从工程技术角度谈口腔医学椅旁数字化技术

赵一姣, 王勇. 从工程技术角度谈口腔医学椅旁数字化技术[J]. 中华口腔医学杂志, 2018, 53(4):6.

Ch01 口腔医学椅旁数字化技术的狭义和广义内涵

以 椅旁数字化修复系统为代表 ，构成 口腔 医学椅旁数 字化技术 的狭义 内涵，其技术特 点可概括为 ：应用 口内扫描设备、数字化修复设计软件和小型数控切 削设备 ，在诊室内一次诊疗(也可多次)完成全瓷或 树脂常规修复体 的设计和制作 ]。

椅 旁CAD／CAM 对技术和材料应用的限定较 明确：口腔三维数据获 取主要采用 13内三维扫描技术 ，数字化修复设计软 件主要完成嵌体 、冠 、桥等常规修复体设计 ，修复体 制作 以小 型化、高效率 的数控切 削或磨 削技术为 主，修复材料则 以玻璃陶瓷和复合树脂材料的预成 料块为主。

Ch02 口腔医学椅旁数字化技术的特点和发展现状

1．口腔直接或间接扫描技术 ：

(1)口腔直接扫描技术 ：也即口内扫描技术，为 口腔 医学椅旁数字化技术量身定 制。该技术可实 现从 口内牙列到数字化牙颌模型 的直接转化 ，避免 印模制取 、传递和灌制石膏模型过程 中的误差 ，且彩色三维扫描技术可最大程度还原 口腔组织 的真 实三维形态和纹理色彩，灵活性、直观性 的优势明 显，临床应用前景较好 9J。现有的 口内扫描技术根 据技术原理可分为 ：① 三角测量成像 技术 ，如 CEREC AC Omnicam (Dentsply Sirona，德 国 )、 PlanScan(Planmeca，芬 兰 )、Bluescan(A．TRON3D， 奥地利)、LAuNcA(广东朗呈医疗器械科技有限公司， 广州)等 口内扫描仪；②共聚焦显微成像技术，如 Trios(3Shape，丹麦)、iTero(AlignTechnology，美国) 和3DProgress(MHT，意大利)；③主动波阵面采样 技术 ，如 LavaC．0．S．(3M，美 国) “】。 目前，商业化 的口内扫描系统 已有 10余 种 ，各 系统 的扫描效率 差异不大(单牙位扫描时间为 15～2Os)伽，其 中绝大 部分 已实现无偿或有偿条件下的数据开放。

口内扫描 系统 的精度是 口腔 医师最关心 的问 题，笔者认为各种扫描技术 自身并无显著的优劣差 异 ，细微 差异体现于针对 口内环境特 点的技术优 化，而与 口内数据获取技术配套 的数据拼接和后处 理算法则是影响最终数据精度 的关键 。

从工程技 术角度分析，口内扫描技术分为硬件结构和软件算 法两个部分，扫描仪 的光学硬件系统负责将牙齿表 面三维形貌信息转换为数字信号信息，而后处理软 件算法则负责将数 字信号重建为计算机 中的三维 立体 数字模型 ，前后两个 阶段共 同影响扫描数据的 最终精度。

从国产化技术研发角度分析，口内扫描 系统的硬件结构相对容易搭建，而软件算法的研发 则难度较高，是 口内扫描技术国产化研发的核心环 节。现有 的部分椅旁 口内扫描系统(如PlanScan) 的重大技术升级仅为软件 系统的升级 ，客户端的扫 描硬件无需更换 ，通过驱动软件性能的提升便可大 大提高扫描的速度和效率以及色彩的呈现效果 ，也 正说 明 了软件算法的重要性。

对于较成 熟的牙颌 模 型扫描技术 ，其配套扫描软件 的开发可分为厂家 自主 研 发 专 用 软 件 和 委 托 成 熟 软 件 公 司 (如 Exocad)深度定 制专用软件两种模 式，后者有相对 成熟稳定 的算法支持。而 口内扫描技术 因各厂家 技术 的专利性，仍 以第一种研发模式为主，一定程 度上体现为市场上各种 口内扫描系统的临床测评 精度差异较大 ，这在 一定程度上与各厂家 的算法研 发 能力 相关 。

口腔 医师关注 的另一个 问题是喷粉与不喷粉 扫描 的取舍。 医师常认为喷粉 扫描可影响扫描精 度 ，是 口内扫描系统性能劣势的体现。从工程技术 角度分析，是 否需要喷粉取决于 口内扫描系统的技术原理。现有 口内扫描技术喷粉 的 目的有两种 ：一 是改变牙齿表面的光线反射特性 ，以获得优 良的漫 反射效果 ，如早期CEREC1口内扫描系统，其粉末喷 涂厚度需遮 盖牙齿 的全部表面；二则与遮 光显影无 关 ，目的在 于人为增加牙齿的表面特征信息 ，提高 扫描软件 算法精度 ，如 Lava口内扫描系统和 朗呈 口内扫描系统，其粉末喷涂并不追求表面遮盖的程 度。现今各 系统专用粉末的厚度为5～10Ixm，且第 二种喷粉 目的不但没有 降低扫描精度，反而 旨在提 高精度。喷粉扫描 的主要问题 不在于精度影响，而 在于对天然牙颜色的遮挡和干扰，这是实现彩色扫 描必须解决的问题。 因此，医师需对所使用 的 口内 扫描技术原理深入 了解，以选择正确的操作方式。

(2)口腔 印模 快速扫描技术 ：口内扫描技术椅 旁操作省略 了翻制石膏模型 的技工室步骤 ，直接获 得三维数字印模 ，具有方便 、快捷 的特 点；但扫描操 作技巧的学 习和熟练使用需要一定 的时间成本 ，外 加使用终端数量和权 限的限制，以及 口内扫描 自身 的技术局限性，使得该技术不能完全满足椅 旁数字 化诊疗 的多样化需求 ，由此 口腔 印模 快速扫描技术 便成为一种有益的补充。

印模扫描无需翻制石膏模 型，口腔 医师无需学 习新 的技术 ，借助传统方法制取 的印模和 口腔 印模 快速扫描设备 即可实现在椅旁获取三维数字印模 ， 达到 与 口内扫描相 同的 目的。与传统石膏模 型扫 描技术相 比，口腔 印模快速扫描技术 的难度更大 ， 其扫描对象为临床各种颜色和质地 的硅橡胶 、聚醚 类印模材料 、藻酸盐类 印模材料 ，相 比石膏模 型优 良的漫反射质地 ，印模扫描对扫描仪光学系统 的要 求更严 格。此 外，印模 相 比阳模有 更 多的扫描 盲 区，对扫描仪 转动轴 自由度 的要求也更高。近年 ， 针对复杂牙列缺损或缺失的椅旁扫描需求 ，以蓝光 光栅和 多光束蓝光激光扫描 为主要原理 的 口腔 印 模快速扫描系统 占据 主导地位 ，系统的软硬件 一般 针对印模扫描定制研发 ，并针对 印模材料扫描 的光 强参数和光线投射角度进行性能优化 ，以提高印模 扫描的速度和数据处理效率。此外，针对椅旁诊疗 的便捷性需求 ，此类扫描仪一般为开窗式 、紧凑结 构 的桌面型设计 ，便 于扫描过程 随时观察 印模 倒 凹。扫描后一般可提供 l格式 的开放式数据或 与 后续 CAD软件配套 的相应数据格 式 。3Shape(丹 麦 )、DentalWings(加拿大 )、Imetric(瑞士)系列扫 描系统均推 出口腔印模快速扫描的专用机型 ，国内 先 临和 易形 系列扫描系统也研制 了相应适用于椅旁 口腔 印模 快速扫描 的产 品。

2．椅旁数字化设计软件 的相关技术 ：椅旁修 复 CAD／CAM系统的数字化设计软件具有 明显的以医 师需求为导 向的技术特征。如 ：①设计功能的专一 化，此类软件设计功 能不追求全 面，仅 需具备椅 旁 常规诊疗 需求的设计功能，常以嵌体 、单冠 、种植体 个 性化基 台设计功能为主；② 设计步骤 的流程化 ， 固式化设计流程和逐步 引导式操作 ，虽然缺少设计 的灵活性 ，但非常便 于医师学习和使 用 ；③ 经验参 数 的预置化 ，修复体设计的经验参数预置于软件后 台，设计 时仅需较少 的参数交互 ，使用 户操作体 验 更流畅和高效 ，达到 节约椅旁 时间的 目的；( 复杂 设计环节的智能化 ，椅旁数字化设计软件 与技工室 数字化设计软件 的最大区别在于交互操作 的程度 ， 以医师需求为导向的设计软件，需尽量降低交互设 计的椅旁操作时间，除参数预置化外，还需通过智 能化的软件 算法降低复杂设计环节的交互设计难 度 。如 CEREC软件 的 Biogeneric智能修复体 形态 设计算法，可参考邻牙 、对耠牙 以及对侧 同名牙形 态信息 自动生成适合于患者个 性化牙列形 态及咬 合特征的牙冠外形 ，相 比传统基于标准牙冠形态的 交互调整方式 ，可大大降低椅旁手工调改的工作量 和 时 间。

随着椅旁数字化诊疗需求的增加 ，修 复体设计 已不再是椅 旁数字化诊疗 的唯一应用领域 ，配套的 辅助 即刻诊疗装置 的设计 已被越来越广泛地应用， 椅旁数字化个别托盘 即为 一典型应用。个别托盘 技术应用 于全 口义齿 、可摘局部义齿 、种植义齿制 作 中的常规印模制取 ，因传统手工制作方法的复杂 性和耗 时性，其未在 临床得到很好的普及 。 已有研 究显示，通过椅旁 口腔印模快速扫描技术获取高精 度的数字初 印模 ，借助数字化个别托盘设计软件的 自动化设计 功能，可实现印模 组织面偏置 、去除倒 凹 、设 置 缓 冲 区 、个 性 化 定 位 结 构 等流 程 化 设 计 。，且操作流程简单便捷 ，完全 可由医师助理操 作实施 ，并在椅 旁2～3min内快速设计 完成 满足终 印模 制取 要 求 的个 别托 盘 数 字化 模 型 (图 1)，后续 再借助椅旁快速加工设备制作托盘实物，即刻用于 终 印模 的制取。现今 ，具有上述个别托盘设计功能 的数字化设计软件包括 3Shape软件(丹麦)、Exocad 软件 (德 国)和 国内山大 华天个 别托 盘设 计软件 。 上述软件 同样具备 功能专 一化、步骤流程化 、参数 预置化和设计智能化的特点，从 临床实际需求出发 并最终服务于椅旁诊疗。

3．椅旁数字加工技术：

(2)椅旁三维打印技术：目前 ，可用于 口腔医学 领域 的三维打 印技术分为光 固化成形 、烧结成形和 熔凝 成形 三大类 。近年 ，在光 固化成形和熔凝成 形领域 已研发 出高效率、桌面型打 印设备 ，使得三 维打印的椅 旁应用迅速发展 。国外产 品以基于立 体 平版 印刷技 术的Form2(Formlabs，美 国)打 印机 为代 表 ，国 内产 品则 以基 于 数 字光 处理 技 术 的 DentLabOne(杭 州 先 临 三 维 科 技 股 份 有 限公 司 )、 HansLaser(深圳市大族激光科技股份有限公 司)打 印 机 和 基 于 熔 融 沉 积 成 形 (fusiondeposition modeling，FDM)的灵通(北京实诺泰克科技有 限公 司)系列打 印机为代表。

综上所述，基于全开放式流程的椅旁数字化系统 已不再局限于固定搭配的软、硬件配置，灵活 自由的 组合式系统成为 目前的发展趋势 ，体现为输出开放式 的口内或印模扫描设备 、多源兼容性的CAD软件和输 入开放式的小型数控或三维打印系统。但因开放式 系统构成 的复杂性有所提高，传统以医师为主的应用 模式在应用效果 、使用效率上逐渐显现不足 ，如何有效降低 医师的椅旁时间、减少 患者的就诊次数，是椅 旁数字化应用模式需要考虑的问题，而医师、助理 、技 师和工程师的椅旁团队合作模式是发展趋势。

先进技术 的国产化研发是助力其 国内推广和 普及的手段，无论狭义或广义的椅 旁数字化技术面 临同样艰 巨的问题。在系统整合层面，现今 国内市 场 CEREC系统 的应用 占比优势 明显，其他 国外椅 旁系统也有少量使用群体 ，而国产的类似系统则刚 刚推 出，技 术优势不 明显 ，性价 比有待市场验证 。 在椅旁单元技术层 面，口内扫描技术初见曙光 ，国 产化设备 已推 出3～4款，性能表现与国外 系统相 比 不分伯仲 ，推广前景 良好；固定修 复CAD软件是椅 旁修复 系统 的核心环 节，但 国内研发仍是短板 t， 相关 自主研发产 品较少 ，市场 占有率较低 ；活动修 复和椅 旁辅助诊疗装置 的国产CAD软件近年有所 突破 ，其软件算法和功能的持续改进和研发还有待 市场和政策的进 一步扶持。