傳統和3D打印方法制作前牙貼面模型的準確度比較

楊琪 曹二彎 劉夏青 李英

20世紀70年代，CAD/CAM技術應用于牙科，開啟了牙科數字化的新時代[1]，雖然傳統的彈性印模材料結合灌制石膏模型的方法已成功的應用于牙科數十年，但其存在技術敏感性高、患者體驗感差、印模材料收縮變形、唾液血液污染等缺點[2]。口內數字印模憑借其簡單高效、方便快捷的優勢被臨床醫師和患者喜愛并迅速發展，其采用小型探入式光學掃描頭伸入患者的口內，從而獲取牙齒牙齦等軟硬組織的形態[3]。

準確的印模是成功制作修復體的關鍵，已有大量文獻證明口內數字印模的準確性與硅橡膠印模技術在單冠和短跨度部分固定義齒修復中的準確性相當[4-6]。然而，相關研究大多集中在后牙全冠，而對前牙貼面的研究相對較少。此外，烤瓷貼面等仍需要一個物理模型來進行手工堆塑或者檢查最終修復體的鄰接與咬合，而目前此物理模型主要由3D打印制作完成。因此，數字印模及3D打印模型的準確性都對最終的修復體適合性產生影響。本研究通過軟件分析，比較前牙貼面的口內數字印模、3D打印模型、石膏模型的準確度差異。

1 材料與方法

1.1 材料

參考模型選擇標準日進牙科研究模型(Dental Study Model 500A,Nissin,日本),硅橡膠(Honigum，DMG，德國)，IV型超硬石膏粉(Heraeus，德國)。

1.2 儀器

TRIOS口內掃描儀、口外掃描儀3shape D2000(3shanp，丹麥)；3D打印機(S300,上海聯泰)；牙椅固定式仿頭模(Nissin,日本)。

1.3 方法

1.3.1 參考模型制備 采用上頜標準日進牙科研究模型，并對12-22 進行開窗式貼面預備：唇面均勻磨除0.5 mm并形成0.3 mm齊齦肩臺,鎢鋼車針高度拋光，均勻消除倒凹及銳利線角。參考模型制備完成后用口外掃描儀已獲得其三維數據保存為STL格式并標記為R。

1.3.2 口內數字印模數據獲取 將參考模型固定于仿頭模內，掃描前對掃描儀進行校準，按照廠商推薦掃描順序對參考模型進行掃描，掃描結束后檢查，對不完整的圖像部分進行補掃，按上述方式對參考模型進行8 次掃描，每次掃描數據保存為STL格式并標記為A1-A8。

1.3.3 硅橡膠印模-石膏模型三維數據獲取 二步法制取上頜硅橡膠印模，要求邊緣清晰無氣泡，重體無暴露，無脫模，(25±1) ℃下存放1 h。隨后用Ⅳ型超硬石膏在真空條件下嚴格按照石膏材料的水粉比(23 mL/100 g)攪拌60 s后灌制超硬石膏陽模，待24 h石膏完全硬固后分離石膏模型，要求石膏表面光滑，無氣泡，無缺損，預備體邊緣清晰。按上述方法對參考模型制取8 次印模并灌制8 個石膏模型。將8 個石膏模型分別置于口外掃描儀掃描，以STL格式輸出保存并標記為B1-B8。

1.3.4 3D打印樹脂模型三維數據獲取 將口內數字印模的數據傳送到3D打印機并獲得8 個樹脂模型，將8 個樹脂模型分別置于口外掃描儀掃描，以STL格式輸出保存并標記為C1-C8。

1.3.5 數據處理及配準 所有STL數據(R,A1-A8,B1-B8,C1-C8)導入Geomagic Qualify 2015(杰魔，美國)軟件。以預備體的邊緣終止線為界，保留邊界以內的區域為配準區域，刪除邊界以外的區域[7]。數據裁剪完成后，利用該軟件中的“最佳擬合對齊”及“偏差分析”功能對模型進行配準，每兩個STL數據配準后的差異以均方根誤差RMS(root mean square)值的形式顯示，RMS誤差計算公式為：

其中X1，i為參考模型上的測量點，X2，i為測試模型上的點，兩者之差為參考模型與測試模型上相對應點間歐幾里得距離，n為測量點的總計數。RMS可用來評價兩不同模型間的偏離程度[8]，本研究中較小的RMS值代表配準模型間有較好的一致性。偏差分析的差異情況通過彩色分布圖的形式顯示，使用自定義15段標準色譜圖顯示(最大臨界值0.2 mm,最小臨界值-0.2 mm,最大名義值0.05 mm，最小名義值-0.05 mm)，其中，藍色區域代表測試模型在內測，紅色區域代表測試模型在外側。通過將參考模型的STL文件數據與口內數字模型，傳統石膏模型和3D打印模型獲得的STL文件數據配準來評估各組模型的正確度。將各組的掃描數據兩兩配準，評價各組模型的精密度。

1.4 統計學分析

2 結 果

各組數據服從正態分布且方差具有同質性，進行單因素方差分析及LSD檢驗。表 1顯示了數字掃描組、3D打印模型組和石膏模型組正確度和精密度差異。其中，越小的RMS值代表正確度或精密度越高。對于正確度：口內掃描組與3D打印組之間無統計學差異，兩者正確度小于石膏模型組且結果具有統計學差異(P<0.05)。對于精密度：3 組模型之間無統計學差異(P>0.05)。

表 1 口內掃描組，3D打印模型組，石膏模型組RMS統計分析結果

圖 1為不同模型組的正確度及精密度3D偏差結果色譜圖，其中綠色代表測試模型與參考模型大小一致，藍色代表陰性偏差(測試模型小于參考模型的部分)，黃色及紅色代表陽性偏差(測試模型大于參考模型的部分)，可以看出對于正確度，口內掃描及3D打印模型在側切牙軸角處有較大的陰性偏差，而對于精密度，3 組模型均顯示出較高的一致性。

圖 1 3D偏差結果色譜圖

3 討 論

口內數字印模技術憑借其簡單高效，患者體驗感舒適等優勢自出現以來就迅速發展，并且隨著其準確度的提高使其在臨床上的應用越來越廣泛。口內數字印模的發展也促進了3D打印模型在口腔醫學的應用，雖然今天的CAD/CAM技術在很多情況下不需要物理模型，但類似手工貼面等的修復體制作仍然需要物理模型，而且該模型的準確度對最終修復體的合適性也產生影響。

根據ISO-5725-1,準確度包括精密度和正確度[9]。精密度系指在相同條件下，對被測量物體進行多次反復測量，測得值之間的一致(符合)程度。正確度系指被測量物體的測量值與其“真值”的接近程度。本研究參考掃描模儀選用3shape公司的口外掃描儀D2000，不同于口內掃描儀，其掃描視場大，掃描時模型被固定在掃描倉內，屬于連續靜態掃描，3D圖像合成準確，根據ISO 12836-2015標準檢測其正確度高達5 μm，顯著高于口內掃描儀，在以往的實驗中也被用來獲取參考模型的數據[10]。準確度的比較應用Geomagic Qualify 2015軟件，通過最佳擬合對齊對三維數據進行分析，該方法準確度較高且在牙科數字模型比較的研究中應用較為廣泛[6，11]。

本研究中，石膏模型的正確度大于口內數字化印模及3D打印模型，這與之前的研究結果相似[6，12-13]，其較高的正確度得益于硅橡膠印模材料的精細、尺寸穩定、抗撕裂、良好的彈性回復性以及Ⅳ型超硬石膏的穩定性。本試驗使用的口內數字化掃描設備為3shape公司的Trios，其基于共聚焦顯微成像技術，通過快速拍攝二維畫面(3 000 張/s)來拼接重建形成三維圖像[14]。其每次二維圖像拼接的過程都可能產生誤差[15]。此外，掃描過程中參考模型光滑表面的強反光性也會引起掃描的準確性下降[3]。對于3D打印模型，其正確度除了與口內數字化印模制取的正確度有關外[16]，還與增材制作過程中的樹脂聚合收縮及層層堆積誤差有關,大量研究觀察到了不同3D打印機在制作過程中的收縮率[17-18]。本研究中使用的3D打印機與Sim等[12]采用的打印機同為數字光處理(digital light processing,DLP)原理，但在其試驗中3D打印模型的偏差相較于本實驗更加明顯，產生這種差異可能是因為不同的掃描跨度及基牙的預備體類型不同。Jin等[19]稱前牙憑借其光滑的表面及其在牙弓中的位置相較于后牙在3D打印過程中產生的收縮反應更小，這也解釋了本實驗中口內數字印模與3D打印模型的正確度及精密度無統學上的差異。在精密度方面，與之前的研究結果不同[6，12]，本研究中口內數字印模及3D打印模型的精密度與傳統石膏模型無明顯差異，這與本試驗較小的掃描跨度有關，蘇庭舒等[20]的研究表示，隨著掃描跨度增大，口內數字印模的掃描精密度下降。而Jin等[19]的研究發現，3D打印模型的精密度大于石膏模型并表示產生此種現象的原因可能是由于在數字化掃描及3D打印過程中將操作者的誤差降到了最低，但在本實驗中，相對簡單的基牙預備體表面及較短的掃描跨度并沒有將數字化流程的這種優勢體現出來。

修復體的長期穩定取決于修復體與基牙之間的密合程度，美國牙科協會指出：臨床上可接受的間接修復體的誤差范圍在50～100 μm之間。之后的研究中認為通過口內掃描儀獲得的修復體平均邊緣誤差應小于120 μm[11，21]，雖然目前對符合臨床要求的準確度標準仍無定論，但根據之前的研究[22]，本實驗條件下3 組不同模型的準確度在臨床允許的范圍內。然而應該提出的是，印模制取僅是修復體制作過程中的第一步，其生產過程中的其余誤差將隨著修復體制作過程進一步累積。

根據本研究的結果可以認為，在本試驗條件下，口內數字印模及3D打印模型的正確度不及石膏模型，但其與石膏模型差異較小且在臨床允許的誤差范圍內，加之精密度尚可，故仍可考慮在臨床實踐中應用。另外，本研究僅使用一種口內掃描儀及3D打印機，實驗結果相對局限，并且該實驗為體外研究，準確度不受唾液及口腔黏膜影響，具體的臨床準確度仍需更多的臨床試驗進一步研究。