種植修復數字化印模準確性影響因素的研究進展

王 涵,胡 建

種植修復的一個重要挑戰是實現修復體與上部結構間的被動就位,被動就位是確保骨結合穩定的重要條件,是種植修復治療長期成功的關鍵因素[1]。不良的被動就位可能導致機械和生物學并發癥,機械問題可表現為修復體固位螺絲的松動、折斷,甚至種植體的折斷;生物并發癥表現為種植體與其上部結構出現微滲漏,從而引起疼痛、邊緣骨丟失,甚至骨整合喪失[1-2]。

準確的種植體印模是獲得可靠工作模型的必要條件,而工作模型又是制作精確匹配修復體的關鍵[3]。隨著計算機輔助設計/計算機輔助制造(computer aided design/computer aided manufacturing,CAD/CAM)技術的出現,全數字化種植修復工作流程日益完善,通過口內掃描儀(intraoral scanner,IOS)獲取數字化印模成為必不可少的一環[2]。由于數字化掃描具有便捷、快速、便于儲存、患者舒適度高等優點,受到臨床醫生和患者的歡迎[4-6]。數字化掃描的準確性包括正確度和精密度。正確度定義為實際參考對象和測試對象之間的接近程度。精密度定義為重復測量的測試對象測量值之間的接近程度[7]。雖然已證明數字化印模在單顆牙缺失的種植修復中與傳統印模的準確性相當,但是,在長跨度種植修復中,數字化印模的準確性依舊不及傳統印模[8]。本文從口內掃描儀、種植體、掃描體等方面對數字化印模準確性的影響進行綜述。

1 口內掃描儀

口內掃描儀是一種由手持式攝像頭(硬件)、計算機和軟件組成,可以感知物體粗糙度并將其構建為3D數據的醫療設備[9-10]。口內掃描儀所使用的掃描原理主要包括三種類型:主動三角測量技術(active or passive stereovision and triangulation)、共聚焦激光掃描顯微成像技術(confocal laser scanner microscopy)和主動波陣面采樣技術(active wavefront sampling)[11]。無論采用何種類型的成像技術,都需要向被掃描物體表面投射光線來獲得大量、密集的點云集合,然后經過軟件處理轉換成多邊形數據,多邊形數據是三角形面片的集合[10]。

1.1 軟硬件

Haddadi等[12]比較了同一臺掃描儀CEREC Omnicam(Dentsply Sirona,德國)的4.4.0和4.4.4版本,掃描相同牙齒,在預備邊緣、肩臺、咬合面等部位的偏差,結果表明在預備邊緣和內軸角部位準確性發生了明顯的改善。這似乎表明改善采集數據的方式在處理形態突然變化的位置得到了明顯的改善,從而提高掃描儀的臨床準確性[12]。Schmidt等[13]調查了True definition(3M,美國)、Trios(3Shape,丹麥)、CEREC(Sirona,德國)三種不同口內掃描儀系統的不同硬件和軟件版本取模的準確性,這三種口內掃描儀分別使用了不同的掃描原理,結果表明口內掃描儀的掃描準確性與硬件和軟件版本有決定性的關系,同時發現,在CEREC系列中Primescan IOS比Omnicam IOS準確性高。Chen等[14]將Primescan和Trios兩款口內掃描儀與倉式掃描儀進行比較,結果顯示Primescan IOS獲得的印模準確性要優于Trios。Primescan IOS使用了主動三角測量技術與共聚焦激光掃描顯微成像技術,將掃描原理組合使用似乎可以克服單一原理帶來的局限性[13]。共聚焦激光掃描顯微成像技術獲取的圖像數據清晰度高、細節表現力好,掃描準確性較高,但因采用逐層掃描模式,掃描速度相對較慢;主動三角測量技術獲取圖像速度快,但是會產生遠中陰影現象,導致局部印模準確性降低[11,15]。不同原理的組合使用似乎是口內掃描儀硬件更新的方向。

1.2 掃描路徑

為了獲得缺牙區的完整掃描,口內掃描儀需要將一系列圖像縫合在一起,因此制造商會有推薦的掃描路徑,以允許軟件快捷精確地將捕獲的表面縫合在一起,從而創建完整的數字化印模[16]。Schmidt等[17]在上頜無牙頜模型前磨牙和磨牙區共植入4顆種植體,掃描從種植體14開始到26結束,結果顯示,口內掃描的正確度偏差隨著掃描路徑的增加而增加,而精密度卻沒有顯著影響。同樣,Kim等[18]在下頜模型研究發現掃描起始位置的種植體的誤差最小,誤差隨著距掃描起始點距離的增加而增加。Chen等[14]比較了三顆牙、半牙弓和全牙弓3個不同掃描跨度,結果顯示掃描三顆牙時口內掃描儀的準確性與臺式掃描儀相當甚至要更高,而在半牙弓和全牙弓的掃描中數字化印模的準確性不斷降低。這都說明了隨著捕獲圖像數量的增加,在圖像重疊部分的連續拼接過程中產生的誤差不斷累積,這種累積誤差也說明了較長掃描跨度在圖像組合過程中容易產生更大誤差[14,18]。Müller等[19]在同一個模型上比較了3種掃描路徑(A:上頜右側第二磨牙的遠頰面開始掃描牙齒的頰面,然后從咬合-腭側返回;B:上頜右側第二磨牙的牙合-腭面開始,向牙弓的另一側移動,始終包括兩個表面,然后從頰側返回;C:S型單向),B路徑為制造商推薦路徑,顯示出最高的精密度。綜上,在臨床操作中應盡可能按照制造商推薦路徑掃描,因為制造商對相應軟件的設置可能更有利于圖像的拼接。同時,在掃描過程中操作者必須保持流暢的運動,在記錄過程中始終保持穩定的距離和牙齒居中尤其是在牙弓的過渡區域,以盡可能減少捕獲重復圖像來降低產生誤差的可能[9,20]。

1.3 環境光

環境光對掃描準確性的影響主要表現在正確度方面。環境光對數字化印模的正確度的影響與獲取3D數據的過程相關。大多數光學掃描儀通過將激光束投射到原始幾何形狀的表面上并在電荷耦合器件中捕獲反射光來獲得3D數據[21]。然而,如果激光束的照明度太高,則傳感器將變得飽和就會阻止系統計算點云的位置。此外,高照明度激光會導致點云的局部缺陷,并延遲數據采集。白光由多種顏色的光組成,不同顏色的光照射在牙面上折射在不同焦點上,對掃描產生較大的影響[11]。Arakida等[21]設置了黃色(3 900 K)、橙色(4 100 K)、白色(7 500 K)和藍色(19 000 K)四種色溫和0、500、2 500 lux三種照明度,比較在12種照明條件下掃描的準確性。結果發現500 lux和3 900K組的正確度最高。此外,無論色溫如何,2 500 lux的照明度條件下掃描時間更長,因其更容易導致傳感器誤差。這一發現揭示了環境光影響正確度和掃描時間。因此,建議口掃時應盡量避免輔助燈光的加入,尤其是照明度較高的手術燈光。

2 種植體

口內不同種植體的三維空間位置關系,如種植體之間的距離、相互之間長軸的交角,乃至種植體所處牙弓的位置等,均對種植體數字化印模的準確性存在一定的影響。

2.1 距離

以往多項體外研究表明,對于單個種植體和三單位種植固定修復,其數字化印模的準確性與傳統印模相當[8,22-23],然而,隨著種植體間距離的增加數字化印模的準確性不斷減小,這可能是因為種植體之間的黏膜光滑、無標志點導致圖像拼接出現錯誤[18-21]。Braian等[24]研究表明無牙頜種植修復口內掃描儀掃描的印模的正確度<193 μm,而對于長度為16～22 mm的較短牙弓數據采集是準確的。Tan等[25]在兩個分別植入6顆(間距為20 mm)和8顆(間距為13 mm)種植體的上頜無牙頜模型上進行研究,結果顯示,種植體間距離小的模型中三維偏差能夠減小110～150 μm。Thanasrisuebwong等[26]制作了3個種植體間距7、14、21 mm的上頜模型進行掃描,結果顯示正確度和精密度誤差隨著種植體間距的增大而增大,尤其在21 mm組中顯示出較為顯著的偏差。以上研究均表明種植體間的距離對數字化印模的準確性產生影響。Albayrak等[27]在下頜模型的37、35、33、41、43、44、47位置各植入一枚種植體,比較數字化印模和傳統印模的準確性,結果顯示,在D4-5和D7-8種植體距離較大的組內傳統印模顯示出較小的偏差,而在距離更近的種植體間傳統印模的偏差最大,數字化印模顯示出較好的準確性。一般認為,距離小于兩個牙寬度的種植體間距時,其誤差在可接受范圍之內,大于這一距離則需要考慮采用輔助口掃措施[15,23]。

2.2 角度

多項體外研究表明種植體間的角度不超過15°時,不會影響數字化印模準確性。Abduo等[28]和Papaspyridakos等[29]在模型上植入了不同角度的種植體,結果顯示,種植體間角度小于15°的情況下不會影響數字化印模的準確性。但是,當種植體間角度大于15°時,隨著角度的增加數字化印模的準確性下降[20,30]。Chia等[30]在模型上設置了0°、10°、20°三種角度,結果顯示,數字化印模的平均誤差為18～33 μm,且隨著種植體間角度的增加而增加,種植體間角度對數字化印模的總體線性誤差有顯著影響。然而,Sallorenzo等[31]比較了植入成角種植體和平行種植體的兩個上頜模型,結果顯示植入平行種植體模型的總體誤差為20 μm(P=0.031)和0.354°(P=0.087),成角種植體模型的總體誤差為10 μm(P=0.055)和0.084°(P=0.045),這似乎表明成角有利于數字化印模的準確度。對于上述不同結果得到結論,種植體成角對口掃準確性的影響還需要進一步研究。

2.3 位置

當使用口內掃描儀來捕獲種植體時,牙弓的形狀也會對數字化印模準確性產生一定的影響[9]。Pozzi等[32]研究發現,數字化印模中后部種植體顯示出更大的偏差,而且牙弓的曲率半徑變小。同樣,多項研究都發現測量出的線性偏差為負值,表明數字化印模“縮小”[6,23]。有學者認為牙弓曲率半徑減小是口內掃描儀所固有的,而且下頜黏膜上缺乏標志點導致這一現象尤為明顯[32]。在上頜中,腭皺襞的存在有利于圖像的拼接,從而對牙弓曲率半徑的影響并不顯著。隨著掃描的進行,累計誤差不斷增多,在進行圖像拼接時會更多地切除相似圖像,導致最后的數字化印模牙弓曲率減小并且掃描終點處的誤差較大。正如Tan等[25]研究顯示,以掃描起始處種植體作為原點進行比較,發現在前牙區和對側牙弓處觀察到最大角度偏差。Arcuri等[20]發現在植入6顆種植體的上頜無牙頜模型中,獲取的數字化印模在前牙區呈現出較大的偏差。這可能是因為前牙區處于牙弓的轉折處,會使得口內掃描儀尖端經過彎曲的路徑,從而容易獲得重復的圖像,圖像之間可能無法正確拼接在一起,導致圖像拼接時出現不準確和有噪聲的網格以及累計誤差;或者后處理算法可能會切掉掃描的關鍵部分,從而錯誤地將其識別為冗余點進而影響數字化印模的準確性[33]。同樣,Ender等[34]的體外上頜部分牙弓模型的研究顯示牙弓后段印模的準確性顯示出在臨床可接受的偏差范圍內,且顯著高于前半段牙弓。綜上所述,前牙區和掃描終點區域更有可能出現較大的誤差。

3 掃描體

在數字化掃描過程中需要使用掃描桿進行定位,使得在數字化模型上轉移種植體的位置。掃描桿的形狀、材料等因素也會對數字化印模的準確性產生一定影響。

3.1 形狀

掃描桿(implant scan body,ISB)通常是由三部分組成,包括頂部、體部和基部,頂部又稱為掃描區域[33],是用于軟件配準種植體植入方向和角度的主要部位,通常會設計非對稱形狀使其有助于掃描ISB并改善CAD軟件的表面識別能力[33]。Motel等[35]對ELOS A/S(丹麥)、NT-Trading GmbH(德國)和TeamZiereis(德國)三種不同形狀的掃描體在體外模型上進行掃描并對其進行誤差分析(圖1)。結果顯示ELOS A/S的平均三維偏差為41 μm,與傳統技術相當,而其他兩組均表現出較低的準確度。ELOS A/S是其中形狀最簡單的,使其更加容易被掃描、識別和匹配。同樣,Mizumoto等[36]在體外模型上比較了五種不同形狀的掃描桿,發現ZI(Zimmer Biomet Dental,美國)(平均171 μm)與工作模型的線性偏差顯著小于AF(IO-Flo,Dentsply Sirona,德國)(平均209 μm)。同時,最高的掃描桿之一的AF掃描桿,形狀也較為復雜,其顯示出了最大的角度偏差(圖2)。ZI掃描桿為其中最短、結構也最為簡單,而且也能最快被掃描完成。更短更簡單的掃描桿準確性更高,可能是由于掃描桿在安裝到種植體上時位置可能出現微小的偏差,而這種偏差隨著掃描桿高度的增加被放大,所以較短的掃描桿顯示出較高的準確性。另外,更簡單的結構使得掃描桿上銳邊、銳角等結構減少,有利于掃描和圖像拼接。綜上所述,形狀短且簡單的掃描桿可能更加有利于臨床應用。但是目前對掃描桿形狀的研究較少,后續尚需要更多的研究來證明。為了提高長跨度種植修復數字化印模的準確度,學者們提出了帶有延伸結構的掃描桿[6,37-38]。研究結果表明改良的掃描桿可以提高數字化印模的準確性,但是由于延伸結構的存在會阻擋下方黏膜的圖像獲取,其應用效果有待進一步驗證。Ramsey等[39]介紹了一種可以直接掃描的愈合基臺,即BellaTek Encode愈合基臺,它在傳統的愈合基臺軸面組合了非對稱的種植掃描識別面,并取得了良好的效果。掃描桿和愈合基臺一體化不僅降低了治療費用,還節省了大量時間,這可能也是未來掃描桿的發展方向。

A:ELOS A/S;B:Nt-Trading;C:TeamZiereis。

A:Atlantis Io-Flo(AF);B:Core3D(C3D);C:Nt-Trading(NT);D:Dess-USA(DE);E:Zimmer Biomet(ZI)。

3.2 材料

不同品牌ISB的組成材料也并不相同,常用的材料有鈦合金、聚醚醚酮、樹脂等[40]。通常,ISB是由一種或兩種材料組成。Arcuri等[20]比較了鈦合金(T)、聚醚醚酮(Pk)和鈦-聚醚醚酮(Pkt)三種不同材料的掃描體。結果顯示,聚醚醚酮ISB的掃描準確性最高,其次是鈦合金ISB。ISB材料的光學性能會影響口內掃描儀獲取點云的數量,從而影響最終印模的準確性。由于物體表面存在次表面散射現象,光滑的材料更容易存在反射表面,增加掃描的挑戰性[40]。純鈦的ISB在掃描時表面反光,雖然進行噴砂處理但是相較于聚醚醚酮材料仍然效果不佳。Pkt表現出最差的掃描準確性,這是由于在制作過程中,聚醚醚酮和金屬連接處可能會出現微小的不匹配現象。Tan等[25]的研究也顯示由兩組分制成的Core3D掃描桿產生的誤差要遠高于Amann Girrbach和Sirona掃描桿。

3.3 扭矩

有研究顯示扭矩大小會影響ISB的高度以及引起ISB變形,進而導致ISB位置發生變化,最終影響數字化印模的準確性[23,33]。Tan等[25]體外模型上掃描了五種掃描桿,每個掃描桿均以5、10和15 N·cm的遞增扭矩大小固定。結果顯示,ISB高度的偏差范圍在-12～15 μm,且ISB的高度隨著扭矩的增加而降低。因此,對不同扭矩引起的掃描誤差也要進行考慮。

4 其 他

種植體深度、操作者經驗及患者本身的因素都會對掃描的準確性產生影響。目前對于種植體深度這一因素仍存在爭議。Giménez等[41]在6個種植體的上頜模型中,將12位置的種植體植入齦下4 mm,其他在平齦的位置,結果表明種植體的植入深度對數字化印模的準確性沒有影響。然而,Sequeira等[42]設置了4組不同植入深度的種植體模型,分別位于齦下7 mm、6 mm、3 mm和平齦的位置,結果表明隨著植入深度的增加數字化印模的準確性降低。目前尚需要更多的證據來證明其影響。Arcuri等[20]對三位操作者獲得的數字化印模進行比較,結果顯示,操作者對數字化印模準確性無顯著影響。但是,對口內掃描儀多加練習,掌握正確的掃描方法,可能會提高印模的質量和掃描速度。另外,由于患者口內存在唾液、齦溝液、血液等會導致圖像采集出現誤差;同時,由于難以控制患者運動,舌及下頜等周圍軟組織容易出現圖像的拼接錯誤,都會對數字化印模的準確性產生影響[7,9]。

5 小 結

數字化印模準確性的影響因素包括多個方面,但是,種植體距離對數字化印模的影響被認為是最主要的,也是提高數字化印模準確性的主要突破口。很多學者研究應用不同的技術來克服這一困難,包括黏膜表面修飾技術[7,43]、改良ISB[6,38]及ISB夾板固定技術[32]。這些研究均表明對數字化印模的準確性起到了積極作用,但是尚未達到臨床應用的準確性要求。并且,大部分為體外研究,與體內環境相差較大,其結果仍有待商榷。目前,數字化印模技術正在逐步取代傳統印模技術,成為種植修復主要的數字化信息采集手段。