数字化印模在口腔种植修复中的研究进展

2021-4-1 16:04  来源:中国口腔颌面外科杂志
作者:张翌婕 史俊宇 赖红昌 阅读量:1434

    计算机辅助设计与制造技术于20世纪80年代起开始应用于口腔医学领域,包括普通冠、桥、贴面的设计制作等。数字化技术也成为当下口腔种植领域的一大热点,其中,近10年来发展迅速的数字化印模为数字化辅助修复技术之一,是指应用口内扫描仪(intraoral scanner,IOS)在患者口内无需直接接触即获取组织图像或视频,并合成三维牙列影像的印模技术,其避免了传统印模过程中由于印模材料及石膏变形所产生的误差,以及咽反射、印模材料气味等不适感。

    IOS扫描后得到的Standard Tessellation Language(STL)文件可以电子形式储存并直接用于上部修复体的设计及制作,有效减少了实体材料的消耗,降低了模型存储及运输成本,是一种更为环境友好的取模方法。本文就种植修复中数字化印模技术的原理、精度及影响因素作一综述。

    1.口内扫描仪的原理及常用产品

    口内扫描仪通常由手持扫描仪器、配套软件以及计算机组成。在进行口内扫描时,软件可实时显示扫描得到的三维图像。STL格式是最常见的口内扫描图像的三维图形文件格式,由多个三角形面片组成。各品牌扫描仪采用不同的原理测量从扫描头到扫描物体的距离,将光学信息转换为三维模型,以下根据不同原理分别介绍。

    1.1主动波前采样技术(active wave front sampling technology)

    波前采样技术是指基于主要光学系统测得的对焦及散焦深度,通过单透镜成像系统获得被扫描目标3D信息的扫描采样技术。“主动”(active)指口内扫描仪主动向物体投射光束,相对于“被动”(passive)技术仅依靠环境照明来照亮口内组织,“主动”技术较少依赖目标的纹理及色彩进行三维重建。

    其具体原理为口内扫描仪向被扫描物体投射光束,目标所反射的图像通过透镜成像系统,投射在传感器上。如所得图像为对焦图像,扫描距离即为该单透镜系统的焦距;如为离焦图像,扫描距离则通过相关算法分析图像的模糊度而得到。3M公司的TrueDefinition口腔扫描仪即采用该原理,其有3个传感器,从不同角度捕捉口内软、硬组织状况,采用可视蓝光进行扫描。True Definition要求扫描前在被扫目标上喷涂二氧化钛粉末,这些粉末颗粒将通过作为随机分布的标志并且使光发生散射而起到增强扫描精度的作用。

    1.2主动三角测量技术(active triangulation technology)

    三角测量技术的原理即口内扫描仪在被扫描物体表面投射出一个光带图案,当每束光线被物体表面反射回传感器时,投射光线与反射光线之间的距离将会被测量;由于光线投射部件和传感器之间的角度是固定的,故可通过三角原理得到口内扫描仪距离被扫描表面的距离。采用主动三角测量技术的代表性口内扫描仪为由登士柏西诺德公司推出的CerecOmnicam口腔扫描仪,扫描前无需喷粉。

    1.3共聚焦显微成像技术(confocal microscopy technology)

    共聚焦显微扫描技术的具体原理为在保持扫描仪和目标间距离的同时,光影图案聚焦平面在不同水平变化,口内扫描仪收集在不同水平面的对焦和离焦信息。由于焦距已知,故被扫平面到透镜的距离也是已知的(即为焦距)。被扫描物品的每一个像素点都可被选出相应的在该点对焦的对焦平面,这些来自矩阵内不同感应器收集的对焦信息,经处理后生成立体的三维图像。

    运用该技术作为基本扫描原理的口内扫描仪主要有3ShapeTrios(超快光学分割及共聚焦显微技术)及CadentiTero(激光平行共聚焦显微成像技术),均不需要在口内扫描时喷涂粉末。

    2.数字化印模用于种植修复的精度

    在种植体水平进行口内数字化印模时,除数字化印模常规步骤外,还需在种植体上方插入相应扫描杆,用于扫描后在软件内指示相应种植体的位置,故相对单纯牙列的口内扫描印模,种植体的扫描难度更高,对精度的要求也更高。对数字化印模精度(accuracy)的衡量由真实度(trueness)和准确度(precision)组成。真实度指测量结果和原物品之间的差异大小,准确度指对同一物体重复测量结果之间的差异大小,反映测量结果的可重复性。

    数字化印模精度的研究方法主要分两类,一类为直接叠加数字化印模及参考模型的STL文件,计算总体的三维误差值;另一类为分别测量数字化印模及参考模型的种植体间距离及角度并进行比较,得到距离及角度的误差。目前关于种植体水平数字化印模的精度,体内研究较少,多为体外模型研究。

    相较于体外环境,体内临床研究由于开口度的限制,唾液的影响,口腔黏膜的移动等,往往导致精度降低,故体外研究所得误差值可能低于临床实际情况。研究对象主要分为3类:牙列缺损患者的单颗种植体印模,牙列缺损患者的多颗种植体印模,以及牙列缺失患者的全口种植体印模。

    2.1种植体支持单冠的数字化印模

    单颗种植体的数字化印模精度研究文献较少且结论不同,至今尚无定论。由于单冠对种植体位置的精确度要求相比联冠及长支架等低,单冠的被动就位也相对容易取得,故目前临床上单颗种植体的数字化印模已经日益普及。临床研究方面,Rhee等纳入24例下颌第一磨牙缺失、使用种植体进行修复的患者,结果显示:传统取模与口内扫描所得三维结构之间差异显著;Mühlemann等的随机对照试验显示,数字化印模的准确度均低于传统取模并具有统计学差异。

    体外模型试验中,Lee等比较数字化印模后的切削模型与传统取模后的石膏模型,发现准确度并无显著差异。这些研究结果的差异,可能是由于各项实验采用的测量精度方法,实验设计不同及体内、体外实验环境差异所导致。

    2.2多颗种植体支持的局部固定义齿

    使用多颗植体进行修复时,由于涉及种植体间的相对位置以及共同就位道,对取模精度的要求往往高于单冠。与传统取模进行比较,多数研究结果表明,在多颗种植体,数字化印模精度低于传统印模;且在体内应用时,其误差已超出临床可接受范围。体内研究方面,Alsharbaty等的研究结果显示,无论是种植体间距离还是角度,数字化印模组误差均大于传统取模。体外研究方面,Alshawaf等及Lin等的研究结果均表明,传统取模后的模型精度显著高于口内扫描取模后的打印或切削模型;Basaki等比较不同印模方法所得STL文件,结果显示,传统取模后,种植体间距离误差显著低于数字化印模,但种植体间角度误差并无显著差异。

    目前有关种植支持修复体被动就位的临床参数尚有争议,但常用的被动就位参数仍为Jemt和Lie所定义的150μm,即不引起长期并发症的修复体边缘误差最大值。仅有的1篇Alsharbaty等的体内研究结果中,仅数字化取模的误差就已经超出150μm;而其余体外研究误差值虽未超过150μm,但并未纳入后续修复体制作时的误差,故目前多颗种植体支持的局部固定义齿的数字化印模精度尚不足以支持临床应用,需要开展进一步研究。

    2.3多颗种植体支持的全口固定义齿

    由于口内缺少解剖标志点,牙槽嵴低平,黏膜活动性大等原因,无牙颌种植患者口内数字化印模难度相对于牙列缺损患者更高,临床应用难度极大。目前无牙颌患者的全口多颗种植体印模常用的方法仍为传统开窗连接式印模。体内研究结果认为,无牙颌种植患者的数字化印模尚无法用于制作密合的上部支架结构。

    Andriessen等对下颌植入2颗种植体的牙列缺失患者进行数字化印模,结果显示,除4例无法成功重叠的患者口内图像外,21个扫描文件中,只有1个文件同时符合种植体间距离误差小于100μm及种植体间角度误差小于0.4°的临床阈值。由于实际口内扫描难度极大,单纯体外研究的结论需谨慎解读。与体内研究不同,多数体外研究结果显示,无牙颌患者多颗种植体的数字化印模精度高于或等同于传统开窗式印模,这可能是由于传统印模精度降低而产生的差异。

    Alikhasi等及Menini等的研究结果显示,牙列缺失患者多颗种植体的数字化印模精度显著高于传统开窗式取模;Papaspyridakos等的研究结果显示,数字化印模精度与开窗式取模无显著区别,高于闭窗式取模;Abdel-Azim等及Gherlone等的比较发现,数字化印模制作的支架结构边缘密合度更高。

    3.种植体数字化印模精度的影响因素

    3.1种植体间扫描距离

    多项体外研究结果发现,种植体间扫描距离增大会导致数字化印模精度下降,这可能与口内扫描仪在获取图像后,软件使用匹配算法(best-fit algorithm)进行图像拼接这一过程有关。Flugge等及Fukazawa等在多牙缺失的体外模型上进行数字化印模,结果显示,随着种植体间距离增加,数字化印模准确度下降。

    Ciocca等、Vandeweghe等以及Giménez等使用下颌牙列缺失种植模型进行研究,Ciocca等的研究结果显示,扫描杆间距离的误差随着扫描距离的增大而增大;Vandeweghe等的研究发现,位于牙列末端的2个扫描杆在数字化印模后显示出最大的三维误差值;Giménez等发现,一开始被扫描区段的印模精度明显高于第2个被扫描的区段。这些研究均提示,种植体间距离是数字化印模精度的重要影响因素。

    3.2种植体角度

    多数体外研究结果显示,种植体角度对数字化印模精度无明显影响,这可能是由于数字化印模避免了传统印模托盘脱位时转移杆周围印模材料的应力形变。Basaki等使用体外多牙缺失模型,Alikhasi等及Gimenez等使用牙列缺失模型的一系列实验结果显示,种植体角度对数字化印模精度无显著影响。仅Lin等的研究发现,随着种植体角度增大,数字化印模后切削得到的模型中,种植体间距离及角度误差随之增大。

    需要注意的是,上述研究均为体外实验。在临床实际应用中,由于口腔空间狭小及开口度的限制,导致口内扫描仪头部在扫描倾斜种植体的颈部时无法完全竖起,可能无法获得足够的扫描杆表面信息,从而导致误差增大,需要进一步开展临床实验,验证这一影响因素。

    3.3口腔扫描仪品牌

    多数体外研究结果表明,口腔扫描仪品牌对种植体数字化印模精度产生影响,但各IOS精度高低在不同研究中得到的结果不同,尚无明确结论。目前调查IOS这一影响因素的研究均为体外研究。Alshawaf等的研究结果显示,CerecOmnicam扫描后的打印模型精度优于TrueDefinition。Flugge等的研究发现,iTero的准确度低于Trios及TrueDefinition。

    Imburgia等的研究结果显示,在体外牙列缺失模型上,CS3600真实度最佳,优于CerecOmnicam及Trios3、TrueDefinition真实度最低,而四者的准确度并无显著差异。从以上研究结果不难发现,目前关于口腔扫描仪的精度尚无明确结论,主要是由于各研究采用的研究方法及对象不同所致,未来需要设计更标准的实验方法,验证不同口内扫描仪的精度。

    3.4其他因素

    其他曾被研究的相关因素包括种植体连接类型及操作者经验。Alikhasi等的体外研究发现,不同种植体连接方式对数字化印模精度无显著影响。有关操作者经验这一影响因素的研究结论不尽相同。Giménez等的一系列体外实验中,让有2年口腔扫描经验与仅有3次口腔扫描经验的操作者同时对体外牙列缺失的种植模型进行扫描,使用iTero及ZFXintrascan时,操作者经验对数字化印模精度无显著影响;使用LavaCOS及TrueDefinition时,经验丰富者比初学者获得的精度更高。由于数字化印模可能具有较明显的学习曲线,故操作者需要多次练习,以学习正确的扫描方式。

    4.总结和展望

    目前,多数研究显示,数字化印模的精度在多颗种植体的情况下尚未达到临床应用的精度要求,传统开窗式取模仍是多牙缺失及牙列缺失患者口内种植体印模的标准方法。虽有部分体外研究显示,种植体数字化印模误差小于临床所接受的误差阈值,但体外研究相对于体内实际应用时扫描难度大幅度降低,研究结果应被谨慎解读。许多体外研究证实,种植体间距离、口内扫描仪品牌以及操作者经验均为种植体数字化印模的影响因素,种植体角度及连接方式对精度影响不大。但仍需开展临床研究,对上述结论进行验证。

编辑: 陆美凤

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