수종의 구강 스캐너로 채득된 디지털 인상의 정확도에 관한 연구:
ADA 132 표준 평가모형을 이용

서 론

최근 디지털 치의학의 도입으로 산업에 쓰이던 CAD/CAM system이 치과분야에 적용되었고, 이러한 시스템은 기존의 방식보다 간편하고 빠르게 보철물을 제작 할 수 있으며, 또한 다양한 형태의 보철물을 대량 생산할 수 있게 되었다(Kim and Lee, 2015; Strub et al, 2006). 특히, 최근에는 구강스캐너가 개발되어 치과용 인상재를 이용한 전통적인 인상채득 대신 디지털 인상채득법이 성행하고 있는 실정이다(Fasbinder DJ, 2010; Kim et al, 2015). 치과용 구강 스캐너는 치과진료실에서 환자 구강 내 환경을 전통적인 치과재료를 활용한 인상채득법이 아닌 직접적인 촬영기법을 통해 지대치 형태 등의 정보를 수집하는 디지털 인상채득 기자재이다(Silva JSAE et al, 2014). 신속, 간편한 치과용 디지털 인상채득으로 환자와 술자간의 편의성 증대시킬 수 있으며, 치과보철물 제작을 위한 치과용 CAD/CAM system의 핵심기술이다(Van der Meer WJ et al, 2012; Patel N, 2010). 일반적으로 3차원 구강스캐너의 스캐너 본체와 더불어 스캔한 이미지를 구현하고 원하는 보철물 제작을 3D 프로그램 상에서 작업할 수 있도록 하는 CAD 디자인 소프트웨어로 구분 된다(Logozzo S et al, 2014). 치아가 상실된 환자의 보철물 제작은 인상채득으로부터 시작하고, 다양한 재료와 방법의 인상채득으로부터 시작된 보철물의 제작은 환자맞춤형 보철물을 제공할 수 있는 가장 기초적인 단계인데, 이러한 부분 역시 구강스캐너를 통해 digital dentistry로 대체 되어가고 있는 것이다.

이러한 디지털 치의학의 흐름에 따라 구강스캐너의 임상에서의 사용도 증가하고 있는 실정인데, 구강스캐너의 핵심 기술은 정확도와 정밀도에 기인한다(Van der Meer WJ et al, 2012; Patzelt SBM et al, 2014). 구강스캐너의 정밀도와 정확도의 평가를 통해 임상에서의 인상채득 오차를 줄일 수 있는 방법을 고안할 수 있으며 이러한 오차들의 감소는 환자맞춤형 보철물 제작의 성공과 실패를 결정지을 수 있는 중요한 요소이기 때문이다(Patzelt SBM et al, 2014).

그렇기 때문에 최근에 많은 연구자들로부터 구강스캐너의 평가연구가 많이 이루어지고 있다(Andriessen FS et al, 2014). 하지만, 구강스캐너의 정밀도와 정확도에 대한 평가방법이 연구자들마다 다르며(Lin et al, 2015; Park et al, 2012), 다양한 평가모델들을 통해서 정밀도와 정확도가 측정되고 있기 때문에 결과해석에서 차이가 있을 수 있다고 사료된다. 이러한 관점에서 구강스캐너의 정밀도와 정확도를 평가하는 표준모델의 연구와 개발이 필요한 실정이다.

이에 본 연구의 목적은 치과 임상 분야에서 사용되고 있는 구강스캐너의 정확도 및 정밀도를 비교평가방법의 표준화를 위하여 문헌고찰을 통한 적정한 평가모델의 선정과 현재 임상에서 활발히 사용되고 있는 다양한 구강스캐너의 비교평가를 통해 모델 표준화 가능성을 알아보고자 하는 것이다.

재료 및 방법

1. ADA 표준 모델 제작

ADA 132 표준(ADA/ANSI Standard No. 132, 2015)에 제시되어 있는 단일치아 크라운과 인레이 와동이 형상화 된 모형을 평가모형으로 채택하였고, 모델 제작을 위한 전체적인 과정은 ADA 132 표준에 의거하여 CNC 가공 방법을 이용하여 제작하였다. 이 때, 제작된 평가모형의 재질은 구강 스캐너 및 모델 스캐너를 통해 평가되는 동안 안정적이고, 사용자 조작에 의한 마모에 견딜 수 있는 재료인 스테인레스-스틸 재질로 제작했다. 선행연구의 결과를 기반으로 50 μm의 sand-blasting 처리를 통해 스캐너의 광원을 통한 모델의 빛 반사율을 최소화 시켜 금속모델이 스캔 될 수 있도록 하였다(Cho et al, 2015)(Fig. 1).

Figure 1.

Inlay and crown models by ADA 132 standard model.

4. 표준모형 측정

ADA 132 규격에서 제시하는 평가모형 중 단일치아 크라운 모형은 규격에서 제시한 대로, 지대지를 형상화한 원기둥 기하학형태의 윗지름(Top diameter), 아래 지름(Base diameter), 그리고 높이(Height)를 총 30회 측정하여 각각의 구강스캐너를 이용하여 비교 평가하였고 참값을 기준으로 비교평가 하였다. ADA 132 규격에서 제시하는 평가모형 중, 인레이 모형은 규격에서 제시한 대로, 와동을 형상화한 기하학형태의 윗지름(Top diameter), 아래 지름(Base diameter), 그리고 깊이(Depth)를 총 30회 측정하여 각각의 구강스캐너를 이용하여 비교 평가하였고, 참값을 기준으로 비교평가 하였다 (Fig. 2).

Figure 2.

Schematic diagrams of inlay and crown models ADA 132 standard models

결 과

1. ADA 132 인레이 모형에 대한 구강스캐너 정밀도 및 정확도 측정 결과

ADA 132의 인레이 모형에 대한 평가 결과들을 참값과 비교하였을 때, 모델스캐너와 구강스캐너를 이용한 인상 채득법으로 측정된 결과들 간에 차이는 없었다(Table 1). 또한, 4가지 구강스캐너를 이용하여 ADA 132 인레이 모형의 30번 반복측정을 통해 평가한 윗지름(Top diameter)의 진도(Trueness) 범위는 0.04에서 0.23, 아래 지름(Base diameter)의 진도범위는 0.01에서 0.31, 그리고 깊이(Depth)의 진도범위는 0.06에서 0.22로 비교적 고른 진도분포 범위를 나타내었으나, 모델스캐너의 정확도와 정밀도가 4 종류의 구강스캐너보다 좋았으며, 4 가지 구강스캐너 중에서도 특히 CS3500과 Omnicam이 각각 정확도와 정밀도 측면에서 높은 결과를 보였다. 또한 ADA 132의 단일치아 인레이 모형에 대한 참값과 수종의 스캐너를 이용하여 측정된 결과 값의 차이에 대한 일원배치분석 (one-way ANOVA) 시행결과, 모든 실험군에 대하여 모든 지점에서 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며, 사후검정 결과 4종의 구강스캐너는 각 제품별 유의한 차이를 나타냈으나, 모델스캐너와는 적정수준의 정확성은 확보되지 않았다(p<0.05).

Table 1.

Comparison of accuracy and precision for the inlay model of the ADA 132 standard

2. ADA 132 단일치아 크라운 모형에 대한 구강스캐너 정밀도 및 정확도 측정 결과

ADA 132의 단일치아 크라운 모형에 대한 평가결과들을 비교하였고, 참값에서 측정된 데이터의 평균값(정확도)의 차이에 대한 절대값을 진도로 평가하였다(Table 2). ADA 132의 단일치아 크라운 모형에 대한 평가결과들을 참값과 비교하였을 때, 모델스캐너와 구강스캐너를 이용한 인상 채득법으로 측정된 결과들 사이에 현저한 차이는 없었다. 또한, 4가지 구강스캐너를 이용하여 ADA 132 단일치아 크라운 모형의 30번 반복측정을 통해 평가한 윗지름(Top diameter)의 진도 범위는 0.01에서 0.29, 아래 지름(Base diameter)의 진도범위는 0.02에서 0.20, 그리고 높이(Height)의 진도 범위는 0.03에서 0.21로 비교적 고른 진도분포 범위를 나타내었나, 모델스캐너의 정확도와 정밀도가 4종류의 구강스캐너보다는 좋았으며, 4가지 구강스캐너 중에서도 특히 CS3500과 Omnicam이 각각 정확도와 정밀도 측면에서 높은 결과를 보였다. 또한 ADA 132의 단일치아 크라운 모형에 대한 참값과 수종의 스캐너를 이용하여 측정된 결과값의 차이에 대한 일원배치분석(one-way ANOVA) 시행결과, 모든 실험군에 대하여 모든 지점 에서 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며, 사후검정 결과 4종의 구강스캐너는 각 제품별 유의한 차이를 나타냈으나, 모델스캐너와는 적정수준의 정확성은 확보되지 않았다(p<0.05).

Table 2

Comparison of accuracy and precision for the single tooth crown model of the ADA 132 standard

고 찰

본 연구에서는 구강스캐너 및 모델스캐너의 정확도와 정밀도를 객관적으로 평가하기 위하여 공신력 있는 표준모델을 설정하기 위하여 노력하였으며, ADA 132 표준에서 제시하는 단일치아 크라운 및 인레이 형상화 표준모형을 본 연구의 평가모형으로 선정하였다. 본 연구를 위한 예비실험에서는 석고, 테플론 등 다양한 재질로 제작된 평가모델들을 고안하였으며 재질에 따른 치과용 스캐너를 통한 모형의 피 스캔능력을 평가하였다. 본 연구에서는 다루지 않았지만, 상대적으로 금속재질로 제작된 평가모델의 경우 석고와 테플론으로 제작된 모델보다는 피 스캔능력이 떨어지는 것을 확인할 수 있었으며 이는 스캐너로부터 발광된 빛의 반사 때문으로 사료되었다. 하지만, 재료의 강도나 제작을 위한 절삭 도구의 접근 용이성을 가지고 평가했을 때 금속 재질로 제작된 ADA 132 모델을 제작하였고, 빛 반사를 최소화시키기 위하여 표면 거칠기를 일정하게 형성시켜주어 ADA 132 의 평가모형을 제작하여 본 연구에 적용하였다.

정확도와 정밀도 평가 방법은 4가지 평가 모형들을 30번 반복 측정하여, 평가모형의 특정 기준점들로부터 제한된 거리, 높이, 각도 등을 평가하였고, 평가 모형의 참값은 공인된 시험평가센터에서 측정된 참값을 기준으로 평가하였다. 또한, 다양한 구강스캐너의 정확도를 평가하기 위하여 모델스캐너와의 비교가 필요했으며, 이를 통해 축을 바탕으로 피사체를 측정하는 모델스캐너와 피사체의 모양을 인지하여 스캔 이미지를 중첩시켜 데이터를 채득하는 구강스캐너와의 비교평가를 할 수 있었다. 본 연구에 적용된 두 개의 규격에서 제시된 모형은 도면에 의거하여 모형을 제작했지만 절삭가공 밀링 툴에 대한 제작한계가 존재하기 때문에 정확한 길이가 재현되기 쉽지 않았다.

본 연구에서 4가지 구강스캐너를 사용하여 평가모형을 측정하고 데이터에 대한 분석 측면에 있어서는 파일 변환에 대한 연구 한계가 존재했다. 특히, Bluecam과 Omnicam의 측정된 파일 공유 방식은 폐쇄형의 데이터이기 때문에 STL 파일로 변환할 시, 중간단계에 다른 변환 소프트웨어를 사용하여 파일을 STL로 변환시켜야 했다. 이 과정에서 데이터의 오차가 발생할 여지가 다른 구강스캐너 보다 상대적으로 증가하기 때문에 표준편차가 크기 나타났을 가능성도 배제 할 순 없다(Nie Q and Lin JX, 1999). 또한 본 연구에서는 실험군으로 표준화된 모형을 체외(In-vitro)에서 사용하였지만, 실제 임상에서는 환자의 구강 내부(In-vivo)를 스캔할 때는 체적이 좁고 구강 구조물들이 서로 가까이 위치해 있기 때문에 스캔과정이 용이하지 않을 것으로 판단된다(Kim et al, 2016). 구강의 내부는 매우 협소하여 스캐너의 자유로운 이동 및 각도 변경에 상당한 제한을 받기에 정확성 디지털 인상을 얻기가 더욱 어려워진다. 따라서 본 실험 결과의 일반화에는 일정정도의 한계를 내포한다.

구강 스캐너는 치과시장에 본격적으로 접목되고 있으며, 치의학의 미래에 큰 영향을 줄 수 있는 신개념 첨단기술이다. 주요 장점은 의사가 구강에 소형 카메라를 사용하여 환자 치아의 3차원 이미지를 만들 수 있는 것이다(Kim et al, 2014). 이 방법으로 치과에서의 느리고 안정적이지 못한 전통적 인상 채득 방식에서 벗어나 정확한 모형 제작으로 환자에게는 적합도 높은 보철물을 제공할 수 있어 앞으로 임상적용 범위가 확대될 것으로 내다 볼 수 있다. 어떤 상황에서도 술자의 숙련도와 상관없이 일정한 결과가 나올 수 있는 정확성 부분과 구강 스캐너의 정밀도, 반복재현성의 연구 데이터가 보다 심층적으로 뒷받침 된다면 구강 스캐너를 이용한 인상 채득법으로 인한 in-office CAD/CAM system이 치의학에 있어 중요한 패러다임의 전환을 가져올 것으로 생각된다.

결 론

본 연구는 구강 스캐너의 정밀도 및 정확도를 평가하기 위해서 표준화된 평가모델을 문헌고찰을 통하여 선정하였으며, 선정된 평가모델을 기준으로 4가지 구강스캐너와 1가지 모델스캐너의 정확도와 정밀도를 비교평가 하였다. 그 결과, 모델 스캐너가 구강 스캐너에 비해서 통계적으로 유의한 정확도와 정밀도를 가졌으며, 4가지 구강스캐너의 비교평가를 통해 CS3500과 Omnicam의 결과가 비교적 높았지만 차이는 없었다. 더불어 bluecam의 경우에는 다른 구강스캐너에 비교해서 낮은 정확도와 정밀도를 나타내었으며, 평가모델의 참값과 수종의 스캐너를 이용하여 측정된 결과 값의 차이(mean deviation)에 대한 일원배치분석(one-way ANOVA) 시행결과, 모든 실험군에 대하여 모든 지점 에서 통계적으로 유의한 차이가 나타났다(p<0.05). 본 연구를 통하여 다양한 구강스캐너의 정확도와 정밀도를 평가할 수 있도록 비교적 공정한 평가모형을 선정할 수 있었으며, 이를 통해 앞으로 신뢰성 있고 검증 가능한 구강스캐너의 평가가 가능할 것으로 사료된다.

References

• American National Standard (ADA/ANSI Standard No. 132): Scanning Accuracy of Dental Chairside and Laboratory CAD/CAM System, American Dental Association, Chicago, USA, (2015).
• Andriessen, FS, Riikens, DR, Van der Meer, WJ, Wismeijer, DW, (2014), Applicability and accuracy of an intraoral scanner for scanning multiple implants in edentulous mandibles: A pilot study, Journal of Prosthetic Dentistry, 111, p186-194. [https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2013.07.010]
• Cho, SH, Schaefer, O, Thompson, GA, Guentsch, A, (2015), Comparison of accuracy and reproducility of casts made by digital and conventional methods, Journal of Prosthetic Dentistry, 113, p310-315. [https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2014.09.027]
• Fasbinder, DJ, (2010), The CEREC system 25 years of chairside CAD/CAM dentistry, Journal of the American Dental Association, 141, p3S-4S.
• Kim, JH, and Lee, J, (2015), A semantic network analysis of technological innovation in dentistry: a case of CAD/CAM, Asian Journal of Technology Innovation, 25, p40-57.
• Kim, JH, Kim, KB, Kim, WC, Kim, JH, Kim, HY, (2014), Accuracy and precision of polyurethane dental arch models fabricated using a three-dimensional subtractive rapid prototyping method with an intraoral scanning technique, Korean J Orthod, 44, p69-76. [https://doi.org/10.4041/kjod.2014.44.2.69]
• Kim, SH, Kim, JH, Kim, CK, (2015), Reliability and Accuracy of Digital Impression Obtained from CS-3500 Intraoral Scanner, Journal of dental hygiene science, 15, p673-678. [https://doi.org/10.17135/jdhs.2015.15.5.673]
• Kim, TY, Shin, MH, Chang, R, Kim, YJ, (2015), Development of Image-space Telecentric Lens for Intra-Oral 3D Scanner, Journal of the Optical Society of Korea, 19, p303-310. [https://doi.org/10.3807/josk.2015.19.3.303]
• Lin, X, Chen, T, Liu, J, Jiang, T, Yu, D, Shen, SG, (2015), Point-based superimposition of a digital dental model on to a three-dimensional computed tomographic skull: an accuracy study in vitro, Br J Oral Maxillofac Surg, 53, p28-33. [https://doi.org/10.1016/j.bjoms.2014.09.007]
• Logozzo, S, Zanetti, EM, Franceschini, G, Kilpela, A, Makynen, A, (2014), Recent advances in dental optics - Part I: 3D intraoral scanners for restorative dentistry, Optics and Lasers in Engineering, 54, p203-221. [https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2013.07.017]
• Nie, Q, and Lin, JX, (1999), Comparison of intermaxillary tooth size discrepancies among different malocclusion groups, American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 116, p539-544. [https://doi.org/10.1016/s0889-5406(99)70186-1]
• Park, TJ, Lee, SH, Lee, KS, (2012), A method for mandibular dental arch superimposition using 3D cone beam CT and orthodontic 3D digital model, Korean J Orthod, 42, p169-181. [https://doi.org/10.4041/kjod.2012.42.4.169]
• Patel, N, (2010), Integrating three-dimensional digital technologies for comprehensive implant dentistry, Journal of the American Dental Association, 141, p20s-24s. [https://doi.org/10.14219/jada.archive.2010.0357]
• Patzelt, SBM, Emmanouilidi, A, Stampf, S, Strub, JR, Att, W, (2014), Accuracy of full-arch scans using intraoral scanners, Clinical Oral Investigations, 18, p1687-1694. [https://doi.org/10.1007/s00784-013-1132-y]
• Patzelt, SBM, Bishti, S, Stampf, S, Att, W, (2014), Accuracy of computer-aided design/computer-aided manufacturinggenerated dental casts based on intraoral scanner data, Journal of the American Dental Association, 145, p1133-1140. [https://doi.org/10.14219/jada.2014.87]
• Silva, JSAE, Erdelt, K, Edelhoff, D, (2014), Marginal and internal fit of four-unit zirconia fixed dental prostheses based on digital and conventional impression techniques, Clinical Oral Investigations, 18, p515-523.
• Strub, JR, Rekow, ED, Witkowski, S, (2006), Computer-aided design and fabrication of dental restorations - Current systems and future possibilities, Journal of the American Dental Association, 137, p1289-1296.
• Van der Meer, WJ, Andriessen, FS, Wismeijer, D, Ren, YJ, (2012), Application of Intra-Oral Dental Scanners in the Digital Workflow of Implantology, Plos One, 7, pe43312. [https://doi.org/10.1371/journal.pone.0043312]