Summary
ここでは、標準的な形状を持つ3Dプリントされた金属ファントムを持つ口腔内スキャナから取得した競技アーチデジタルインプレッションの各部分の歪みの程度を測定するプロトコルを提示する。
Abstract
歯科医師が口腔内スキャナで3D画像を取得してデジタルインプレッションを作り始めて以来、デジタルワークフローは歯科修復や口腔器具の製造に積極的に使用されてきました。患者の口腔内の口腔をスキャンする性質上、口腔内スキャナは小さな光学窓を備えたハンドヘルドデバイスであり、小さなデータをステッチして画像全体を完成させます。完全アーチインプレッション手順では、インプレッションボディの変形が発生し、復元またはアプライアンスの適合性に影響を与える可能性があります。これらの歪みを測定するために、マスター標本は金属3Dプリンタで設計され、製造されました。設計された参照ジオメトリを使用すると、インプレッションごとに独立した座標系を設定でき、インプレッションの歪みを評価できる円柱上部円中心の x、y、z の変位を測定できます。 この方法の信頼性を評価するために、円柱の座標値を計算し、元のコンピュータ支援設計(CAD)データと工業用スキャナで取得した参照データとの比較を行います。2つの群の座標差はほとんど50μm未満であったが、モル上の斜めに設計された円柱のZ座標における3Dプリントの公差により偏差が高かった。ただし、印刷モデルは新しい標準を設定するため、テスト評価の結果には影響しません。リファレンススキャナの再現性は11.0±1.8μmです。この試験方法は、口腔内スキャナの本質的な問題を特定して改善したり、完全アーチデジタルインプレッションの各部分の歪みの度合いを測定してスキャン戦略を確立するために使用できます。
Introduction
従来の歯科治療プロセスでは、石膏で作られたモデル上で固定修復または取り外し可能な入れ歯が作られ、シリコーンまたは不可逆的なヒドロコロイド材料を含浸させる。間接的に作られた補綴物が口腔内に送達されるので、このような一連の製造工程1、2によって引き起こされる誤りを克服するために多くの研究がなされている。最近では、インプレッション3を作るのではなく、3D画像を取得した後に仮想空間でモデルを操作してCADプロセスを通じて補綴を作製するデジタル手法が用いられています。初期には、このような光学印象法は、1つまたは少数の歯の齲蝕治療などの限られた範囲で使用されました。しかし、3Dスキャナのベース技術が開発されるにつれて、大規模な固定修復、部分的または完全な入れ歯などの取り外し可能な修復、矯正器具などの取り外し可能な修復の製作に、完全なアーチのデジタルインプレッションが使用されるようになりました。インプラント外科ガイド4、5、6、7。デジタル印象の精度は、一方的なアーチのような短い領域で満足です。しかし、口腔内スキャナは狭い光学窓を通して得られた画像を縫い合わせることで歯列全体を完成させるハンドヘルドデバイスであるため、U字型の歯科アーチを完成させた後にモデルの歪みが見られます。従って、このモデルでなされる大きい範囲の器具は患者の口によく合わないし、多くの調節を要求するかもしれない。
口腔内スキャナで得られた仮想印象体の精度に関する様々な研究が報告されており、様々な研究モデルや測定方法があります。研究対象に応じて、実際の患者のための臨床研究8、9、10、11、12に分けることができるとインビトロ研究13、14 、15、16は、研究のために別々に生産されたモデルで行われます。臨床研究は、実際の臨床設定の状態を評価することができるという利点がありますが、変数を制御し、臨床症例の数を無期限に増やすることは困難です。所望の変数を評価できる限界があるため、臨床研究の数は大きくない。一方、変数を制御して口腔内スキャナの基本的な性能を評価するインビトロ研究の多くは17.研究モデルはまた、自然な歯の部分的または完全なアーチを含みます 18,19,20,21,22そして、すべての歯を失った完全に歯を持つ完全に歯の顎23、または歯科インプラントが一定の間隔で取り付けられ、間隔を離して間隔をあけた場合、24、25、26、27、または歯の大部分が残り、歯の一部のみである場合歯が欠落している16,28.しかし、ハンドヘルドインストラルラルスキャナによる仮想インプレッション本体の歪みに関する研究は、参照データと重ね合わせて作成されたカラーマップを通じて偏差の定性的評価に限定され、1つの数値で表現されています。データごとの値。ほとんどの研究は、非方向距離偏差を持つ歯科アーチの局所的な部分のみを調べるので、完全なアーチの3D歪みを正確に測定することは困難です。
本研究では、座標系を用いて標準モデルを用いて、オプティカルインプレッション時の歯科アーチの歪みを調べた。本研究の目的は、光学ハードウェアと処理ソフトウェアの違いにより様々な特性を示す口腔内スキャナの精度を評価する方法に関する情報を提供することである。
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Protocol
1. マスター標本の調製
-
モデルの準備
- 子宮頸部の1/5だけを残したマンディブル・コンプリート・アーチモデルの人工歯(左右のイヌ、第2プレモル、および第2の臼歯)を取り除きます。
-
CAD設計
- リファレンススキャナでマスター標本のデータを取得します。
- リバースエンジニアリングソフトウェアでトリミングされた6本の歯の上にシリンダー(上径2mm、シリンダー高さ7mm)を設計します。
- リバース エンジニアリング ソフトウェアから参照 3D 座標系を定義する目的で、3 つの参照球 (直径 3.5 mm) を左の 2 番目のモルに追加します。
- すべての円柱の座標が正の値を持たないように、左の 2 番目のモルの円柱の遠位側と口腔側の 1 つの球を配置します。
- 30°の中間に傾斜するように左の第2モルシリンダーと右の第2モルシリンダーが30°遠方に傾いられるように設計します。他の円柱をモデルから直角に設定します。
-
金属3Dプリンティング
- 患者の歯列症として機能する金属3DプリンタによるCoCr合金を用いてファントムモデルを製造する(図1)。
2. 参考データ収集およびソフトウェア分析
- テスト内スキャナでファントムをスキャンします。
- 工業レベルのモデル スキャナを使用して金属ファントム モデルをスキャンして、参照イメージを取得します。
- 参照球から点を抽出して座標系を確立します。
- 参照イメージをリバース エンジニアリング解析ソフトウェアにロードして、各シリンダ位置の参照座標を計算します。
- [Ref.ジオメトリ] を選択して球を抽出する |作成|スフィア|境界点コマンドを選択し、互いに離れている参照球のサーフェス上の 4 つの点を選択します (補足図 1および補足図2)。
- 3 つの参照球の中心を計算します。
- Ref. ジオメトリを使用する |作成|飛行機|ポイントを選択して、3 つの球の中心を接続し、平面を作成します (補足図3)。
- 形成された平面をXY 平面として設定します。
- [選択] ジオメトリを選択する |作成|飛行機|オフセット平面コマンドを使用して、xy平面の上に正接面を作成します(補足図4)。
- Ref. ジオメトリを選択して、接線平面と 2 つの言語球が接するポイントを作成する |作成|ポイント|参照平面コマンドのプロジェクト(補足図5)
- Ref. ジオメトリを使用して、作成された点と 2 つの言語球の中心の間に平面を生成する |作成|飛行機|ピックポイントコマンド(補足図6)。
- 検査でこの平面から球体の中心までの距離を測定する |ディメンション|線形コマンド (補足図7)
- ジオメトリを使用して球体球の中点を通過する平行平面を作成する |作成|飛行機|オフセット平面コマンド (補足図8)
- 形成された平面をYZ 平面として設定します (補足図9)。
- x軸、y 軸、および z軸を設定します。
- 球体の中心を座標系の「原点」として設定します。
- 残りの 2 つの球の中心点を結ぶ線に平行な線を設定し、モデルの前後方向をY 軸として中心方向に移動します。
- 原点を通過し、Y 軸に対してX 軸として垂直であるxy平面上の線を設定します。
- Ref. ジオメトリを使用する |作成|座標|原点&X、Y 方向コマンドを選択して、buccal 球の中心を原点として新しい座標系を作成します (補足図10)。
- xy平面に垂直な線を設定し、原点をZ 軸として通過します (補足図11)。
- この詳細をスキャン座標系から新しく確立された座標系に転送します。
- Ref. ジオメトリを使用する |シェル コマンドにバインドして、このプロセス中に作成されたジオメトリをスキャン データの上に固定します (補足図12)。
- Ref. ジオメトリの実行 |変換|座標|座標コマンドを基本座標系から新しく作成した座標系に転送するように整列します (補足図13)。
- このようにして、3つの参照球を参照して金属マスター標本に座標系を割り当てます(補足図14)。
- メインエリアのシリンダーから測定点を抽出します。
- リバースエンジニアリング プロセスによって指定された領域の歪みを分析する 6 つの円柱の上円中心の x、y、およびz座標を抽出します。
- このためには、Ref. ジオメトリを使用します。作成|シリンダー |境界点コマンドを選択し、円柱の上の境界線上に少なくとも 10 ポイントを指定し、円柱の下部の歯に合う楕円上の同じ量のポイントを指定します (補足図 15,補足図)16、および補足図17)。
- 円柱上部中央の抽出された座標を取得します。評価する経口スキャナで取得したデジタルインプレッションの同じ円柱の座標値と比較して、各位置の3D変形を評価します。
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Representative Results
最初に設計されたCADデータから計算された各シリンダの座標と、工業レベルのモデルスキャナによってスキャンされた3Dプリント金属マスター標本の基準スキャン画像を表1に示します。両者の差は50μm未満であったが、3Dプリントマスター標本からの右第2モル円筒のZ座標値は低かった。金属ファントムはハイエンドの産業用3Dプリンターから製造されましたが、1つのシリンダーの高さにわずかな違いが見つかりました。設計はCADソフトウェアで行われましたが、金属ファントムは様々な試験内スキャナでスキャンされたリファレンスとして使用され、その違いはごくわずかでした。別のエバリュエーターが同じ共有データから新しいファントムを作成し、同じプロセスを実行する場合、ファントムを産業レベルの参照スキャナで再度スキャンして参照座標を取得し、その後のプロセスを進める必要があります。表2は、工業用スキャナで5回スキャンしたマスター標本の座標を示す。標準偏差から評価すると、平均偏差は45μmであり、右第2モル円柱のy座標値に大きな偏差を示した。参照スキャナの精度は、ポイント 0 と 6 シリンダーの参照座標を抽出するのに十分であると結論付けることができる。
リファレンススキャナの再現性の評価は、リファレンススキャナでスキャンした金属マスター標本の5つのデータセット間の重なり比較を行った。合計10組を揃え、評価した。各対の偏差により、0.011 ± 0.002 mm (表3) の再現性が得られた。リファレンススキャナの再現性は異なり、両方の方法の結果が信頼でき、後者は省略できると結論付けました。
図1:歪み評価のためのファントムモデルの設計と製造プロセス。(A) もともと設計された CAD データ。(B)CoCr合金製の3Dプリントマスター標本。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 1: 球体ピッキング ポイントを抽出します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 2: 参照球のサーフェス上のピッキング ポイント。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 3: 3 つの球の中心を選択して XY 平面を作成します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 4: オフセット平面の作成、XY 平面の上の球の半分の直径。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 5: オフセット平面と 2 つの言語球が接する点の作成。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 6: 4 つの点を選択して、言語球の両方の中心を通過する平面の作成。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 7: この平面から球体の中心までの距離の測定。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 8: 球体球の中心を通過する平行平面の作成。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図9:形成された平面をYZ平面として設定する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 10: 球球の中心を原点として新しい座標系を作成する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 11: XY 平面に垂直な線の設定と、Z 軸として球球の中心を通過する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 12: 作成されたジオメトリをスキャン データに固定する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 13: 基本座標系を新しく作成した座標系に転送する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 14: 原点と座標系がスキャン データから抽出されたものに正しく移動されているかどうかを確認します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 15: を使用して、境界点コマンドを選択して円柱を抽出します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 16: 円柱の周りの上円と下部の楕円上に十分な点をピッキングします。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図 17: 抽出された円柱が正しくリバースエンジニアリングされたかどうかを確認する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| Cad | 3D プリント | 違い | ||
| データ | 金属マスター標本 | |||
| 37i | X | 7.897件 | 7.875件 | 0.022 |
| Y | 6.418件 | 6.373 | 0.045 | |
| Z | 7.312 | 7.265の | 0.047 | |
| 35i | X | 8.481件 | 8.427件 | 0.054年 |
| Y | 26.045の | 25.99年 | 0.055 | |
| Z | 7.846件 | 7.846件 | 0 | |
| 33i | X | 11.889円 | 11.85円 | 0.04 |
| Y | 40.16歳 | 40.106 | 0.054年 | |
| Z | 8.346件 | 8.409件 | -0.063から | |
| 43i | X | 37.246の | 37.196の | 0.051年 |
| Y | 45.738円 | 45.686円 | 0.052年 | |
| Z | 9.445件 | 9.5年 | -0.055 | |
| 45i | X | 47.21歳 | 47.178円 | 0.032 |
| Y | 35.115 | 35.081円 | 0.034年 | |
| Z | 8.707 | 8.708 | -0.001 | |
| 47i | X | 56.397の | 56.386円 | 0.011年 |
| Y | 13.038円 | 13.041 | -0.002 | |
| Z | 7.558件 | 7.451の | 0.107 |
表 1:CAD データと 3D プリントメタル マスタ標本間の円柱の座標の違い。単位:ミリメートル。
| レファ( 1) | レファ2 | レファ( 3) | レファト 4 | レファト 5 | 平均 ± SD | ||
| 37i | X | 7.856件 | 7.874件 | 7.871件 | 7.89件 | 7.885件 | 7.875 ± 0.013 |
| Y | 6.406 | 6.375 | 6.358件 | 6.356 | 6.368件 | 6.373 ± 0.020 | |
| Z | 7.259件 | 7.274の | 7.269件 | 7.265の | 7.258件 | 7.265 ± 0.007 | |
| 35i | X | 8.435件 | 8.379件 | 8.393件 | 8.471件 | 8.46件 | 8.427 ± 0.040 |
| Y | 26.032の | 25.98円 | 25.996の | 25.962の | 25.979の | 25.990 ± 0.026 | |
| Z | 7.838件 | 7.883件 | 7.837件 | 7.858件 | 7.816件 | 7.846 ± 0.025 | |
| 33i | X | 11.839円 | 11.779ドル | 11.794年 | 11.925年 | 11.91年 | 11.850 ± 0.066 |
| Y | 40.129台 | 40.085円 | 40.112 | 40.097の | 40.106 | 40.106 ± 0.017 | |
| Z | 8.372件 | 8.485件 | 8.391件 | 8.414件 | 8.381件 | 8.409 ± 0.046 | |
| 43i | X | 37.177 | 37.115の | 37.155の | 37.269の | 37.262 | 37.196 ± 0.068 |
| Y | 45.711の | 45.723の | 45.725の | 45.622の | 45.65年 | 45.686 ± 0.047 | |
| Z | 9.437件 | 9.568件 | 9.541件 | 9.498件 | 9.457件 | 9.500 ± 0.055 | |
| 45i | X | 47.15日 | 47.123の | 47.142 | 47.246の | 47.23歳 | 47.178 ± 0.056 |
| Y | 35.109台 | 35.148円 | 35.135の | 34.988円 | 35.025 | 35.081 ± 0.071 | |
| Z | 8.609件 | 8.785件 | 8.728件 | 8.738件 | 8.681件 | 8.708 ± 0.067 | |
| 47i | X | 56.369の | 56.373の | 56.371の | 56.409の | 56.407の | 56.386 ± 0.020 |
| Y | 13.085円 | 13.122 | 13.114年 | 12.923年 | 12.959年 | 13.041 ± 0.093 | |
| Z | 7.349件 | 7.445の | 7.457の | 7.527の | 7.478件 | 7.451 ± 0.065 |
表 2:3D プリントメタル マスター 標本から取得した参照データセットの円柱の座標。ユニット: m.
| 精度 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10歳 | 平均 ± SD |
| リファレンススキャナ | 8.3年 | 12.4年 | 9.5年 | 13.2年 | 11.7年 | 8 | 12.1年 | 10.7年 | 12.1年 | 11.8年 | 11.0 ± 1.8 |
表 3:参照スキャナから取得したデータセットの精度。単位: μm.
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Discussion
得られたデジタルインプレッション本体を評価して口腔内スキャナの精度を評価する研究の中で、最も一般的な方法は、参照画像にデジタルインプレッションデータを重ね合わせ、シェルからシェルへの偏差を計算することです 12 ,13,14,15,20,23.ただし、この方法は、対になったデータからの偏差値の計算またはカラー マップを通じて分布を定性的に評価することに限定されます。カラーマップ上で解析する点を選択して局所部位の偏差を測定した研究では、x、y、z方向の偏差は29とは見なされなかった。 さらに、これらのメソッドには、参照データと重複した後に分析する必要があるという制限があります。位置合わせはデータ ポイントによって異なり、結果は並べ替え条件によって異なります。患者を含む臨床試験では、口腔外に位置する工業用スキャナで口から完全な歯科アーチをスキャンすることができないため、これらの方法を適用することは困難です。
本研究では、温度や湿度の影響を受けにくい金属から作られたマスター標本を提案した。特定の3Dプリント金属標本の座標系を設定し、6本の円柱の位置座標を事前に計算した。このように、口腔内スキャナに関係なく、個々の座標系は、スキャンデータの参照球を通じて各デジタルインプレッションから形成され、参照画像なしでスキャンされたデータのみで分析を行うことができました。重畳。高精度産業用リファレンススキャナで得られた基準画像は、金属マスター標本が最初に製造されたときに6本のシリンダーの座標値を取得するためにのみ使用されました。参照と口腔内スキャンデータの比較評価は、座標値を用いて単純な算術計算によって行われました。また、円柱座標のx、y、zの偏差は正と負の値で表されたため、各領域に対して3D位置変化が示された。 従って、本研究で用いられる方法は、ハンドヘルド装置、オーラルスキャナのデータ歪みを評価するのに適している。x、y、z 方向の円柱座標の偏差が正と負の値で表示されたため、各位置の 3D 位置の変化が明らかになります。 従って、本研究で用いられる方法は、ハンドヘルド内腔スキャナで取得したデジタルインプレッションデータの歪みを評価するのに適している。
元のCADデータから計算された各円柱の座標値と金属マスター標本の基準画像のほとんどは、50 μm未満の値を示しました。これは、金属3Dプリンター特有の性能に関連しています。3D印刷後のマスター標本は、標準的なCADデータを使用するのではなく、新しいリファレンスとして使用されるため、これらの3Dプリンタの限界を考慮する必要はありません。マスター標本の変化は右第2臼のz座標で大きかった。シリンダーが遠く傾き、歯の上に露出したシリンダーの長さが短いため、リバースエンジニアリングプロセスに不利でした。また、本研究では金属印刷を行った際に、この歯の円柱の上円が3Dプリンターのxy平面に傾斜した。xy精度とz精度を別々に表現する3Dプリンターの特性も反映されたようです。将来の研究では、傾斜せずにすべてのシリンダーを設計し、使用することは良い代替手段となりうる。
金属3Dプリンタでマスター標本を製造する場合にコストの問題がある場合は、石膏または樹脂で作ることができます。新しい座標系が設定され、6本のシリンダーの座標が標本製造後に計算されたので、製造プロセス中の材料の膨張と収縮によって引き起こされる可能性のある寸法変化は影響を与えません。最終結果。しかし、このような試料を長期間使用すると、湿気や温度によりわずかな体積変化が生じ、破損や摩耗により変形するおそれがある場合があります。したがって、参照スキャナを使用して円柱座標値を定期的に計算するには、キャリブレーション手順が必要です。また、工業用基準スキャナを使用する代わりに、座標測定機(CMM)を使用してマスター標本の基準座標を測定することができる。この場合、シリンダーの座標を通じた偏差検査に加えて、複雑な歯の表面を評価する目的で、参照データと重ね合わせ調査を行うことをお勧めします。
この方法の限界は、評価するデジタルインプレッションの数が増えると、リバースエンジニアリング分析に必要な時間が長くなることである。しかし、最近導入された3D画像解析ソフトウェアは、マクロ機能による検査自動化を可能にします。マスター標本のグローバル形状は同じであるため、取得したデジタルインプレッションの座標系設定や円柱座標計算を自動化することで解析時間を短縮することができる。
完全アーチデジタルインプレッションの各部分の歪みの度合いを数値として測定することで、その性能を評価する口腔内スキャナの固有の問題を見つけて改善するために使用することができます。口腔内スキャナは、投影ランプ、レンズ、レンズバレル、カメラ等からなる複雑な光学デバイスであるため、ハードウェアの考慮要因が大きい。また、取得した3Dデータを毎秒30フレーム以上でリアルタイムにステッチできるソフトウェアアルゴリズムも重要です19.金属マスター検体の再発パターンと口腔内スキャナの考慮要因との関係を理解することにより、口腔内スキャナの性能を評価し、改善することができる。画像取得の方向と順序によって決定されるスキャン戦略は、デジタルインプレッション30を取得するための重要な要素でもあります。この方法を使用して、変形を最小限に抑える戦略を確立できます。
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Disclosures
著者は何も開示していない。
Acknowledgments
本研究は、厚生労働省の助成を受けた韓国保健技術研究開発機構(KHIDI)の助成を受け、支援を受けた。.I.C0435。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| EOS CobaltChrome SP2 | Electro Oprical Systems | H051601 | Powder type metal alloy for 3D printing |
| Geomagic Verify | 3D Systems | 2015.2.0 | 3D inspection software |
| Prosthetic Restoration Jaw Model | Nissin Dental Products Inc. | Mandibular complete-arch model | |
| Rapidform | Inus technology | RF90600-10004-010000 | Reverse engineering software |
| stereoSCAN R8 | AICON 3D Systems GmbH | Industrial-level model scanner |
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