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[论文]模拟口腔取模环境下TRIOS数字印模的精密度
发布时间:2017-02-04 11:25:00  来源:复星牙科
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■  摘  ■  要  ■

目的:研究模拟口腔取模环境下 trios 数字印模的精密度,并与口外模型扫描的精密度比较。

方法:制作6 个#14 ~#17 树脂牙列,其中#16 为离体牙的全瓷冠预备体。 对树脂牙列分别进行:(1) 硅橡胶取印模,灌注石膏模型,3shape d700 模型扫描仪重复扫描10 次;(2) 固定于仿头模内,3shape trios 口内扫描仪重复扫描10 次。geomagic qualify12.0 对重复扫描数据两两进行最佳拟合对齐和 3d 比较,分别输出配准数据间的平均偏差( aver-aged errors,ae)和差异分布彩图。 秩和检验定量分析数字印模组与模型组 ae 的差异,根据差异分布彩图定性描述偏差分布特征。

结果: 数字印模组 ae 均数为7.058 281μm,高于模型组 4.092 363 μm,差异具有统计学意义(p <0.05),但是数字印模组 ae 的均数和中位数均小于 10μm,表明扫描数据间一致性良好。 模型组偏差分布均匀,数字印模组偏差较大区域主要分布于肩台及邻面区域。

结论:trios 数字印模精密度良好,可达到临床应用要求,预备体肩台及邻面区域为扫描的难点。



计算机辅助设计/计算机辅助制作( computer-aided-design/computer-aided-manufacturing, cad/cam)在口腔固定修复中的应用分为数据获得、数据处理和修复体制作三部分。 数字印模和间接法获取三维数据是获得数据的两个切入点。 间接法通过印模扫描、石膏模型扫描的方式将临床信息传递给技师, 用于修复体制作[1] , 然而, 传统工艺过程复杂,不可避免会出现操作难点和信息偏差( 如印模材料表面精确性和尺寸稳定性的差异,印模材料与托盘脱模,消毒、储存和运输时印模和模型的形变等),影响最终的修复效果。 数字印模则从理论上避免了这些不足[2] ,同时,操作简便,容易掌握,工作效率高,便于重新取模[3] ,数据存储方便,便于技师与医生和患者沟通。

 

目前,对于数字印模精度( 准确度和精密度) 的研究主要集中在准确度[4 -8] ,由于方法和条件不同,结论不完全一致,但均认为数字印模能满足临床应用。 对于固定修复中数字印模精密度的研究报道相对较少。

 


根据中华人民共和国国家标准(gb /t 6379.1 -2004),精密度 (precision)是指在规定条件下,独立测试结果间的一致程度。 精密度的度量常以不精密度表达。 peters 等[9] 提出三维图形一致性判断标准,差异小于10 μm 表明两个三维图形一致性很高;大于50 μm 表明一致性较差。

 

本研究通过模拟口腔取模环境,分析 trios 数字印模在固定修复中的精密度,并与传统硅橡胶取模后获取石膏模型三维数据的精密度进行比较。


材料与方法

1.1 材料

环氧树脂 a、b 胶购自佛山市森美亚胶粘有限公司,光固化基托树脂购自德国 dreve 公司,aquasilultra,aquasil soft putty 硅橡胶购自美国 densply 公司,牙科ⅳ型石膏粉购自德国 heraeus 公司。


1.2 仪器

trios 口内扫描仪和 d700 激光模型扫描仪购自丹麦 3shape 公司, 牙椅固定式仿头模购自日本nissin 公司。


1.3 方法

1.3.1 树脂牙列制备

收集口腔颌面外科门诊因无法保留而拔除的牙冠相对完整、无明显龋坏和缺损磨牙6 颗。 体外完成全冠牙体预备:牙合面预备量为1.5 mm,轴面完全去除倒凹并于边缘处形成1 mm 内线角圆钝的直角肩台。 环氧树脂 a、b 胶按体积比2 ∶5.7 混合,灌注#14 ~#17树脂牙列6 个,磨除#16 处树脂。 红蜡将离体牙固定于树脂牙列#16 处,精细雕刻牙龈形态并形成清晰完整的龈沟,随机编号1 ~6 号,蒸馏水保存。

 

将一个完整#14 ~#17 树脂牙列置于上颌透明硅胶阴模( nissin,日本) 中,灌注#11 ~#13、#21 ~#27石膏模型。 下颌透明硅胶阴模灌注下颌完整石膏模型。


1.3.2 数据获取(图1)

 图 1 获得扫描数据流程示意图 


1.3.2.1 

直接法数字印模(3shape trios) 仿头模固定于牙科治疗椅,#11 ~#13、#21 ~#27 及下颌完整石膏模型固定于仿头模内,将1 ~6 号树脂牙列依次固定于仿头模内相应位置。 仿头模内喷水,无油气枪吹干树脂牙列表面,trios 口内扫描仪获取#16 数字印模( 图 2), 每个树脂牙列重复扫描10 次,输出后转换为三角面片 (stereolithography ,stl)格式保存。 文件编号依次为 trios 1.1 ~6.10(个位数代表模型编号 1 ~6,小数位代表扫描次数1 ~10)。


 图 2 trios数字印模stl数据示例 


1.3.2.2 

间接法硅橡胶印模-石膏模型-三维数据获取(3shape d700) 光固化树脂基托制作个别托盘,二步法制取6 个树脂牙列硅橡胶印模,ⅳ型石膏粉灌注石膏模型,修整#16 代型,对应编号1 ~6 号。6 个#16 代型分别置于 d700 激光模型扫描仪重复扫描10 次(图3),以 stl 格式输出保存,文件编号依次为 d700 1.1~6.10(数字定义同1.3.2.1)。


1.3.3 数据处理及配准

所有stl 文件( trios 1.1 ~6.10,d700 1.1 ~6.10)导入 geomagic qualify 12.0(杰魔,美国)软域为配准区域,删除边界以外的区域[10] ( 图4)。 对裁剪后的重复扫描数据两两进行最佳拟合对齐和3d 比较,设定编号较小的数据为参考,编号较大的数据为测试,采样大小设为 1 500 个参考点,每 10个重复数据会产生45 次最佳拟合对齐和3d 比较。


 图 3  d700组石膏模型stl 数据示例 

 图 4  沿终止线裁剪后用于配准的 stl 数据图像 


geomagic qualify 12.0 计算两个拟合后图像间1 500 个对应参考点之间的 euclidean 距离。 最佳拟合对齐结果以两个配准模型间欧几里得距离的平均偏差(averaged errors,ae)输出,3d 比较结果以差异分布彩图的形式输出,并附有彩色标尺。


1.3.4 统计学分析

采用ibm spss statistics 20.0 软件进行统计学分析:(1)计算3shape trios 组和d700 组ae 的均数、标准差、中位数、最大值[4] ;(2) 对两组总体 ae进行 kolmogorov-smirnov 正态性性检验(α=0.05),kruskal-wallis 秩和检验分析统计学差异 ( α =0.05)。


结果

表1、表 2 分别显示了数字印模 trios 组和模型扫描d700 组6 个扫描对象 ae 的均数 ±标准差、中位数及最大值。 表3 显示 trios 组和 d700 组总体ae 的均数 ±标准差、中位数及最大值,其中,两组ae 总体经过 kolmogorov-smirnov 正态性检验,不服从正态分布(p <0.05)。 数字印模组比模型扫描组平均偏差大,精密度低,kruskal-wallis 秩和检验差异具有统计学意义(p <0.05),但是,除 trios 组6 号的 ae 最大值大于 10 μm 外,其余统计量均小于10 μm。


图5 中a1 ~a6 和 b1 ~b6 分别对应 trios 组和d700 组1 ~6 号扫描对象3d 比较差异分布彩图的累加结果,可得出数字印模组偏差分布不均匀,偏差较大区域主要分布在肩台、邻面( 特别是远中面)及转角处;模型扫描组差异分布颜色基本均匀。 两组均于边缘线处偏差较大,但由于 stl 格式为三角面片,每个三维数据网格分布不同,沿预备体终止线裁剪后形成的边界为曲线且各不相同,因此差异分布彩图于边缘处的差异没有参考意义。


 图 5  数字印模组( a1 ~a6) 和

模型扫描组( b1 ~b6) 的差异分布彩图 


讨论

良好的印模是制作修复体的先决条件,传统硅橡胶印模经过多年的临床实践被证实可以达到良好的表面精确性和尺寸稳定性[11] ,临床上,基于硅橡胶印模及ⅳ型石膏的cad /cam 全冠修复体能够满足临床需求,作为本研究的对照组。


3.1 模拟口腔取模环境的影响

口内扫描仪在口腔环境下获得数字印模,扫描过程受到口腔内多因素的影响,口腔的温度和湿度导致扫描头表面易形成水雾, 影响视野。 3shapetrios 主机机身设有扫描头加热装置,可在扫描前或扫描空闲时为扫描头快速加热,避免水雾形成。而本实验采用仿头模模拟口腔扫描环境,通过喷水模拟口腔潮湿环境。 此外,仿头模模拟了口腔有限的空间,限制了扫描头活动自由度,扫描难度增加。因此,扫描时需要多次调整扫描头的方向和角度,造成同一区域重复扫描,对口内扫描仪的配准能力提出较高要求。



3.2 数字印模精密度的定量和定性分析

本研究应用 geomagic qualify 12.0 软件,通过最佳拟合对齐对三维数据定量分析, 准确性较高[11 -12] ;通过3d 比较的差异分布彩图定性描述,简单明了[13] ,定量分析与定性描述结合,便于得到更全面的结果和更可靠的结论。


3.2.1 定量分析

本研究通过定量分析得出,trios 数字印模精密度差于传统印模组,与 flügge 等[4] 对 itero 系统与d250 精密度比较时结论一致。 由于模型扫描是连续静态扫描,高效率、高分辨率[14] ,精度主要取决于设备取像的精度,解决方案已逐步成熟[1] ;而口内扫描元件本身就存在难度,再加上扫描过程是由医生操作和控制扫描图像递增的动态过程,使获得精确的数字印模难度更大。

trios 数字印模组平均偏差小于 10 μm, 而flügge 等[4] 发现,itero 系统于口内获取完整牙列数字印模平均偏差为50 μm,ender 等[15] 也发现cerecac系统和 lava c.o.s 系统于体外获得完整牙列数字印模的偏差分别为(30.9 ±7.1) μm 和 (60.1 ± 31.3) μm,与本研究精密度相差较大,可能由于:(1)上述两个研究均为完整牙列的扫描,多单位数字印模不如单个牙准确[16] ,误差随着扫描单位增加而累积;

(2)真实的口腔环境比仿头模模拟的口腔环境更加复杂,患者的因素影响扫描精密度[4] ,结果更能反映临床实际,然而,就口腔修复而言,牙体预备后对预备体多次重复扫描,时间长,患者难以承受,牙龈位置难以长时间保持排龈后状态,因此本研究采用模拟口腔取模环境;



(3)ender 研究将偏差分为正负讨论,负值的偏差较正值的偏差小,正负偏差分布的比例影响总体偏差大小,统计方式的差异,使其与本研究可比性不大;

(4)不同系统扫描仪获取数字印模的原理不同以及扫描前是否需要喷粉,都会造成差异。

根据本研究结果结合peters 等[9] 的一致性标准(偏差小于 10 μm 认为一致性良好),可以认为 tri-os 数字印模间一致性良好,虽精密度比模型扫描差,但可以满足临床要求。 通过扫描仪硬件提升及软件更新、扫描区域充分隔湿等措施期望进一步提高精密度。


3.2.2 定性分析

d700 模型扫描仪拥有两个高分辨率摄像头和三轴运动系统,激光可从多个角度投照于模型表面,同时对单个代型扫描避免了周围组织的阻挡,因此,差异分布彩图显示差异分布均匀,偏差小,精密度高。

trios 数字印模组肩台不均匀的差异分布,可能由于在模拟取模环境下为了获得肩台区域清晰的图像,扫描头需从侧面扫描模型,此时扫描方向与被扫描表面的垂线存在夹角,当此夹角大于60°时,扫描精度下降[17] ,因此,肩台区域精密度较差。 trios邻面扫描时,需要将扫描头横置,从口角处进入口内。 扫描近中邻面时扫描头与邻面平行并向后旋转即可获得图像;而由于口角的限制,扫描远中邻面时扫描头难以与远中面平行,获得图像较难。 因此,邻面(特别是远中邻面)精密度较差。 lee 等[3] 通过对数字印模工作效率的研究,也发现邻面扫描是难点。轴面转角处较大的偏差印证了 luthardt 等[18] 的结论,牙齿形状影响扫描精度,表面曲率变化较大的区域扫描精度下降。 建议临床上为了获得更加精确的数字印模,预备体应光滑圆钝,肩台清晰完整,可适当增加邻面聚合度,避免形成邻面倒凹;邻面扫描时需注意扫描头方向的调整,掌握扫描技巧,尽量减少对数字印模反复修改。

根据本研究的结果可以认为,模拟口内环境下,单个预备体 trios 数字印模精密度高,能够达到临床应用要求,一定程度上说明,trios 数字印模可以代替传统硅橡胶印模技术,用于单冠的制作,但是,trios 数字印模在多单位固定修复中的应用仍待进一步研究。