Principy intraorálních skenerů a měření jejich přesnosti

Souhrn

Úvod a cíl: Plně digitální workflow začíná ovládat naše ordinace. Přesnost a správnost některých intraorálních skenerů je nejenom dostatečná, ale výrazně překonává klasickou technologii otiskování (sádrový model) pro účely malých protetických rekonstrukcí. U velkých rekonstrukcí je ale situace zcela jiná. Cílem tohoto přehledu bylo shrnout současné poznatky o používaných technologiích intraorálních skenerů a měření jejich přesnosti. Dalším cílem bylo zhodnocení pomůcek/přípravků a postupů zpřesňujících intraorální skenování u velkých fixních protetických rekonstrukcí.

Metodika: V databázích PubMed/Medline, Scopus
a Embase bylo provedeno vyhledávání na základě klíčových slov: „Intraoral scanner“, „CAD/CAM“, „Trueness“, „Precision“, „Optical impression“, „Custom-made measuring device“, „Guided implant scanning“, „Continuous scan strategy“. Výsledky byly omezeny na články publikované v anglickém jazyce v letech 2010–2024.

Výsledky: Kritéria pro zařazení do našeho článku splňovalo 37 publikací. Článků popisujících technologie, se kterými pracují dostupné intraorální skenery, bylo velmi málo. Publikací, které se zaměřovaly na zpřesnění intraorálního skenovaní pomocí nových postupů nebo přípravků, bylo 21. Zbylé zahrnuté články se zabývaly srovnáváním přesnosti intraorálních skenerů mezi různými výrobky nebo srovnáním s tradičními výrobními postupy. Většina studií porovnávajících přesnost intraorálních skenerů dříve využívala měření vzdálenosti a úhlové chyby. V novějších studiích převládá metoda překrývání povrchových dat získaných 3D skenery. Pouze jedna studie využívá pyramid replacement method s Prokrustovou analýzou.

Závěr: Článků zabývajících se principem intraorálních skenerů je velmi málo a ve stomatologických časopisech jde o raritu. Z analýzy dostupné literatury vyplývá, že možností zpřesnění intraorálního skenu je více. Jedná se zejména o optimalizaci trasy skenování a zapojení jiných přístrojů bez skládací chyby do protetických postupů. Nadějně vypadají zejména extraorální skenery, a hlavně zapojení protetických laboratorních skenerů. Zmenšení deformace intraorálních skenů pomocí různých přípravků pravděpodobně nepřinese požadované zpřesnění.

Klíčová slova:

intraorální skener, CAD/CAM, pravdivost, preciznost, přípravky pro optický otisk, navi-gované skenování implantátů, strategie nepřetržitého skenování

ÚVOD

Cílem tohoto přehledu bylo shrnout současné poznatky o používaných technologiích intraorálních skenerů a měření jejich přesnosti. Dalším cílem bylo zhodnocení pomůcek/přípravků a postupů zpřesňujících intraorální skenování u velkých fixních protetických rekonstrukcí.

MATERIÁL A METODIKA

V databázích PubMed/Medline, Scopus a Embase bylo provedeno vyhledávání na základě klíčových slov: „Intraoral scanner“, „CAD/CAM“, „Trueness“, „Precision“, „Optical impression“, „Custom-made measuring device“, „Guided implant scanning“, „Continuous scan strategy“. Výsledky byly omezeny na články publikované v anglickém jazyce v letech 2010–2024.

VÝSLEDKY

Kritéria pro zařazení splňovalo 37 publikací. Článků popisujících technologii, s níž pracují dostupné intraorální skenery, bylo velmi málo. Publikací, které se zaměřovaly na zpřesnění intraorálního skenovaní pomocí nových postupů nebo přípravků, bylo 21. Zbylé zahrnuté články se zabývaly srovnáváním přesnosti intraorálních skenerů mezi různými výrobky nebo srovnáním s tradičními výrobními postupy.

PRINCIPY INTRAORÁLNÍCH SKENERŮ

Intraorální skenery pracují s využitím několika principů [1]. Nejdéle používanou technologií je aktivní triangulace, která je v klinické praxi od druhé poloviny 80. let [2]. Její princip je založen na promítání obrazců pomocí projektoru na měřený objekt a podle deformace obrazců snímaných detektorem je počítána vzdálenost jednotlivých bodů na měřeném zubu. Protože známe vzdálenost detektoru a projektoru i jejich úhel, lze vzdálenost měřeného bodu spočítat pomocí jednoduchých matematických triangulačních metod (obr. 1).

U prvních dostupných skenerů se na povrch promítaly proužky. Na tomto principu pracoval již skener CEREC 1 (Sirona Dental System GMBHDE, Bensheim, Německo) v roce 1987. U některých skenerů byly linie nahrazeny koncentrickými kružnicemi, např. CS 3500 (Carestream Dental LLC, Atlanta, USA), nebo náhodnými čtverci, které mění svoji pozici, např. Virtuo Vivo (Dental Wings, Montréal, Kanada). Dnešní triangulační skenery často kombinují jeden projektor se dvěma detektory, např. Medit i500 (MEDIT corp., Soul, Korejská republika). U prvních typů skenerů byl problém se zahlcením kamery pomocí odlesků od lesklých ploch (sklovina, kovové korunky atd.). Tento problém se řešil zmatněním povrchu zubu nanášením speciálního prášku pomocí spreje. U moderních skenerů je tento problém potlačen použitím jinak strukturovaného světla, použitím více detektorů nebo detektorů s větším rozsahem. Pro zajímavost uvádíme nejčastější používané obrazce strukturovaného světla (obr. 2) [3]. Většina dostupných intraorálních skenerů využívá tento princip.

Druhým používaným principem je paralelní konfokální mikroskopie [4]. Princip je založen na konfokálním mikroskopu, který patentoval sice již v roce 1957 M. Minski, ale prvním použitelným byl „Tandem Scanning Confocal Microscope“, který patentovali o deset let později M. Petráň a M. Hadravský z Lékařské fakulty UK v Plzni. Konfokální mikroskopy jsou založeny na „pin hole“ clonách umístěných v ohnisku spojky. Velmi zjednodušeně lze říci, že tak oko (detektor) vidí pouze objekty v ohnisku čočky. Tzv. rastrovací konfokální skenery jsou ale klinicky nepoužitelné, protože jsou velmi pomalé. Zrychlení umožnila paralelní konfokální technologie, která využívá „microlens array“ – destičku s několika stovkami malých čoček (obr. 3).

Detektor tak vidí stejně vzdálené body najednou. Prostým pohybem optické soustavy lze proměřovat více vrstev. Do této skupiny patřily, v době psaní tohoto článku, pouze výrobky TRIOS 3-5 (3Shape A/S, København, Dánsko), iTero Element 2-5, (Align Technology, Inc., Tempe, AZ, USA) a PrimeScan (Sirona Dental System GmbH, Bensheim, Německo). Princip konfokálního a paralelně konfokálního skenování je na obr. 4.

Další velmi malou technologickou skupinou je „active wavefront sampling (WS)“ [5]. Pokud za spojku umístíme clonu se dvěma otvory, na detektoru vzniknou dva obrazce a ze vzdálenosti obou obrazců lze vypočítat vzdálenost skenovaného bodu. Active WS používá rotační clonu nebo zrcátkový čip. Jediným zástupcem této skupiny na trhu je skener Lava™ Chairside Oral Scanner (COS), (3M ESPE, St. Paul, MN, USA) (obr. 5).

Další technologickou skupinou je interferometrie bílého světla [6]. Tato technologie (Optical coherent tomography – OCT), která má potenciál být rekordně nejpřesnější, využívá fyzikálního jevu interference neboli skládání vlnění světla. Detektor a software tedy analyzují tzv. interferenční obrazce. Tuto technologii je však nutné používat v kombinaci s některou ze tří výše uvedených technologií, protože nedokáže sama zmapovat veliký povrch. Firma D4D Technologies LLC, která se jako jediná pokoušela uvést na trh intraorální skener na tomto principu, pravděpodobně již neexistuje. Tento skener kombinoval konfokální technologii s OCT. Až budoucnost ukáže, zda tak vysoké rozlišení a přesnost jsou skutečně klinicky potřebné.

MĚŘENÍ PŘESNOSTI INTRAORÁLNÍCH SKENERŮ

Podle Mezinárodní organizace pro normalizaci (International Organization for Standardization) a jeho normy (ISO 5725-1:1994) je přesnost měření (accuracy) kombinací pravdivosti (trueness), dříve správnosti, a preciznosti (precision), dříve shodnosti.

Pravdivost (správnost) znamená, že průměr velkého počtu měření se blíží skutečné hodnotě měřené veličiny; jedná se o systematickou chybu, tedy o míru statistického zkreslení.

Preciznost (shodnost) se týká těsnosti shody mezi výsledky měření; jedná se o míru rozptylu (obr. 6).

Ke stanovení přesnosti intraorálních skenerů existuje mnoho metod [7]. Společným jmenovatelem všech metod je nutnost získání standardního 3D modelu měřeného objektu, tzv. zlatého standardu. Pro jeho získání se v zásadě používají tři skupiny přístrojů: Coordinate measuring machine (CMM), průmyslové 3D skenery a stomatologické laboratorní skenery. Bohužel těmito přístroji nejsme schopni změřit reálného pacienta, a jsme proto odkázáni na měření in vitro.

Souřadnicový měřicí stroj

Souřadnicový měřicí stroj (CMM) je zařízení, které měří geometrii objektů snímáním diskrétních bodů na povrchu objektu pomocí sondy [8]. Používají se různé typy sond, nejběžnější jsou mechanické a laserové senzory. Existují také optické senzory a senzory bílého světla. Nevýhodou souřadnicových měřicích strojů je zejména malý počet bodů získaných z povrchu modelu a pomalá rychlost. Velmi omezená je možnost měřit složité tvary [9]. Do přístroje je třeba zadat přibližné souřadnice povrchu, před měřením je proto nezbytná informace o tvaru měřeného objektu. CMM s mechanickou sondou nemůže detekovat malé morfologické struktury, jakými jsou fisury a okraje dásní, protože hrot taktilní sondy má daný průměr, který omezuje rozlišení měření. Pravdivost a preciznost používaných přístrojů jsou uvedeny v tabulce 1.

Průmyslové 3D skenery      

Průmyslové 3D skenery využívají převážně triangulační metody. Používají různé typy strukturovaného světla. Na rozdíl od CMM mohou průmyslové 3D skenery zachytit miliony bodů na povrchu objektu současně, i když je tvar povrchu složitý. V současnosti dostupné průmyslové 3D skenery zobrazují maximální odchylky v řádu několika mikrometrů [10]. Přesnost průmyslových skenerů se pohybuje od 1 do 10 μm. Pravdivost a preciznost používaných přístrojů je uvedena v tabulce 2.

Stomatologické laboratorní skenery

Stomatologické laboratorní skenery jsou v principu průmyslové 3D skenery upravené pro použití ve stomatologických laboratořích k digitalizaci dentálních modelů, otisků a různých přípravků. Přesnost laboratorního skeneru se pohybuje od 2 do 10 μm. Přesnost digitálních otisků získaných zubními laboratorními skenery je podobná jako přesnost průmyslového 3D skeneru [11]. Poslední studie dokonce ukazují, že pro digitalizaci dentálních modelů jsou přesnější než průmyslové 3D skenery [12] (tab. 3).

STANOVENÍ PŘESNOSTI INTRAORÁLNÍCH SKENERŮ

K popisu přesnosti intraorálních skenerů se nejčastěji používá měření vzdálenosti a úhlové chyby a metoda překrývání povrchových dat získaných 3D skenery. Velmi novou metodou k porovnávání skenů je „Pyramid Replacement Method“ využívající Prokrustovu analýzu.

 

Měření vzdálenosti a úhlové chyby

Lineární chyba [13] se měří jako odchylka určeného bodu mezi referenčními a testovacími daty v souřadnicovém prostoru XYZ. Pokud známe XYZ souřadnice testovaného bodu a referenčního bodu, vzdálenost se vypočítá:

Úhlová chyba se určuje porovnáním úhlu dlouhé osy snímaného tělesa mezi referenčními daty a testovacími daty (obr. 7).

Překrývání povrchových dat získaných 3D skenery

Data z testovaného a standardního skenu jsou přiřazena k sobě do jednoho prostoru pomocí best fit algoritmu [14, 15]. Vzdálenost skenů se počítá jako vzdálenost cloud-cloud, tj. vzdálenost bodu od nejbližšího bodu porovnávaného skenu. Nebo se počítá cloud-mash, tedy nejbližší vzdálenost bodu k ploše modelu (obr. 8).

U těchto metod se dobře vizualizují data jako barevné mapy a výsledky jsou dobře pochopitelné. Mezi hlavní nevýhody patří značný vliv best fit algoritmů na výsledek, tedy závislost na použitém softwaru [16]. Tento nedostatek nabývá na významu, zejména pokud porovnáváme skeny s rozdílnou hustotou bodů. Například konfokální skeny mají různou hustotu bodů, protože v oblasti preparovaného zubu je vzdálenost mezi body poloviční. Část skenu s hustší sítí je přiložena přesněji. Značná část softwarů neuvádí algoritmus výpočtu (cloud-cloud/cloud-mash), a porovnávané skeny proto mohou vykazovat jiné výsledky.

Pyramid replacement method

Tato nová metoda spočívá v přiřazení upraveného virtuálního abutmentu s definovanými body pomocí jehlanů do skenu. Takto získané body jsou podrobeny registraci a následně Prokrustově analýze [17].

SLUČOVACÍ CHYBA – MERGING ERROR

Všechny intraorální skenery mají omezenou použitelnost u velkých fixních prací, ať nesených zuby, nebo implantáty. Snížená přesnost IO skenerů u velkých prací je způsobena principem tvorby 3D modelů celé čelisti. Z důvodu velikosti skenovací hlavice intraorální skenery vytvoří pouze malé 3D modely povrchu (velikost je závislá na typu skeneru) a ty jsou následně softwarově spojovány do většího modelu (obr. 9).

Přesnost tohoto spojení je závislá na velikosti překrývajících se nepohyblivých ploch [1]. Dnes můžeme považovat za prokázané, že velikost této odchylky se zvětšuje s prodloužením skenovací dráhy a s nedostatkem referenčních ploch [18]. Postupů, jak snížit tuto chybu, bylo publikováno již značné množství [19]. Jednou z možností je optimalizace trasy skenování. Passos a kol. [20] porovnávali tři strategie skenování na modelu horní čelisti skenované pomocí TRIOS® Pod scanner (3Shape A/S, København, Dánsko). Strategie A primárně skenovala vestibulární plochy a poté orální, strategie B skenovala nejdříve orální plochy a následně vestibulární, třetí strategie C skenovala cik-cak (vestibulo-orálně). Standard byl vytvořen pomocí průmyslového skeneru Infinite Focus Standard (Alicona Imaging, Raaba, Rakousko). Pravdivost byla A = 18 ± 16 μm; B = 17 ± 13 μm; C = 27 ± 15 μm a preciznost A = 35 ± 51 μm; B = 8 ± 6 μm; C = 9 ± 6 μm. Výsledky potvrzují klinickou zkušenost – kratší dráha skenování se projeví v menší chybě neboli merging error.

Další možností je usnadnění napojování jednotlivých malých skenů (matching) tvorbou různých pomocných pomůcek, které jsou vyráběny v ústech nebo mimo ústa. Klinicky je poměrně běžnou strategií spojování skenovacích tělísek různými materiály (vosk, modelovací pryskyřice, materiály na razidlové provizorní mosty, zubní nit [21]). Tímto postupem se zvětšuje plocha, kterou softwary používají k napojování jednotlivých dílčích skenů. Známou a dobře dokumentovanou technikou je „Continuous Scan Strategy“ (CSS) [22].

Imburgia spojoval skenovací tělíska termoplastickou pryskyřicí u 35 „full arch“ můstků a dalších deseti zirkoniových mostů velkého rozsahu. Bohužel přesnost výsledných prací byla hodnocena pouze vizuálně a rentgenologicky.

Na podobném principu pracují různé snímatelné přípravky zhotovené 3D tiskem, které se nasazují přes skenovací tělíska. Tyto přípravky jsou navrhovány jako snímací náhrada se zuby s otvory pro skenovací tělíska [23, 24] nebo s geometrickými útvary (kužel, krychle, koule) mezi tělísky [25]. Jsou známy i pokusy o univerzální přípravky ve formě jakési okluzní lžíce s reliéfem zubů, které se přikládají ke skenovacím tělískům [26]. Benefity těchto metod ale nejsou nijak potvrzeny. Verifikována byla pouze metoda s přípravkem obsahujícím zuby [27]. M. Tallarico a kol. zkoušeli tuto metodu na tištěných modelech se čtyřmi a šesti skenovacími tělísky (skenovací tělíska byla součástí tištěného modelu). Hodnocení probíhalo pomocí superimpozice ploch skenovacích tělísek a pomocí úhlové odchylky tělísek. Zjistili, že nemuseli opakovat skeny s přípravkem, zatímco skeny bez přípravku museli opakovat ve 13 případech. Úhlová odchylka byla u modelu se čtyřmi tělísky statisticky významná, a to 0,134° ± 0,053° s přípravkem a 0,252° ± 0,068° bez přípravku. Pro model s šesti tělísky 0,100° ± 0.029° s přípravkem a 0,373° ± 0,117° bez přípravku. Tento rozdíl ale nebyl statisticky významný.

I poslední výzkumy obdobně naznačují, že u moderních skenerů metody zvětšující skenovaný povrch slučovací chybu nesnižují, pouze usnadňují a v některých složitých případech, zejména u dolní bezzubé čelisti, umožňují i skenování [28].

Podobně usnadní pořízení skenu změna strategie skenování, kdy skenujeme nejdříve skenovací tělíska, která vymažeme a doskenováváme profil gingivy [20]. V některých případech, například u bezzubé čelisti, je vhodné usnadnit skenování pomocí různých 3D značek [29] vytvořených například flow kompozitem, tekutým kofferdamem nebo zinkoxideugenolovým cementem [30].

Další možností eliminace merging error je zapojení přístrojů, které skenují celou čelist najednou a nemají výše zmíněnou chybu vzniklou spojováním dílčích 3D modelů. Je známé použití extraorálních skenerů, které jsou dnes dostupné i komerčně [31]. Tyto skenery využívají metodu pasivní triangulace, někdy nazývanou pasivní stereovize nebo fotogrammetrie. Tato technika je založena na zpracování dvou stereosnímků získaných ze dvou kamer, jejichž poloha a úhel jsou konstantní.

Revilla-León a kol. [32] porovnávali extraorální skener (PG system) s dvěma intraorálními skenery (iTero Element Align Technology, Inc., Tempe, AZ, USA, a TRIOS 3, 3Shape A/S, København, Dánsko) a konvenčním otiskem A-silikonem na modelu horní čelisti se šesti implantáty. Přesnost vyhodnocovali souřadnicovým měřicím strojem (CMM Contura G2 10/16/06 RDS, Zeiss, Jena, Německo). Celková 3D diskrepance u konvenčního otisku byla 11,7 µm; při použití iTero Element 18,4 µm, při použití TRIOS 3 21,1 µm a u extraorálního skeneru 77,6 µm. Sallorenzo a Gómez-Polo [33] porovnávali extraorální skener (PiC camera, Madrid, Španělsko) a intraorální skener (TRIOS3, 3Shape A/S, København, Dánsko) pomocí CMM na modelu horní čelisti se šesti implantáty. Celková chyba extraorálního skeneru byla 10 µm a 0,084° a 23 µm (p = 0,179) a 0,529° pro intraorální skener. Použití některých extraorálních skenerů je tedy pravděpodobně přínosné, ale klinicky komplikované zejména u velkých protetických prací kombinujících implantáty a zbývající chrup. V těchto případech je obtížná zejména kombinace dat z extraorálního a intraorálního skeneru.

Publikováno bylo použití CBCT k tvorbě virtuálního modelu implantátů [34, 35]. V poslední době byla zkoumána i možnost softwarové úpravy intraorálních skenů na základě dat z CBCT [36]. Tyto možnosti zatím ale naráží na nízké rozlišení většiny CBCT přístrojů. Nezanedbatelná je i další expozice pacienta RTG záření.

Klinicky zajímavou možností je zapojení laboratorního protetického skeneru do digitálního workflow, protože většina dentálních CAD/CAM laboratoří je jím již vybavena, a nepředstavuje to tedy další finanční náklady. Mandelli a kol. [37] publikovali postup, kdy tiskli speciální „Solid index“, kam vlepovali otiskovací piny pomocí modelační pryskyřice. Z tohoto Solid indexu s vlepenými otiskovacími čepy vyrobili zjednodušený sádrový model, který skenovali pomocí laboratorního skeneru. Přesnost tohoto postupu verifikovali na modelu horní čelisti s osmi implantáty [38]. Porovnávali Solid index s dvěma intraorálními skenery (CS 3700®, Carestream Dental LLC, Atlanta, GA, USA, a Emerald™ S, Planmeca Oy, Helsinki Finsko). Standard získávali pomocí laboratorního skeneru. Hodnocení prováděli superimpozicí zkoušeného a standardního skenu. Průměrná pravdivost byla 29 ± 26 μm pro model odvozený od SI, oproti 42,4 ± 14,7 μm pro CS 3700® a 52,2 ± 4,6 μm pro Emerald™ S.

Hyšpler a kol. [39] navrhli „Reverse scan (RS) technique“, kde používají tištěný provizorní most, který je rozdělen na fragmenty obsahující po jednom abutmentu. Poté jsou fragmenty znovu slepeny v ústech. Na abutmenty provizorního mostu jsou našroubovány speciální skenovatelné pracovní čepy a následně je most skenován laboratorním skenerem. Není tedy potřeba žádný model. V další práci Hyšpler a kol. [17] srovnávali tuto metodu s otiskem a intraorálním skenerem (TRIOS3, 3Shape A/S, København, Dánsko). K získání standardu používali laboratorní skener. Vyhodnocovali data pomocí Pyramid Replacement metody a Prokrustovy analýzy. Prokrustova vzdálenost byla u RS techniky 5,6–6,9 µm (medián 6,2 µm), u otisku 5,4–7,1 µm (medián 6,5 µm) a u intraorálního skeneru 4,5–41,2 µm (medián 5,8 µm).

 

ZÁVĚR

Během posledních let byly mnohokrát publikovány benefity plně digitálního workflow, mezi které patří přesnost, rychlost, komfort pacienta, strmější křivka učení u mladých lékařů, menší vliv lidské chyby atd. Mezi hlavní nedostatky zatím patří pořizovací náklady a malá použitelnost u velkých protetických prací. Z analýzy dostupné literatury vyplývá, že možností zpřesnění intraorálního skenu je více. Jedná se zejména o optimalizaci trasy skenování a zapojení jiných přístrojů bez „merging error“ do protetických postupů. Z dostupné literatury a následného vlastního ověření je nejlépe hodnoceno použití extraorálních skenerů a zapojení protetických laboratorních skenerů. Naopak snížení deformace intraorálních skenů pomocí různých přípravků pravděpodobně nepřinese požadované zpřesnění.

 

Poděkování

Studie vznikla za podpory Výzkumného záměru 00064203 Fakultní nemocnice v Motole, Praha, Česká republika.

 

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři nemají žádný střet zájmů, který by mohl ovlivnit obsah nebo zpracování tohoto rukopisu.

 

Prohlášení o použití umělé inteligence

K tvorbě nebyla použita umělá inteligence (AI).

 

Podíl autorů na publikaci

Oba autoři mají stejný podíl na publikaci.

 

Korespondující autorka
prof. MUDr. Taťjana Dostálová, DrSc., MBA

Stomatologická klinika dětí a dospělých

2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova

Fakultní nemocnice v Motole

V úvalu 84

150 06  Praha 5

e-mail: tatjana.dostalova@fnmotol.cz