Abstact
In the last two decades, exciting new developments in dental materials and computer technology have led to the success of dental computer aided design/computer aided manufacturing (CAD/CAM) technology. Surface digitization devices continue to be improved. The possibility of digitizing free form objects, such as teeth, allows the accurate measurement of small changes. A dental CAD/CAM scanner can be based on contact or non-contact methods where three-dimensional images are captured. However, it is important to establish the accuracy and precision of the digitization device. Therefore, this article describes a mechanism of dental scanners operation and comparison of accuracy and repeatability for each scan system, and then suggests suitable choice of dental scanner.
서론
최근 디지털 기술의 발달과 CAD/CAM system의 도입은 치과용 인상재를 통한 인상채득 후 수작업을 행하는 전통적인 아날로그 제작방식에 많은 변화를 가져오게 했다. 이런 기존 보철물의 제작방식의 변화는 dental zirconia의 발견과 dental 스캐너의 개발로 인해 더욱 가속화의 길을 걷게 되었다.
특히 dental 스캐너는 치과기공 업무가 아날로그에서 디지털로 변화하는 시발점이기도 하다. 이러한 이유로 치과기공사에게 단순한 수작업을 줄여주고 정확한 구강환경의 재현을 제공하는 dental 스캐너에 대해 전반적인 개요와 정밀성에 대해 논하고자 한다.
본론
치과 보철물의 제작에서 가장 중요한 과정은 정확한 구강 환경의 획득이다. 환자의 인상체에 석고를 부어 양형을 만들고 이것을 dental 스캐너로 스캐닝하여 3차원 표면을 컴퓨터에 이미지화함으로써 CAD작업을 시작할 수 있다.
현재 시판되고 있는 dental 스캐너의 스캐닝 방식은 크게 광학식(laser, white light)과 접촉식(touch probe)으로 두 가지가 존재한다. 따라서 각 스캐닝 방식의 원리와 장단점은 무엇이고, 구강 환경을 재현하는 정밀성에는 차이가 없는지 알아보도록 하겠다.
1. 접촉식
접촉식 3차원 스캐너는 탐촉자로 불리는 작은 볼(touch probe)을 이용한다. 측정하고자 하는 물체에 직접 볼을 닿게 하여 기계적으로 선(line-by-line)들을 인식하고 볼이 주는 위치 값과 3축에서 주는 좌표 값을 환산하여 정보를 획득함으로써 3차원 구조를 측정한다.
공업용으로는 CMM(Coordinate Measuring Machine)이 대표적인 방식으로 대부분의 제조업에 오래 전부터 이 방식이 활용되어 왔고, 치과용 스캐너로는 Nobel Biocare사의 Procera 스캐너가 유일한 형태이다(그림 1).
접촉식 스캐너의 큰 장점은 직접 물체에 접촉하여 모든 측정점을 획득하기 때문에 정확도가 우수하다는 것이다. 그러 나 대상물의 표면에 접촉을 해야 하므로 물체에 변형이나 손상을 줄 수 있고, 둥근 touch probe 때문에 예리한 첨각을 측정하는 데 한계가 있다. 또 다른 단점은 다른 방식에 비해 측정 속도가 느리다는 것이다. 고성능의 공업용 CMM조차도 수백 hertz(초당 측정점수)에 불과하다.
이에 반해 비접촉식 스캐너인 레이저 스캐너의 경우 10~500kHz에 이르며, 백색광(Structured light) 방식의 경우에는 3MHz에 이르는 제품까지 개발되었다.
2. 광학식
1) 레이저 방식
20여 년 동안 광원을 이용한 삼각측량(Triangulation)은 데이터를 얻는 데 가장 일반적인 방법 중 하나다. 기본적인 원리는 구하고자 하는 치수를, 알 수 있는 삼각형상의 치수를 이용하여 구하는 것이다.
그림 2와 같이 나무의 높이 Y는 앞에 세워놓은 막대기의 높이와 거리에 대한 정보들만 있으면 다음과 같은 공식으로 나무의 높이를 쉽게 알 수 있다. 이 같은 원리로 그림 3의 (a)는 센서에서 나오는 레이저 빔이 3차원 형상에 닿았을 때에 모습이다. 그림 3의 (b)는 3차원 형상에 닿은 레이저빔이 측정 파라미터인 CCD(Charge Coupled Device) Array의 눈금에 닿아 레이저와 렌즈 초점의 길이 ‘w’와의 거리인 ‘h’를 알 수 있게 된다.
이렇게 사용되는 삼각측량법은 광원의 구조(point, stripe, multi-point or multi-stripe)와 스캐닝 방법(move the object or move the hardware)에 따라 다양하다. 광원으로 포인트 레이저를 이용할 경우 물체의 표면의 포인트로 스캔이 되고 이를 바탕으로 정확한 거리가 계산된다. 동시에 레이저 투영 줄무늬(laser projecting stripes)를 이용하여 물체의 정확한 면적을 측정한다.
그러나 스캐닝 영역이 넓으면 넓을수록 시간이 오래 걸리거나 스캐닝하지 못하는 부분이 생겨날 수 있다는 단점을 가진다. 대표적인 치과용 레이저 스캐너는 3shape 회사의 D500~810 시리즈가 있다(그림 4).
2) 백색광 방식
백색광 방식 스캐너는 특정 패턴을 물체에 투영하고 그 패턴의 변형 형태를 파악해 3차원 정보를 얻어낸다. 여기에 사용되는 방식은 공간부호화법, 모아레법, PMP법 등 여러 가지가 있는데, 치과용 스캐너에서는 공간부호화법이 널리 대중화 되어 있고, Medit 사에서 만들어진 Identica가 대표적이다(그림 5).
이 방법에서는 세미나 시간에 사용되는 영사광학계에 액정소자 또는 필름 등을 넣어서 이를 측정대상물에 영사하는데, 영사되는 이미지 패턴은 그림 6과 같이 나타나 있다. 처음에는 큰 폭의 격자를 사용하고, 다음에는 폭을 1/2씩 줄여가면서 여러 차례에 걸쳐 영사하게 된다. 이렇게 영사된 여러 장의 이미지에서 빛이 맞았는지(ON), 차단되었는지(OFF)를 순차적으로 따져서 몇 번째 슬릿광인 지를 파악한다.
이것 역시 삼각측량법을 이용해 데이터 값을 측정한 뒤, 여러 방향에서 얻어진 원근의 이미지를 합하여 최종 3-D 데이터를 완성한다. 이러한 방식의 최대 장점은 그 측정 속도에 있다. 한 번에 한 점씩 스캔하는 게 아니라, 전체 촬상영역(Fied of View, FOV) 전반에 걸려 있는 모든 피사체의 3차원 좌표를 한번에 얻어낼 수 있다.
이점 때문에 모션장치의 진동에 의한 정확도 손실을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라 매우 신속하게 스캔할 수 있다. 하지만 외부의 광간섭과 측정물 표면의 난반사 영향을 받기 때문에 주의를 기울여야 한다.
3. 재현성의 차이
그렇다면 각각의 스캔 방식에 따라 정밀성과 안정성에 대한 차이는 없는 것일까?
그렇지만은 않다. Anna Persson et al.의 연구에서는 touch probe 스캐너와 laser 스캐너를 가지고 여러 종류의 die를 각각 반복적으로 스캔했다. 그리고 처음 스캔된 3-D 데이터 영상과 나중에 스캔된 각각의 3-D 데이터 영상들을 겹침(그림 8)으로써, 스캐너가 똑같은 물체에 대해 얼마나 안정적으로 스캔을 할 수 있는지 실험했다. 그 결과는 touch probe 방식이 laser 방식보다 조금 더 정밀하고 안정적인 것으로 나타났다(그림 9).
그럼에도 불구하고 스캔의 정밀성과 안정성이 높다고 우수한 스캐너라고는 말하기 어렵다. 임상에서는 스캔의 속도 또한 매우 중요하기 때문이다. 스캔 속도가 빠를수록 더 많은 3-D 데이터를 획득할 수 있고, 그만큼 많은 양의 보철물도 생산 가능하기 때문이다.
결론
Dental 스캐너의 발달은 많은 사람들의 손과 발을 대신하여 정확하고 심미적인 치과 보철물 제작의 디지털화를 이끌었다. 앞서 보았듯이 접촉식, 레이저, 백색광 방식의 작동 원리에 따라 각각의 뚜렷한 장단점을 알 수 있었다. 이러한 것들을 충분히 고려한 후 자신의 기공소나 센터 상황에 적합한 스캐너를 선택함으로써 정교하고 신속한 치과 보철물 제작에 기여할 수 있다.
한편, 비교적 근래에 치과용 백색광 스캐너가 개발되었기 때문에, 이에 대한 연구는 매우 미흡한 편이다. 따라서 기존의 접촉식, 레이저 스캐너의 연구와 더불어 백색광 스캐너의 정밀성과 안정성에 대한 비교 연구도 앞으로 더 필요하다고 생각된다.
* 여기에 게제된 그림은 각 제조회사의 소개책자와 참고문헌 등으로부터 발췌한 것입니다.
References
1. Anna Persson. A three-dimensional evaluation of a laser scanner and a touch-probe scanner. The journal of prosthetic dentistry. 2006(95):194-200
2. Anna S.K. Persson. Computer aided analysis of digitized dental stone replicas by dental CAD/CAM technology. Dental materials, 2008(24):1123-1130
3. Heike Rudolph. Computer-aided analysis of the influence of digitizing and surfacing on the accuracy in dental CAD/CAM technology. Computer in biology and medicine. 2007(37):579-587
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5. Jae-hong Kim. In-office CAD/CAM technology: Digital work flow. Zero. 2011(8)
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