修复、全口义齿修复和赝复体等领域。而新兴的数字化印模技术是直接在口内将口腔数字化并创建三维虚拟模型，所应用的设备被称为口内扫描仪(intraoral scanners，IOSs)[1]。除此之外，IOSs 还被应用在比色、模拟治疗过程、牙齿移动和磨损的监测、早期龋的诊断和监测[2]、正畸[3]、法医口腔学[4]等领域。本文旨在提高数字印模的质量，对IOSs、口内数字印模准确性的影响因素、提高口内数字印模准确性的方法做一综述。

1 IOSs 概述

IOSs 通常是一种便捷式手持设备，扫描仪的头部插入口腔[4]，将光束或光网(结构光或激光)投射到牙齿表面或软组织上，并通过高分辨率摄像机捕捉光束或光网投射到的这些结构；然后将收集到的信息利用软件进行处理，重建所需的三维模型；从一个点云的开始，到一个多边形网格的导出，被扫描的对象进一步被处理，得到最终的三维模型[5]。数字印模数据传输系统分为开放式和封闭式。开放系统以标准细分曲面语言(standard tessellation language，STL)格式处理基牙的三维数据，该格式是口腔科CAD/CAM 系统中最常用的格式，制造商可以轻松访问STL 数据。而在封闭系统中，由于系统的限制，印模数据只用于制造修复体[6]。

三维扫描技术有多种，如接触式扫描和非接触式扫描。接触式扫描是通过物理接触进行探测；非接触式扫描是通过光反射或物体辐射探测物体或环境。根据不同的物理原理，可以分为激光三维扫描技术、结构光三维扫描技术、图像三维扫描技术和接触式三维扫描技术[7]。目前，非接触式扫描技术得到广泛应用，临床上数字印模的获取方式主要有直接口内扫描法和间接口外扫描法，口外扫描可实现快速高分辨率数据的采集，精度为5～ 10 µm，口内扫描的精度为50 µm。

与传统的印模技术相比，口内扫描的优点有：(1)明显简化了修复流程，缩短了临床时间[8]；(2)避免了因托盘或印模材料引起的恶心不适，耐受性更好[5]；(3)不会因印模材料或石膏模型的化学反应而发生尺寸变化[9]；(4)不需要物理存储空间[10]，无需清洁、消毒印模和印模托盘、无需灌注模型[11]；(5)印模可以通过电脑直接发送至技工室，实现医技快速沟通[10]，实时可视、易于重复[11]；(6)即使在张口受限的情况下，IOSs 也可以轻松快速地获取口腔内结构的实时成像[4]；(7) COVID-19 的主要传播途径有飞沫传播、直接接触传播等，广泛应用的非接触式IOSs 减少了与口腔结构和唾液的直接接触，并且不需要存储石膏模型，降低了交叉感染的风险[12]。总之，不论从口腔医师角度，还是从患者角度，口内数字扫描都被认为是一种更快速、更方便的技术[11]。

2 常见的IOSs

了解IOSs 的性能及区别有助于帮助口腔医师针对不同的病例选择合适的IOS，目前临床上应用较多、口碑较好的IOSs 有以下几种。

2.1 CS 3600® 一款结构化光扫描仪，配有可互换和可高压灭菌的尖端，不需要使用粉末，即使最困难的区域也能方便的扫描，并能提供3D 高清全彩图像，具有智能匹配系统。

2.2 Trios3® 一种结构光扫描仪，使用共焦显微镜和超快光学扫描每秒捕获3 000 多张二维图像的技术，不含粉末，彩色扫描有助于区分天然牙结构和牙龈组织，有助于识别边缘线[13]。

2.3 iTero® 一种口内激光扫描仪，通过平行光共聚成像，即通过多个小孔发射光束，在一定距离内的物体表面反射，进而形成三维影像，无需喷粉[14]。

2.4 Cerec Omnicam® 一种结构光扫描仪，使用白色LED，在光学三角测量和共焦显微镜原理下工作，不用粉末，在重建模型中融入颜色，工作流程可直接椅旁完成。

2.5 True Definition® 一种结构光扫描仪，使用脉冲可见蓝光，是一种3D 视频技术。使用钛氧化物粉末，是一个半封闭系统，速度不如其他设备快[5]。

3 口内数字印模准确性的影响因素

传统的修复程序涉及许多步骤，在物理印模、咬合记录或将模型传递给技工室时，误差都可能会出现[15]。对于一个成功的口腔修复流程，准确的数字印模是至关重要的[7]。准确性由真实度和精度来描述。真实度是指从重复测量得到的平均值与真实值的接近程度。精度是指重复测量值之间的接近程度。换句话说，真实度决定测量值与实际值的关系，精度代表重复测量的一致性[16]。

数字印模的准确性受多个因素影响，包括IOSs 设备性能、口腔环境因素(温度、湿度)、操作员影响、扫描策略、扫描跨度、扫描时间、牙弓表面不规则性、患者运动等[9,11,17]。

3.1 口腔环境的影响 口腔环境中含有唾液、血液和口腔结构的人工反射面，这些都可能会对数字印模的准确性产生影响[1]。口腔内结构的光学性质和折射率与石头、金属、橡胶或树脂的光学性质和折射率大不相同。天然牙齿具有不同的半透明度和阴影范围，修复材料、牙龈和黏膜组织的光学性质与扫描的人工模型或牙模型也不同。当扫描牙釉质、牙本质的硬组织基质时，所有扫描仪的准确性表现相同。总的来说，牙冠预备后基牙的扫描相比全弓扫描更准确。这是由于牙冠预备后的基牙可被完整扫描，牙本质与牙釉质的折射率不同，能收集到更多的光学折射点，从而减少了拼接错误[8]。但在预备基牙颈部龈缘较深或出血的情况下，很难检测到准确的边缘线[7]。

3.2 操作员的影响 操作员的扫描技能也会对生成虚拟模型的准确性产生影响，即有经验的操作员能够进行更准确的扫描[1]。

解淀粉芽孢杆菌B6对拟南芥拮抗病原菌Pst DC3000的作用研究………………………… 王 静，刘 娜，赵会君，尚 洁（82）

3.3 扫描数据的影响 STL 文件是存储IOSs 扫描信息的一种通用、准确且经过时间检验的方法，其数据是将IOSs 的扫描结果与各种尺寸的三角形或三角形网格叠加，生成扫描对象的计算机模型。扫描对象越复杂，三角形就越小、数量就越多。文件的大小会影响保存及导出至技工室进行处理的速度，即必须考虑到文件大小对IOSs 分辨率的影响，也要考虑到数据保存与传递的准确性。近年来出现了新文件格式，如OBJ 和PLY，提供了量化扫描对象颜色和纹理的高级功能[18]。

3.4 扫描策略的影响 准确的扫描策略将数字制造工作流程中的不准确性降至最低，并创建精确的虚拟三维数据集。以无牙颌为例，IOSs 在对无牙区进行扫描时，单点云的拼接和匹配过程较差。全弓扫描的准确性与正确的扫描策略有关[1]。因此，为了获得可用的虚拟三维模型，正确的扫描路径至关重要。

3.5 扫描跨度的影响 随着扫描牙弓跨度的增加，口腔内数字印模的精度下降，当扫描范围小于半口时，精度在临床上是可以接受的，换句话讲，扫描区域越大，牙弓表面越复杂，精度越低[11]。从单冠到局部义齿再到全口义齿修复的扫描印模结果中，误差逐渐增大，真实度都要优于精度[13]。IOSs 不能用一张图像扫描整个牙弓，而是一张张单张图像通过匹配或拼接构建三维模型。而全弓扫描的误差增强主要是由于匹配或拼接误差，这些误差随着扫描长度的延长而增加[19]。

3.6 扫描深度的影响 有研究提出扫描深度也会对印模的准确性产生影响，增加髓腔固位冠预备的牙髓腔延伸深度会降低扫描精度，因此在扫描嵌体、高嵌体、髓腔固位冠时，选择合适的IOSs至关重要[20]。

3.7 扫描时间的影响 从大多数IOSs 的扫描中还发现更长的扫描时间也会增加误差。全弓的扫描时间与真实度和精度高度相关。当扫描一牙弓时，IOSs 通常会捕获约1 200 张图像。扫描错误可能是由于部分图像的重叠，特别是在前牙区。前牙区数字印模误差的增加主要是由于牙面结构较差和牙面坡度较大[7]。

3.8 不同IOSs 的差异 IOSs 在真实度和精度上存在显著差异，多项研究对IOSs 进行了比较研究，Imburgia等[5]研究认为不同IOSs 的真实性存在显著差异，CS 3600®给出了最好的真实结果，CS 3600®、Trios3®、Cerec Omnicam® 和True Definition®在精度上无显著差异，但Trios3®在从牙列缺损到无牙颌模型的过渡过程中表现更好，也具有较高的终点线清晰度[21]，但iTero®较Trios3®、Cerec Omnicam®的真实度和精度都要更好，iTero®在磨牙间宽度和尖牙间宽度测量方面较其他IOSs 更精确[14]。全弓扫描的时间与真实度和精度高度相关，Trios3®被发现有最好的速度和准确性的平衡[7]。在长跨度牙弓的扫描中，如无牙颌，iTero®的准确性取决于使用的扫描策略[22]。

3.9 其他因素的影响 研究发现，牙弓宽度对全牙列、腭部软组织数字印模的精度有显著影响，其精度随着牙弓宽度的增加而降低[23]。但总体来说，所有扫描仪在硬组织上的表现都优于软组织，牙列数字印模的真实度要高于腭部软组织，上颌弓数字印模的真实度要高于下颌弓[10]，IOSs扫描牙列的准确性相当高，只是在牙弓的远端、前牙区和邻接区会有较大差异[23]。

4 提高口内数字印模准确性的方法

为了提高数字印模的准确性，研究者提出很多方法，值得临床工作者深思和借鉴。

4.1 数字化结合的方式 锥形束CT(cone-beam computed tomography，CBCT)可反映颌骨和牙齿的硬组织。但牙冠形态和咬合关系很难在CBCT图像中描绘出来。使用高分辨率的IOSs 可以获得详细的牙冠三维图像。结合三维成像技术互补的特点，可构建具有精确冠、根形态的三维牙体模型[24]。临床上使用IOSs 采集初始数据，使用面部扫描进行美学调整。通过三维面部扫描获得的软组织轮廓信息与IOSs 或口腔外扫描仪获得的信息进行融合，是对现有扫描技术的理想补充[25]。3D 打印精度高，可帮助实现精细程度要求极高的手术[26]。融合CBCT、IOSs、面部扫描、3D 打印等信息，借助CAD 数字处理软件，可提高数字化修复的准确性[27]。

4.2 选择合适的扫描策略 扫描策略对扫描质量有显著影响，对于不同的病例、不同的IOS 选择适合的扫描策略，目前常用的扫描策略如下。(1)由外向内法：先扫咬合面，从左侧第二磨牙(27)扫到右侧第二磨牙(17)，经过前庭沟返回，最后扫腭侧；(2)象限法：即先扫咬合面，从右侧中切牙(11)扫至17，经过前庭沟返回，后扫腭侧，再左侧按同样方式扫描；(3)六分法：先扫咬合面，从17 至右侧第一前磨牙(14)，经过前庭沟，然后是腭侧，再扫咬合面，从右侧尖牙(13)到左侧尖牙(23)，前庭沟返回至腭侧，最后扫咬合面，从左侧第一前磨牙(24)开始至27，前庭沟返回到腭侧[22]；(4)左右分法：一种是从左侧侧切牙(22)扫至17，再从右侧侧切牙(12)扫至27，进行重叠匹配[28]；(5)“之”字形扫描：首先扫描上颌的左1/3，从远颊区开始，将扫描头缓慢地按“之”字形向前牙区移动，然后返回到软腭区，再扫上颌的中1/3，从软腭区开始，将扫描头慢慢地按“之”字形折向前牙区，然后回到软腭区，最后从软腭区开始，扫描上颌的其余1/3，缓慢地按“之”字形折向前牙区，返回右侧的远颊区[15]；(6)舌面扫描法：沿咬合面从17 向27 扫描，然后扫舌面，但不扫描颊面[24]；(7)颊面咬合腭(buccal-occlusalpalatal，BOP)策略：先扫描颊面，再扫咬合面，从腭面返回；或先扫描咬合面，再扫腭面，从颊面返回[1]；(8)顺序扫描法：按顺序扫描每颗牙齿的咬合面、颊面和腭面，从17 开始向各个方向做“S”形移动，不用再返回起点[22]；(9)腭部软组织的扫描策略：从17 或27 的腭侧到对侧牙弓的腭侧进行腭部扫描，按照“倒U”型不断缩小扫描范围，在17 或27 的远端完成整个腭部的扫描[23]。

以上扫描策略可以获得准确性更高的数字印模，其中BOP 和“之”字形技术主要用于无牙颌的口内扫描[27]。全弓扫描时推荐使用BOP 策略的“先咬合面、再腭面、颊面返回”途径，在全弓扫描中会得到较高的真实度和精度。与传统印模不同，BOP 将扫描的全弓限制在一个象限，从而获得更好的重叠精度结果，达到提高印模准确性的目的[28]。

4.3 扫描辅助工具法 Fang等[15]介绍了一种扫描牵开器，它可以弯曲以适应上颌无牙弓的轮廓，有助于前庭区的伸展和固定、唇部和颊部的收缩，使用此工具后，使扫描获得的数字印模质量足以确定解剖标志和义齿边缘线，如上颌切迹、切牙乳突和牙槽黏膜转折处。对于下颌弓，也建议一种舌侧框架，可以延伸到舌侧前庭的深处，以固定舌侧前庭，同时收回舌头。利用辅助工具有助于IOSs 扫描获得更精准的印模，重建更准确的口腔解剖结构三维模型。

4.4 辅助功能性运动法 在进行口内扫描时，用手指拉伸黏膜可能有助于捕获足够数量的黏膜反射，并实现良好的边缘封闭。必须注意不要过度伸展中间皱襞，以避免前庭组织过度移位。但传统的功能性印模不仅包括操作者手动拉伸黏膜，还包括患者自己进行的边界成型运动[22]。所以，这样的功能性辅助扫描能提高一定的准确性，但无法完整地记录成型运动。

4.5 辅助扫描材料的使用 为了减少扫描误差，需要在被扫描对象上使用辅助扫描材料。一些研究报告称，使用粉末涂层可以提高无粉末扫描仪的精度。液体型扫描辅助材料的形状重现性优于粉状材料。

辅助扫描材料一般由二氧化钛组成，以增强表面的不透明度，并使光线均匀反射。另外，辅助扫描材料在金属表面相比树脂类材料更有效。辅助扫描材料创造了一个统一的反射表面，并增强了扫描对象的不透明度，从而使IOSs 可以更有效率地识别对象。当辅助扫描材料应用于全牙弓时，扫描的时间效率和精度显著优于未用辅助材料。在有口腔内唾液、舌头等限制的真实临床环境中，辅助扫描材料的应用可以减少工作时间，更有效地获取全弓扫描图像[19]。在使用IOSs前，有必要仔细检查牙齿表面是否有液体残留，而使用三用气枪吹干牙齿被证实可以有效消除液体引起的扫描误差[29]。

4.6 提高腭部软组织印模准确性的方法 扫描腭部时，参照非游离端的相对准确的后牙列区域(即颊面、腭面、咬合面)的区域重叠扫描，可提高腭部扫描的准确性[23]。另外，注意保持黏膜干燥，频繁清除口内唾液，并从不同方向多次和慢速扫描，也可提高准确性[30]。通过使用最佳的患者特定灰度值阈值，基于软组织的IOSs 和CBCT 扫描配准方法为完成无牙上颌的虚拟工作流程提供了准确的解决方案[31]。

5 结语

IOSs 扫描获得的数字印模准确性是临床可接受的，且市场一直在推出新设备，如Dentsply Sirona 的Primescan®、3 Shape 的Trios4®、Carestream的CS 3700®等[13]，新设备不断发展，软件不断更新，能更好地满足临床需求。未来IOSs 仍面临很多困难和挑战，如扫描头过大、无牙颌扫描准确性有待提高、游离端牙列缺损病例的口内数字印模制取问题等，但相信随着科学研究的不断深入，口内数字印模终将逐步取代传统印模方式，为临床医师和患者提供更多的便利。

作者贡献刘翠：文章总体构思、查阅文献、撰写初稿；王婧、肖瑞、白阳、曹均凯：监督指导；刘翠、张敏、蒋一：审读和修订；曹均凯：资金获取。

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