数字化口内扫描在口腔种植中应用精度的研究进展

数字化口内扫描在口腔种植中应用精度的研究进展

引用本文：林宇轩，张思慧，陈江.数字化口内扫描在口腔种植中应用精度的研究进展[J].中国实用口腔科杂志，2024，17（6）：733-738. DOI：10.19538/j.kq.2024.06.016

作者姓名：林宇轩，张思慧，陈    江

基金项目：福建省高校产学研联合创新项目（2021H6007）

作者单位：福建医科大学口腔医学院/附属口腔医院，福建省口腔疾病研究重点实验室，福建医科大学口腔颅颌面种植研究中心，福建 福州 350002

通信作者：陈江，电子信箱：dentistjiang@sina.com


摘要：近年，数字化技术逐渐成为口腔医学领域的一大研究热点，在临床上得到了越来越广泛的应用，其被认为会显著改变未来口腔临床诊疗模式。传统种植印模技术虽已相对成熟，但仍存在耗费时间长、患者异物感强、操作流程复杂等不足；而数字化口内扫描技术恰好可弥补这些不足，但其精度、适用范围、影响因素等仍有待深入研究。文章就数字化口内扫描技术原理、精度，以及其在口腔种植修复中应用的精度分析方法和结果做一综述，为进一步开展数字化口内扫描精度临床研究提供参考，为口腔种植临床医生选择合适的口内扫描仪提供帮助。

关键词：口腔种植；数字化口内扫描；精度；正确度；精密度

口腔种植数字化口内扫描是将扫描体连接到种植体上，创造能够被光学扫描识别的表面；利用光学扫描仪非接触式地采集患者的口内信息，重建种植体在口内的虚拟位置，呈现其与软组织、余留牙的位置关系［1］。最终通过修复设计软件，在虚拟模型上设计修复体并制造［2］。相较于传统种植印模技术，数字化口内扫描具有诸多优点［3-6］：①无异物感，提高患者就诊舒适度，节约硅橡胶等印模材料的成本；②简化工作流程，无需模型灌注和代型修整等工作，提高工作效率的同时避免印模和石膏变形；③模型数据更加直观，扫描后可立即检查是否清晰、有无变形；④模型数据便于保存、传输、沟通，使医生、技师、患者三者间的交流更加便捷。数字化口内扫描作为一种新颖、高效的数字化技术，其精度（accuracy）已成为国内外学者研究的重点之一。本文就数字化口内扫描技术原理、精度，以及其在口腔种植修复中应用的精度分析方法和结果做一综述，为口腔种植临床医生了解口内扫描精度研究现状及选择合适的口内扫描仪提供参考。
1    数字化口内扫描技术原理
目前临床上应用较为广泛的口内扫描仪的技术原理主要包括：三角测量技术（triangulation）、主动波阵面采样技术（active wavefront sampling）、共聚焦显微成像技术（confocal microscopy）及光学相干断层扫描技术等［7］，不同技术原理的扫描方式和优缺点也有所不同。

1. 1    三角测量技术    三角测量技术分为被动三角测量和主动三角测量，其中包括立体摄影技术、结构光扫描技术及线激光扫描技术等［8］。基于三角测量技术原理的扫描仪将光束投射到被测物体表面，光经物体表面反射后由电荷耦合原件（charge coupled device，CCD）接收信号；采用图像处理技术将目标的形状变化转变为CCD上成像点（线）的位置变化，通过几何三角关系准确计算出被测物的三维形态［9］。该技术突出的优势是扫描速度快、扫描操作相对简单。
1. 2    主动波阵面采样技术    主动波阵面采样技术是一种三维表面成像技术，仅使用单颗摄像头和离轴光圈（或称“旋转偏心孔装置”），光线透过光圈在成像面上形成不规则的圆形轨迹，目标点的深度信息可从每个点产生的圆形轨迹的半径计算得出，最终推断出被测物的三维形态［10］。该技术的重要特点是仅需要1条光路就可获取深度信息，并能够有效预防被测物体表面不同区域的图像重合，以实现图像分辨率的提升。
1. 3    共聚焦显微成像技术    共聚焦显微成像技术是一种从不同深度获取聚焦图像的技术，这一过程被称为光学切片（具有深度选择性的高分辨率光学图像），图像由计算机采集并重建物体的表面轮廓［10］。该技术原理可概述为光源通过照明针孔发射出光束，经过透镜聚焦至物体表面；物体表面将光反射，光束经由探测针孔过滤非聚焦范围以外的光信号后，进入光探测器并获取清晰的不同深度的聚焦图像，从而重建被测物体的三维形态［11］。该技术的扫描速度较慢，但能够提供更好的信噪比，从而产生更好的对比度和更高的分辨率，因此数据清晰度高、细节表现力好。

2    数字化口内扫描的精度
2. 1    精度的定义    对数字化口内扫描仪的临床实用性进行评估时，常通过测量其精度作为评估标准。根据国际标准ISO 5725-1第1部分：基本原理与定义［12］，精度又称准确度，该术语是正确度（trueness）和精密度（precision）2个要素的结合。其中，正确度是指扫描仪获取尽可能接近真实形态的三维重建的能力，即测量值与实际值的接近程度；精密度是指在相同条件下，通过重复扫描过程获得的三维图像之间的一致性，即多次重复测量值的接近程度。
2. 2    精度的测量方法    正确度的测量方法：将口内扫描仪获取的测量数据与公认精准的扫描仪器（如工业光学扫描仪、坐标测量仪等）获取的参考数据进行对比。精密度的测量方法：在相同条件下，重复多次应用口内扫描仪获取测量数据并将其进行对比［13-15］。测量结果常以偏差值表示，精度与偏差值呈反比。
2. 3    精度测量的误差因素
2. 3. 1    参考扫描仪因素    在进行正确度评估时，通常推荐采用高精度工业光学扫描仪作为获取参考数据的标准工具。有研究表明，台式扫描仪（KaVo ARCTICA Auto Scan、3Shape E1、DOF）的偏差值显著低于口内扫描仪，其精度被认为是可靠的［16-17］，因此部分研究者将台式扫描仪作为金标准开展精度研究［18］。
然而，也有学者的研究结果显示，台式扫描仪和口内扫描仪的精度差异不具有统计学意义［19-20］。这提示，台式扫描仪并不一定能够替代高精度工业光学扫描仪作为金标准来进行口内扫描仪的精度研究。同样值得注意的是，不同台式扫描仪之间（如Medit T710、IneosX5、3Shape E4、Autoscan DS-Mix、Ceramill Map600等）的扫描精度可能存在差异［21］，且同型号台式扫描仪的扫描精度也可能会因设备维护状况及校准状态而异［22-23］。因此，在进行精度研究前，选用作参考的扫描仪首先应经过验证，并遵循制造商的指南进行校准，以保持最佳精度。
2. 3. 2    操作者因素    操作者因素是影响口内扫描精度的重要因素之一，包括扫描角度、扫描距离、操作经验、路径规划和患者指导等。2024年《数字化口内扫描技术专家共识》建议：扫描光线应尽量与牙面垂直或小于30°，扫描距离应为2.5 ~ 5.0 mm，全口扫描时间建议控制在3 ~ 5 min，避免患者因疲劳导致的位置移动［24］。研究表明，口内扫描操作者的经验显著影响了扫描结果，有经验的操作者扫描精度优于无经验的操作者［25-26］。此外，Hardan等［27］认为，口内扫描仪的扫描精度受到不同扫描策略的影响。Müller等［28］认为以下扫描策略的精度最高：自一侧最远中的咬合面-腭面向对侧扫描，过程中需要同时扫描2个面，然后再从颊面返回；该扫描的正确度为（17.1 ± 13.7）μm，精密度为（7.9 ± 5.6）μm。而Medina-Sotomayor等［29］研究认为，不同口内扫描仪获取最高精度的扫描数据所采用的扫描策略各不相同。目前，市面上部分口内扫描仪制造商并未提供最佳的扫描策略，这可能会导致扫描精度测量结果出现差异。
考虑到操作者因素会显著影响口内扫描仪的扫描精度，为避免影响实验结果，实验过程应由同一名操作者进行扫描，并采用适合实验扫描仪的扫描策略以减少误差。
2. 3. 3    环境因素    影响口内扫描精度的环境因素可分为外部环境和内部环境。外部环境因素为诊室温度、湿度、采光等；内部环境为患者口内，存在唾液分泌、湿度变化、唇颊舌的动态遮挡及患者张口度限制等多种因素影响，还可能存在扫描盲区。
关于口内扫描的理想照明条件，目前尚存在争议，Arakida等［30］研究指出环境光的照度和色温会影响口内扫描精度，3900 K色温和500 lx照度是合适的照明条件。Kernen等［15］在口腔内外分别对树脂参考模型进行扫描，对比结果显示口内扫描的精度显著低于口外扫描，这提示口内可能存在某些因素导致扫描精度下降。林继超等［31］对数字化口内扫描技术的影响因素进行了总结，其明确表明唾液、血液、口内湿度、扫描部位的选择、软组织干扰等因素对口内扫描成像质量存在影响。为了获得更佳的扫描效果，在实施口内扫描前需充分考虑并尽可能控制好上述提到的各项变量。
2. 3. 4    扫描体（intraoral scan body）因素    扫描体在口腔种植数字化口内扫描中发挥重要作用［32］。目前针对最佳的扫描体设计及选择方案尚无统一定论。近期一项综述指出，扫描体在牙弓中的位置及扫描体的结构设计、形状、材料成分、颜色和制造系统等，均可能对口内扫描精度产生影响［33］。Mizumoto等［34］认为，扫描体的位置对距离和角度偏差在正确度方面有显著影响，而在精密度方面均无显著差异。此外，口内扫描精度受扫描体材料的影响；Arcuri等［35］研究表明，聚醚醚酮（polyether ether ketone，PEEK）材质扫描体的线性和角度测量结果最佳（平均线性偏差54.7 μm、平均角度偏差0.6423°），其次是钛，而PEEK-钛的精度最低。
目前，临床使用的扫描体种类繁多、差异较大，临床医生需根据患者的具体情况、扫描需求及设备性能等因素进行综合考虑。未来，随着研究的深入和技术的不断进步，有望对扫描体的选择形成更加明确和统一的共识。
2. 3. 5    种植体因素    2018年国际口腔种植学会共识指出，口内扫描可用于单个和短跨度的种植修复，但仍不推荐用于长跨度和无牙颌的种植修复［36］。缺失牙数量越多［37］、种植体间距离越大［38］、种植体间角度越大［39］都可能增大口内扫描的误差。2024年Revilla-León等［40］研究提出，采用口内扫描进行种植修复的种植体数量不可超过4个单位。有研究表明，通过增加稳定、可识别的结构，如制作连接夹板、设计个性化延伸结构来连接邻近扫描体能够减少误差，有助于提高种植修复口内扫描的精度［41］。目前，口内扫描仪仍无法获得理想的无牙颌印模［42］。然而，随着技术的不断进步和新型口内扫描设备的出现，数字化口内扫描技术在无牙颌种植修复中的应用前景仍值得期待。

3    数字化口内扫描在口腔种植修复中应用精度分析方法
当口内扫描仪用于基牙修复时，常通过比较边缘密合性或对基牙进行偏差分析来评估口内扫描的精度［43-44］。而应用于种植修复时，因无法对种植体直接进行扫描，常通过扫描体来获取种植体位置，并基于扫描体进行以下3种偏差测量分析。目前关于采用何种测量方法更能精准评价口内扫描误差尚无定论［45］。
3. 1    总体三维偏差    将实验数据与参考数据导入逆向工程软件，根据最佳拟合算法将二者对齐，以获得总体三维偏差并生成偏差色谱图，偏差值常以均方根值（RMS）表示。Mangano等［23］使用该方法评估并比较了5种不同口内扫描仪（CS 3600、Trios3、Omnicam、DWIO、Emerald）的扫描精度，结果表明CS 3600的正确度表现最佳（偏差为15.2 ~ 44.9 μm），牙列缺损扫描中CS 3600的精密度最佳（偏差为15.2 ~ 44.9 μm），无牙颌扫描中Trios3的精密度最佳［偏差为（35.6 ± 3.4）μm ］。Papaspyridakos等［46］也采用类似方法进行研究，结果显示全牙弓数字化印模后3D打印模型的偏差RMS为（59 ± 16）μm，最大偏差RMS达98 μm。除此之外，还有多名学者采用总体三维偏差法对数据进行分析，如Ribeiro等［47］、Vandeweghe等［48］，该方法能够对扫描仪重建的虚拟模型进行整体偏差分析，数据分析时可生成偏差色谱图，具有很强的整体性和直观性；但其易受到非实验目标数据的影响，如非实验区域扫描时出现误差可能使整体偏差值增大。
3. 2    参考物间的距离偏差    参考物间的距离偏差分析方法是通过定义多个参考物，参考物可为扫描体、基牙、球形基台［49］等，测量参考物之间的距离，将实验数据和参考数据进行对比，来获得距离偏差。Iturrate等［50］将扫描体作为参考物进行研究，其结果表明使用辅助几何零件能够显著提高无牙颌口内扫描的精度。
定义参考物并测量其距离，无需将实验模型与参考模型进行对齐，也无需将数据导入工程软件中进行繁杂的处理，使得测量数据的过程简单易行，同时避免了数据对齐、处理过程中出现的误差。但同时，精准选取参考点显得尤为重要，2次测量的参考点选取的位置出现偏差将导致测量数据不准确。
3. 3    线性及角度偏差    线性及角度偏差是通过定义种植体/扫描体的参考点和中心轴，测量实验数据和参考数据之间参考点的线性偏差及中心轴的角度偏差，参考点常设置在种植体/扫描体的颈部、尖端等位置。
Brandt等［51］评估了30个导板种植模型的种植精度，结果显示种植体的角度偏差为（2.011 ± 0.855）°，颈部和尖端的平均偏差分别为（0.725 ± 0.142）mm和（0.990 ± 0.244）mm，垂直平均偏差为（0.541 ± 0.129）mm。Derksen等［52］通过将术后口内扫描与锥形束CT数据相匹配来评估种植手术精度，共纳入66例患者（145颗种植体），平均角度偏差为（2.72 ± 1.42）°，颈部的平均三维偏差为（0.75 ± 0.34）mm，尖端的平均偏差为（1.06 ± 0.44）mm。Alikhasi等［53］和Cristache等［54］也采用了类似的分析方法。该方法将每颗种植体单独进行分析，可获得更加详细的偏差信息，具有更高的针对性和具体性，有利于研究者将同一模型中不同种植体进行比较；但其缺点也较为明显，操作步骤较为复杂，需要建立空间坐标轴且测量的数据较多。

4    结语
本文总结了近年口腔种植数字化口内扫描精度的测量方法及研究结果，并分析了测量过程的误差因素及各分析方法的优劣，为口腔种植临床医生了解研究现状及进一步深入研究方向提供参考。

传统印模技术随着材料学的发展，虽然精度得到了极大的提升，但其异物感强、椅旁操作时间长等问题仍难以得到改善，因此数字化口内扫描正逐渐取而代之。目前，大部分对于口腔种植数字化口内扫描的研究为体外研究，口内研究较少，而口内外环境差异大，使得现研究结果的临床参考性相对有限。随着口腔数字化技术的不断发展，各类型口内扫描仪不断推陈出新，其性能的提升也将持续拓宽临床应用场景。相信随着口腔数字化研究的逐步深入和数字化技术的日益成熟，未来口腔诊疗全数字化工作流程终会实现，将为医生、技师、患者三方带来极大的便利。