技術筆記：口掃機原理與使用

3D重建技術發展已久，大量應用在工業(逆向工程)，自駕車(LIDAR)，及民生(蘋果人臉解鎖)，而健康醫療方面則以口掃機為代表。

口掃機外型類似電動牙刷但體積更大，操作上是由牙醫師將前端探頭伸入患者口腔，依照固定順序對每顆牙齒每個表面進行掃描，資料由一旁主機處理後即成為3D模型，視狀況由人工修正後，就能當做校正、植牙等輔助資料。

檢視市面上常見機型使用技術，分為structure light和confocal兩種。Structure Light相關介紹(連結)，它本身並不是尖端技術，困難在於如何小型化應用在口掃機中。所以一般初期都會由市售大型投影機開始。若要小型化可能有數種方案(連結)。

Confocal，開發時間為1983年，初始目的為改良螢光顯微鏡，希望提高光學解析度和視覺對比度，做法是使用PINHOLE過濾不同焦平面的光線，達到完美共軛焦，以及使用單波長光源也就是雷射光避免色散影響，組合這兩項即可取得μm等級焦平面資訊。(也因為pinhole進入光量少，需用更強雷射光補足影像)。

因為一次只能截取特定深度之影像，若要取得不同深度，就要升降顯微鏡平台或鏡片，從不同共軛焦平面（confocal plane）取得二維影像，再重組成三維影像。這也是共軛焦裝置讓人詬病的缺點，必須不斷機械性的移動焦平面，也造成機器容易損壞及維護成本。

confocal雖然普遍應用於顯微鏡(連結 DIY顯微鏡)，但其精密特性在十多年前找到更適合它的戰場，口掃機，並且獲得超級的成功。著名廠商是3Shapes TRIOS 4，最近則有後起之秀Align iTero Element 5D。

另外，對於馬達的缺點，近來提出數種不同改進方式。主要是利用光的波長差異在介質中折射率不同，例如加入光輪或是使用連續波長雷射光等等。

其他採樣法

除以上兩種，另有數種方法，如主動波前採樣法active wavefront sampling。此法只需使用單一攝影機加上主動波前採樣法的模組，包含了一個離軸（off-axis）的光圈，以光軸為中心進行圓圈路徑的旋轉，於固定間隔時間截取影像，就會得到受測物亦為旋轉的影像。在此情況，受測物的距離可以旋轉半徑大小解讀，若旋轉半徑為零，表示直接成像於對焦平面；反之，若旋轉半徑越大，則物體離對焦平面越遠。因此，此法不需使用多個攝影機來取得受測物的三維立體影像。其特色在於只需單一光學路徑捕捉受測物之距離，亦可延伸運用於攝影機、三維內視鏡及顯微鏡。

以及雲紋干涉測量法accordion fringe interferometry，掃頻光源式光學同調斷層掃描術optical coherent tomography，只是市場反應不佳。但總之口掃機實在可說是小型物理和光電實驗室大集合。(連結)

Accuracy

上述各種方法目標都是取得該平面的POINT CLOUD，評斷口掃機精確度也就是評估位置的正確性。評估的標準可區分為Trueness (真實度) 及 Precision (精確度)，不過這都只是單面的考量，技術文件上，會稱之為local的差異。

探究原因，除了技術水準原因外，口腔狀況也是原因，很大部份因素是口水反光造成，所以作業上，往往會需要噴粉。

ICP Registration

取得平面資料後，後續是透過演算法將前面各平面進行接合，也就是所謂ICP成為立體物件，(連結  關於ICP有個非常好的影片介紹 連結)。目前是採用open3d作法(連結)。雖然有演算法幫忙，但漫無目的接合是很困難的，而這就造成了所謂global的精密度差異。

目前大多是依照特殊順序和步驟，而各廠商也在軟體界面中加入許多巧思，例如透過照明光色通知使用者這一面已完成，或是在螢幕上將還需要追加掃描的區域顯示引導操作人員多次掃描等等。

Marketing

北美統計報告指出，約有1/5診所已有口掃機，而其產品價格也隨著競爭者增加而逐漸降價PK(連結)。產業角度來看，推廣與否也不再只是功能考量，還必須考慮與牙技師合作等資料共享資訊。上述資訊都是紙上談兵，希望日後有機會能操作實機，或和牙醫師或牙技師討論使用經驗。