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全牙列数字化扫描及 3D 打印的精确性及 效率分析 — 一项桌面模型、口内及 CBCT 扫描与光固 树脂 3D 打印的对比研究 (II)
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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8期《CAD/CAM专刊》第41-44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:第一部分,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》。微信分为两次推送发出,第一部分已于上周五发出,主要介绍研究方法与材料及数据分析;本文为第二部分,以介绍研究结果及相关讨论为主,谢谢关注!

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


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研究结果

利用坐标测量仪,每个钻孔放置169-200个测量点来检验其圆度。每个钻孔平均直径分别为1990.7μm,1991.3μm,1989.3μm,1990.4μm和1990.8μm,其最大值与最小值差值为2μm,同一孔洞直径差异最大为1.6μm。主模型测量值为尖牙间宽度(ICW)32839μm,前磨牙间宽度(IMW)49993μm,牙弓长度(AL)77679μm,扫描结束后再次测量主模型,数值为ICW32840μm,IMW49994μm,AL77697μm。数字化主模型测量值为ICW32842μm,IMW49996μm,AL77655μm。每种扫描设备统计结果及扫描时间见表1。

表1.png


表1:不同扫描设备扫描误差(μm)。* 扫描单牙列所需平均时间(分钟)+预定 ‡设备价格(美元,2016)

ICW数据差异最小,具有最高的精确度(图5)。R900相比上一代产品R700 具有更高的扫描精确度(P=0.002),R700相比TRIOS具有更高的精确度(P=0.048)。Planmeca ProMax3D Mid CBCT扫描误差最高(P<0.001),CBCT扫描石膏模型精确度比扫描印模高(P<0.001),但不管是扫描石膏模型或印模,其测量数值均小于主模型。D35 3D打印与TRIOS精确度类似(P=0.827)。R900、R700、TRIOS、Planmeca ProMax3D Mid石膏模型扫描、Planmeca ProMax3D Mid印模扫描、D35最大误差分别为34μm、98μm、73μm、97μm、316μm、90μm。

IMW测量长度较ICW更长,因此,所有扫描设备均表现出更高的误差(图5)。与ICW结果一致,R900比R700具有更高的精确度(P<0.001),R700比TRIOS具有更高的精确度(P=0.002)。TRIOS比Planmeca ProMax3D Mid模型及印模扫描的精确度更高(P<0.001),Planmeca模型及印模扫描结果与主模型相比,数值偏小。D35与Planmeca ProMax3D Mid模型扫描结果接近(P=0.108)。R900、R700、TRIOS、Planmeca ProMax3D Mid模型扫描、Planmeca ProMax3D Mid印模扫描、D35最大误差分别为38μm、82μm、165μm、118μm、218μm、162μm。

AL误差见图5,同样,R900较其他设备精确度最高,然而,在这一直接测量范围内,TRIOS相比R700具有更高的精确度(P=0.11),在前三项测试内容中,平均扫描时间、尖牙间宽度及磨牙间宽度方面,TRIOS 并没有显示出明显差异,但在最后一项牙弓长度上,其精确度较低(P<0.001)。Planmeca精确度最差,其中石膏扫描比印模扫描更精确(P<0.001)。Planmeca模型及印模扫描结果与主模型相比,数值偏小。D35精确性不如R700、TRIOS(P<0.001), 但比Planmeca ProMax3D Mid石膏扫描更精确(P<0.001)。R900、R700、TRIOS、Planmeca ProMax3D Mid模型扫描、Planmeca ProMax3D Mid印模扫描、D35最大误差分别为61μm、112μm、82μm、295μm、449μm、221μm。

图5.png

图5:尖牙间宽度、前磨牙间宽度、牙弓长度误差箱形图。

讨论

随着计算机辅助诊断设计治疗体系的广泛应用,高效且精确地获取数字化初始口内情况这一需求越来越高。因此,本文就目前常见的几种数字化模型扫描方式,对它们扫描全口牙弓的精确度进行了评估。

本文研究结果显示,R900台式扫描仪具有最高的扫描精确度,尽管先前并无R900的相关研究,但本研究中R900误差在厂商操作手册所给出的范围内(精确度15μm)。上一代产品R700在ICW和IMW准确性较AL高,原因可能在于,每部分都存在误差,这些误差累积导致精确度降低。如果考虑到研究采用不同测量方法,则可以根据以往文献报道将50μm视作平均误差,因此,新一代产品R900扫描精度及扫描效率比R700高出近50%。这些口外扫描数据(如无唾液或者超出平均水平的底切)能在何种程度上进行转移仍需更进一步研究。然而,一些其他口外扫描和口内扫描的研究结果表明,只要印模、石膏材料选择合适,取模、灌制石膏模型操作规范,台式扫描仪是最精确的一种方式。近年来,口内扫描在口腔修复及口腔正畸临床中的应用越来越广泛,相较以往,口腔修复领域中多数研究的扫描范围仍局限于小范围扫描,最近一些研究正是着眼于全牙列扫描的相关问题。这些研究显示Lava™ COS(3M Espe) 口内扫描仪平均扫描误差为44.9μm,38.0μm,23.5μm, iTero (Cadent) 口内扫描仪平均扫描误差为61.1μm,49.0μm, 32.4μm。根据实验设计,本研究中TRIOS扫描结果与上述研究中数据进行比较( 中位数36μmAL和IMW),发现TRIOS在磨牙区扫描误差最大,这与以往几乎所有口内扫描研究结果类似。复杂的牙齿形态结构对于口内扫描是至关重要的,因为口内扫描仪是通过计算物体表面相邻点之间的差异来完成扫描。前牙区牙面结构简单,使扫描获取精确的前牙区形态较为困难。前牙区较小的扫描误差,特别是任何影响角度的扫描误差,均可使整个扫描误差变大。因此,许多研究指出,口内扫描应用于修复治疗时,其精确度可满足扫描牙列一个象限,但口内扫描精确度并不能满足全牙列扫描。相反,研究结果表明,TRIOS前牙区的匹配误差只有在扫描范围延伸至尖牙之后才开始明显影响数字化扫描的精确度。如果全牙列扫描从右上第一磨牙开始移至左上第一磨牙,由前磨牙、第一磨牙产生的误差占总误差的46.6%,前牙区九颗牙齿所产生的误差均较低。

以往关于CBCT数字化模型的研究数据来源于患者拍摄CBCT后获取的相关牙齿数据,所获取的数字化牙列模型显示ICW和IMW的不稳定的表面求解和平均误差在1mm以上。基于患者暴露于放射辐射下的剂量在合理范围内应越低越好的原则,即ALARA,采用CBCT获取数字化模型这一行为应视为禁忌,除非使用已有的CBCT数据。2014年发布的新版Planmeca Romexis3D Ortho Studio Advanced软件有一个新功能,可以利用CBCT直接数字化并形成牙齿模型,生成STL文件。在这个过程中,患者不需要接受任何放射辐射。CBCT测量结果相比参照值轻微偏小,且测量结果不受被扫描物体放置位置的影响,提示系统性误差的存在。在其他一些采用CBCT的类似研究中发现测量结果也同样偏小,这些偏差可以由放射学中部分体积平均效应理论解释。物体内部体素可以很好地反映一个物体的密度,然而介于气体与物体交界或者交界边缘的体素,反映的为平均密度,这个数值大小取决于体素所在位置,可以接近于气体密度,也可以接近物体密度。阈值设置不同,CBCT数据在转化为表面多边形网(STL格式)时产生的误差可导致物体体积变小,提升阈值是否能提升扫描精确度这一问题仍需要进一步研究。

迄今为止,还没有能满足临床需求的数字化扫描精确度的公认标准,在口腔修复应用中,将牙弓长度(AL)误差控制在100μm内10是十分重要的。Hayashi等人认为AL100μm的误差对于正畸临床应用是可以忽略不计的。美国正畸医师协会ABO模型客观评分系统认为,就“排齐”和“边缘嵴”这两项而言,误差在500μm以内在临床上都是可以接受的。从生理学角度来看,牙周间隙对扫描模型中不同高度偏斜的反应需要多高精确度具有临床指导意义。活髓牙的平均触觉感受阈值约15μm,如果一颗牙齿水平向偏移不超过15μm,因低于触发阈值,仅发生牙周韧带的改建。假设两颗牙齿受影响,且每一颗牙齿偏移相等,那么对于整个牙列牙齿偏移最大不超过30μm。除此之外,对于长度最长的AL和IMW,数字化扫描误差小于30μm应该被视为金标准。更大的牙齿偏移量可被压力感受器接收,但只要偏移量低于固有牙齿活动度,那么,牙槽骨改建将不会发生。最小固有牙齿活动度位于磨牙,平均值为70μm,由此可推测对于整个牙弓活动度最大值为140μm。较大的牙齿移动将导致牙槽骨的吸收,如果牙齿移位致使牙周膜间隙压缩低于50%,压力面牙槽骨将发生直接吸收,牙周间隙内仍有血流经过;如果牙齿移位导致牙周膜间隙压缩超过50%,牙周间隙内血流出现循环障碍,导致间接骨吸收,这可能与牙根吸收有关。最大偏移处牙周间隙约250μm,单颗牙水平向移位约125μm或整个牙列水平向移位约250μm可被视为牙槽骨直接吸收与间接吸收的临界值。基于这个理论,全牙列数字化扫描误差小于30μm可被视为精准度极佳,小于140μm可认为精准度良好,小于250μm可认为精准度尚可,超过250μm将被认为精准度不够,这可以作为临床中一个简化的判断标准。由此,我们可以得出以下结论:尽管印模及石膏模型制取过程中可能存在误差,R900间接数字化扫描的精确度极佳,R700和TRIOS的扫描精准度在临床上具有可比性,并被评定为良好。如果只考虑9颗前牙以及尖牙间宽度时,TRIOS精确度极高。ProMax3D Mid CBCT扫描石膏模型精确度尚可,扫描印模精确度不够。对比数字化主模型,D35 3D打印精确度良好,但口内扫描获取数字化模型后进行3D打印,其精准度一般。

尽管在制取印模及灌制石膏模型的过程中可能存在一些误差,但间接扫描仪R900获取数字化模型精准度最高。本研究中印模材料采用硅橡胶,而非藻酸盐。Ender和Mehl研究发现硅橡胶制取印模误差为13.0±2.9μm,藻酸盐误差为37.7±34.9μm。如果将这些额外的误差考虑在内,R900和TRIOS之间的扫描差异基本可以忽略。3D打印模型尺寸稳定性不符合ISO 6873:2013 III型石膏和IV型石膏,但与II型石膏类似。口内扫描可快速直接获取数字化模型,但需要更长的椅旁操作时间。与制取硅橡胶印模相比,需要多花27%的椅旁时间。Grunheid等人发现制取上下颌藻酸盐印模需要7.5分钟,口内扫描上下颌需要20.5分钟,并且,73.3%的患者更倾向于印模制取,而非口内扫描。以往研究证实口内扫描和3D打印为正畸医生提供了一种可行的选择。然而,新技术并不能仅仅与传统方式类似,还应该比传统方式更优化,才能在临床应用中被广泛接受。口内扫描目前相较于传统方式在正畸领域并无重大提升,这可能是由于一般的口内扫描仪主要是为修复设计的,仅需扫描牙列小部分区域,因此使用小的高分辨率扫描仪更方便操作。但正畸要求不同,全牙列扫描需要更大的扫描头,理想是仅需一次就完成数据采集,无匹配误差,扫描更快速。毫无疑问,口内扫描仪具有很大的进步空间,这些设备必须进行高度化定制以满足单个学科的要求,以便充分利用其功能。本研究结果还需要考虑研究方法上的一些误差,包括Zeiss O-Inspect 422三坐标测量仪最大允许值示误差(MPEE1.9μm+L/250),钻孔半径误差0.8μm,以及主模型的尺寸变化。主模型尺寸变化IMW和ICW为1μm,符合最大允许值示误差(MPEE ),AL 为18μm,也需考虑在内。

结论

本文研究结果显示,制取传统印模,灌制石膏模型,然后用台式扫描仪扫描石膏模型获取数字化模型是正畸临床应用的最佳工作流程。如果有CBCT,可以用于石膏模型的间接数字化,用来数字化存储、诊断和制定计划。这种方法的精确度也使正畸矫治器的制造成为了可能。口内扫描仪的直接数字化被证明在正畸临床中也是一种可行的替代选择,尽管它需要更长的椅旁时间且精确度不如台式扫描仪,但如果需要在全数字化工作流程中生产矫治器,那口内扫描是最合适的。如果需要实物化工作模型,最合适的方式是制取石膏模型后,再获取数字化模型。全牙列数字化模型如果需要应用于修复治疗,那么,R900精确度最高。TRIOS Color Pod在扫描范围局限于一个象限或再增加3颗额外牙齿的情况下,其精确度在临床应用上是可接受的。CBCT间接数字化的精确度并不能满足修复临床需求。


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