五种口内扫描仪模型扫描精度对比及扫描质量评估.pdf

Chin J Prosthodont,July 2023,Vol.24,No.4口腔颌面修复学杂志2023年7月第24卷第4期 论著 基金项目基金项目：北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金（项目编号：L222025）首都医科大学附属北京口腔医院创新团队建设项目资助（项目编号：CXTD202203）游恺首都医科大学附属北京口腔医院正畸科硕士研究生北京100050张宁通讯作者首都医科大学附属北京口腔医院正畸科主任医师副教授北京100050五种口内扫描仪模型扫描精度对比及扫描质量评估五种口内扫描仪模型扫描精度对比及扫描质量评估*游恺张宁【摘要】目的：分析比较5种不同型号的口内扫描仪扫描单颌全牙列石膏模型的扫描精度，并评估扫描质量，为临床应用提供参考，并为今后进一步提升国产口内扫描仪性能提供依据。方法：5种型号口内扫描仪（3 Shape Trios3、iTero Element 1、FusionScanner、Aoralscan2、Medit i500）扫描单颌全牙列石膏模型，获得三维扫描数据，每组重复5次，作为实验组数据。利用高精度台式扫描仪（云甲UP560）获取数字化模型，作为真值组数据，通过分析软件Geomagic Studio14进行“最佳拟合对齐”后进行偏差分析真值组和实验组数据，并评估扫描数据质量指标、对比扫描精度。将全牙列模型按单牙冠进行分割，得到14颗单牙冠模体，同样进行扫描精度的评价。扫描精度由精密度和正确度进行评价。精密度通过计算同一型号仪器重复扫描的数据与真值数据的偏差分析所得的标准差结果进行评价；正确度通过与真值数据比较的偏差结果的均值进行评价，对不同组间的数据进行统计学分析。实验组和真值组间、以及实验组间的平均距离值与均方根（RMS）的均值和标准差作为计量型指标。各组数据经正态性检验，方差齐性检验后，采用单因素方差分析检验5个小组组间差异，同时对实验组质量指标与其扫描正确度进行Spearman相关性分析。结果：全牙列正确度：3 Shape Trios 3与iTero Element 1均在50 m以下，Medit i500、FusionScanner与Aoralscan2在50-70 m范围。全牙列精密度：iTero Element 1与FusionScanner全牙列精密度的平均距离和RMS值均较小，低于10 m，其余三种精密度的RMS值低于20 m，相较前两种略微增大。单牙冠正确度：3 ShapeTrios 3，iTero Element 1，Medit i500均在10-15 m范围，FusionScanner在15-20 m，Aoralscan2在20-30 m范围。单牙冠精密度：五种仪器单冠RMS标准差均在10 m以内，整体稳定性均较好。测量扫描数据质量评估中主要集中于钉状物和高度折射边，相关性分析未显示其与口内扫描仪正确度相关（P0.05）。结论：扫描精度上，iTero Element 1与3 Shape Trios 3为代表的国际厂商均处于较高水准。FusionScanner、Aoralscan2、Mediti500三种仪器在不同测量范围上在正确度与精密度有不同的优势。几种仪器扫描单牙冠的精度均优于扫描单颌全牙列精度，提示扫描范围的减小能够提升扫描仪精度。关键词：口内扫描仪；精度；正确度；精密度；扫描质量评估中国图书分类号 R783 文献标识码 ADOI:10.19748/.kqxf.1009-3761.2023.4.004Comparative study on the accuracy of five kinds of intraoral scanners and scanning quality evaluation based onscanning modelsYOU Kai,ZHANG Ning*.(Department of Orthodontics,Beijing Stomatological Hospital，Capital Medical University,Beijing 100050,China)【Abstract】Objective:To analyze and compare the scanning accuracy of plaster models of whole dentition in singlejaws canned by five different types of intraoral scanners,and to evaluate the scanning quality,so as to providereference for clinical application.It also provides a basis for further improving the performance of domestic intraoralscanners in the future.Methods:Five models of intraoral scanners(3 Shape Trios 3,iTero Element 1,Large VFusionScanner,Aoralscan2,Medit i500)scanned single-jaw whole dentition plaster models,and obtained 3D scandata,then repeated 5 times in each group as the experimental group data.The high-precision desktop scanner YunjiaUP560 was used to obtain the digital model,and as the truth group data,the analysis software Geomagic Studio 14was used to perform:“best fit alignment”and then the truth group and the experimental group data were analyzed bybias,and the scan data quality index and comparison scanning accuracy were evaluated.The whole dentition modelwas divided into single crowns,and 14 single crown molds were obtained,and the scanning accuracy was also259口腔颌面修复学杂志2023年7月第24卷第4期Chin J Prosthodont,July 2023,Vol.24,No.4evaluated.Scanning accuracy is evaluated by precision and trueness.Precision is demonstrated by calculating thestandard deviation results obtained by analyzing the deviation between the repeated scanning data of the same modelof instrument and the true value data.The accuracy is assessed by comparing the mean deviation result with the truevalue data,and the data between different groups are statistically analyzed.The mean distance between theexperimental group and the truth group,experimental groups and the mean and standard deviation of the root meansquare(RMS)are used as quantitative indicators.After the normality test and the homogeneity test of variance,one-way ANOVA was used to test the differences between the five groups,and the Spearman correlation analysis betweenthe quality index of the experimental group and its scanning trueness was carried out.Results:Total dentition,trueness:Both 3 Shape Trios 3 and iTero Element 1 were below 50 m,Medit i500,Large V Fusion Scanner andAoralscan2 were in the 50-70 m range，precision:iTero Element 1 and Large V Fusion Scanner were within 10 m,while the other three types of intraoral scannersare in the 10-20 m range.Single crown，trueness:3 Shape Trios 3,iTero Element 1,Medit i500 were all in the 10-15 m range,Large V FusionScanner was in the 15-20 m rangeand,Aoralscan2 was in the 20-30 m range，precision:all five instruments were within 10 m.The quality evaluation ofmeasurement scan data mainly focused on nails and highly refractive edges,and correlation analysis did not show thatthey correlated with the correctness or precision of the experimental group(P0.05).Conclusion:In terms ofscanning accuracy,international manufacturers represented by iTero Element 1 and 3 Shape Trios 3 are at a high level.Large V FusionScanner,Aoralscan2 and Medit i500 have different advantages in trueness and precision in differentmeasurement ranges.The accuracy of scanning single crowns by several instruments is better than scanning single jawwhole dentition,indicating that the reduction of scanning range can improve scanner accuracy.Key words:intraoral scanner;accuracy;trueness;precision;scanning quality evaluaiton临床传统采集印模技术操作复杂，步骤繁琐，数字化口内扫描技术的诞生颠覆了临床传统操作流程，口内扫描仪实时扫描口内环境，借助计算机进行数据处理，经过技术处理，即可获得口内数字模型，无需传统石膏模型的辅助，也降低了原料的损耗。口内扫描全程可视化，患者与医生均可清晰直观查看扫描过程与数据，因此，确保扫描数据的准确性是数字化印模制作的关键1。目前，市面上口内扫描仪种类繁多，不同的仪器采用的工作原理也不尽相同，受到口内环境影响和其他因素影响的程度也不一致，加之临床医生操作方法等外在因素，均会对扫描精度造成一定影响，进而影响最终数字化印模的质量2。口内扫描精度包括正确度与精密度，通常采用多次扫描对比测得，根据国际标准化组织标准（IOS 5725-1）3，精度（accuracy）也称准确度或精确度，用于描述测量值和参考值的一致程度，反映测量结果中的系统误差和随机误差，包括正确度/真值（trueness）和精密度/一致（pre-cision）。正确度属于系统误差，是大量测量值的均值与参考值间的一致程度，精密度是指设备系统本身测量结果的可重复性，和设备稳定性有关。本文研究内容从扫描精度与扫描数据质量两方面分析，定量评价目前五种主流的口内扫描仪器，为临床应用提供参考，并为今后进一步提升国产口内扫描仪性能提供依据。1.材料和方法1.1 扫描设备及扫描器材 单颌全牙列石膏模型。根据目前临床使用较广泛的国际与国内厂商口扫仪选取了5种扫描设备：3 Shape Trios 3（3 Shape公司，丹 麦）（系 统 版 本 3Shape Version 21.4.3（3.14.2.0）、iTero Element 1（Align Technology公司，美国）（系统版本1.12.9.600）、FusionScanner(朗视仪器，中国)（系统版本1.0.0.0）、Aoralscan2（先临三维，中国）（系统版本v2.1.0.4）、Medit i500（MEDIT公司，韩国）（系统版本2.6.5）、高精度台式扫描仪云甲 UP560（云甲科技，中国）（系统版本 UpScan2.0.18.0808）。1.2 实验三维数据的获取 在相同的室内环境下，由同一位熟练操作口内扫描仪的扫描者分别使用上述5种口内扫描仪沿全牙列石膏模型一侧开始进行扫描，同时观察计算机显示屏幕上的动态三维图像，扫描路径为：单光路循环扫描头运动路径，即先扫牙列咬合面，从模型左侧远中磨牙逐步移动至中切牙再到右侧远中磨牙，反向沿舌侧面移动，再正向沿颊侧面移动。检查有无遗漏部分，如有则260Chin J Prosthodont,July 2023,Vol.24,No.4口腔颌面修复学杂志2023年7月第24卷第4期对遗漏部分进行补充扫描（扫描次数至多为两个区域，数据量不会影响实验结果）保证获取完整的石膏模型数据，存储为stl格式文件。其中，3 ShapeTrios 3、iTero Element 1、FusionScanner、Aor-alscan2、Medit i500作为实验组；利用高精度台式扫描仪云甲UP560获取的数字模型数据作为真值对照组4，实验组每台扫描仪重复扫描五次。1.3 数据处理方法 将5种扫描仪得到的单颌全牙列石膏模型 stl 数据均分别导入到 Studio14（Raindrop Geomagic，美国）软件中，根据标准牙列模型特点，选取三点做一个平面1，平面1垂直向下平移相同距离，平移后位置即为平面2位置，利用软件截取牙列数据(图 1)。利用 Geomagic软件多边形界面的曲线裁剪工具抽取单牙冠牙模。将实验组的模型数据分别和真值组数据以“最佳拟合对齐”的方式进行匹配，并通过彩色偏差图表现(图2)，不同颜色代表不同的偏差范围5。图1 牙模切割图像1.4 测量数据质量评价方法 利用 GeomagicStudio 14软件“网格医生”命令逐一测算各组数据的“非流形边”（non-manifold edges）、“自相交”(the self-intersections)、“高度折射边”(highly-creased edges)、“钉状物”(spikes)、“小组件”(smallcomponents)、“小孔”(small holes)指标，作为扫描数据质量指标5。各指标定义如下：非流形边为存在于自然边界上一些三角形的两个边与整体网格均不相连；自相交指相邻的三角形间相互交织；高度折射边指相邻三角形间夹角尖锐；钉状物指平滑曲面上的突起点，由3个及以上的三角形形成；小组件指某些独立于整体的三角形，通常视为噪点；小孔指在整体网格曲面上存在的非常小的开口。1.5 扫描精度评价方法 实验组和真值组的“最佳拟合对齐”和偏差分析所得的RMS值的均值反应单颌扫描的正确度。每台仪器重复扫描五轮，生成5个stl文件6，分别与真值数据进行“最佳拟合对齐”计算平均距离和RMS，计算5轮结果的均值即为单颌扫描的正确度。使用同一种扫描仪重复扫描模型所得数据经“最佳拟合对齐”及偏差分析后得到的平均距离和 RMS（root mean square）（均方根）的标准差值即为单颌扫描的精密度；将全牙列模型按单牙冠进行分割，得到 14颗单牙冠模体，分别与真值组数据进行对比得到偏差ABCDEA:3 Shape Trios 3；B:iTero element 1；C:FusionScanner；D:Aoralscan2；E:Medit i500；图2 实验组口内扫描仪的彩色偏差图261口腔颌面修复学杂志2023年7月第24卷第4期Chin J Prosthodont,July 2023,Vol.24,No.4结果，计算同一仪器扫描的所有截取单冠偏差结果的均值，即为单牙冠模体的正确度7,8，所有截取单冠偏差结果的标准差即为该机型的精密度。1.6 统计学方法 使用SPSS 26.0软件对实验数据进行统计学分析。1.6.1精度分析 实验组和真值组间、以及实验组自身之间平均距离与RMS值的均值和标准差作为计量型指标，各组数据经正态性检验，方差齐性检验后，采用单因素方差分析检验5个小组组间差异。设定3 Shape Trios3为第1小组，iTero Ele-ment 1 为第 2 小组，FusionScanner 为第 3 小组，Aoralscan2 为第 4 小组，Medit i500 为第 5 小组。单因素方差分析ANOVA和SNK检验5种扫描仪的组间差异，P0.05），2组（r=-0.05，P0.05），3组（r=0.1，P0.05），4组（r=-0.09，P0.05），5组（r=0.05，P0.05）。高度折射边与该组扫描数据正确度：1组（r=-0.04，P0.05），2组（r=0.12，P0.05），3组（r=0.08，P0.05），4组（r=0.03，P0.05），5组（r=-0.06，P0.05），数据中r值，|r|值越大，相关性越好，正值为正相关，负值为负相关。P值大于0.05，表示没有统计学意义，因此钉状物与高度折射边与正确度均无相关性。2.3.2 5种口内扫描仪精度统计学分析 3D偏差分析数据均符合正态分布，具备方差齐性，采用单因素方差分析(ANOVA)结果显示5个小组之间的 RMS 有统计学意义(P0.05)。进一步的 SNK检验得出结果如表4-表7所示。表4 5种口内扫描仪全牙列正确度RMS比较：第1小组第2小组第3小组第4小组第5小组第1小组+-+第2小组+第3小组+第4小组-+第5小组+表5 5种口内扫描仪全牙列精密度RMS比较：第1小组第2小组第3小组第4小组第5小组第1小组+-第2小组+第3小组+第4小组-+第5小组-+表6 5种口内扫描仪单牙冠正确度RMS比较：第1小组第2小组第3小组第4小组第5小组第1小组+-+第2小组+第3小组-+第4小组+第5小组+表7 5种口内扫描仪单牙冠精密度RMS比较：第1小组第2小组第3小组第4小组第5小组第1小组+-+第2小组+-+第3小组-+第4小组-+第5小组+表4-表7注：+：两者之间差异有统计学意义；-：两者之间差异无统计学意义。3.讨论基于口内环境的复杂性，存在众多干扰口内扫描仪工作的因素，例如亮度、唾液、患者呼吸以及牙齿表面的高反光特性等9，因此口内三维数据的精确测量往往存在一定的挑战，同时为了相对客观的进行各仪器对比，因此相关研究主要是于口外模型上开展，以排除口内环境对结果的干扰10，本研究263口腔颌面修复学杂志2023年7月第24卷第4期Chin J Prosthodont,July 2023,Vol.24,No.4虽然有一定的局限性，但是也能一定程度反应扫描仪在口内实际应用的精度情况。有相关研究11对比了6种口内扫描仪，采用铝合金实体模型，三坐标测量仪检验加工偏差，相较仓扫作为真值标准更为可靠。本文采用高精度台式扫描仪云甲UP560获取牙冠模型作为真值数据进行对比7，官网标称其扫描精度为6 m，均高于市面上现有口内扫描仪，能够作为真值对比标杆。鉴于目前各厂家测量精度标准不一，官方标称精度可能存在一定差异，本文研究统一标准将不同型号扫描仪的扫描结果同高精度数据进行对比分析。为了验证结果的可重复性，扫描多次，对结果进行统计，应用专业软件分析处理，利用彩色偏差分布图直观体现各仪器的扫描结果与真值的差异。不同系统扫描仪获取的最终模型精度不一12-14，本研究测得精度与厂家标称精度大小排序基本一致。本研究扫描数据中，5种扫描仪在钉状物上的表现均不佳，相关研究显示钉状物的分布多位于牙颈部及近远中等较难扫描获取的位置5。而在非流形边、小通道上5种口内扫描仪的数量均为零，精度较高的口内扫描仪如iTero Element1，3 ShapeTrios 3在自相交、小通道、小孔数量上也有较好表现，甚至接近于零，推测其与其工作原理有一定相关性，较少受阴影与遮挡影响，数据质量高，同时其在系统级别上也可能拥有较强的算法处理功能，软件后期处理水平较强。统计学分析测量扫描数据质量评估中主要集中于钉状物和高度折射边，相关性分析未显示其与口内扫描仪正确度相关，之前相关研究中同样显示其与正确度无关5，但可能与本实验样本量较小有关。参考本横向对比研究的测试数据对比，结合工作原理分析，3 Shape采用超快光学分割技术工作原理，以超高帧率传感器为核心，采用同轴照明，较少受阴影与遮挡影响。iTero Element 1采用平行共聚焦成像技术12，同轴照明，较少受遮挡和阴影影响，并受制于成像原理限制，扫描仪体积较大，临床操作过程中会对患者造成不适感。Aoralscan 2与FusionScanner采用单目结构光工作原理，目前国内各厂商大多采用此工作原理，优化较成熟，但仍因三角照明受到遮挡与阴影影响。Medit i500采用双目结构光工作原理，双目夹角受限，达到微米级别精度较为困难，且三角照明受到遮挡与阴影影响。因此分析不同口内扫描仪的成像精度时，也应考虑不同扫描仪的扫描幅面、景深、图像拼接的算法等原因。参 考 文 献1 姚江武.数字化口腔修复(2)数字化印模J.临床口腔医学杂志,2016,32(1):53-56Yao JW.Digital restorative dentistry and prosthodon-tics(digital impressions)J.J Clin Stomatol,2016,32(1):53-562 王勇.口内数字印模技术J.口腔医学,2015,35(9):705-709,743WangY.IntraoraldigitalimpressiontechniqueJ.Stomatology,2015,35(9):705-709,7433 International Organization for Standardization.Accuracy(trueness and precision)of measurement methods andresults part 1:general principles and definitions:ISO5725-1:1994S.Vernier,Geneva,Switzerland:Inter-national Organization for Standardization,19944 Nedelcu R,Olsson P,Nystrm I,et al.Accuracy andprecision of 3 intraoral scanners and accuracy of con-ventional impressions:a novel in vivo analysis methodJ.J Dent,2018,69:110-1185 张馨月,李虹,赵一姣,等.两种结构光口内三维扫描仪获取单冠预备体数据质量的模型评价J.中华口腔医学杂志,2016,51(7):432-436Zhang XY,Li H,Zhao YJ,et al.Evaluation of thequalityofthree-dimensionaldataacquiredbyusingtwo kinds of structure 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2023年征稿征订中华老年口腔医学杂志 于2002年12月创刊，由解放军总医院主办，国内外公开发行，杂志由刘洪臣教授任主编。中华老年口腔医学杂志 是国内关于老年口腔医学的专业杂志，编辑部设在解放军总医院。现为双月刊，每单月出刊，国内外发行，邮发代号：82-633，每本定价10元，全年60元。中华老年口腔医学杂志 为中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中文科技期刊数据库（SWIS）源期刊、中国学术期刊综合评价数据库源期刊、中国核心期刊（遴选）数据库源期刊及JST日本科学技术振兴机构数据库收录期刊。杂志涵盖老年口腔医学及相关学科的内容，包括：1.老年口腔解剖生理；2.老年人龋病；3.老年人牙髓及根尖周病；4.老年人非龋性牙体硬组织病；5.老年牙周疾病；6.老年口腔黏膜病；7.老年人口腔修复；8.老年人种植修复；9.老年人颞下颌关节疾病；10.老年口腔颌面感染；11.老年口腔颌面损伤；12.老年口腔颌面肿瘤；13.口腔颌面影像研究；14.年口腔病的预防；15.激光在口腔的应用；16.口腔生物力学研究；17.老年口腔保健；18.口腔医学教育等。本刊由北京市报刊发行总局代理发行，全国各地邮电局均可订购，投稿及订阅请寄：北京市海淀区复兴路28号解放军总医院 中华老年口腔医学杂志 编辑部。邮政编码：100853电话：[phone]；传真：[phone]。网址：http:/.E-mail:。中华老年口腔医学杂志 编辑部口腔颌面修复学杂志关于图、表的格式要求请作者在投稿和修稿时，按照本刊对图、表的格式要求进行处理。图片必须有良好的清晰度和对比度。图片格式要求用TIF或JPG格式，分辨率不低于300 dpi（像素/英寸），线条图应用制图软件绘制。图表以正文中出现的先后次序连续编号。每幅图或表均应注明序号并冠以图（表）题，注释资料应置于图（表）下方。显微镜病理照片务必注明染色方法和放大倍数，并在照片左下角添加标尺（如无标尺，请作者务必注明放大倍数）大体标本照片应有尺度标记。若用人像，应征得患者的书面同意。“表”采用三横线法（顶线、栏目线、底线），表内数据要求同一指标有效位数一致。口腔颌面修复学杂志编辑部265