傳統(tǒng)和3D打印方法制作前牙貼面模型的準(zhǔn)確度比較

楊琪 曹二彎 劉夏青 李英

20世紀(jì)70年代，CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用于牙科，開啟了牙科數(shù)字化的新時代[1]，雖然傳統(tǒng)的彈性印模材料結(jié)合灌制石膏模型的方法已成功的應(yīng)用于牙科數(shù)十年，但其存在技術(shù)敏感性高、患者體驗(yàn)感差、印模材料收縮變形、唾液血液污染等缺點(diǎn)[2]。口內(nèi)數(shù)字印模憑借其簡單高效、方便快捷的優(yōu)勢被臨床醫(yī)師和患者喜愛并迅速發(fā)展，其采用小型探入式光學(xué)掃描頭伸入患者的口內(nèi)，從而獲取牙齒牙齦等軟硬組織的形態(tài)[3]。

準(zhǔn)確的印模是成功制作修復(fù)體的關(guān)鍵，已有大量文獻(xiàn)證明口內(nèi)數(shù)字印模的準(zhǔn)確性與硅橡膠印模技術(shù)在單冠和短跨度部分固定義齒修復(fù)中的準(zhǔn)確性相當(dāng)[4-6]。然而，相關(guān)研究大多集中在后牙全冠，而對前牙貼面的研究相對較少。此外，烤瓷貼面等仍需要一個物理模型來進(jìn)行手工堆塑或者檢查最終修復(fù)體的鄰接與咬合，而目前此物理模型主要由3D打印制作完成。因此，數(shù)字印模及3D打印模型的準(zhǔn)確性都對最終的修復(fù)體適合性產(chǎn)生影響。本研究通過軟件分析，比較前牙貼面的口內(nèi)數(shù)字印模、3D打印模型、石膏模型的準(zhǔn)確度差異。

1 材料與方法

1.1 材料

參考模型選擇標(biāo)準(zhǔn)日進(jìn)牙科研究模型(Dental Study Model 500A,Nissin,日本),硅橡膠(Honigum，DMG，德國)，IV型超硬石膏粉(Heraeus，德國)。

1.2 儀器

TRIOS口內(nèi)掃描儀、口外掃描儀3shape D2000(3shanp，丹麥)；3D打印機(jī)(S300,上海聯(lián)泰)；牙椅固定式仿頭模(Nissin,日本)。

1.3 方法

1.3.1 參考模型制備 采用上頜標(biāo)準(zhǔn)日進(jìn)牙科研究模型，并對12-22 進(jìn)行開窗式貼面預(yù)備：唇面均勻磨除0.5 mm并形成0.3 mm齊齦肩臺,鎢鋼車針高度拋光，均勻消除倒凹及銳利線角。參考模型制備完成后用口外掃描儀已獲得其三維數(shù)據(jù)保存為STL格式并標(biāo)記為R。

1.3.2 口內(nèi)數(shù)字印模數(shù)據(jù)獲取 將參考模型固定于仿頭模內(nèi)，掃描前對掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，按照廠商推薦掃描順序?qū)⒖寄Ｐ瓦M(jìn)行掃描，掃描結(jié)束后檢查，對不完整的圖像部分進(jìn)行補(bǔ)掃，按上述方式對參考模型進(jìn)行8 次掃描，每次掃描數(shù)據(jù)保存為STL格式并標(biāo)記為A1-A8。

1.3.3 硅橡膠印模-石膏模型三維數(shù)據(jù)獲取 二步法制取上頜硅橡膠印模，要求邊緣清晰無氣泡，重體無暴露，無脫模，(25±1) ℃下存放1 h。隨后用Ⅳ型超硬石膏在真空條件下嚴(yán)格按照石膏材料的水粉比(23 mL/100 g)攪拌60 s后灌制超硬石膏陽模，待24 h石膏完全硬固后分離石膏模型，要求石膏表面光滑，無氣泡，無缺損，預(yù)備體邊緣清晰。按上述方法對參考模型制取8 次印模并灌制8 個石膏模型。將8 個石膏模型分別置于口外掃描儀掃描，以STL格式輸出保存并標(biāo)記為B1-B8。

1.3.4 3D打印樹脂模型三維數(shù)據(jù)獲取 將口內(nèi)數(shù)字印模的數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)并獲得8 個樹脂模型，將8 個樹脂模型分別置于口外掃描儀掃描，以STL格式輸出保存并標(biāo)記為C1-C8。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理及配準(zhǔn) 所有STL數(shù)據(jù)(R,A1-A8,B1-B8,C1-C8)導(dǎo)入Geomagic Qualify 2015(杰魔，美國)軟件。以預(yù)備體的邊緣終止線為界，保留邊界以內(nèi)的區(qū)域?yàn)榕錅?zhǔn)區(qū)域，刪除邊界以外的區(qū)域[7]。數(shù)據(jù)裁剪完成后，利用該軟件中的“最佳擬合對齊”及“偏差分析”功能對模型進(jìn)行配準(zhǔn)，每兩個STL數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后的差異以均方根誤差RMS(root mean square)值的形式顯示，RMS誤差計(jì)算公式為：

其中X1，i為參考模型上的測量點(diǎn)，X2，i為測試模型上的點(diǎn)，兩者之差為參考模型與測試模型上相對應(yīng)點(diǎn)間歐幾里得距離，n為測量點(diǎn)的總計(jì)數(shù)。RMS可用來評價(jià)兩不同模型間的偏離程度[8]，本研究中較小的RMS值代表配準(zhǔn)模型間有較好的一致性。偏差分析的差異情況通過彩色分布圖的形式顯示，使用自定義15段標(biāo)準(zhǔn)色譜圖顯示(最大臨界值0.2 mm,最小臨界值-0.2 mm,最大名義值0.05 mm，最小名義值-0.05 mm)，其中，藍(lán)色區(qū)域代表測試模型在內(nèi)測，紅色區(qū)域代表測試模型在外側(cè)。通過將參考模型的STL文件數(shù)據(jù)與口內(nèi)數(shù)字模型，傳統(tǒng)石膏模型和3D打印模型獲得的STL文件數(shù)據(jù)配準(zhǔn)來評估各組模型的正確度。將各組的掃描數(shù)據(jù)兩兩配準(zhǔn)，評價(jià)各組模型的精密度。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié) 果

各組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布且方差具有同質(zhì)性，進(jìn)行單因素方差分析及LSD檢驗(yàn)。表 1顯示了數(shù)字掃描組、3D打印模型組和石膏模型組正確度和精密度差異。其中，越小的RMS值代表正確度或精密度越高。對于正確度：口內(nèi)掃描組與3D打印組之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，兩者正確度小于石膏模型組且結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)。對于精密度：3 組模型之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。

表 1 口內(nèi)掃描組，3D打印模型組，石膏模型組RMS統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖 1為不同模型組的正確度及精密度3D偏差結(jié)果色譜圖，其中綠色代表測試模型與參考模型大小一致，藍(lán)色代表陰性偏差(測試模型小于參考模型的部分)，黃色及紅色代表陽性偏差(測試模型大于參考模型的部分)，可以看出對于正確度，口內(nèi)掃描及3D打印模型在側(cè)切牙軸角處有較大的陰性偏差，而對于精密度，3 組模型均顯示出較高的一致性。

圖 1 3D偏差結(jié)果色譜圖

3 討 論

口內(nèi)數(shù)字印模技術(shù)憑借其簡單高效，患者體驗(yàn)感舒適等優(yōu)勢自出現(xiàn)以來就迅速發(fā)展，并且隨著其準(zhǔn)確度的提高使其在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛?？趦?nèi)數(shù)字印模的發(fā)展也促進(jìn)了3D打印模型在口腔醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，雖然今天的CAD/CAM技術(shù)在很多情況下不需要物理模型，但類似手工貼面等的修復(fù)體制作仍然需要物理模型，而且該模型的準(zhǔn)確度對最終修復(fù)體的合適性也產(chǎn)生影響。

根據(jù)ISO-5725-1,準(zhǔn)確度包括精密度和正確度[9]。精密度系指在相同條件下，對被測量物體進(jìn)行多次反復(fù)測量，測得值之間的一致(符合)程度。正確度系指被測量物體的測量值與其“真值”的接近程度。本研究參考掃描模儀選用3shape公司的口外掃描儀D2000，不同于口內(nèi)掃描儀，其掃描視場大，掃描時模型被固定在掃描倉內(nèi)，屬于連續(xù)靜態(tài)掃描，3D圖像合成準(zhǔn)確，根據(jù)ISO 12836-2015標(biāo)準(zhǔn)檢測其正確度高達(dá)5 μm，顯著高于口內(nèi)掃描儀，在以往的實(shí)驗(yàn)中也被用來獲取參考模型的數(shù)據(jù)[10]。準(zhǔn)確度的比較應(yīng)用Geomagic Qualify 2015軟件，通過最佳擬合對齊對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該方法準(zhǔn)確度較高且在牙科數(shù)字模型比較的研究中應(yīng)用較為廣泛[6，11]。

本研究中，石膏模型的正確度大于口內(nèi)數(shù)字化印模及3D打印模型，這與之前的研究結(jié)果相似[6，12-13]，其較高的正確度得益于硅橡膠印模材料的精細(xì)、尺寸穩(wěn)定、抗撕裂、良好的彈性回復(fù)性以及Ⅳ型超硬石膏的穩(wěn)定性。本試驗(yàn)使用的口內(nèi)數(shù)字化掃描設(shè)備為3shape公司的Trios，其基于共聚焦顯微成像技術(shù)，通過快速拍攝二維畫面(3 000 張/s)來拼接重建形成三維圖像[14]。其每次二維圖像拼接的過程都可能產(chǎn)生誤差[15]。此外，掃描過程中參考模型光滑表面的強(qiáng)反光性也會引起掃描的準(zhǔn)確性下降[3]。對于3D打印模型，其正確度除了與口內(nèi)數(shù)字化印模制取的正確度有關(guān)外[16]，還與增材制作過程中的樹脂聚合收縮及層層堆積誤差有關(guān),大量研究觀察到了不同3D打印機(jī)在制作過程中的收縮率[17-18]。本研究中使用的3D打印機(jī)與Sim等[12]采用的打印機(jī)同為數(shù)字光處理(digital light processing,DLP)原理，但在其試驗(yàn)中3D打印模型的偏差相較于本實(shí)驗(yàn)更加明顯，產(chǎn)生這種差異可能是因?yàn)椴煌膾呙杩缍燃盎赖念A(yù)備體類型不同。Jin等[19]稱前牙憑借其光滑的表面及其在牙弓中的位置相較于后牙在3D打印過程中產(chǎn)生的收縮反應(yīng)更小，這也解釋了本實(shí)驗(yàn)中口內(nèi)數(shù)字印模與3D打印模型的正確度及精密度無統(tǒng)學(xué)上的差異。在精密度方面，與之前的研究結(jié)果不同[6，12]，本研究中口內(nèi)數(shù)字印模及3D打印模型的精密度與傳統(tǒng)石膏模型無明顯差異，這與本試驗(yàn)較小的掃描跨度有關(guān)，蘇庭舒等[20]的研究表示，隨著掃描跨度增大，口內(nèi)數(shù)字印模的掃描精密度下降。而Jin等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印模型的精密度大于石膏模型并表示產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因可能是由于在數(shù)字化掃描及3D打印過程中將操作者的誤差降到了最低，但在本實(shí)驗(yàn)中，相對簡單的基牙預(yù)備體表面及較短的掃描跨度并沒有將數(shù)字化流程的這種優(yōu)勢體現(xiàn)出來。

修復(fù)體的長期穩(wěn)定取決于修復(fù)體與基牙之間的密合程度，美國牙科協(xié)會指出：臨床上可接受的間接修復(fù)體的誤差范圍在50～100 μm之間。之后的研究中認(rèn)為通過口內(nèi)掃描儀獲得的修復(fù)體平均邊緣誤差應(yīng)小于120 μm[11，21]，雖然目前對符合臨床要求的準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)仍無定論，但根據(jù)之前的研究[22]，本實(shí)驗(yàn)條件下3 組不同模型的準(zhǔn)確度在臨床允許的范圍內(nèi)。然而應(yīng)該提出的是，印模制取僅是修復(fù)體制作過程中的第一步，其生產(chǎn)過程中的其余誤差將隨著修復(fù)體制作過程進(jìn)一步累積。

根據(jù)本研究的結(jié)果可以認(rèn)為，在本試驗(yàn)條件下，口內(nèi)數(shù)字印模及3D打印模型的正確度不及石膏模型，但其與石膏模型差異較小且在臨床允許的誤差范圍內(nèi)，加之精密度尚可，故仍可考慮在臨床實(shí)踐中應(yīng)用。另外，本研究僅使用一種口內(nèi)掃描儀及3D打印機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對局限，并且該實(shí)驗(yàn)為體外研究，準(zhǔn)確度不受唾液及口腔黏膜影響，具體的臨床準(zhǔn)確度仍需更多的臨床試驗(yàn)進(jìn)一步研究。