立体光刻（STL）与多边形文件格式（PLY）在口腔扫描中的应用比较：从临床操作到数据存档

《Journal of Dentistry》：Comparison of stereolithography (STL) and polygon file format (PLY) for intraoral scans: from chairside to archive

STL与PLY格式文件存储效率及几何精度对比研究。通过分析1800例 intraoral 扫描数据，发现非压缩PLY文件较STL平均减小50%-62%，压缩后进一步减少35%-62%。所有转换工具均未超过1mm的几何偏差，其中Trimesh保留全部顶点数据。提出采用PLY作为临床存储格式，结合压缩技术及Plastl工具实现CAD/CAM流程优化。

　　随着数字化技术在牙科领域的广泛应用，牙齿扫描数据的存储效率成为了一个日益重要的研究课题。传统上，牙科行业多采用STL（Stereolithography）格式进行三维模型的存储与处理，这种格式因其在快速成型（Rapid Prototyping）和计算机辅助设计（CAD）中的广泛应用而被广泛采用。然而，随着扫描数据量的增加，以及临床对扫描数据长期存储的需求，研究者开始关注其他格式如PLY（Polygon File Format）在存储效率和几何保真度方面的表现。本文通过系统分析1800个牙齿扫描数据，探讨了PLY和STL格式在存储空间、几何精度和临床适用性方面的差异，旨在为牙科数据管理提供科学依据。

### 存储效率的对比

在本文的研究中，所有PLY文件的存储空间都显著小于其对应的STL文件。具体而言，非彩色PLY文件的中位数存储大小为4.13 MB，相比STL文件减少了约62%。而对于彩色PLY文件，虽然存储空间有所增加，但仍保持了显著的压缩效果，其中TRIOS格式的彩色PLY文件平均比STL文件小约59%，iTero格式的彩色PLY文件平均减少了约39%，而Primescan格式的彩色PLY文件则减少了约58%。这种差异主要源于PLY格式的结构设计，它通过存储唯一顶点并使用索引方式引用这些顶点，避免了STL格式中重复存储顶点坐标的冗余问题。相比之下，STL格式在每个三角面中重复存储三个顶点的坐标，导致存储空间的浪费。

在压缩处理后，PLY文件的存储优势依然显著。ZIP压缩使得非彩色PLY文件的存储空间进一步减少，达到78%的压缩率，而彩色PLY文件的压缩率则在62%至75%之间。与压缩后的STL文件相比，所有PLY-ZIP格式的文件仍然保持了显著的存储优势。这表明，PLY格式不仅在未压缩状态下具有更高的存储效率，而且在压缩后也能够有效减少存储需求，从而支持牙科领域的长期数据存储需求。

### 几何保真度的分析

除了存储效率，几何保真度也是评估扫描文件质量的重要指标。研究中采用了一种基于最近邻距离的分析方法，通过计算目标网格与参考网格之间的几何偏差，评估了PLY和STL格式在转换过程中的准确性。结果显示，只有68个扫描文件（占总数据量的3.8%）出现了轻微的几何偏差，这些偏差主要来源于转换过程中去除的孤立顶点（dangling vertices）。这些孤立顶点在标准牙科可视化软件中不可见，因此不会影响临床应用。然而，它们在计算基于表面的几何指标时可能引入一定的误差。

在这些68个受影响的扫描文件中，最大偏差（Max HD）的中位数为0.44 mm，范围在2.4×10?? mm至0.97 mm之间。尽管这些偏差在视觉上可能不显著，但它们的存在表明某些转换工具在处理过程中可能对数据进行了一些清理操作，例如去除孤立顶点。相比之下，Trimesh转换工具在转换过程中保留了所有顶点信息，没有引入任何额外的几何偏差。这使得Trimesh成为一种更为可靠的转换工具，尤其是在需要保持数据完整性的场景中。

### 临床应用的意义

本文的研究结果对牙科行业的实际应用具有重要的指导意义。首先，PLY格式在存储空间上的显著优势意味着牙科机构可以在不牺牲数据质量的前提下，有效降低存储成本。对于需要处理大量牙齿扫描数据的诊所和实验室而言，这一发现尤为重要。其次，PLY格式支持颜色信息的存储，这对于现代牙科扫描设备而言是一个关键特性。颜色信息不仅有助于诊断，还能在治疗规划中提供更多的视觉参考。因此，使用PLY格式进行扫描数据的存储可以满足临床对颜色数据的需求，同时保持较高的存储效率。

此外，本文还提出了一种混合工作流程，即在设计阶段使用PLY格式，而在制造阶段转换为STL格式以确保与计算机辅助制造（CAM）系统的兼容性。这一策略可以兼顾存储效率与临床实用性，为牙科数据管理提供了一种新的思路。研究者还开发了一款名为Plastl的独立批处理工具，该工具基于Trimesh库，能够在不依赖编程知识的情况下实现STL与PLY格式之间的转换，从而简化了临床操作流程。

### 未来研究方向

尽管本文的研究提供了有价值的见解，但仍存在一些局限性。例如，所使用的数据集并未包含原始的彩色PLY文件，而是通过模拟的方式生成了带有颜色信息的PLY文件。这种模拟方法虽然能够反映扫描设备在存储颜色数据时的典型结构，但可能无法涵盖所有可能的扫描配置。因此，未来的研究应进一步分析来自不同扫描设备的原始彩色PLY文件，以确认这些结果是否具有普遍性。

另外，本文主要关注了PLY和STL格式在存储效率和几何保真度方面的表现，但并未深入探讨其他格式如OBJ（Wavefront Object）的存储效果。OBJ格式通常以ASCII编码存储，其文件大小通常比二进制格式大，因此在实际应用中可能不太适合大规模数据存储。然而，对于某些需要高精度渲染的应用场景，OBJ格式可能具有不可替代的优势。因此，未来的研究可以考虑对更多格式进行比较分析，以全面评估不同格式在牙科数据存储中的适用性。

### 结论

综上所述，PLY格式在存储牙齿扫描数据时表现出更高的效率，同时能够保持良好的几何保真度。尽管某些转换工具在处理过程中可能会去除一些孤立顶点，但这些顶点对临床应用的影响微乎其微。因此，PLY格式可以作为牙科扫描数据的首选存储格式，尤其是在需要长期保存和高效管理的场景中。为了进一步提升数据管理的便捷性，本文提出的Plastl工具为牙科机构提供了一种无需编程即可实现格式转换的解决方案。未来的研究应继续探索不同扫描设备和软件平台之间的兼容性问题，以推动PLY格式在牙科领域的更广泛应用。