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作者:
Christian Wesemann (德国)
德国柏林夏里特医学院
Jonas Muallah (德国)
德国柏林夏里特医学院
James Mah 博士 (美国)
美国内华达大学拉斯维加斯分校牙科学院
Axel Bumann 博士 (德国)
德国柏林Mesantis 3D Dental-Radiology公司
本文原载于《世界牙科技术》2020年第7期《修复工艺版》第43-45页。
研究目的：本研究的主要目的是比较间接与直接数字化工作流程与3D打印机的精确性和时间效率，以确定更适合正畸使用的方法。材料与方法：采用坐标测量仪测量主模型尖牙间宽度、磨牙间宽度以及牙弓长度，分别采用台式扫描仪R900、R700（3Shape），口内扫描仪TRIOS Color Pod （3Shape），以及ProMax3D Mid锥束计算机断层扫描（CBCT）（Planmeca）对主模型进行64次扫描，所有扫描所得数字化模型使用测量软件进行测量。选取其中一个数字化模型，使用D35光固化树脂打印机（Innovation MediTech）进行3D打印，打印次数为37次，所得模型使用坐标测量仪再次进行测量。研究结果：R900扫描精确度最高，R700和TRIOS口内扫描精确度接近，ProMax3D Mid CBCT扫描石膏模型较扫描印模精确度更高，3D打印与台式扫描、口内扫描相比，误差更高。数字化扫描的印模制取时间比传统印模要多出27%的椅旁时间。结论：传统的印模制取、灌制石膏模型，然后使用台式扫描获取数字化模型是正畸临床工作中比较推荐的方式。在正畸领域，口内扫描是获取全牙列数字化模型的一种有效可行方式。口腔修复临床应用时，口内直接扫描范围应局限于一个牙列象限或再增加3颗额外牙齿。
本文分为两部分刊登：先进部分，登于本刊第七期《修复工艺版》；第二部分刊登于本刊第八期《CAD/CAM专刊》。本期为先进部分,主要介绍研究方法与材料及数据分析;第二部分将于下周二推送,以介绍研究结果及相关讨论为主,敬请关注!
关键词：3D打印模型，精确性，CBCT模型扫描，台式扫描仪，数字化，全牙列扫描，口内扫描仪
1971年，Duret首次将计算机技术应用于牙科，自此，计算机辅助设计／制造（CAD/CAM）在口腔应用中越来越重要，也逐渐发展出一些治疗新理念，这些均需要地获取精确的初始数字化模型。因此，口腔数字化设备需满足多种口腔学科的需求。口腔正畸需要快速获取全牙列数字化模型，以用来简化模型分析，制作个性化弓形（SureSmile）以及制作透明矫治器（Invisalign）等。口腔修复应用CAD/CAM，扫描范围小，但精确性需求高。当需要预备数个种植体时，需要全牙列扫描，此时全牙列扫描也要求高精度。
目前，市面上有三种发展完善的数字化扫描方式：口内扫描仪进行直接扫描、台式扫描仪通过扫描印模或石膏模型进行间接扫描、CBCT扫描印模或者石膏模型或者利用现有的CBCT相关数据生成数字化模型。正畸临床中常常需要一个额外的实物模型作诊断分析及记存，实物化模型是间接扫描流程中的一部分，而直接扫描则需要后期利用3D打印获取实物化模型。
近3年来，越来越多的研究关注了全牙列数字化模型的精确性，许多研究结果发现，口内扫描在扫描牙弓远端时误差较大，这是因为前牙牙齿表面形态较为简单，扫描前牙区产生的匹配误差累积所导致。因此，目前当口内扫描应用于修复时，扫描范围应局限于一个象限内。
绝大多数研究采用数字化模型与测试模型重叠的方法来评估扫描精确度。该方法可以相对可靠地计算数字化模型与测试模型的平均表面偏差，还可定位高偏差度所在区域。然而，由于缺乏可参照标准，该方法得出的平均表面偏差并不能有效地反映其临床意义。并且，多数研究样本较少（n=5-108），因此，研究结果的可靠性有待商榷。
本研究采用不同的数字化扫描设备重复扫描同一个标准化主模型，利用可重复性及独立标志点进行数据测量，评估不同数字化扫描方式的精确性。同时，对比数字化模型与3D打印模型的精确度，指导正畸临床应用中直接扫描和间接扫描何种方式更合适。最后，分析口内扫描时产生的匹配误差所带来的影响，也可以指导修复治疗时口内扫描的合适扫描范围。数字化扫描设备包括台式扫描仪R700和R900，口内扫描仪TRIOS Color Pod，Planmeca ProMax3D Mid CBCT，Planmeca Romexis3D Ortho Studio Advanced软件以及D35 3D打印机。
主模型使用经过设计改良的正常上颌模型，材料采用具有尺寸稳定性的FotoDent-LED光固化树脂。在模型双侧尖牙、磨牙及上颌中线处用台钻（Metabo Magnum TBE 4512）垂直钻出5个孔至模型底部，用于测量尖牙间宽度（ICW）、磨牙间宽度（IMW）和牙弓长度（AL）。主模型ICW、IMW、AL数值采用西部群体的平均值，由于要测量颌骨的很大宽度，所以选择较大的上颌进行测量（图1）。为了确保所有测量标志点处于同一水平面，将表面修整平整并与模型底部平行。选取每个钻孔中轴线最高点作为测量标志点，该点具有高度独立性及可重复性（图2）。主模型数据测量采用Zeiss O-INSPECT 422三坐标测量仪和Calypso 5.4.20软件（Zeiss），由柏林Fraunhofer Institute IPK 的Center for Micro Production Technology 提供，其长度测量很大允许误差为1.9μm+L/250 （ISO 10360），及50mm长度测量很大误差不超过2.1μm。首先，检查主模型钻孔的圆度，确保其作为测量标志点的准确性，然后计算出中轴线，测量钻孔之间距离，其结果作为金标准。先导试验确定样本数量，当样本量n=37时，差别>10μm时说明具有显著性差异，当样本量n=64时，差别>5μm说明具有显著性差异。每种扫描设备使用前均进行校准，由同一操作者在相同环境下（22-25°C；1,013.25hPa）分别进行64次扫描。为了确保主模型的尺寸稳定性，完成所有扫描后，使用坐标测量仪重新对主模型进行测量。
图1：主模型及5个钻孔。
图2：测量钻孔中轴线最高点间距离。
操作者经过3天TRIOS口内扫描仪训练后，扫描主模型74次，去除前10次扫描结果，以避免初始误差。扫描路径在一个象限内从面开始移至颊侧，然后移至腭侧，再移至第二个象限。当扫描头与牙面之间距离过大或扫描头移动速度过快导致图像传输中断，则需重新进行扫描。此过程可以防止操作者造成的图像重叠误差。将扫描后获取的数据导入OrthoAnalyzer软件（3Shape，版本2013.1）中，并保存为STL文件格式，无需进一步处理。模拟临床上R700和R900台式扫描仪的工作流程，先制取主模型印模，然后灌制石膏模型。印模材料为乙烯基聚硅氧烷（VPS；Flexitime中等流动度轻体和重体；贺利氏公司），石膏材料为Kanistone KFO III型超硬石膏（Kaniedenta公司）。使用Scanlt Orthodontics软件（版本2013.1）扫描石膏模型，所得数据导入OrthoAnalyzer软件，并保存为STL文件格式。Planmeca ProMax3D Mid CBCT利用 Planmeca Romexis3D Ortho Studio Advanced软件（版本3.6.0 R），可进行印模和石膏模型扫描，直接保存为STL文件。CBCT数据采集前进行校准，参数设置70kV/12.5mA/22.3秒/体素尺寸0.1mm，扫描先前制取的印模及石膏模型，分别进行64次扫描后存储为STL文件。
所有扫描获得数据由ConvincePremium 2012（3Shape）测量软件进行分析。所得STL文件导入，标记孔洞的垂直面。计算钻孔圆柱体的中轴线，并将各中轴线顶点作为测量标志点。标志点3D位置由X，Y，Z坐标定义，这样可以重复测量。测量标志点间3D距离（图3）。
图3：数字化主模型利用ConvincePremium2012软件进行测量。
选取一个数字化模型，并将测量值定义为D35 3D打印机测试的主要参考值。因经费限制，打印37个3D模型，利用Zeiss O-INSPECT 422三坐标测量仪进行测量，比较不同方法得到的测量范围和与主模型的很好偏差（图4）。
图4：实验设计。
在两者真实度及精确度无显著性差异时，原假设“数字化模型及3D打印模型的精确度是同等的”成立。真实度定义为测量值与真实值的接近程度，假如数据呈非正态分布，平均真实度为其平均值或中位数。精确度的定义是基于在一组数据中测量值与真实值接近一致。假如数据呈非正态分布，精确度与标准差或四分位距有关。
首先，检验测量数据正态分布的范围与很好偏差，如果数据不服从正态分布，进行非参数检验。Friedman检验（独立样本全局检验）显示不同扫描设备间存在显著性差异。Wilcoxin临时配对检验来检验哪种设备具有显著性差异，用中位数（集中趋势）和四分位距（离散趋势）进行评估，而非对平均值和标准差进行两两比较。P<0.05表示具有显著性差异。采用SPSS（版本22，IBM）以及Medistat进行数据分析。
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