Интраоральное сканирование: новый уровень точности и комфорта в стоматологии
Интраоральное сканирование: новый уровень точности и комфорта в стоматологии
Аннотация
Чтобы преодолеть трудности, связанные с традиционными методами получения оттисков, в стоматологической практике широко внедрены технологии интраорального сканирования (IOS) в сочетании с системами CAD/CAM (автоматизированное проектирование и производство). Последнее десятилетие ознаменовалось значительным ростом числа оптических IOS-устройств, основанных на различных технологиях сканирования, таких как конфокальная, структурная и другие. Выбор конкретной технологии существенно влияет на клиническое применение и конечный результат. Этот обзор посвящен практическому применению IOS в современной стоматологии, рассматривая последовательность процедур, критерии выбора оптимального сканера для различных клинических задач, а также оценивая влияние технологии сканирования на точность и качество конечного результата.
1. Введение
С XVIII века для регистрации трёхмерной модели зубных тканей используются традиционные методы снятия оттисков. Тем не менее объёмные изменения материалов для снятия оттисков и расширение зубного камня могут приводить к ошибкам, поэтому для этого процесса требуются услуги высококлассной стоматологической лаборатории , , . Чтобы преодолеть эти трудности, для стоматологической практики был разработан метод снятия оттисков с помощью IOS (внутриротового сканера) . Внедрение устройства IOS в стоматологическую практику совпало с развитием технологии CAD/CAM (автоматизированное проектирование и производство) в стоматологии, что дало множество преимуществ практикующим врачам. В настоящее время IOS и CAD/CAM упрощают планирование лечения, приём пациентов, взаимодействие с лабораториями, сокращают время операции, требования к хранению и время лечения , , . В последнее десятилетие появилось всё больше оптических устройств IOS, основанных на различных технологиях, выбор которых может повлиять на клиническое применение .
2. Технологии IOS
IOS — это медицинское устройство, состоящее из портативной камеры, компьютера и программного обеспечения. Цель IOS — точно записывать трёхмерную модель объекта. Наиболее распространённым цифровым форматом является открытый STL (стандартный язык тесселяции) или закрытый STL-подобный. Этот формат уже используется во многих отраслях промышленности и описывает последовательность триангулированных поверхностей, где каждый треугольник определяется тремя точками и нормальной поверхностью. Однако для записи цвета, прозрачности или текстуры тканей зубов были разработаны другие форматы файлов (например, Polygon File Format, файлы PLY). Независимо от типа технологии визуализации, используемой в IOS, все камеры требуют проецирования света, который затем записывается в виде отдельных изображений или видео и обрабатывается программным обеспечением после распознавания POI (точек интереса). Первые две координаты (x и y) каждой точки оцениваются на изображении, а затем вычисляется третья координата (z) в зависимости от расстояния до объекта, как описано ниже.
Проекция и захват света. В области 3D-реконструкции существует чёткое различие между пассивными и активными методами. Пассивные методы используют только естественное освещение для подсветки тканей полости рта и зависят от определённого уровня текстуры объекта. Активные методы используют структурированное освещение белого, красного или синего цвета, проецируемое камерой на объект, что в меньшей степени зависит от реальной текстуры и цвета тканей для реконструкции , . В активных методах на объект проецируется светящаяся точка, а расстояние до объекта вычисляется с помощью триангуляции. Альтернативой является проецирование световых узоров, например, в виде линий или сеток . Реконструкция поверхности может быть выполнена с помощью набора изображений, видео, которое может снимать несколько изображений в секунду в непрерывном потоке данных, или с помощью волнового анализа , .
Определение расстояния до объекта:
Триангуляция. Триангуляция основана на принципе, согласно которому положение точки треугольника (объекта) можно вычислить, зная положение и углы двух точек обзора. Эти две точки обзора могут быть получены с помощью двух датчика, одного датчика с использованием призмы или в два разных момента времени.
Конфокальный метод. Конфокальная микроскопия — это метод, основанный на получении сфокусированных и расфокусированных изображений с заданной глубины. Эта технология позволяет определить область резкости изображения, чтобы вычислить расстояние до объекта, которое соотносится с фокусным расстоянием объектива. Затем зуб можно реконструировать с помощью последовательных изображений, полученных при разных значениях фокуса и диафрагмы и под разными углами вокруг объекта . Область резкости напрямую связана с ловкостью оператора, который может создавать размытие в движении , и для этой техники также требуется крупная оптика, что может создавать трудности в клинической практике.
AWS (активная выборка волнового фронта). AWS — это метод получения изображений поверхности, для которого требуется камера и внеосевой модуль диафрагмы. Модуль перемещается по круговой траектории вокруг оптической оси и обеспечивает вращение точки интереса. Информация о расстоянии и глубине затем извлекается и рассчитывается на основе шаблона, создаваемого каждой точкой .
Стереофотограмметрия. Стереофотограмметрия определяет все координаты (x, y и z) только с помощью алгоритмического анализа изображений . Поскольку этот подход основан на пассивной световой проекции и программном обеспечении, а не на активной проекции и аппаратном обеспечении, камера относительно небольшая, с ней проще обращаться, а её производство обходится дешевле.
3. Технологии реконструкции
Одной из основных задач при создании 3D-модели является сопоставление точек интереса, снятых под разными углами. Расстояния между разными снимками можно вычислить с помощью встроенного в камеру акселерометра, но для определения точки обзора изображения чаще используется расчёт сходства. С помощью алгоритмов расчёт сходства определяет точки интереса, совпадающие на разных снимках . Эти точки интереса можно найти, обнаружив переходные области, такие как сильные изгибы, физические границы или различия в интенсивности серого («форма по силуэту») . Затем рассчитывается матрица преобразования для оценки сходства между всеми изображениями, например, при вращении или гомотетии. Крайние точки также могут быть статистически исключены для уменьшения шума. Каждая координата (x, y и z) извлекается из матрицы проекции, после чего создаётся файл.
4. Клиническое воздействие технологий IOS
Недавние исследования показали, что метод цифрового оттиска более удобен и быстр, чем существующий метод оттиска , , . Ли и Галлуччи сообщили, что оттиск имплантата с помощью IOS с использованием конфокальной технологии был более эффективным методом с более коротким временем подготовки и повторной обработки, чем обычный оттиск имплантата для неопытных студентов-стоматологов второго курса . В двух других клинических исследованиях IOS с использованием конфокальной технологии или AWS значительно превосходил обычный оттиск; он был более эффективным по времени, удобным и комфортным для пациентов при оттиске имплантата .
Каждый сканер также включает в себя определённую технологию и датчики, которые влияют на размер и вес сканирующей головки . Например, такие технологии, как конфокальная или AWS, в основном основаны на аппаратном обеспечении, которое требует объёмных компонентов. Однако среди сканеров, использующих одну и ту же технологию, есть клинические различия. Сообщается, что участники предпочли использовать Trios, а не iTero, хотя оба сканера основаны на конфокальной технологии . Это связано с тем, что операторам требуется время, чтобы ознакомиться с эргономикой и программным обеспечением каждого IOS, и поначалу кривая обучения может быть медленной. Действительно, в ходе исследования сравнивались кривые обучения при первичном сканировании и после повторных сканирований с использованием двух IOS с конфокальной технологией. Было обнаружено, что, хотя время сканирования сокращалось по мере обучения для обоих сканеров, среднее время сканирования для Trios всегда было меньше, чем для iTero . Кроме того, на время обработки при цифровом отпечатке, которое, по имеющимся данным, составляет от 4 до 15 минут, не влияют ни программное обеспечение, ни используемая технология, ни траектория сканирования .
Для ткани зуба характерно наличие отражающих поверхностей, таких как эмаль зуба, которые могут нарушить сопоставление точек интереса программным обеспечением из-за переэкспонирования. Чтобы предотвратить это, специалисты могут изменить ориентацию камеры, чтобы увеличить количество рассеянного света. Другой способ преодолеть эту трудность, используемый в некоторых системах, — использовать камеры с поляризационным фильтром . Для других сканеров в процессе оцифровки требуется порошковое покрытие толщиной 20–40 мкм для снижения отражательной способности. Теоретически толщина порошкового покрытия может различаться у разных операторов и снижать точность файлов, но программное обеспечение IOS способно учитывать среднюю толщину .
Ранее было доказано, что цифровые оттиски на основе порошка очень точны при получении частичных оттисков . Однако порошок может вызывать дискомфорт у пациентов, и, как сообщается, при загрязнении порошка слюной во время получения оттиска требуется дополнительное время для сканирования, так как необходимо очистить и повторно нанести порошок . Кроме того, при сканировании всей челюсти рекомендуется использовать IOS без порошка из-за сложности сохранения порошкового покрытия на всех зубах в течение всего времени сканирования . В заключение следует отметить, что, хотя порошок не очень удобен для пациентов, в статьях, посвящённых влиянию порошка на точность сканирования, не было обнаружено явных различий.
Пути сканирования. Путь сканирования означает, что внутриротовой сканер должен использоваться в соответствии с определённым движением для повышения точности виртуальной модели . Недавние исследования показали, что путь сканирования влияет на точность данных, полученных с помощью конфокальных сканеров как in vitro, так и in vivo . Сканируемый объект должен располагаться в центре области сбора данных, чтобы описать оптимальную сферу вокруг объекта. Специалисты также должны сохранять плавность движения, всегда сохраняя постоянное расстояние и центрируя зуб во время записи. В зависимости от сканеров и технологий , камеру следует держать на расстоянии от 5 до 30 мм от сканируемой поверхности. Это особенно сложно при смене оси, например, при переходе от заднего зуба к переднему или в случае неправильного положения. Некоторые производители предлагают направляющие, чтобы врачи могли сохранять дистанцию и не допускать попадания окружающих тканей в поле зрения камеры.
Для IOS, использующих конфокальную технологию, когда требуется сканирование всей зубной дуги, производители описывают различные стратегии. Одна из них заключается в линейном движении по всем окклюзионно-нёбным поверхностям с последующим сканированием щёчной поверхности. Другая процедура заключается в последовательном сканировании вестибулярной, окклюзионной и язычной поверхностей каждого зуба в форме буквы S , . Первая стратегия, по-видимому, ограничивает пространственное искажение за счёт завершения съёмки в исходном положении, что позволяет избежать общей односторонней ошибки, но линейное или грубое движение при вестибулярном сканировании может быть неточным в межзубных промежутках. Это техническое наблюдение побуждает практикующих врачей адаптировать свой клинический протокол в сложных областях, таких как межзубные промежутки, подготовка зубов, высокая кривизна центральных резцов и изменение оси вокруг клыков. Однако съёмка областей с крутым наклоном вниз, таких как передняя часть нижней челюсти, часто сопряжена с трудностями при обработке изображения . Это ограничение подчёркивает растущую значимость отслеживания IOS и программного обеспечения, описанного ниже.
Отслеживание и программное обеспечение. Иногда во время сканирования может быть потеряно отслеживание, что может дестабилизировать программное обеспечение, если не соблюдается расстояние до объекта или траектория сканирования; если движение слишком быстрое или слишком резкое. Необходимо следовать стратегии сканирования, начиная, например, с простых участков (окклюзионных поверхностей задних зубов), чтобы у программного обеспечения было достаточно информации в случае потери отслеживания. В настоящее время производители разрабатывают различные стратегии и алгоритмы программного обеспечения для продолжения сканирования в случае потери отслеживания, в основном за счет распознавания сохраненной геометрии объекта. Для этого специалистам необходимо повторно сканировать значимую область, не оставаясь на одном месте, чтобы предоставить камере и программному обеспечению достаточно информации. Второе сканирование позволит сопоставить предыдущие точки интереса, и программное обеспечение дополнит эту пропущенную область . На повторное сопоставление точек интереса напрямую влияет сложная геометрия объекта, например, большая кривизна или множество скрытых граней, которые уменьшают количество точек интереса и усложняют процесс для программного обеспечения .
Качество сетки. Программное обеспечение IOS может создавать файлы с разной плотностью сетки. Однако высокая плотность сетки для всего зуба не имеет смысла из-за большого количества вычислений. Некоторые файлы содержат стандартную сетку для плоских зон (вестибулярная поверхность резцов) и более плотную сетку для участков с высокой кривизной (например, режущий край или десневая борозда). Действительно, большого количества треугольников достаточно, чтобы точно следовать профилю выхода, в то время как малое количество может привести к сглаживанию границ. Во время внутриротового сканирования основная сложность заключается в контроле подвижности пациента, которая может привести к ошибочному сканированию периферических мягких тканей, таких как язык или челюсти . Кроме того, наличие крови, слюны или десневой жидкости также может исказить полученную картину . Например, плотная водяная плёнка может привести к ошибке в несколько миллиметров при снятии оттиска. Последние версии IOS также обеспечивают цвет и текстуру, которые значительно улучшают восприятие клинических ситуаций и объёма зубов. Тем не менее отображение файла в графическом пользовательском интерфейсе часто вводит в заблуждение относительно точности сканирования из-за использования шейдеров и алгоритмов сглаживания. Тщательный анализ точности и аккуратности, по-видимому, является более важным фактором для оценки точности сканирования в текущей версии IOS, и эти аспекты рассматриваются ниже.
5. Точность технологий IOS
Согласно стандарту ISO, точность определяется двумя методами измерения: правильностью и прецизионностью . Правильность — это степень соответствия между средним арифметическим большого количества результатов испытаний и истинным или принятым эталонным значением. Прецизионность — это степень соответствия между результатами испытаний. Метод измерения влияет на точность и достоверность результатов, полученных с помощью IOS, поскольку это зависит от таких факторов, как оператор, используемое оборудование и калибровка, время, прошедшее между измерениями, и условия окружающей среды (температура, влажность и т. д.). Однако методы расчёта точности и достоверности результатов, полученных с помощью IOS, ограничены из-за качества используемых эталонов и применяемого метода измерения. Например, в настоящее время в качестве эталона используется сканирование гипсовой модели in vitro с использованием внеротовой технологии, но эти результаты сложно сравнить с файлами in vivo, поскольку для последних эталоном является сканирование гипсовой модели, полученное с помощью косвенного физико-химического оттиска (то есть, вероятно, содержащее неточности) . Кроме того, в некоторых исследованиях сравнивались расстояния между STL-файлами, созданными на гипсовой модели, и файлами, созданными с помощью IOS вручную, в то время как в других исследованиях использовался алгоритм для выравнивания двух разных файлов и расчёта расстояния между ними . Однако процесс измерения в рамках первой стратегии сильно зависит от оператора, в то время как алгоритм выравнивания требует субъективного ручного удаления оператором неточных областей, таких как язык или мягкие ткани, чтобы предотвратить ложное выравнивание. Таким образом, для разработки стандартизированных и сопоставимых стратегий измерения точности IOS требуются дальнейшие исследования.
Во многих статьях сообщается о клинически значимой точности и достоверности современных технологий IOS как in vitro, так и in vivo . Например, Эндер и др. сообщили, что средняя достоверность различных технологий IOS составляет от 20 до 48 мкм, а точность — от 4 до 16 мкм, когда оттиск является частичным и сравнивается с обычным оттиском . Из этих отчётов следует, что современные устройства IOS клинически адаптированы для обычной практики и по крайней мере не уступают по точности традиционным методам снятия оттисков . Однако сообщается, что снятие оттисков с полной дугой в естественных условиях связано с явлением искажения, в частности при использовании технологий триангуляции, конфокальной или AWS .
Что касается имплантологии, то различные исследования in vitro показали, что триангуляция, конфокальная технология и технология AWS могут стать приемлемыми альтернативами высокоточному сканированию, которое в настоящее время используется для сканирования обычных оттисков или гипсовых моделей . Тем не менее, как исследования in vitro, так и исследования in vivo показали, что ошибки в расстоянии и углах наклона в настоящее время слишком велики для изготовления протезов на основе нескольких имплантатов, например, для беззубых челюстей, из-за отсутствия анатомических ориентиров для сканирования, независимо от используемой технологии. Действительно, по сравнению с зубами, отсутствие периодонтальной связки ограничивает адаптацию имплантатов в случае микроскопических ошибок, которые могут привести к осложнениям при имплантации .
6. Заключение
После объективного анализа литературы можно сделать вывод, что IOS клинически адаптирован для обычной практики, независимо от используемой технологии. Каждую технологию следует рассматривать в контексте индивидуальной деятельности, требований и ожиданий практикующих специалистов. Понимание технологии IOS необходимо любому практикующему специалисту для успешной клинической стратегии при сканировании подготовленных зубов. Однако в настоящее время не существует метода сканирования, сканера или технологии, которые можно было бы однозначно считать более точными из-за отсутствия стандартизированных процедур или сопоставимых исследований in vivo. Несмотря на то, что в настоящее время в основе IOS в основном лежит конфокальная технология, необходимость в объёмном оборудовании означает, что ищутся альтернативы, такие как технологии на основе программного обеспечения, особенно по соображениям эргономики, комфорта пациентов и стоимости производства.