數字化口內掃描技術的發展與應用

奚祺 吳國鋒

數字化口內掃描(Intra-oral scanning)技術已經成為臨床正在普及的一種先進技術，近年來基于不同技術原理國內外各種新型口內掃描系統迭代推出、臨床應用領域不斷拓展，更好地幫助醫師準確、精細、高效地開展數字化口腔診療技術。在此臨床大背景下，因此有必要回顧數字化口內掃描技術的發展歷程、系統學習此項技術現狀與發展趨勢，幫助臨床科學選擇適合的口內掃描系統產品。本文將概述數字化口內掃描技術的發展歷程，基于現有主要口內掃描系統對其主要技術原理進行詳細講解，并對其未來發展趨勢進行展望。

1 數字化口內掃描技術的發展歷程

1977 年Young等[1]基于全息技術開發出口內網格繪圖系統，受此啟發最早提出對口腔組織進行數字化掃描的設想。1980 年瑞士Werner M?rmann醫師和意大利Marco Brandestini工程師合作成功實現了這一設想，首次開發出了口內掃描技術，并在兩年后研制出世界上第一臺手持式口內掃描儀。1984 年Duret等[2-3]研制出了首套包含口內掃描技術在內的牙科專用CAD/CAM設備，獲得專利授權保護后被德國Sirona(原西門子)公司收購，于1987年推出了首個商用數字化牙科CAD/CAM產品-CEREC Ⅰ。該系統最初使用256×256像素的攝像機進行口內數據采集，僅能滿足嵌體椅旁CAD/CAM的治療需要，隨后升級推出的CEREC Ⅱ、 Ⅲ產品性能不斷提升擴大應用于各類高嵌體、單冠、固定橋等修復體類型[4-5]，也逐漸用于全口義齒、活動義齒的修復，成為如今數字化口腔修復臨床的標準技術之一。上世紀90 年代后口內掃描技術在口腔正畸領域的應用獲得了巨大成功，1997 年美國Align公司首次利用數字化口內掃描數據制作出隱形矯治器，該技術較傳統矯治技術更加精準、快捷、美觀、舒適。隨后2002年Wiechmann[6]首次將口內掃描技術應用于舌側矯治器托槽的CAD/CAM，從而方便為患者高效定制個性化正畸矯治裝置。早期口內掃描儀產品操作前需對牙齒等口內組織預先表面噴粉，并且只能獲得黑白色數字化模型。 2006 年Bush等[7]首次實現了無牙頜患者口內數據采集。 2011 年3Shape公司首次推出彩色數字化口內掃描儀(Trios)，突破了需要噴粉的技術障礙，可以獲得口腔組織的彩色圖像信息，隨后其他廠家也推出類似產品并且成為當今口內掃描儀的技術主流。我國國產數字化口內掃描產品問世較晚，2016 年朗呈醫療推出第一個擁有完全自主知識產權的國產系統——DL-100口內掃描儀。目前數字化口內掃描正與CBCT、面部三維掃描、數字化下頜軌跡描記等多種數字化手段獲取的多源口腔頜面數據進行更好地數據融合，并在臨床操作上更加高效、 掃描結果更為精準，例如可在手機端或平板上操作的掃描管理軟件，提供滿足患者、醫師、技師等不同需求的一站式數字化解決方案。

2 數字化口內掃描技術的技術原理

現有數字化口內掃描系統成像均基于光學掃描技術原理(圖 1)，采用光源進行口內組織照明，然后通過數字傳感器捕捉后進行信息后處理及數據輸出。口內掃描系統依據其使用光源不同可主要分為兩大類：一類是基于激光技術的口內掃描系統，所應用的技術原理主要為平行共焦成像技術和激光三角測量等技術，口內掃描時能從不同的角度和位置捕捉口腔組織圖像；第二類是基于可見光技術的口內掃描系統，技術原理是通過靜態圖像采集、視頻捕獲及實時圖像捕捉等技術方法采集圖像。下面對上述技術原理分別做詳細介紹[8]:

圖 1 數字化口內掃描儀成像技術原理及其代表性商用產品

2.1 平行共焦成像技術

平行共焦成像技術(Parallel Confocal Imaging Technique)最早起源于顯微鏡成像領域，其方法是將平行激光束通過口內掃描儀掃描頭發送并投射到被掃描物體上，以特定的焦距照射目標后激光束會反射并通過一個小孔并被激光探測器收集，然后將其轉換成數字圖像，通過逐層掃描最終構建出口內組織的三維圖像(圖 2)。代表性產品為iTero(Align Technology，美國)系統，該掃描儀工作時以300 個不同的焦距投射約10 萬條平行紅色激光束，在1/3 s內可對14 mm×18mm的區域進行采樣，然后將其結果進行數字化轉換和輸出。最新的iTero口內掃描系統可以捕獲約350 萬個數據[9]，顯著增強了數據采集能力(掃描速度從原先每秒800 幀提高到每秒6 000 幀圖像)。

圖 2 平行共焦成像技術原理圖

2.2 激光三角測量技術

激光三角測量技術(Laser Triangulation Imaging Technique)原理是指掃描儀利用紅色激光束與微鏡以每秒約2 萬個周期的頻率振蕩，從被掃描物體周圍的多個角度捕獲一系列靜止圖像從而生成三維模型(圖 3)，其突出技術優點是相機僅需要掃描單個方向即獲取該圖像中捕獲目標區域的所有表面形貌細節[9]。代表性產品為E4D系統(D4D Technologies，美國)和普蘭梅卡(Planmeca，芬蘭)系統，兩者不同之處在于前者使用的是紅色激光束光源，而后者采用的是藍色激光束光源進行投射。

圖 3 激光三角測量技術原理

2.3 結構光成像及激光三角測量技術

結構光成像技術及激光三角測量方法(Structured Light Imagingand Laser Triangulation Technique)組合使用有助于連續捕獲圖像，從而能夠精確地標識出牙齒三維表面形態。代表性產品為CS3500(Carestream Dental，美國)，該產品利用綠色激光和四個發光二極管來采集和照明物體，采用互補金屬氧化物半導體(complementarymetaloxidesemiconductor，CMOS)傳感器來接收采集的數據，掃描儀的取景范圍為16 mm×12 mm，工作深度為-1～15 mm，無需噴粉即可進行全牙列掃描，并且獲取的數字數據可用于渲染彩色模型。

2.4 靜態圖像采集技術

靜態圖像采集技術(StillImage Capture Technique)采用了一種名為主動三角測量的技術，其原理是通過三條線性光束的交點在三維空間中定位[11]進行數據采集。代表性產品為Cerec Omnicam/Bluecam(Sirona,德國)系統。德國Sirona公司的早期產品Cerec Bluecam使用紅外光技術(其波長為820 nm)，而新一代Cerec Omnicam產品則采用藍色光波(470 nm)掃描牙列，改善波長參數可以加深景深，掃描精度提高約60%[10-11]，此外還有助于還原真實圖像。新一代國產口內掃描系統(朗呈DL-202)也是基于這一技術原理工作，不同之處在于其選用了LED白光作為口內相機的部分光源，無需噴粉即可真彩還原口內三維數據。

2.5 視頻捕獲技術

視頻捕獲技術(Video Capture Technique)中的主動波前采樣技術是唯一一種可捕獲視頻序列中的三維數據并實時建模的技術。主動波前采樣指的是通過基于主光學系統的散焦來測量深度，從而從單鏡頭成像系統中獲取3D信息。代表性產品為LavaCOS(3M，美國)系統，該系統包含的192 個藍色LED照明、 3 個傳感器和22 個鏡頭可以從不同的角度同時捕獲掃描物體，然后用專用圖像處理算法利用捕獲信息實時生成物體三維表面模型。該口內掃描儀取景范圍為10 mm×13.5 mm，與前述使用三角測量原理系統參數接近，不足之處在于由于需要掃描前噴粉，因此渲染的模型是單色的。

2.6 極速光學切片技術

極速光學切片技術(Ultrafast Optical Sectioning Technique)與視頻捕獲技術相似，可提高連續圖像捕獲時的掃描速度。代表性產品為Trios系統(3Shape，丹麥)，工作時每秒可捕獲3 000余幅二維圖像，取景范圍為17 mm×20 mm，工作景深為0～18 mm。另外與其他基于可見光的口內掃描系統相比，該類產品具有捕獲和渲染全彩色模型的能力。最新推出的第三代Trios產品集成了用于拍攝高清圖像的口內攝像頭，同時還推出了具有無線掃描儀的新版本，可顯著提高掃描速度與精度。

目前國內外市場上可售的口內掃描系統產品超過22 個，雖然數字化口內掃描的臨床工作流程類似，但不同廠家掃描儀的臨床適應證存在一定差異(表 1)。不同口內掃描系統的掃描頭大小、重量存在顯著差異(表 1、 圖 4)，作者實測了國內市場上常見的五種數字化口內掃描系統產品，掃描頭尺寸上國產朗呈的口內掃描頭最小、iTero的口內掃描頭最大，重量上普蘭梅卡(Planmeca)最輕、iTero產品最重。

表 1 5 種常見數字化口內掃描儀的功能及其適應癥

3 數字化口內掃描技術的臨床應用

3.1 牙體及牙列缺損

口內掃描技術最早應用于口腔修復領域，目前已廣泛成熟應用于牙體缺損修復和局部牙列缺損修復(圖 5)。現有絕大多數口內掃描系統產品獲取的數據系統架構為開放格式(表 2)，可以便捷地導入牙科數字化口腔修復設計軟件中進行后續設計與制作，極大提高了臨床診療效率與精準度，減少了患者候診時間與就診次數。例如口內掃描技術相比于傳統印模方式省去了口腔印模制取、灌注石膏模型、石膏模型消毒等臨床流程，其獲取的數字化模型精度、穩定性和可重復性更高[12]。當前口內掃描系統正在結合其他各種數字化手段形成新的臨床診療技術，以數字化微笑設計(Digita lsmiledesign，DSD)[13]、以修復結果為導向的數字化種植導板等先進技術能夠快速呈現出預期修復結果，利于促進醫患交流，有效提升患者滿意度。

牙列畸形矯治是目前數字化口內掃描技術臨床應用的另外一個主要領域，自從1997 年美國Align公司依據口內掃描儀獲取數據成功制作出invisalign無托槽隱形矯治產品后，數字化正畸技術獲得了巨大的商業成功。相比于傳統正畸診療模式，利用口內掃描儀進行快速取模后能即刻呈現設計并呈現出矯正后效果。正畸醫生還可利用數字化模型提前模擬托槽的位置，用于制作個性化托槽粘接導板，從而大大提升了粘接托槽的準確度，減少了椅旁操作時間。3shape Trios口內掃描系統配套的分析軟件還可以實現虛擬排牙、牙齒移動分析等，大大增強了正畸的可控性。

作者近年來將口內掃描技術用于牙周炎患者的治療，用于控制牙合力和療效評價。牙周附著喪失導致的牙齒容易松動或移位，繼發可能存在咬合早接觸及非功能側牙合干擾。口內掃描避免了傳統口腔印模中牙齒移位導致的模型精度問題，作者依據口內掃描數據設計了個性化數字化牙合墊或牙周夾板(圖 6)，配合常規牙周感染控制手段治療牙周病，目前已有2 年以上觀察期臨床病例顯示口內掃描數據準確、患者佩戴后舒適性更好。

3.2 頜骨及軟組織缺損或缺失

各類先天性唇腭裂或后天腫瘤外傷等導致的頜面部缺損印模制取一直是臨床疑難問題，因取模對象為上下頜骨、腭部以及顏面器官組織，傳統口腔印模方法并不適合使用。作者近年來應用口內掃描技術獲取頜骨缺損(圖 7)、腭部缺損(圖 8)等病例數據獲得滿意效果。于曉楠等采用口內掃描技術對單側眶部缺損患者的健側眶周皮膚表面紋理進行數據采集，成功獲得了患者個性化皮膚紋理、色斑甚至毛孔等顏色形態信息，通過鏡像翻轉技術用于數字化眼眶贗復體的設計制作(圖 9)。

圖 4 5 種常見口內掃描系統的掃描頭大小測量圖

圖 5 固定橋牙體預備后數字化口內掃描結果 圖 6 基于口內掃描數據設計牙周夾板 圖 7 半側上頜骨缺損口內掃描數據

圖 8 腭部缺損口內掃描數據 A: 去除顏色信息后掃描數據； B: 包括顏色信息的掃描數據

作者也應用口內掃描技術實現了對新生兒期(出生后28 d內)及嬰兒期(出生后1 周歲內)唇腭裂患兒口內組織的數據獲取，進一步拓展了口內掃描的臨床應用對象[14]。唇腭裂患兒因其存在唇裂特殊病理結構，較正常嬰兒的開口度更大，寬度更大，從而可以很好地容納口掃頭進入患兒口內，進入口內掃描時患兒口內上方存在唇腭裂，下方有舌體后縮產生的空間，提供了口掃頭上下轉動的空間從而能捕獲完整的圖像。掃描獲得的腭裂三維模型數據可供臨床設計制作術前牙槽嵴-鼻塑形矯治器，也可將其作為數字化寄存腭裂三維模型，對矯治前后及過程中腭裂畸形矯治和組織發育變化指標進行對比研究，監測患兒頜骨生長發育的情況以及評價矯治器佩戴療效。

4 總結與展望

綜上所述，數字化口內掃描技術現階段已獲得了良好的臨床應用效果，但仍存在著諸如口內掃描頭尺寸偏大、全牙弓掃描精度有待提升、掃描頭消毒次數對掃描精度影響不明等問題尚未解決，需要在今后臨床工作中繼續探索研究。需要指出的是，數字化口內掃描技術雖然擁有快捷、舒適、靈活等優點，但現階段尚不能完全取代傳統口腔印模技術，例如在無牙頜、游離端牙列缺損病例的印模獲取方面尚不能滿足臨床治療需要。此外受限于現有掃描技術原理限制，口內掃描屬于一種物體表面掃描技術，因此只能獲取口腔軟硬組織表面形貌數據，需要結合CBCT等其他手段才能對頜骨、牙根等口腔頜面部組織結構內部結構進行客觀科學評價。值得注意的是，最新出現的光學相干斷層掃描(OCT)技術有望改變這一局面，該技術基于光學相干層析成像可以對牙齦溝下組織進行掃描且不會損傷軟組織，在此基礎上開展新型圖像處理算法有可能突破現有技術表面掃描的技術瓶頸[15-16〗。