치과용 스캐너 평가를 위한 국제표준모델의 재료 및 표면 상태에 따른 스캔 영상 결과물 비교 연구 Comparative study on quality of scanned images from varying materials and surface conditions of standardized model for dental scanner evaluation원문보기
목적: 본 연구는 현재 시판되고 있는 구강스캐너를 사용하여 구강스캐너 정확도 평가를 위해 국제표준이 제안하고 있는 모형의 스캔이미지 획득이 가능한 지 분석하고, 이를 통해 표준모델이 가지고 있는 문제점을 파악하는 데 있다. 연구 재료 및 방법: ISO12836과 ANSI/ADA no.132에서 규정하는 국제표준을 참고하여 3D 프린터기를 이용하여 모델을 제작하였으며, 모델스캐너와 두 가지 구강스캐너를 이용하여 스캔을 하였다. 스캔이미지 획득 정도를 3등급으로 분류하여 스캐너의 성능을 비교하였으며, 모델 표면의 상태에 따른 이미지 획득 능력도 비교하였다. 결과: 모델 스캐너가 모든 모델에서 가장 우수한 이미지를 얻을 수 있었으며 TRIOS3는 둥근 형태의 구조물, CS3500은 각진 형태의 구조물에 대한 이미지 재현이 좋은 결과를 보였다. 표준 모델의 표면상태에 따른 스캔이미지 재현에서는 초경석고 모델이 스캐너 종류와 관계없이 가장 우수하였다. 3D 프린팅 모델의 경우, 표면에 파우더 처리를 한 모델에서 가장 우수한 스캔이미지를 얻을 수 있었다. 결론: ISO12836과 ANSI/ADA 132의 표준모델의 경우, 구강스캐너의 field of view (FOV)를 벗어나는 구조물을 스캔할 때 서로 다른 면인 것을 구분하는 기준점이 존재하지 않게 되면 연속적인 스캔 및 정합과정에서 정확한 이미지를 나타내지 못한다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 단순한 패턴의 반복과 대칭구조를 가지지 않는 새로운 표준모델이 필요하다고 여겨진다.
목적: 본 연구는 현재 시판되고 있는 구강스캐너를 사용하여 구강스캐너 정확도 평가를 위해 국제표준이 제안하고 있는 모형의 스캔이미지 획득이 가능한 지 분석하고, 이를 통해 표준모델이 가지고 있는 문제점을 파악하는 데 있다. 연구 재료 및 방법: ISO12836과 ANSI/ADA no.132에서 규정하는 국제표준을 참고하여 3D 프린터기를 이용하여 모델을 제작하였으며, 모델스캐너와 두 가지 구강스캐너를 이용하여 스캔을 하였다. 스캔이미지 획득 정도를 3등급으로 분류하여 스캐너의 성능을 비교하였으며, 모델 표면의 상태에 따른 이미지 획득 능력도 비교하였다. 결과: 모델 스캐너가 모든 모델에서 가장 우수한 이미지를 얻을 수 있었으며 TRIOS3는 둥근 형태의 구조물, CS3500은 각진 형태의 구조물에 대한 이미지 재현이 좋은 결과를 보였다. 표준 모델의 표면상태에 따른 스캔이미지 재현에서는 초경석고 모델이 스캐너 종류와 관계없이 가장 우수하였다. 3D 프린팅 모델의 경우, 표면에 파우더 처리를 한 모델에서 가장 우수한 스캔이미지를 얻을 수 있었다. 결론: ISO12836과 ANSI/ADA 132의 표준모델의 경우, 구강스캐너의 field of view (FOV)를 벗어나는 구조물을 스캔할 때 서로 다른 면인 것을 구분하는 기준점이 존재하지 않게 되면 연속적인 스캔 및 정합과정에서 정확한 이미지를 나타내지 못한다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 단순한 패턴의 반복과 대칭구조를 가지지 않는 새로운 표준모델이 필요하다고 여겨진다.
Purpose: The purpose of this study is to evaluate the image acquisition ability of intraoral scanners by analyzing the comprehensiveness of scanned images from standardized model, and to identify problems of the model. Materials and Methods: Cast models and 3D-printed models were prepared according ...
Purpose: The purpose of this study is to evaluate the image acquisition ability of intraoral scanners by analyzing the comprehensiveness of scanned images from standardized model, and to identify problems of the model. Materials and Methods: Cast models and 3D-printed models were prepared according to international standards set by ISO12836 and ANSI/ADA no. 132, which were then scanned by model scanner and two different intraoral scanners (TRIOS3 and CS3500). The image acquisition performance of the scanners was classified into three grades, and the study was repeated with varying surface conditions of the models. Results: Model scanner produced the most accurate images in all models. Meanwhile, CS3500 showed good image reproducibility for angled structures and TRIOS3 showed good image reproducibility for rounded structures. As for model ingredients, improved plaster model best reproduced scan images regardless of the type of scanner used. When limited to 3D-printed model, powdered surface condition resulted in higher image quality. Conclusion: When scanning structures beyond FOV (field of view) in standardized models (following ISO12836 and ANSI/ADA 132), lack of reference points to help distinguish different faces confuses the scanning and matching process, resulting in inaccurate display of images. These results imply the need to develop a new standard model not confined to simple pattern repetition and symmetric structure.
Purpose: The purpose of this study is to evaluate the image acquisition ability of intraoral scanners by analyzing the comprehensiveness of scanned images from standardized model, and to identify problems of the model. Materials and Methods: Cast models and 3D-printed models were prepared according to international standards set by ISO12836 and ANSI/ADA no. 132, which were then scanned by model scanner and two different intraoral scanners (TRIOS3 and CS3500). The image acquisition performance of the scanners was classified into three grades, and the study was repeated with varying surface conditions of the models. Results: Model scanner produced the most accurate images in all models. Meanwhile, CS3500 showed good image reproducibility for angled structures and TRIOS3 showed good image reproducibility for rounded structures. As for model ingredients, improved plaster model best reproduced scan images regardless of the type of scanner used. When limited to 3D-printed model, powdered surface condition resulted in higher image quality. Conclusion: When scanning structures beyond FOV (field of view) in standardized models (following ISO12836 and ANSI/ADA 132), lack of reference points to help distinguish different faces confuses the scanning and matching process, resulting in inaccurate display of images. These results imply the need to develop a new standard model not confined to simple pattern repetition and symmetric structure.
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문제 정의
따라서, 본 연구는 위에서 언급한 표준모델을 3D 프린터를 이용하여 제작한 후, 각 표준모델의 재료와 표면 상태에 따라 현재 시판중인 구강스캐너를 이용하여 스캔한 디지털 스캔 이미지를 분석하여 표준모델의 재료 및 형상이 구강스캔 이미지에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고, 이를 바탕으로 구강 스캐너의 정확도를 평가하기 위해 표준모델이 갖추어야 할 기본요건을 도출하며 새로운 표준모델 설정을 위한 방향을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 재료 및 표면 상태에 따른 표준모델을 모델스캐너와 구강스캐너로 스캔하여 획득한 스캔 이미 지를 실제 표준모델 형상과 비교하고자 하였다. 모델 스캐너의 경우 재료 및 표면 상태와 관계없이 샌드블라스팅 처리를 한 3D 프린터 모델의 #3(ID-3D-SB-#3)을 제외하고는 모든 표준 모델에서 완벽한 스캔 이미지를 획득할 수 있었다.
Paul, USA)를 이용해 채득 후 임플란트와 크라운 브릿지 다이의 용도로 쓰이는 초경석고(Die stone premium, SNOW ROCK, Dk Mungyo Corporation, Gimhae, Korea)를 부어 특상의 강도세기를 가지는 프리미엄 초경석고 표준모델을 제작 하였다. 표준모델의 재질 차이에 따른 각 스캐너의 이미 지의 재현 정도를 비교하기 위해 제작 하였다. Fig.
제안 방법
3D 프린터로 제작한 표준모델을 기반으로 하여 음영 인상재로 정밀성이 뛰어난 Heavy body type의 Putty (Express STD Putty, 3M ESPE, St. Paul, USA)를 이용해 채득 후 임플란트와 크라운 브릿지 다이의 용도로 쓰이는 초경석고(Die stone premium, SNOW ROCK, Dk Mungyo Corporation, Gimhae, Korea)를 부어 특상의 강도세기를 가지는 프리미엄 초경석고 표준모델을 제작 하였다. 표준모델의 재질 차이에 따른 각 스캐너의 이미 지의 재현 정도를 비교하기 위해 제작 하였다.
각각의 스캐너에서 획득 된 스캔 이미지들에 대한 비교는 실제 표준모델을 비교 기준으로 설정하고 각각의 스캔 이미지가 실제 표준모델의 형상을 재현하는 정도를 Table 2에서 보는 바와 같이 A, B, C 세 등급으로 분류하여 정성적으로 비교 분석하였다. 이미지 정합프로그램을 이용한 정확도 분석을 시도하였으나 구강스캐너를 이용 하여 스캔을 실시하였을 때, 표준모델의 원래 형상을 유지하지 못하고 다른 형태의 스캔이미지가 생성되는 경우가 다수 발생하여 이미지 정합프로그램을 이용한 비교 분석이 불가능하여 부득이하게 정성적인 평가를 통해 각 스캐너의 이미지 재현 정도를 비교하였다.
ISO 12836 표준에서 제시하고 있는 인레이 형태 시편과 계속가공의치 형태 시편, 미국치과의사협회 표준 (ANSI/ADA Standard) 132번에서 제시하고 있는 크라운 형태 시편과 인레이 형태 시편을 평가모델로 채택하였다. 모델 제작은 CAD 프로그램인 Solidworks 2016(Dassault Systems, Paris, France)을 사용하여 국제표준에서 제시하고 있는 설계데이터를 참고하여 디자인하였으며, stereolitho-graphy (STL) 파일 추출 후 Ultra Violet (UV) 레이저 빛을 광경화성 수지의 표면에 조사하여 적층 제작 방식의 대형광경화조형기 RS Pro 600 (Shanghai 3D Union Tech, Shanghai, China) 3D 프린터를 이용하여 3D 프린팅 표준 모델을 제작하였다. 3D 프린팅에 사용된 재료는 Acrylonitile Poly-Butadiene Styrene (ABS) Plastic (Somos GP Plus 14122, DSM, Shanghai, China) 을 사용하였다.
연구에 사용 된 스캐너는 촬영 된 영상을 순차적으로 결합하여 3차원 형상으로 제작하는 카메라 방식의 CS3500 (Carestream Health, Atlanta, USA) 과 공초점의 원리에 의해 구동되며 실시간 렌더링 방식을 이용한 동영상 촬영 방식의 TRIOS3 (3Shape, Copenhagen, Denmark)를 이용하여 촬영을 진행하였다. 술자의 숙련도에 따른 스캔 결과 차이를 피하기 위해 9년의 임상 경력과 그 중 4년 이상의 구강스캐너 사용 경험이 있는 1 명의 전담 치위생사가 모든 촬영을 진행하였다. 표준모델에 대한 스캔은 점착제로 표준 모델 바닥면을 고정 시킨 뒤 제조사의 지시에 따라 수동으로 스캔하였으며 스캔이 완료된 후 스캔이 정확하게 되지 않았다고 판단된 부위는 추가로 스캔을 진행하여 5개의 스캔이미지 파일을 획득하고, 그 중 가장 많은 영역을 표현하고 있는 최상의 이미지를 첨부 하였다.
실험을 효율적으로 서술하고 용어의 혼선을 막기 위해 각각의 스캔 이미지의 분류를 약어로 지정하는 작업을 선행하였다. 예를 들어, 모델스캐너인 IDENTICA 스캐너로 3D 프린팅 한 후 파우더로 표면 처리한 ANSI/ADA 132 표준의 크라운 형태의 시편을 촬영 하여 얻은 스캔 데이터는 ID-3D-PO-#1로 지칭하였다.
본 연구에서는 모델 스캐너로는 IDENTICA Hybrid (MEDIT, Seoul, Korea)를 사용하여 스캔 이미지를 획득 하였고, 구강 스캐너는 구동방식이 서로 다른 두 가지 스캐너를 사용하였다. 연구에 사용 된 스캐너는 촬영 된 영상을 순차적으로 결합하여 3차원 형상으로 제작하는 카메라 방식의 CS3500 (Carestream Health, Atlanta, USA) 과 공초점의 원리에 의해 구동되며 실시간 렌더링 방식을 이용한 동영상 촬영 방식의 TRIOS3 (3Shape, Copenhagen, Denmark)를 이용하여 촬영을 진행하였다. 술자의 숙련도에 따른 스캔 결과 차이를 피하기 위해 9년의 임상 경력과 그 중 4년 이상의 구강스캐너 사용 경험이 있는 1 명의 전담 치위생사가 모든 촬영을 진행하였다.
각각의 스캐너에서 획득 된 스캔 이미지들에 대한 비교는 실제 표준모델을 비교 기준으로 설정하고 각각의 스캔 이미지가 실제 표준모델의 형상을 재현하는 정도를 Table 2에서 보는 바와 같이 A, B, C 세 등급으로 분류하여 정성적으로 비교 분석하였다. 이미지 정합프로그램을 이용한 정확도 분석을 시도하였으나 구강스캐너를 이용 하여 스캔을 실시하였을 때, 표준모델의 원래 형상을 유지하지 못하고 다른 형태의 스캔이미지가 생성되는 경우가 다수 발생하여 이미지 정합프로그램을 이용한 비교 분석이 불가능하여 부득이하게 정성적인 평가를 통해 각 스캐너의 이미지 재현 정도를 비교하였다.
파우더 처리는 IP Scan-Spray (IP-Division, Haimhausen, Germany)를 이용하여 입자가 분사되는 노즐의 끝부분이 시편에서 40 - 60 mm의 거리로 수직으로 위치되게 한 후 수동으로 균일하게 분사하였으며, 샌드블라스팅 처리는 Eazimill (Vericom, Anyang, Korea)을 사용하여 입자가 분사되는 노즐의 끝부분이 시편에서 수직으로 20 mm 떨어진 거리에 위치시킨 후, 50 μm (Glass bead)의 입자를 4.0 bar의 압력 하에서 15초간 분사하여 표면처리를 실시하였다.
술자의 숙련도에 따른 스캔 결과 차이를 피하기 위해 9년의 임상 경력과 그 중 4년 이상의 구강스캐너 사용 경험이 있는 1 명의 전담 치위생사가 모든 촬영을 진행하였다. 표준모델에 대한 스캔은 점착제로 표준 모델 바닥면을 고정 시킨 뒤 제조사의 지시에 따라 수동으로 스캔하였으며 스캔이 완료된 후 스캔이 정확하게 되지 않았다고 판단된 부위는 추가로 스캔을 진행하여 5개의 스캔이미지 파일을 획득하고, 그 중 가장 많은 영역을 표현하고 있는 최상의 이미지를 첨부 하였다.
3D 프린팅에 사용된 재료는 Acrylonitile Poly-Butadiene Styrene (ABS) Plastic (Somos GP Plus 14122, DSM, Shanghai, China) 을 사용하였다. 표준모델의 표면 상태에 따른 비교를 위해 파우더 처리와 샌드블라스팅 처리를 실시하였다. 파우더 처리는 IP Scan-Spray (IP-Division, Haimhausen, Germany)를 이용하여 입자가 분사되는 노즐의 끝부분이 시편에서 40 - 60 mm의 거리로 수직으로 위치되게 한 후 수동으로 균일하게 분사하였으며, 샌드블라스팅 처리는 Eazimill (Vericom, Anyang, Korea)을 사용하여 입자가 분사되는 노즐의 끝부분이 시편에서 수직으로 20 mm 떨어진 거리에 위치시킨 후, 50 μm (Glass bead)의 입자를 4.
대상 데이터
3D 프린팅에 사용된 재료는 Acrylonitile Poly-Butadiene Styrene (ABS) Plastic (Somos GP Plus 14122, DSM, Shanghai, China) 을 사용하였다.
ISO 12836 표준에서 제시하고 있는 인레이 형태 시편과 계속가공의치 형태 시편, 미국치과의사협회 표준 (ANSI/ADA Standard) 132번에서 제시하고 있는 크라운 형태 시편과 인레이 형태 시편을 평가모델로 채택하였다. 모델 제작은 CAD 프로그램인 Solidworks 2016(Dassault Systems, Paris, France)을 사용하여 국제표준에서 제시하고 있는 설계데이터를 참고하여 디자인하였으며, stereolitho-graphy (STL) 파일 추출 후 Ultra Violet (UV) 레이저 빛을 광경화성 수지의 표면에 조사하여 적층 제작 방식의 대형광경화조형기 RS Pro 600 (Shanghai 3D Union Tech, Shanghai, China) 3D 프린터를 이용하여 3D 프린팅 표준 모델을 제작하였다.
본 연구에서는 모델 스캐너로는 IDENTICA Hybrid (MEDIT, Seoul, Korea)를 사용하여 스캔 이미지를 획득 하였고, 구강 스캐너는 구동방식이 서로 다른 두 가지 스캐너를 사용하였다.
성능/효과
본 연구를 통해 현재 스캐너의 정확도 평가를 위해 제정되었거나 추진 중에 있는 국제표준모델은 단순한 패턴의 반복 및 대칭 구조를 가지고 있어서 스캐너의 정확도 평가, 특히 구강스캐너의 평가를 위해서는 부적합한 모델이라는 것을 알 수 있었다. 구강스캐너의 정확도를 하기 위한 새로운 모델은 단순한 구조이지만 비대칭적이고 일정한 패턴을 가지지 않는 구조이어야 할 것이고 구강 스캐너의 FOV 안에 포함될 수 있는 적절한 크기를 가져야 한다는 것을 발견하였다. 현재 이러한 결과를 바탕으로 본 연구실에서는 다양한 형태, 크기의 모델을 디자인 하여 실험을 진행하고 있는 중에 있다.
파우더 표면 처리를 한 표준 모델이 샌드블라스팅 처리를 한 표준 모델보다 우수한 스캔 이미지 획득이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 모델스캐너에 비해 FOV 범위가 좁은 구강스캐너에서는 스캔 범위가 넓은 고정성 보철물 형태의 표준 모델인 #4를 제대로 인식하지 못한다는 것을 확인하였다.
본 연구를 통해 현재 스캐너의 정확도 평가를 위해 제정되었거나 추진 중에 있는 국제표준모델은 단순한 패턴의 반복 및 대칭 구조를 가지고 있어서 스캐너의 정확도 평가, 특히 구강스캐너의 평가를 위해서는 부적합한 모델이라는 것을 알 수 있었다. 구강스캐너의 정확도를 하기 위한 새로운 모델은 단순한 구조이지만 비대칭적이고 일정한 패턴을 가지지 않는 구조이어야 할 것이고 구강 스캐너의 FOV 안에 포함될 수 있는 적절한 크기를 가져야 한다는 것을 발견하였다.
또한, 같은 재질의 3D 프린터 모델에서도 표면 처리를 어떻게 하는가에 따라 상이한 결과를 보였다. 파우더 표면 처리를 한 표준 모델이 샌드블라스팅 처리를 한 표준 모델보다 우수한 스캔 이미지 획득이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 모델스캐너에 비해 FOV 범위가 좁은 구강스캐너에서는 스캔 범위가 넓은 고정성 보철물 형태의 표준 모델인 #4를 제대로 인식하지 못한다는 것을 확인하였다.
하지만 구강스캐너에서는 표준모델의 재질과 표면 상태, 구강스캐너의 구동방식에 따라서 스캔 이미지 획득에 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 표준모델을 제작 하는 재료에 따른 결과로 유추해볼 때, 표면의 빛 반사가 발생하는 3D 프린터 모델보다는 초경석고로 만든 표준 모델에서 보다 우수한 스캔 이미지를 획득 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 같은 재질의 3D 프린터 모델에서도 표면 처리를 어떻게 하는가에 따라 상이한 결과를 보였다.
후속연구
현재 이러한 결과를 바탕으로 본 연구실에서는 다양한 형태, 크기의 모델을 디자인 하여 실험을 진행하고 있는 중에 있다. 결과적으로 새로운 형태의 표준 싱글 모델을 개발하고 이를 더욱 발전시켜 싱글 모델뿐만 아니라 고정성 보철물 모델, 전악 모델을 반영하고 구강스캐너로 스캔을 할 수 있는 표준모델이 제시되어야 할 것이다.
CS3500의 경우 #3 인레이 모델과 같이 각지고 반복적인 패턴의 형상을 스캔 할 때, 비교적 좁은 FOV와 분할상 자동 캡처 방식의 결합으로 단순해 보이는 형상의 모델에서 적절한 기준점을 찾아내어 완벽한 형상의 재현은 아니지만 비디오 방식의 TRIOS3 보다 우수한 스캔 이미지를 얻을 수 있었다고 판단된다. 본 연구에서 구강스캐너를 통한 스캔 시, 표준모델의 원래 형상을 유지하지 못하고 다른 형태의 스캔이미지가 생성되는 경우가 다수 발생하여 이미지 정합프로그램을 이용한 정량적 비교분석이 불가능하여 부득이하게 정성적인 평가를 통해 각 스캐너의 이미지 재현 정도를 비교한 것은 본 연구의 아쉬운 점이라 할 수 있겠다.
이러한 구조는 좁은 FOV를 가지는 구강스캐너로 표준 모델을 스캔 할 때 서로 다른 면 혹은 다른 구조물이라는 것을 구분하는 기준점이 불분명하게 되어 연속적인 스캔동작과 이미지 정합 과정에서 차이를 구분해 내지 못하고 최종 정합 시 오류를 일으켜 이미지 품질에 악영향을 미친다고 판단된다. 치과 임상용 스캐너의 목적으로 개발된 구강스캐너의 특성상 각기 다른 형상을 띄고 있는 치아의 모습을 재현하기 위해 고안되었기 때문에 기존의 표준 모델을 스캔 할 때 이러한 오류가 발생 한다고 여겨지며 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 표준모델의 개발이 필요하다고 여겨진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 치과 진료는 어떠한 방식으로 이루어 지는가?
이러한 단점들을 보완하기 위해 1970년대 초 Duret 등 1 의 여러 연구자들에 의해 소개된 디지털 Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacture (CAD/CAM) 시스템에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 현재 치과 진료는 기존의 수작업 아날로그방식과 컴퓨터를 이용하여 치과 보철물을 제작하는 CAD/CAM 시스템을 활용 하는 디지털방식의 치과진료가 병행되어 이루어지고 있으며, 점차 디지털방식만을 이용하는 치과진료 및 치과 보철물 제작방식으로 옮겨가고 있는 과도기에 있다고 볼 수 있다. 2-4 이러한 디지털 치과 CAD/CAM 시스템을 이루는 구성요소로 구강스캐너를 통한 구강데이터의 3차원 스캐닝, CAD 프로그램을 통한 3차원 스캐닝 결과물의 디자인 그리고 최종보철물을 제작하는 CAM 과정으로 구성된다고 할 수 있다.
현재까지 치과보철물의 제작은 어떻게 이루어졌는가?
아날로그 시대에서 디지털 시대로의 변화와 기술의 발전은 치과영역에서의 치과 보철물 제작 시스템의 변화에도 많은 영향을 미치고 있다. 최근까지 치과보철물의 제작은 아날로그 방식으로 인상을 채득하여 모형을 직접 제작하는 작업방식에 의존해왔다. 이러한 시스템은 지난 수십 년간 이용되어 왔으며, 현재까지도 많은 부분에서 이용되고 있다.
아날로그 방식의 치과보철물 제작의 단점은?
이러한 시스템은 지난 수십 년간 이용되어 왔으며, 현재까지도 많은 부분에서 이용되고 있다. 하지만 이러한 수작업에 의존하는 방식은 기공물 제작과정에서 개인의 역량차이, 수작업에 따른 오차 등과 같은 여러 가지 요인에 의해 최종보철물의 품질이 일정하지 않다는 단점들이 제기되고 있다. 이러한 단점들을 보완하기 위해 1970년대 초 Duret 등 1 의 여러 연구자들에 의해 소개된 디지털 Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacture (CAD/CAM) 시스템에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다.
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