【论文】六款口内扫描仪设备精确度的评估

2016年03月17日

 

 
利用弹性材料制备传统牙科印模已成为如今牙科行业生产实践中的必须环节。然而，研究已经证明，许多发送至技工室的传统牙科印模是无法令人满意的，因为其在印模关键区域存在的缺陷，例如孔隙和气泡。此外，由于石膏材料的变形和膨胀，在制备石膏模型的过程中，会进一步降低传统牙科修复体制作工艺的精度。因此，计算机辅助设计/计算机辅助制造（cad/cam）要求使用数字模型，通过提高对于口内数字化模型的要求，来规避使用传统印模材料制备石膏模型的误差。
 
 
 
 
如今，采用备牙后的口内数字化模型，服务于cad/cam系统牙科修复体的制作流程，已经可以通过市面上一些可用的系统来完成。口内数字化采集系统允许牙医在三维空间内捕捉已预备牙体的表面，这使得一个几乎完全数字化的工作流程成为可能。牙科cad/cam技术的转变改革了当前牙科工业的操作方式。目前，各种品牌的椅旁数字化口内扫描设备均是基于光学原理制造的，例如蓝色发光二极管技术、蓝色激光技术，将多个单一的图像拼接一起，然后持续地采集图像流。当然各种设备间区的分因素也包括是否需要遮光粉来捕捉图像。最初的椅旁cad/cam系统，瓷睿刻（西诺德牙科设备，本斯海姆，德国），是30年前在苏黎世大学研发出来的。本研究将着重探讨当前六台口内扫描仪，在扫描一个由单颗磨牙制备成的基牙时的精准度。

材料和方法

为了研究不同口内扫描仪的精度，我们对如下六台设备做了相应的准备工作：itero（align technology，圣若泽，加利福尼亚），true definition（3m espe，圣保罗，明尼苏达），planscan (planmeca/e4d technologies，理查森，德克萨斯），cs 3500（carestream health，罗契斯特，纽约），trios（3shape a/s，哥本哈根，丹麦），和cerec ac omnicam（西诺德牙科设备，本斯海姆，德国）（如表1）。一个用丙烯酸树脂（自凝牙托粉，朗牙有限公司，威灵，以色列）复制的正畸操作牙科模型（日进牙科产品，京都，日本）已经制备完成。模具牙（简单齿根模型，恒牙，[a5a-200]，日进牙科产品，京都，日本）已经嵌入该丙烯酸模型中，同时上颌右部磨牙也已完成制作全瓷冠的准备工作（如图1）。该丙烯酸树脂模型将通过一台工业级，超高精度参照扫描仪（atos 第三代蓝光三维扫描仪，8百万像素，100毫米透镜组, gom mbh,布伦瑞克，德国）进行扫描，以便得到数字参考资料。此外，该树脂模型将由一位已经过培训并富有操作经验的医生（s.p.），使用以上六种品牌的设备，在三种不同的场合中分别进行扫描测试。

表1：待评测的扫描仪品牌

 

图1：已嵌入模具牙的参考模型


因为3m true definition需要喷粉，所以我们将采用特定的操作顺序，以避免对样本模型产生任何可能的污染。所有的数据集（stl 文件格式）将会载入三维（3d）评估软件（geomagic qualify，2013, 莫里斯维尔，北卡罗来纳州）。加载完成后，已预备冠区域的数码影像将会独立出来，移除与本次研究主题无关的区域。然后我们会针对扫描仪的准确度和精确度进行评估。对于准确度的评估，由扫描仪获取的图形数据和参考图像数据进行叠加（ 软件最优算法），同时进行三维数据对比（n=3/口内扫描仪）。对于精确度的评估，任意一组从扫描仪获取的图像数据均会和另外两组从相同设备获取的图像数据进行叠加（n=3/口内扫描仪，1和2,1和3,2和3），同时评估三维偏差。

统计分析
描述分析法部分，会计算出中位数和标准差（sds）。此外，会采用盒形图作为数据的图像表示。任意设备扫描数据的线性混合模型会和随机截距进行拟合，以此评估设备的响应变量。同时因为几组成对比较（多重测试问题），会采用雪费法对p值进行调整。所有的运算将通过统计软件stata 13（statacorp lp, 学院站, 德克萨斯州）进行。
结果：精准度评估
最终，我们对18组数据（一台扫描设备三组）进行了准确度和精确度的评估。
根据六台设备的采集数据和参考数据的比较，准确度误差（±标准偏差）由小到大依次为：trios (6.9 ± 0.9 μm),cs 3500 (9.8 ± 0.8μm),itero (9.8 ± 2.5 μm),true definition (10.3 ± 0.9μm),planscan (30.9 ± 10.8 μm),和cerec omnicam (45.2 ± 17.1 μm) (如图 2)。其中，任意5台设备数据的统计学差异均是保持一致的(p <.0.5)。

同样的，精确度由高至低依次为：trios (4.5 ± 0.9 μm),true definition (6.1 ± 1.0 μm),itero (7.0 ± 1.4 μm),cs3500 (7.2 ± 1.7 μm)，cerec omnicam (16.2 ± 4.0 μm),和planscan (26.4 ± 5.0 μm) (如图3)，其中任意5台设备数据和另1台设备数据之间的统计学差异均是保持一致的(p <.05)。

图2：六台扫描仪在准确度测量中的绝对平均偏差

图3：六台扫描仪在:精确度测量中的绝对平均偏差


讨论
精确度的评估都是基于上述六台设备对样本单冠的扫描数据。为了将人员实际操作的误差降低到最小，所有的扫描过程均是由同一位有经验且熟悉上述六台扫描设备的研究员进行操作的。与之前研究所确定的一致，很可能是扫描设备技术方面的因素对最终精确度造成了影响。
例如itero设备，采用平行共聚焦成像技术，通过一组入射红色激光束来捕捉牙体硬组织和周围软组织。那么在扫描过程中，保持扫描枪的焦距是尤为重要的。3m的true definition 扫描仪采用的是视频技术，通过一个可见的蓝色脉冲光源来实现。这台设备需要通过喷粉来捕捉牙体表面数据，不过，喷粉步骤并未对扫描的精度产生影响。planscan扫描仪在其视频共焦扫描中使用的是波长为400 nm的蓝色激光技术。当其扫描枪悬停于牙体上方进行扫描时，需要非常平稳地进行移动。近期发布的口内扫描仪是来自锐珂医疗的cs 3500，不同于使用实时视频技术来捕捉图像的趋势，它和上述另外5台设备一样，还是被设计成“指向-点击”系统，对它而言，重要的是依靠枪体相邻结构的支撑来获得一个准确的焦距。trios扫描仪是基于共聚焦显微镜技术，在一个极短的时间段内进行多幅图像的捕捉。其扫描枪在扫描过程中，需在牙体上方连续挪动。它的扫描技术，加之其扫描枪的设计，对于获取高质量，同时兼顾极高精准度图像数据的实际操作而言，目前看来似乎是最佳的组合。cerec omnicam扫描仪是无需喷粉的全彩扫描系统。它通过有源三角测量技术和放射不同波长的光束来测量牙体表面的数据。当cerec omnicam的扫描枪悬停于牙体上方，会使用视频技术来获取稳定的牙体模型。相对于其它扫描系统而言，cerec依然是封闭的，换句话说，在它的系统中，无法获取开放的stl格式文件。因此，我们必须将cerec系统获取的特定格式文件转换为开放的stl格式，再进行此次研究比较。当然我们不太可能确认为何omnicam 和 planscan与其它扫描仪相比，误差如此明显，而临床依然能接受。不过，很可能是技术层面的不同导致了这些误差。
最后，我们需要考虑到本次论文是基于体外的研究，在体内环境下，因为血液、唾液和患者动作的因素存在，结果可能会和此次研究结果有出入。再深层次地讲，本次对口内扫描数字模型精度的研究，并不能对基于该数字模型的最终修复体的制备提供有关信息。
此次研究中的扫描仪（除cerec外）都是开放的，这也意味着扫描获取的数字化文件可以通过开放的数据接收机制进行传输，这允许技工室几乎可以使用任何cad/cam系统来进行最终修复体的制作。此举也同时提高制作过程的灵活性和适应范围。
然而封闭的cad/cam系统的数据只能在特定的设备间进行传输和使用。不同类型的扫描器有其各自的属性，当然各自的程序均支持数字化影像的扫描，例如上述研究的6台口内扫描仪，都可以用于单冠，桥体，贴面，嵌体和高嵌体的扫描。
 
结论
在本次研究的范围内，于精准度方面，六台扫描仪获取的扫描结果，在临床上均是可接受。研究所观察到的差异很可能与设备间采用的技术有关。此外可以推测，在实际口腔环境中，由于唾液，血液和患者动作的因素，势必会产生额外的误差。

作者介绍

 
gary d. hack, dds is associate professor, directof simulation, department of endodontics, prosthodontics operative dentistry, school of dentistry, university of maryl, baltimore, maryl.

 
sebastian b. m. patzelt, dmd, dr med dent is associate professor  managing director, director of predoctoral prosthodontics course ii,department of prosthetic dentistry,center for dental medicine, medical center–university of freiburg,germany.

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出自│美国牙科学会

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