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Categories Editorial, Investigation

人皆生而平等,掃描亦然?
Full-arch scanning with CEREC Omnicam

口掃機的精準度在過往的文獻常常侷限於「單一取像」的精準度,但其實如何獲得精準且真實的「全口」掃描模型,才是數位牙科領域中深受討論的議題。和桌掃機不同,口掃機的視野範圍小得多,這意味著圖像拼接過程 (image-stitching operation) 的次數及複雜度都會大大增加。

在這種情況之下,取像品質固然重要,但真正最關鍵的影響其實是使用者操作口掃機的熟練度。如何正確的操作口掃機便成了一個全新且重要的課題。到底怎樣才能稱得上是 「正確」 的操作呢?

English version: Not All Scans Are Equal


CEREC Doctors 最近發布了一份專題報告,是以咬合定位 (bite-registration) 的角度來討論這項議題。其中最核心的關鍵題目為:

全口掃描的掃描流程是否會影響數位模型的咬合定位 (bite-registration)?

數位模型的咬合定位 (digital bite-registration) 是如何達成的?在單純的情況下,口掃流程主要分為三個階段:

  1. 下顎掃描 (lower arch scan)
  2. 上顎掃描 (upper arch scan)
  3. 頰側掃描 (buccal scan)

以傳統流程來比喻,#1 #2 就相當於上下顎的石膏模型,#3 就是咬合記錄。傳統與數位兩者之間最大的差別在於,傳統的咬合記錄方式是 negative impression,而數位的咬合記錄方式是 positive reproduction。利用頰側掃描 (buccal scan) 的咬合記錄 (bite record) 將上下顎掃描模型做疊合,藉此建立上顎與下顎之間的三度空間關係。

現在你心中可能會有個疑問:如果頰側掃描 (buccal scan) 的咬合記錄 (bite record) 和上下顎的掃描模型沒辦法「完全」疊合起來的話怎麼辦?

事實上,由於數位模型的邊界、軟組織、以及其他的微小差異,要讓這幾個數位掃描模型達到 100% 的完美疊合,是幾乎不可能達成的事情。這代表什麼呢?這代表電腦會經過一些運算的執行,來讓這些數位模型重組到一個盡可能理想的疊合情況 (best-fit)。

在一些半口掃描或是小範圍局部掃描的情況下,軟體運算通常都能達到很好的結果。但隨著掃描距離的增加,事情開始變得複雜了。


疊圖拼接 (Stitching)

 

想像一下,如果你要用一個 15 公分長的尺來畫出一個 5 公尺長的直線,無論你多麼心思縝密的描繪出每個線段,最終結果還是不可能得出一個完美的直線。

那假設現在要畫的直線變成 50 公尺長呢?合理的推論,我們會得到更大的偏移量,因為我們在每次的 15 公分線段之間會產生迭代誤差累積 (iteration error accumulation)。

而全口掃描也是一樣的道理,數位疊圖時所造成的誤差也是會互相累積,最終成為越來越大的形變量。

圖一、2D 照片的疊圖拼接 (image stitching),單張照片被互相疊合連接以得到更大角度的拍攝影像。

回到我們的上下顎模型中,如果掃描的變形量累積到了一定的程度,不難想像電腦在執行上顎、下顎、頰側三個掃描檔案的最佳化疊合 (best-fit superimposition) 時就會遭遇到更大的挑戰。而這個變形量 (deformation) 就是 CEREC Doctors 在他們最近所發佈的報告中所提及的,某些全口掃描中出現一些 “不可靠” 的咬合定位 (bite-registration) 背後最大的癥結點。


報告摘要 (Abstract of the Report)

 

這份專題研究中得到的一項結論:頰側掃描 (buccal scan) 位置會影響最終咬合定位 (bite-registration) 的結果。

在一個現實中雙側咬力分布均勻的 typodont 上,以口掃機掃描上、下顎並建立全口模型後,假設頰側掃描 (buccal scan) 位置是在右側,軟體計算完成後就會在模型右側產生較重的咬合;如果頰側掃描 (buccal scan) 位置是在左側,軟體計算完成後就會在模型左側產生較重的咬合。

這個結果很明顯不是我們所樂見的,基於現在我們對變形 (deformation) 的了解,我們該如何解決這個問題呢?

圖二、以亂無章法的掃描方式所取得的全口模型,在不同的頰側掃描 (buccal scan) 位置會導致不同的咬合定位 (bite-registration) 結果。這樣的結果並不是我們想要的。Source: CERECDoctors.com

事實上,會產生上述的結果,原因是在於掃描上、下顎建立模型時,掃描流程是使用無邏輯的隨意式掃描 (arbitrary method) 。

根據我們在 CEREC Asia 培訓中心的經驗,大多數的初學者自然會偏向以這種隨機運動的模式來操縱口掃機鏡頭進行掃描。不幸的是,這種掃描方式已被證明會出現更多的疊圖拼接錯誤 (stitching error),從而導致更多的變形量 (deformation)。

在 CEREC Doctors 最近發表的這份專題研究中,他們建議使用另一種掃描邏輯的方式來擷取影像,並稱之為線性掃描 (Linear Scan)。這個掃描邏輯的概念來自於 CEREC Ortho 軟體的建議方式,全口掃描基本上是建立在三次的連續型線性掃描 (continuous linear scan),再加上兩次的滾動式掃描 (rolling scan) 將三個線性掃描「綁」在一起。

在執行線性掃描的時候並不會有回溯 (backtracking) 的動作,如此一來軟體能夠建立出最少變形的模型。頰側掃描 (buccal scan) 位置的影響就不會這麼大,無論頰側掃描 (buccal scan) 的位置在左邊還是右邊,都不會影響最終咬合定位 (bite-registration) 的結果(如圖一)。

圖三、透過正確的掃描所建立的模型,無論從哪裡進行頰部掃描 (buccal scan),最終咬合定位 (bite-registration) 的結果都是穩定的。Source: CERECDoctors.com

變形量的量化 (Putting numbers to the deformation)

 

其實這種變形問題並不是什麼新議題,在一年多前,CEREC Asia 培訓中心就已經做了一系列的研究,證明並提倡「結構式掃描」(Framework Scan, CEREC Asia 版本的線性掃描法)的重要性。其中一個研究就是為了證明結構式掃描 (Framework Scan) 實際上真的對於降低變形量 (deformation) 是有幫助的。

全口變形量 (full-arch deformation) 的測量,其中一種簡單的計算方法是取得兩個參考點 (reference point) 並加以計算兩者之間的線性誤差 (linear error)。假設測得的線性誤差 (linear error) 越大,代表掃描所發生的變形量 (deformation) 也越大。因此,透過比較各種不同的掃描方法,我們可以了解在各種掃描方式下所取得的變形量 (deformation) 是否存在顯著差異。


研究方法 (Method)

 

首先,我們在 #18 和 #28 牙位上,放置了一個易於辨別的標記,並以石膏進行翻模複製,以確保得到一個穩定不變的主模型。接著,我們以 CEREC Omnicam 進行了四種不同的掃描流程,並將測量結果與 CEREC InEos X5 桌掃機  (Gold standard) 做比較。最後以軟體測量每個模型上標記之間的線性距離(如圖二),然後統計不同掃描流程之間的差異。

圖四、使用參數式檢測軟體 GOM 來測量 #18 至 #28 的線性距離。將所有五種掃描方法重複 10 次,每次產生 10 個數位模型 (n = 10),並對每個模型重複 3 次的線性測量。Source: CEREC Asia Training Center, R&D department.

實驗結果 (Results)

 

以下是我們實驗的結果:

圖五、不同掃描方式的變形量比較。 Source: CEREC Asia Training Center, R&D department.

我們所測試的五種掃描方法分別為:

  • 桌掃機:Dentsply Sirona InEos X5。
  • 口掃機:使用 CEREC Ortho 軟體引導掃描。
  • 口掃機:使用結構式掃描 (Framework Scan) 或是 CEREC Doctors 所提出的線性掃描 (linear scan) 流程。
  • 口掃機:使用 Dentsply Sirona 2014 年所建議的掃描流程。
  • 口掃機:使用 Dentsply Sirona 2016 年所建議的掃描流程。

我們的研究結果證明了:CEREC Ortho 掃描、結構式掃描法 (Framework Scan) 及 InEos X5 桌掃機,三者可以得到近似的全口跨牙弓模型穩定度 (cross-arch stability)。因為隨意式掃描方式 (arbitrary method) 的隨機性導致標準化困難,我們決定改與 Dentsply Sirona 官方發表的操作說明書內所描述的掃描方式進行比較。即便如此,我們還是可以觀察到,不同的掃描方式所得到的結果還是有統計學上的顯著差異(雖然 Dentsply Sirona 官方所發表的這些準則並非建議使用於全口掃描)。

圖六、P values for those who are statistically inclined. Source: CEREC Asia Training Center, R&D department.

結論 (Conclusion)

 

  • 結構式掃描法 (Framework Scan) 和 CEREC Ortho 軟體輔助掃描,會比 Dentsply Sirona 官方發表的掃描方式得到更好的全口跨弓模型穩定度 (cross-arch stability)。(雖然 Dentsply Sirona 官方所發表的這些掃描準則並非建議使用於全口掃描)
  • 結構式掃描法 (Framework Scan) 可以產生與 InEos X5 桌掃機相當的全口跨牙弓模型穩定度 (cross-arch stability)。
  • 對於全口掃描,結構式掃描法 (Framework Scan) /CEREC Doctors 所提出的線性掃描 (Linear scan) 確實可以得到更少的變形量 (deformation)。

 

About 龔凡瑋

龔凡瑋 is currently practicing in Sweet Space Dental Clinic, and also working at CEREC Asia Training Facility as a teaching assistant.
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