Comparative evaluation of the accuracy of the dental arch display using modern intraoral three-dimensional scanners

Irina D. Borodina; Бородина Ирина Денисовна; Leon S. Grigoryants; Григорьянц Леон Сергеевич; Magammed A. Gadzhiev; Гаджиев Магаммед Азер оглы; Svetlana S. Apresyan; Апресян Светлана Сергеевна; Roman V. Batov; Батов Роман Владимирович; Alexander G. Stepanov; Степанов Александр Геннадьевич; Samvel V. Apresyan; Апресян Самвел Владиславович

doi:10.17816/1728-2802-2022-26-4-287-297

Сравнительная оценка точности отображения зубной дуги при помощи современных интраоральных 3D-сканеров

Авторы: Бородина И.Д.¹, Григорьянц Л.С.¹, Гаджиев М.А.¹, Апресян С.С.¹, Батов Р.В.¹, Степанов А.Г.¹, Апресян С.В.¹
Учреждения:
1. Российский университет дружбы народов
Выпуск: Том 26, № 4 (2022)
Страницы: 287-297
Раздел: Экспериментально-теоретические исследования
Статья получена: 26.07.2022
Статья одобрена: 27.07.2022
Статья опубликована: 29.09.2022
URL: https://rjdentistry.com/1728-2802/article/view/109492
DOI: https://doi.org/10.17816/1728-2802-2022-26-4-287-297
ID: 109492

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Актуальность. Использование стоматологических интраоральных 3D-сканеров сегодня является ежедневным рутиным механизмом работы современного врача-стоматолога. Получение оптического 3D-изображения зубов и зубных рядов позволяет не только избежать возможности возникновения погрешностей на этапе получения традиционных силиконовых оттисков, но и в значительной степени снизить уровень дискомфорта, который возникает у пациентов во время стоматологического приема. Сегодня на рынке представлено большое количество систем внутриротовых сканеров. Несмотря на большое количество преимуществ их использования взамен традиционных силиконовых оттисков, открытым остается вопрос о точности получаемых оптических слепков при тотальном и субтотальном протезировании на верхней и нижней челюсти.

Цель — оценить в эксперименте точность сканирования моделей зубных рядов пациента при использовании внутриротовых сканеров и определить доступные на сегодняшний день модели цифровых приборов, оптимальные по соотношению цены и качества работы.

Материал и методы. Эталонным сканом (мастер-моделью) в исследовании являлось полученное с помощью лабораторного сканера оптическое изображение изготовленной методом аддитивной технологии 3D-печати референсной модели верхней челюсти пациента с полным зубным рядом. Полученная модель для нивелирования погрешностей усадки фотополимеризационных материалов была отсканирована в тот же день с использованием выбранных для исследования внутриротовых сканеров. Полученные результаты сканирования сравнивались с эталонным сканом контрольной группы. По результатам произведенных замеров в референсных точках для каждого сканера высчитывали среднее значение погрешности относительно мастер-модели и его прецизионность. В дополнение к средним величинам высчитывались параметры погрешности сканеров во фронтальном и жевательном отделе, а также погрешность по дуге, которая была равна разности значений расхождения в референсных точках, в которых было получено максимальное и минимальное значение. Также учитывалась стоимость сканеров и их доступность на отечественном рынке в условиях санкционной политики зарубежных стран.

Результаты. Наилучшую точность по результатам исследования расхождений моделей показал сканер CEREC Primescan AC: величина его средней погрешности составила 13,72±7,34. Погрешность по дуге оказалась равной 18,8 мкм, расхождение во фронтальной области составило 18 мкм, а в жевательной — 6,8 мкм. Наиболее близким по точности оказался сканер 3Shape Trios 3, средняя погрешность которого составила 16,28±5,94 мкм. Величина погрешности внутриротового сканера Aoralscan 3 составила 42,08±18,34 мкм, в то время как точность по дуге — 65 мкм, расхождение во фронтальной области составило 33 мкм, а в жевательной — 55,1 мкм. Сканер Emerald S mode C имел среднюю погрешность 35,84±22,29 мкм, что было выше, чем у Medit i500 и Aoralscan 3, однако по параметру прецизионности Aoralscan 3 оказался лучше (18,34 против 22,29 мкм). По результатам сопоставления моделей в программе MeshLab наименьшую медиану расстояний (18 мкм) показал CEREC Primescan AC. Модели TRIOS 3 и Emerald S mode C отличались от эталона в среднем на 29 мкм. Сканеры Aoralscan 3 показали результат в 33 мкм, а Medit i500 — в 41 мкм.

Заключение. Прецизионность работы сканера Aoralscan 3, которая является наилучшей среди аналогов в одной ценовой категории, дает основание считать данный сканер наиболее доступным для работы в условиях стоматологического хирургического, ортодонтического и ортопедического приема. Из премиальных сканеров, участвующих в исследованиях и доступных на сегодняшний день на стоматологическом рынке, лидером является CEREC Primescan AC.

Ключевые слова

внутриротовые сканеры, цифровые стоматологические технологии, объемная печать, точность сканирования

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие цифровых технологий дает возможность повысить качество работы врачей-стоматологов, снизить себестоимость изготавливаемых конструкций и уменьшить время, необходимое для лечения пациентов [1–4]. С каждым годом появляется большое количество новых моделей интраоральных сканеров, а производители имеющихся не стоят на месте, постоянно обновляя программное обеспечение и выпуская более эргономичные модели, позволяющие снизить время получения цифровых моделей и увеличить их качество [5–7]. Проведенных научных исследований, изучающих точность получаемых с помощью интраоральных сканеров 3D-объектов, относительно темпа развития данной области недостаточно [8–11]. Большинство имеющихся статей по данной тематике приводят аналитику, подтверждающую низкую точность цифровых слепков всего зубного ряда [12–15].

Принцип работы внутриротовых сканеров заключается в проецировании света на сканируемый объект, принятии и обработке отраженных лучей и передаче информации на компьютер для получения 3D-изображения, где специальное программное обеспечение обрабатывает облака треугольников и воссоздает объемное изображение объекта (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение принципа работы внутриротового сканера.

Выделяют внутриротовые и лабораторные сканеры. Рабочая поверхность камеры внутриротового сканера напрямую влияет на область его работы и составляет не более 20 мм. У лабораторных сканеров поверхность сенсора занимает около 60–80 мм, что дает возможность более быстрого и качественного получения объемного изображения, что особенно важно в случаях полного тотального протезирования. Для получения объемного изображения объекта на лабораторном сканере модель закреплена в фиксаторе и располагается на одном расстоянии от лазера, что увеличивает качество оптического слепка в сравнении с работой внутриротового сканера, где точность получения цифрового оттиска может зависеть от навыков оператора и соблюдения протокола сканирования [16].

При выборе внутриротового сканера, помимо точности получаемого изображения, необходимо учитывать ряд других факторов. Также основополагающими критериями, которыми нужно руководствоваться при выборе внутриротового сканера, должны быть его производительные характеристики: скорость, объем захвата изображения, интеллектуальная обработка данных [17].

Скорость захвата изображения — это быстрота эффективного перемещения сканера в полости рта, при котором построение общего изображения не прерывается. Это важный показатель, позволяющий экономить время стоматологического приема и, главное, ограничить время пребывания во рту, что причиняет определенный дискомфорт пациенту.

Показатель объема захваченного изображения характеризует количество полезной информации, полученной при однократном проведении сканера по объекту. Данный показатель, как уже отмечалось выше, зависит от размера рабочей поверхности камеры и расположения сенсора и, безусловно, ниже у внутриротовых сканеров по сравнению с лабораторными [18].

И наконец, важная и постоянно обновляемая производителями характеристика — качество интеллектуальной обработки данных, зависящее от программного обеспечение CAD/CAM-системы. При внутриротовом сканировании, помимо важных для последующей работы элементов, в поле фиксации камеры попадают ткани протезного поля — язык, щеки, ретракторы, стоматологическое зеркало. Возможность отсечения ненужных объектов при формировании окончательного изображения и точное сопоставление элементов сканируемой поверхности характеризуют качество программного обеспечения.

Условием, влияющим на точность сканирования зубной дуги, является соблюдение техники сканирования.

Существуют дополнительные опции внутриротовых сканеров, выделяемые рядом авторов как решающие в выборе системы. К данным опциям относятся прежде всего стоимость самой системы и технической поддержки программного обеспечения, наличие провода, соединяющего сканер с компьютером, сенсорного или тактильного управления, использование антибликового порошка при сканировании или других дополнительных аксессуаров [12, 14].

Обобщая все необходимые характеристики, были выработаны следующие критерии сравнения CAD/CAM-систем [19]:

1) скорость сканирования: большинством современных сканеров можно выполнить полноцветное сканирование всей дуги в течение 1 мин;

2) качество сканирования: определяет качество захвата поверхности и формы в процессе сканирования, непрерывность скана, скорость распознавания места остановки после возобновления прерванной работы, а также качество сшивки скана и самого полученного файла;

3) размер сканера: основан не только на размере головки, но и на общем размере и массе сканера;

4) простота использования: критерий показывает удобство оборудования, плавность сканирования, возможности программного обеспечения, обработки изображения и организации рабочего процесса;

5) цена / инвестиционная стоимость: относительно самой дешевой и самой дорогой модели в обзоре;

6) наличие платного обслуживания: наличие платных или бесплатных сервисов обновления программного обеспечения, технического обслуживания, техподдержки;

7) сенсорный экран: органы управления на самом сканере;

8) беспроводной сканер: возможность беспроводной работы, как правило, с подключением по Bluetooth или Wi-Fi;

9) обнаружение кариеса: наличие функции обнаружения кариеса, например, трансиллюминации или флуоресценции;

10) интеграция с системой автоматизированного проектирования (CAD): наличие в программном обеспечении функций системы автоматизированного проектирования.

Сегодня на рынке представлено большое количество систем внутриротовых сканеров. Несмотря на большое количество преимуществ их использования взамен традиционных силиконовых оттисков, открытым остается вопрос о точности получаемых оптических слепков при тотальном и субтотальном протезировании на верхней и нижней челюсти [15, 17, 18].

Цель исследования — оценить в эксперименте точность сканирования моделей зубных рядов пациента при использовании внутриротовых сканеров и определить доступные на сегодняшний день модели цифровых приборов, оптимальные по показателю соотношения цены и качества работы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В качестве референса нами была изготовлена модель верхней челюсти пациента с полным зубным рядом методом аддитивной технологии SLA (стереолитографии) на 3D-принтере Formlabs Form 3B (Formlabs, США) из материала Dental Model Resin V2 (Formlabs, США). Полученная модель прошла постобработку изопропанолом в специальной станции Form Wash (Formlabs, США) с последующей окончательной фотополимеризацией в камере Form Cure (Formlabs, США). Указанные манипуляции были выполнены согласно инструкции производителя конструкционного материала (рис. 2).

Рис. 2. Модель верхней челюсти, напечатанная на 3D-принтере Formlabs (США).

Полученная модель для нивелирования погрешностей усадки фотополимеризационных материалов была отсканирована в тот же день с использованием выбранных для исследования 5 внутриротовых сканеров.

Всего было получено по 5 цифровых моделей каждым сканером. После каждого сканирования производилась калибровка. Полученные сканы модели сравнивались с эталоном (мастер-моделью), которым являлось оптическое изображение референсной модели (рис. 3), полученное с помощью лабораторного сканера ZirconZahn S300 (ZirconZahn, Италия).

Рис. 3. Эталонная цифровая модель, полученная на лабораторном сканере.

В проведенном исследовании использовались наиболее часто применяемые на сегодняшний день в стоматологической практике сканеры Medit i500 (Medit, Южная Корея), CEREC Primescan AC (Dentsply Sirona, США), TRIOS 3 (3Shape, Дания), Aoralscan 3 (Shining 3D, Китай), Emerald S mode C (Planmeca, Финляндия), схожие по своей производительности, затрачиваемому на сканирование зубного ряда времени, точности сшивки изображения и дополнительным функциям. Однако стоимость данных аппаратов различна. Средняя стоимость указанных сканеров на момент проведения исследования в рублях составляла: Primescan AC (Dentsply Sirona, США) — 3 250 000–3 502 000; Planmeca Emerald S (Planmeca, Финляндия) — 1 759 990–1 799 010; 3Shape (3Shape, Дания) — 1 499 000–1 700 000; Medit i500 (Medit, Южная Корея) — 821 572–869 000; Aoralscan 3 (Shining 3D, Китай) — 800 000–839 000.

Точность внутриротовых слепков, полученных с помощью указанных сканеров, определялась при помощи измерительных инструментов программы Exoсad. Каждое полученное объемное изображение экспортировалось из программного обеспечения сканера в формате STL-файла, после чего импортировалось в программу для моделирования стоматологических конструкций Exocad, где сопоставлялось с мастер-моделью через модуль «Эксперт» и функцию «Добавить 3D-объект».

Два STL-файла сопоставлялись путем поочередного расположения 5 точек на моделях: в середине цервикальной линии вторых моляров справа и слева, по центру цервикальной линии клыков с правой и левой стороны, а также у режущего края центральных резцов у медиальных апроксимальных контактов (рис. 4).

Рис. 4. Сопоставление двух моделей в программе Exoсad.

В каждом случае производился расчет отклонений между каждой точкой на мастер-модели и моделью, отсканированной интраоральным сканером (рис. 5).

Рис. 5. Вид наложенных моделей после активации функции «Сопоставить точно».

После сопоставления двух объемных изображений программа окрашивала модели в различные цвета, соответствующие величине расхождения: 10 мкм — в синий цвет, 11–22 мкм — голубой, 23–52 — зеленый, 53–62 — желтый, 63–80 — оранжевый. Далее расхождение до 100 мкм отображается красным цветом, при большем расстоянии область становится розового цвета (рис. 6).

Рис. 6. Шкала визуализации цвета сопоставления двух объемных изображений.

Для определения точного значения величины расхождения двух моделей в указанных точках производилось измерение расстояния между вестибулярными поверхностями моделей в перпендикулярном разрезе (рис. 7). Для каждой референсной точки высчитывали среднее значение на основании 5 измерений.

Рис. 7. Измерение значения величины расхождения моделей в референсной точке в перпендикулярном разрезе.

Помимо измерений в референсных точках, осуществили совмещение полученных объемных изображений в программе MeshLab. Алгоритм работы программы состоит в рандомизированном выборе большого количества точек на объемных изображениях, равного числу вершин одного из объемных изображений. Для каждой точки одной модели вычисляются точки другого цифрового оттиска для нахождения наиболее близкой, которая отмечается и запоминается программой. Среди всех запомненных расстояний автоматически высчитывается медиана расстояний. Данная величина позволяет оценить объемную точность трехмерных моделей, при этом она не характеризует прецизионность и величину погрешности сканирования в различных участках модели [20].

После импорта STL-файлов мастер-модели и интраорального скана в программу использовали функцию «Выравнивание», аналогичным способом поочередно отмечали 5 точек: на цервикальной области вторых моляров правой и левой стороны, в центре цервикальной линии клыков справа и слева и в центре резцового сосочка (рис. 8).

Рис. 8. Меню сопоставления двух объемных изображений.

Программа автоматически объединяла два цифровых изображения (рис. 9) и выводила значение медианы расстояний (рис. 10).

Рис. 9. Пример сопоставления цифровых слепков в программе MeshLab.

Рис. 10. Меню программы после нахождения медианы расстояний.

РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам произведенных замеров в референсных точках для каждого сканера высчитывали среднее значение погрешности относительно мастер-модели и его прецизионность (табл. 1).

Таблица 1. Погрешность внутриротовых сканеров относительно мастер-модели по данным измерений в программе Exocad

Table 1. The error of intraoral scanners relative to the master model according to measurements in the Exocad program

Название сканера	Точка 1 (1.7), мкм	Точка 2 (1.3), мкм	Точка 3 (1.1, 2.1), мкм	Точка 4. (2.3), мкм	Точка 5 (2.7), мкм	Среднее значение (средняя погрешность±прецизионность), мкм
Medit i500	70,6	92,4	16,4	13,8	62,4	51,12±28,82
CEREC Primescan AC	8,8	9,2	22,2	23,6	4,8	13,72±7,34
TRIOS 3	16,8	10,4	12,4	30,6	11,2	16,28±5,94
Aoralscan 3	87,4	42,6	35,2	22,4	22,8	42,08±18,34
Emerald S mode C	25,2	14,2	62,2	12,4	65,2	35,84±22,29

В дополнение к средним величинам высчитывались параметры погрешности сканеров во фронтальном и жевательном отделе, а также погрешность по дуге, которая была равна разности значений расхождения в референсных точках, в которых было получено максимальное и минимальное значение (табл. 2). Данная величина позволяет оценить величину максимально возможного расхождения в пределах одной модели, что является важным при планировании протяженных ортопедических конструкций.

Таблица 2. Погрешность внутриротовых сканеров по дуге, во фронтальном и в жевательном отделе зубного ряда

Table 2. The error of intraoral scanners along the arc, in the frontal and in the chewing part of the dentition

Название сканера	Погрешность по дуге (макс. значение — мин. значение), мкм	Погрешность во фронтальном отделе, мкм	Погрешность в жевательном отделе, мкм
Medit i500	78,6	41	66,5
CEREC PrimeScan AC	18,8	18	6,8
TRIOS 3	20,2	18	14
Aoralscan 3	65	33	55,1
Emerald S mode C	52,8	30	45,2

Наилучшую точность по результатам исследования расхождений моделей, полученных при внутриротовом сканировании, в сравнении с мастер-моделью в референсных точках в программе Exocad показал сканер CEREC Primescan AC: величина его средней погрешности составила 13,72±7,34. Погрешность по дуге оказалась равной 18,8 мкм, расхождение во фронтальной области составило 18 мкм, а в жевательной — 6,8 мкм. Наиболее близким по точности оказался сканер 3Shape Trios 3, средняя погрешность которого составила 16,28±5,94 мкм. Величина погрешности внутриротового сканера Aoralscan 3 составила 42,08±18,34 мкм, в то время как точность по дуге — 65 мкм, расхождение во фронтальной области составило 33 мкм, а в жевательной — 55,1 мкм. Emerald S mode C имел среднюю погрешность 35,84±22,29 мкм, что было выше, чем у Medit i500 и Aoralscan 3, однако по параметру прецизионности Aoralscan 3 оказался лучше (18,34 против 22,29 мкм). Точность Emerald S mode C по дуге равнялась 52,8, во фронтальном и в жевательном отделе — 30 и 45,2 мкм соответственно. Среди всех наименее точным по совокупности параметров оказался Medit i500: среднее значение погрешности определялось в пределах 51,12±28,82, что было ниже, чем у аналогов, как и точность по дуге, которая составила 78,6 мкм, при этом значения во фронтальном отделе — 41 мкм, в жевательном — 66,5 мкм.

По результатам сопоставления моделей в программе MeshLab наименьшую медиану расстояний (18 мкм) показал CEREC Primescan AC. Модели TRIOS 3 и Emerald S mode C отличались от эталона в среднем на 29 мкм. Сканеры Aoralscan 3 показали результат в 33 мкм, а Medit i500 — в 41 мкм (табл. 3).

Таблица 3. Значения медианы расстояний по данным сопоставления моделей в программе MeshLab

Table 3. Median distance values according to model comparison data in the MeshLab program

Название сканера	Медиана расстояний, мкм
Medit i500	41
CEREC Primescan	18
TRIOS 3	29
Aoralscan 3	33
Emerald S mode C	29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на различия в точности, достигнутые на данном этапе времени возможности получения 3D-моделей челюстей, постоянная модификация имеющихся технологий и программных обеспечений позволяют получать цифровые оттиски полной зубной дуги с точностью, достаточной для клинического применения.

В результате анализа полученных данных для преимущественного использования зарекомендовал себя внутриротовой сканер с минимальной среди аналогов погрешностью по дуге CEREC Primescan AC (Dentsply Sirona, США), показавший лучшую объемную точность и наименьшую величину средней погрешности.

Однако следует отметить, что на сегодняшний день в условиях санкций ряда зарубежных стран на территории Российской Федерации приостановлены продажи и техническая поддержка ряда интраоральных сканеров, тогда как продажи и обслуживание сканеров бюджетного сегмента [Medit i500 (Medit, Южная Корея) и Aoralscan 3 (Shining 3D, Китай)] продолжаются.

Прецизионность работы сканера Aoralscan 3, которая является наилучшей среди аналогов в ценовой категории, дает основание считать данный сканер наиболее доступным для работы в условиях стоматологического хирургического, ортодонтического и ортопедического приема. Из премиальных сканеров, участвующих в исследованиях и доступных на сегодняшний день на стоматологическом рынке, лидером является CEREC Primescan AC.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ / ADDITIONAL INFO

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Наибольший вклад распределен следующим образом: И.Д. Бородина — сбор и формальный анализ данных, подготовка публикации; Л.С. Григорьянц — сбор данных, подготовка публикации; М.А. Гаджиев — сбор данных, подготовка публикации; С.С. Апресян — формальный анализ данных, подготовка публикации; Р.В. Батов — сбор данных, подготовка публикации; А.Г. Степанов — разработка методологии, валидация и формальный анализ данных, рецензирование и правка публикации; С.В. Апресян — концептуализация, дизайн и курирование исследования, рецензирование и правка публикации.

Author contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. I.D. Borodina — data collection and formal analysis, publication preparation; L.S. Grigoryants — data collection, publication preparation; S.S. Apresyan — formal data analysis, publication preparation; R.V. Batov — data collection, publication preparation; A.G. Stepanov — methodology development, validation and formal data analysis, reviewing and editing publications; S.V. Apresyan — conceptualization, design and supervision of research, reviewing and editing of publications.