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作者：赵一姣 王勇 本文发表于:中华口腔医学杂志, 2018, 53(4): 230-235 DOI:10.3760/cma.j.issn.1002-0098.2018.04.004 近年，随着口腔医学与数字化技术深入而广泛的结合，数字化口腔医学已成为口腔医学的重要发展方向，其中，椅旁数字化技术备受口腔修复学、牙体牙髓病学、口腔种植学等专业关注。随着机械工程、计算机软件、光学影像等学科技术的飞速发展，口腔医学椅旁数字化技术从20世纪70年代问世以来，其应用范围和技术功能不断拓展，并被不断赋予新的内涵，口腔医师应了解和掌握这种技术的发展趋势，从而更好地对各种椅旁数字化技术加以选择和应用。 一、口腔医学椅旁数字化技术的狭义和广义内涵 早在1986年，德国西门子公司首先推出椅旁计算机辅助设计与辅助制作（computer aided design and computer aided manufacture，CAD/CAM）系统（CEREC系统），商品名首字母C即代表椅旁（chair‑side）的含义，其至今已应用30余年，经历5代技术更新，并基本得到口腔临床的认可。该系统一经问世便备受关注，市场随即相应发展涌现诸多类似设备，如Planmeca系统（普兰梅卡，芬兰，原E4D系统）、Carestream系统（锐珂，美国）等。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口内三维扫描技术，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。 早期椅旁修复CAD/CAM系统多为封闭式系统，即在修复体数字化设计和制作的工作流程中，数据流仅能在系统内部传递，扫描、设计、加工环节的前后衔接仅限于封闭系统自身的软硬件环境，不支持外部第三方环节和数据的介入，也不支持自身数据的通用格式导出，不能满足口腔临床对数据开放和流程灵活性选择的需求。继而，以数据开放为特点的众多椅旁数字化辅助技术相继发展，其中包括各种数据开放型口内扫描技术和口腔印模快速扫描技术，多材料、多模式的混合加工技术，以及小型快速三维打印（3D printing）技术等。这些技术的服务对象不再局限于椅旁修复体制作，借助数字化设计软件功能的拓展，可实现快速制作HE垫、个别托盘、功能印模托盘、诊断义齿以及各种美学诊断模型，拓展椅旁诊疗的范围。因此，口腔医学椅旁数字化技术的广义内涵涵盖椅旁直接修复和上述各种椅旁辅助治疗技术涉及的所有数字化技术。 二、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。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（Align Technology，美国）和3D Progress（MHT，意大利）；③主动波阵面采样技术，如Lava C.O.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15~20 s），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CEREC Ⅲ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5~10 μm，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.stl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）、Dental Wings（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；④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HE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。 图1 基于口腔印模快速扫描数据设计个别托盘 A：口腔印模快速扫描数据；B：个别托盘 3.椅旁数字加工技术： （1）椅旁数控切削或磨削技术： 传统椅旁数字加工技术专指小型化的以加工玻璃陶瓷或复合树脂预成料块为主的数控切削或磨削设备。常见系统包括CEREC MC XL（Dentsply Sirona，德国）、PlanMill（Planmeca，美国）、Carestream（Carestream，美国）和Roland（罗兰，日本）等系统，国产化系统则有爱迪特[爱迪特（秦皇岛）科技股份有限公司]、申雕（上海申雕数控机械有限公司）等系统。这类数控加工设备一般由传统工业加工机床针对口腔椅旁加工的特点改进并优化结构而成，小型化、轻量化的特点可适应椅旁诊疗环境的需求，但也因结构尺寸和刚度的下降限制了切削轴的移动范围、主轴的切削功率和机床整体的结构稳定性，使得此类加工设备一般仅能用于切削1~3个单位的修复体（嵌体、单冠、3单位桥等），且不能加工对机床切削性能要求较高的金属和硬质陶瓷材料。对于此类设备的选择，医师最关注精度和效率，下面从工程技术角度对影响因素进行分析。 对椅旁数控设备加工精度影响较大的因素主要包括切削轴数量、轴位置分辨率和数控工艺软件。在工程技术领域，切削轴数量常规指在切削过程中与被切削物体表面做连续接触运动，即真正作用于切削过程的机床运动轴数量。轴数越多，机床切削自由度越高，表面切削的复杂程度就越高，一般3轴以上的数控设备才可切削出具有一定倒凹的结构，如全解剖形态冠、解剖型基台等。市场上，某些设备宣称的轴数常包括初始刀具校准轴、工件翻转轴（不连续作用于切削过程，称为半轴）和坯料加载轴等，而大多数椅旁加工设备的实际切削加工轴数仅为3轴。如CEREC MC XL系统包含2个旋转轴和1个移动的切削轴以及1个180°工件翻转轴（半轴），PlanMill系统包括3个移动轴，严格而言上述系统均属于3轴系统，从刀具运动学角度分析，3轴系统不能保证切削过程中刀具与材料表面接触点的匀速切削，进而产生不均匀的表面粗糙度缺陷，且不能实现具有倒凹和复杂表面结构的修复体加工。此外，设备使用的电机类型也直接影响每个运动轴的运动分辨率，如PlanMill系统和Carestream系统采用无刷直流电机，理论上可实现1 μm的运动分辨率，而CEREC系统采用的步进电机技术仅能实现6.25 μm的运动分辨率，显然综合考虑了精度需求与制造成本因素。各椅旁数控设备的使用手册中，加工精度多为5~25 μm，但均未具体描述加工精度的检测方法，各厂家遵循各自的检测标准，尚无统一的协议，指标间的可比性不强。笔者认为，数控设备的加工精度体现为系统误差和随机误差的综合，系统误差可通过机械和软件校准进行补偿，随机误差即重复精度才是影响设备加工精度的关键指标，该指标一般指机床多次加工同一形状物体的可重复性。 关于椅旁数控设备的加工效率亦是临床关注的重要指标，其影响因素包括主轴转速、主轴扭矩、切削进给速度以及加工工艺软件（CAM软件）等。其中，主轴转速和扭矩共同决定主轴的功率，功率越大切削效率越高；切削进给速度由主轴和刀具的结构刚度决定，同等条件下切削进给速度越大切削效率越高。分析各椅旁数控设备的上述技术指标可见，PlanMill和Carestream等系统的主轴转速均大于50 000 r/min，而CEREC系统则采用相对较低的转速，且在切削进给速度方面CEREC系统也采用了相对较低的参数配置。但在单冠切削效率方面，CEREC系统的实际加工效率仍表现较好（6~11min），PlanMill和Carestream系统为10~15min。分析原因，其一，CEREC系统采用双主轴同步加工的模式，其CAM软件对双面加工模式的优化虽未能实现翻倍的加工效率，但可一定程度弥补加工效率的不足；其二，可能与CEREC系统CAM软件采用的独特的偏心转动轴加工工艺优化算法相关，该核心工艺技术可优化刀轨路径，提高加工效率。 近年，椅旁数控切削或磨削技术针对传统技术加工材料有限、加工工艺单一的问题有了较大的技术突破，在小型化数控设备上实现了水冷加工与风冷加工、切削与磨削、多种类型口腔材料混合加工的工艺改进。该技术通过专用的混合材料加持工具，可同批次放置多种不同加工工艺特性的预成料块，与之配套的CAM软件可支持不同加工工艺的混合排版和刀具、刀轨规划。这种硬件和软件的同步升级，使得椅旁加工不再局限于单次单一材料的单颗修复体加工，可同批次加工同一患者不同牙位不同色号要求的二硅酸锂基底冠、玻璃陶瓷饰面以及复合树脂嵌体修复体等。随着最新的椅旁快速氧化锆烧结技术（烧结时间60~90min）的推出，椅旁制作氧化锆修复体成为可能，椅旁数字化技术的应用将得到较大的拓展。 （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DentLab One（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（fusion deposition 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。 基于三维打印材料研发的技术支持，椅旁三维打印技术目前可用于个别托盘及诊断义齿的制作。在椅旁数字化个别托盘技术的应用中，设计完成的个别托盘数字模型尺寸较大、形态较复杂且对材料成本控制的要求较高，数控切削技术的材料和时间成本不能满足个别托盘椅旁制作的需求。基于FDM原理的快速三维打印技术在此方面的优势凸显，其打印聚乳酸线材的成本低廉，可根据不同类型托盘（全口义齿、可摘局部义齿、种植义齿）的精度要求定制打印层厚和托盘充填率，精确控制托盘的强度和打印时间，一般可在30~40min内完成单个托盘的制作，且可批量打印。在椅旁数字化诊断义齿的应用中，基于数字化设计的修复体数据，通过三维打印可铸造蜡材或树脂材料，可快速制作具有功能诊断作用的临时试戴义齿。诊断义齿通过在口内试戴并进行咬合调改，获得兼具功能和美学的理想修复体形态，调改后的诊断义齿可直接铸造最终修复体，从而降低最终修复体的临床调HE量，提高制作成功率。 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，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。 利益冲突 无 作者贡献声明 赵一姣：资料收集和文稿撰写；王勇：文章架构设计 （参考文献略）
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