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Engineering

测量光学牙科印象的完整拱形失真

Published: May 30, 2019 doi: 10.3791/59261
Automatic Translation
1, 1
1Department of Prosthodontics, College of Dentistry, Yonsei University

Summary

在这里,我们提出一个协议,用于测量从带有标准几何形状的 3D 打印金属幻象的口腔内扫描仪获得的竞争拱形数字印象的每个部分的失真程度。

Abstract

自从牙医开始通过使用口腔内扫描仪获取 3D 图像来制作数字图像以来,数字工作流程一直积极用于制作牙科修复或口腔器具。由于扫描患者口腔内口腔的性质,口腔内扫描仪是一种手持设备,带有一个小光学窗口,将小数据拼接在一起,完成整个图像。在完整的印记过程中,印象体可能发生变形,并影响修复或装置的配合。为了测量这些变形,使用金属 3D 打印机设计和生产了主试样。设计的参考几何体允许为每个印图设置独立的坐标系,并测量圆柱顶圆中心的 x、y 和z位移,并评估印图的变形。 为了评价该方法的可靠性,计算了圆柱体的坐标值,比较了原始计算机辅助设计(CAD)数据与工业扫描仪获取的参考数据。两组之间的坐标差大多小于50μm,但由于3D打印在摩尔上倾斜设计的圆柱体的z坐标中的公差,偏差很高。但是,由于打印模型设置了新标准,因此不会影响测试评估的结果。参考扫描仪的可重复性为11.0~1.8 μm。此测试方法可用于识别和改进口腔内扫描仪的内在问题,或通过测量完整拱形数字印象的每个部分的失真程度来建立扫描策略。

Introduction

在传统的牙科治疗过程中,固定修复或可拆卸假牙是在石膏制成的模型上,并浸入硅胶或不可逆的氢胶材料。由于间接制造的假肢是在口腔中交付的,因此已经做了大量的研究来克服一系列此类制造工艺1、2的错误。最近,一种数字方法被用来通过CAD过程来制造假肢,在获取3D图像后,在虚拟空间中操作模型,而不是给人留下印象3。在早期,这种光学印模方法在有限的范围内使用,例如对一颗或少量牙齿进行牙科治疗。然而,随着3D扫描仪基础技术的开发,整个拱门的数字印象现在被用于制造大规模固定修复,可拆卸的修复,如部分或全假牙,正畸器具,和植入手术指南4,5,6,7。在短区域(如单边拱门)中,数字印象的准确性令人满意。然而,由于口腔内扫描仪是一种手持式设备,通过将通过狭窄的光学窗口获得的图像拼接在一起来完成整个凹痕,因此在完成 U 形牙科拱后可以看到模型的失真。因此,在这个型号上制成的大范围设备可能不适合病人的口腔,需要很大的调整。

已经报道了各种关于使用口腔内扫描仪获得的虚拟印象体精度的研究,并且有各种研究模型和测量方法。根据研究课题,可分为临床研究8、9、10、11、12、12、体外研究13、14 ,15,16在模型单独生产研究。临床研究的优点是能够评估实际临床环境的条件,但很难控制变量并无限期地增加临床病例数。临床研究的数量并不大,因为能够评估所需的变量是有限度的。另一方面,许多通过控制变量来评估口腔内扫描仪基本性能的体外研究已经报告17。研究模型还包括部分或完整的自然牙齿拱18,19,20,21,22和一个完全凹陷的下颚与所有牙齿失去23,或牙种植体在一定间隔24、25、26、27处安装并间隔的情况,或大部分牙齿保留且仅部分牙齿的形态。牙齿失踪16,28。然而,手持式口腔内扫描仪对虚拟印象体变形的研究仅限于通过将虚拟印象体与参考数据叠加并表示为一个数字而创建的颜色映射对偏差进行定性评估。每个数据的值。很难准确测量完整拱形的 3D 失真,因为大多数研究只检查具有非定向距离偏差的牙科拱门的局部部分。

本研究使用带有坐标系的标准模型,研究了口腔内扫描仪在光学印象过程中牙拱的变形。本研究的目的是提供一种评估口腔内扫描仪精度性能的方法,该扫描仪通过光学硬件和处理软件的差异表现出各种特性。

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Protocol

1. 主试样制备

  1. 模型准备
    1. 取下颌面完整拱形模型上的人造牙齿(左、右母条、第二前摩尔和第二摩尔),仅剩1/5的颈椎部分。
  2. CAD 设计
    1. 使用参考扫描仪获取主试样的数据。
    2. 使用逆向工程软件在修剪的六齿顶部设计气缸(顶部直径为 2 mm,气缸高度为 7 mm)。
    3. 在左二摩尔添加三个参考球体(直径 3.5 mm),以便从反向工程软件定义参考 3D 坐标系。
    4. 在左二摩尔圆柱体的远端和圆柱侧找到一个球体,以便所有圆柱体的坐标具有正值。
    5. 设计左二摩尔圆柱体,使其倾斜 30°,右二摩尔圆柱体倾斜 30°。将其他气缸设置为与模型成直角。
  3. 金属 3D 打印
    1. 用金属3D打印机制造一个使用CoCr合金的幻影模型,作为病人的假牙(图1)。

2. 参考数据采集和软件分析

  1. 使用测试的口腔内扫描仪扫描幻像。
    1. 使用工业级模型扫描仪扫描金属幻像模型,获取参考图像。
  2. 通过从参考球体中提取点来建立坐标系。
    1. 将参考图像加载到反向工程分析软件中,以计算每个圆柱体的参考坐标。
    2. 通过选择参考几何体提取球体 |创建|球体|选取边界点命令,并选取参考球体表面上相距最远的四个点(补充图1和补充图2)。
    3. 计算三个参考球体的中心。
    4. 使用参考几何 |创建|平面|选取点命令以连接三个球体的中心并创建平面(补充图 3)。
    5. 将成形平面设置为XY平面。
    6. 选择参考几何 |创建|平面|偏移平面命令在xy平面上方创建切线平面 (补充图 4)。
    7. 通过选择参考几何体创建切线平面和两个语言球体相会的点 |创建|点|ref.平面命令上的项目(补充图 5)。
    8. 使用Ref. 几何体在创建的点和两个语言球体的中心之间生成平面 |创建|平面|选取点命令 (补充图 6).
    9. 使用检查测量从此平面到球体中心的距离 |尺寸|线性命令 (补充图 7.
    10. 创建一个平行平面,该平面使用几何体创建穿过球体的中点 |创建|平面|偏移平面命令 (补充图 8.
    11. 将成形平面设置为YZ 平面(补充图 9)。
  3. 设置x、y 和z轴。
    1. 将 buccal 球体的中心设置为坐标系的"原点"。
    2. 设置一条平行于连接其余两个球体的中心点的线,同时以Y 轴的形式在模型向前和向后方向行驶。
    3. 在xy平面上设置线,该直线通过原点并垂直于y轴作为X轴。
    4. 使用参考几何 |创建|坐标|选取原点和 X、Y 方向命令以创建一个新的坐标系,其中以 buccal 球体中心作为原点(补充图 10)。
    5. 将直线垂直于xy平面,并将原点作为Z 轴穿过(补充图 11)。
  4. 将此详细信息从扫描坐标系传输到新建立的坐标系。
    1. 使用参考几何 |绑定到 shell命令以修复在此过程中在扫描数据之上创建的几何图形(补充图 12)。
    2. 执行参考几何 |转换|坐标|将坐标命令对齐到从基本坐标系到新创建的坐标系的传输(补充图 13)。
    3. 通过这种方式,参照三个参考球体为金属主试样指定坐标系(补充图14)。
  5. 从主区域的气缸中提取测量点。
    1. 提取x、y和z坐标,用于六个圆柱体的上圆中心,以分析反向工程过程对指定区域的变形。
    2. 为此,请使用参考几何体|创建|气缸|选取边界点命令并在圆柱体的顶部边框上指定至少 10 个点,并在椭圆上指定与圆柱体底部的齿的齿的相同数量点(补充图 15,补充图16,和补充图 17)。
    3. 获取气缸顶部中心的提取坐标。通过将 3D 变形与要评估的口腔内扫描仪获得的数字印图的同一圆柱体的坐标值进行比较,评估每个位置的 3D 变形。

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Representative Results

根据最初设计的CAD数据计算出的每个圆柱体的坐标和工业级模型扫描仪扫描的3D打印金属主样本的参考扫描图像,如表1所示。两者之间的差异显示值低于 50 μm,但 3D 打印主试样中右侧第二摩尔圆柱体的z坐标值较低。虽然金属幻象是由高端工业3D打印机生产的,但发现一个圆柱体的高度有细微差异。当设计使用CAD软件时,金属幻象被用作参考,用各种测试的口腔内扫描仪进行扫描,差异可以忽略不计。如果另一个评估器从同一共享数据中制造新幻像并执行相同的过程,则应使用工业级参考扫描器再次扫描幻像,以获取参考坐标,然后继续后续过程。表2显示了使用工业扫描仪扫描了五次的主试样的坐标。从标准偏差评估,平均偏差为45 μm,显示右二摩尔圆柱体的y坐标值存在较大偏差。可以得出结论,参考扫描仪的精度足以提取零点和六个圆柱的参考坐标。

通过对使用参考扫描仪扫描的金属主样本的五个数据集的重叠比较,对参考扫描仪的可重复性进行了评价。共对10对进行了对齐和评估。每对的偏差导致重复性为0.011 × 0.002 mm (表3)。参考扫描仪的可重复性计算方式不同,认为两种方法的结果均可靠,后一种可以省略。

Figure 1
图1:为变形模型的设计和制造过程进行变形评价。(A) 最初设计的 CAD 数据。(B) 由 CoCr 合金制成的 3D 打印主试样。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 1
补充图1:提取球体拾取点。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
补充图2:参考球体表面的拾取点。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
补充图 3:通过选取三个球体的中心来创建 XY 平面。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
补充图4:创建偏移平面,XY平面上方球体的直径为一半。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
补充图5:创建偏移平面和两个语言球体的点。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 6
补充图 6:通过选取四个点创建通过两个语言球体的中心的平面。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 7
补充图7:测量从该平面到球体中心的距离。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 8
补充图8:创建穿过球体中心的平行平面。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 9
补充图9:将成形平面设置为 YZ 平面。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 10
补充图 10:创建一个新的坐标系,其中心为 buccal 球体作为原点。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 11
补充图 11:设置垂直于 XY 平面的线,并作为 Z 轴穿过球体中心。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 12
补充图 12:将创建的几何图形固定到扫描数据。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 13
补充图13:将基本坐标系转移到新创建的坐标系。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 14
补充图 14:检查原点和坐标系是否正确移动到从扫描数据中提取的坐标系。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 15
补充图 15:使用选取边界点命令以提取圆柱体。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 16
补充图 16:在圆柱体周围的顶圆和底部椭圆上拾取足够的点。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 17
补充图 17:检查提取的气缸是否正确反向工程。请点击此处查看此图的较大版本。

Cad 3D 打印 差异
数据 金属主试样
37i Ⅹ 7.897 7.875 0.022
Y 6.418 6.373 0.045
Z 7.312 7.265 0.047
35i Ⅹ 8.481 8.427 0.054
Y 26.045 25.99 0.055
Z 7.846 7.846 0
33i Ⅹ 11.889 11.85 0.04
Y 40.16 40.106 0.054
Z 8.346 8.409 -0.063
43i Ⅹ 37.246 37.196 0.051
Y 45.738 45.686 0.052
Z 9.445 9.5 -0.055
45i Ⅹ 47.21 47.178 0.032
Y 35.115 35.081 0.034
Z 8.707 8.708 -0.001
47i Ⅹ 56.397 56.386 0.011
Y 13.038 13.041 -0.002
Z 7.558 7.451 0.107

表 1:CAD 数据与 3D 打印金属主试样之间的气缸坐标差异。单位:毫米。

参考 1 参考 2 参考 3 参考 4 参考 5 平均 = SD
37i Ⅹ 7.856 7.874 7.871 7.89 7.885 7.875 × 0.013
Y 6.406 6.375 6.358 6.356 6.368 6.373 × 0.020
Z 7.259 7.274 7.269 7.265 7.258 7.265 × 0.007
35i Ⅹ 8.435 8.379 8.393 8.471 8.46 8.427 × 0.040
Y 26.032 25.98 25.996 25.962 25.979 25.990 × 0.026
Z 7.838 7.883 7.837 7.858 7.816 7.846 × 0.025
33i Ⅹ 11.839 11.779 11.794 11.925 11.91 11.850 × 0.066
Y 40.129 40.085 40.112 40.097 40.106 40.106 × 0.017
Z 8.372 8.485 8.391 8.414 8.381 8.409 × 0.046
43i Ⅹ 37.177 37.115 37.155 37.269 37.262 37.196 × 0.068
Y 45.711 45.723 45.725 45.622 45.65 45.686 × 0.047
Z 9.437 9.568 9.541 9.498 9.457 9.500 × 0.055
45i Ⅹ 47.15 47.123 47.142 47.246 47.23 47.178 × 0.056
Y 35.109 35.148 35.135 34.988 35.025 35.081 × 0.071
Z 8.609 8.785 8.728 8.738 8.681 8.708 × 0.067
47i Ⅹ 56.369 56.373 56.371 56.409 56.407 56.386 × 0.020
Y 13.085 13.122 13.114 12.923 12.959 13.041 × 0.093
Z 7.349 7.445 7.457 7.527 7.478 7.451 × 0.065

表 2:从 3D 打印金属主试样获取的参考数据集的圆柱坐标。单位:m.

精度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 = SD
参考扫描仪 8.3 12.4 9.5 13.2 11.7 8 12.1 10.7 12.1 11.8 11.0 ± 1.8

表 3:从参考扫描仪获取的数据集的精度。单位:μm。

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Discussion

在通过评估由此产生的数字印图体来评估口腔内扫描仪准确性的研究中,最常见的方法是在参考图像上叠加数字印象数据并计算壳对壳偏差12 ,13,14,15,20,23。但是,此方法仅限于计算与配对数据的偏差值或通过颜色映射定性地评估分布。在一项通过选择在颜色图上分析的点来测量局部站点偏差的研究中,x、y 和z 方向的偏差未被视为29。此外,这些方法也有局限性,即它们在与参考数据重叠后应进行分析。对齐方式可能因数据点而异,结果也因排序条件而异。在涉及患者的临床试验中,很难应用这些方法,因为无法通过口腔外的工业扫描仪扫描整个口腔。

在这项研究中,提出了一种金属制成的主标本,受温度和湿度的影响较小。建立了特定3D打印金属试样的坐标系,并提前计算了六个圆柱体的位置坐标。这样,无论口腔内扫描仪如何,通过扫描数据的参考球体,从每个数字印象中形成了一个单独的坐标系,以便仅对扫描的数据执行分析,而无需参考图像叠加。使用高精度工业参考扫描仪获得的参考图像仅用于首次生产金属主试样时获取六缸的坐标值。参考和口腔内扫描数据之间的比较计算是通过坐标值的简单算术计算完成的。此外,由于圆柱坐标的x、y和z方向中的偏差表示为正值和负值,因此为每个区域显示 3D 位置变化。因此,本研究中使用的方法适用于评估手持设备——口腔扫描仪的数据失真。由于在x、y 和z 方向中圆柱坐标的偏差以正负值和负值显示,因此每个位置的 3D 位置变化变得明显。因此,本研究中使用的方法适用于评估手持式口腔内扫描仪获取的数字印象数据的失真。

根据原始 CAD 数据和金属主试样参考图像计算的每个圆柱体的大部分坐标值显示的值小于 50 μm。这与金属 3D 打印机特有的性能有关。由于 3D 打印后的主试样用作新参考,而不是使用标准 CAD 数据,因此无需考虑这些 3D 打印机的局限性。主试样的变化在右二摩尔的z坐标处很大。这是因为气缸倾斜不均匀,齿上方露出的圆柱体长度较短,这对逆向工程过程不利。此外,在本研究中进行金属打印时,该齿的圆柱体上圆倾斜到 3D 打印机的xy平面。3D打印机的特性,xy精度和z精度分别表示,也反映了。 在未来的研究中,设计和使用所有气缸而不倾斜可能是一个很好的选择。

如果使用金属 3D 打印机制造主试样时存在成本问题,则可以由石膏或树脂制成。由于设置了新的坐标系,并在试样制造后计算了六个圆柱体的坐标,因此在制造过程中材料的膨胀和收缩可能造成的尺寸变化不会影响最终结果。然而,当长时间使用这种试样时,由于水分和温度,可能会有轻微的体积变化,并且有可能由于破损或磨损而变形。因此,需要校准程序,以便使用参考扫描仪定期计算气缸坐标值。此外,坐标测量机 (CMM) 可用于测量主试样参考坐标,而不是使用工业参考扫描仪。在这种情况下,除了通过圆柱体的偏差检查外,建议使用参考数据进行叠加调查,以便评估复杂的齿面。

此方法的局限性是,当要评估的数字展示次数增加时,逆向工程分析所需的时间会变长。然而,最近推出的3D图像分析软件通过宏功能实现了检测自动化。由于主试样的全局形状相同,因此可以通过自动实现坐标系设置和获得的数字印迹的圆柱坐标计算来缩短分析时间。

通过测量完整拱形数字印象各部分的失真程度作为数值,它可以用来发现和改进需要评估其性能的口腔内扫描仪的固有问题。由于口腔内扫描仪是一种由投影灯、透镜、镜头筒、照相机等组成的复杂光学器件,因此硬件考虑因素很大。此外,一种软件算法,能够以每秒30帧以上的速度实时拼接采集的3D数据也很重要。通过了解金属主试样反复模式与口腔内扫描仪的考虑因素之间的关系,可以评价和改进口腔内扫描仪的性能。由获取图像的方向和顺序决定的扫描策略也是获取数字印象的一个重要因素。此方法可用于建立最小化变形的策略。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项研究得到了韩国卫生技术研发项目资助,该项目由韩国卫生与福利部资助(赠款号:HI18C0435)。

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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工程 问题 147 牙科 技术 牙科印象 口腔内扫描仪 精度 失真 坐标系 完整的拱形扫描
测量光学牙科印象的完整拱形失真
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Park, J. M., Shim, J. S. Measuring… More

Park, J. M., Shim, J. S. Measuring the Complete-arch Distortion of an Optical Dental Impression. J. Vis. Exp. (147), e59261, doi:10.3791/59261 (2019).

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