Comparison of digital models generated from three-dimensional optical scanner and cone beam computed tomography 에서시도되어왔고특히교정영역에서의활용가능성은여러연구에서확인되었다. 14

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정욱 견
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1 ISSN eissn Original Article Comparison of digital models generated from three-dimensional optical scanner and cone beam computed tomography Hyuk-Jin Kwon 1, Kack-Kyun Kim 2, Won-Jin Yi 3 * 1 Department of Dentistry, 2 Department of Oral Microbiology and Immunology, 3 Department of Oral and Maxillofacial Radiology, School of Dentistry, Seoul National University, Seoul, Republic of Korea Purpose: The objective of this study was to compare the accuracy of digital models from 3 dimentional (3D) optical scanner and cone beam computed tomography (CBCT). Materials and Methods: We obtained digital models from 11 pairs of stone casts using a 3D optical scanner and a CBCT, and compared the accuracy of the models. Results: The error range of average positive distance was mm and negative distance was mm. Statistically (P < 0.05), average positive distance was larger than 70 μm and shorter than 100 μm, and that of negative distance was larger than 100 μm and shorter than 120 μm. Conclusion: We concluded that the accuracy of digital models generated from CBCT is not appropriate to make final prostheses. However, it may be acceptable for provisional restorations and orthodontic diagnoses with respect to the accuracy of the digitalization. (J Dent Rehabil Appl Sci 2016;32(1):60-9) Key words: dental casting technique; dental digital radiography; dental models; cone beam computed tomography 서론 치과진료에서석고모형은필요한환자의구강상태에대한정보를구외에재현함으로써진단및보철물제작에필요한정보를제공한다. 그러나석고모형은보관공간이필요하고, 파손및변형이일어날수있으며복제에추가적인비용이발생한다는단점이있다. 이러한문제점에대하여디지털모델이해결책으로제시되어현재임상적으로사용되고있다. 대안으로제시된디지털모델은저장공간이필요하지않고영구적인보관이가능하며복제와이동이편하다는장점이있다. 현재디지털모델은임상적으로사용가능한정확성을확보하여보철수복및악구강영역의수술등치과진료에활용되고있다. 1 전통적인석고모형을대체하기위한시도가이루어지고있으며 2-4 CAD/CAM을통한보철물의제 작및임플란트진료에디지털인상채득이이루어지고있다. 5-7 또한악관절수술시석고모형을직접스캔하여교합면부위의해상도를향상시키는데도활용되고있으며, 8 교정영역에의활용가능성도지적되었다. 9 그러나이러한장점에도불구하고디지털인상채득법은시술을위한 3차원광학스캐너와같은추가적인장비의도입이필요하며장비활용에있어숙련기간이필요하다는단점이있다. 임플란트진료가보편화되면서일반적인진료실환경에서의 CT 및콘빔CT (cone beam computed tomography) 의활용이확대됐다. 10,11 CT 영상의치과영역에서의진단적정확성은 Baugaertel 등의연구에서입증된바있고콘빔CT 영상의악구강영역에서의정확성또한 Minchkowski 등에의해보고되었다. 12,13 이에더불어 CT 영상을통한디지털모델의제작역시여러연구 *Correspondence to: Won-Jin Yi Professor, Department of Oral and Maxillofacial Radiology, Dental Research Institute, College of Dentistry, Seoul National University, 101 Daehak-ro, Jongnogu, Seoul, 03080, Republic of Korea Tel: , Fax: , wjyi@snu.ac.kr Received: February 22, 2016/Last Revision: March 16, 2016/Accepted: March 16, 2016 Copyright 2016 The Korean Academy of Stomatognathic Function and Occlusion. cc It is identical to Creative Commons Non-Commercial License. 60

Comparison of digital models generated from three-dimensional optical scanner and cone beam computed tomography 에서시도되어왔고특히교정영역에서의활용가능성은여러연구에서확인되었다.

2 Comparison of digital models generated from three-dimensional optical scanner and cone beam computed tomography 에서시도되어왔고특히교정영역에서의활용가능성은여러연구에서확인되었다. 14,15 그러나 CT 영상은구강내에금속수복물이존재하는환자는잡음으로인해구강부위의정상적인디지털영상을얻기어려운단점이있다. CT의금속잡음을극복하기위한여러방법이시도되었으나아직까지보철수복물제작에활용가능한영상구성방법이보고된바는없다. 10 이러한 CT의금속잡음을회피하기위해석고모형으로부터디지털모델을제작하는방법이시도되었다. 특히 Kang 등의연구는타이포돈트를통해콘빔CT로구성된디지털모델의정확도를인상체, 교합인기등의광학스캔정보들을이용해향상시키는시도를하였다. 16 이연구는두가지 3D 촬영방법을이용하여디지털모델의정확성향상을이루었으나실험대상이타이포돈트에국한되어있고콘빔 CT와 3차원광학스캐너를모두사용하여일반진료실에서도입하기에는경제적인측면에서의한계점이존재한다. 일반진료실에서의콘빔CT의사용이보편화된시점에서콘빔CT와석고모형을이용하여제작한디지털모델의정확성을확인하고, 특히임상적으로사용되고있는 3차원광학스캐너로부터얻어진모델과의차이를분석하는것은추가적인비용없이임상적으로활용가능한디지털모델을만들수있는가를확인해볼수있는의의를지닌다. 그러나아직까지석고모형의콘빔CT 영상을이용한디지털모델과 3차원광학스캐너를통한모델의차이를실제환자의석고모형을통하여분석한연구는보고되지않았다. 따라서본연구에서는환자의석고모형의콘빔CT 이미지로디지털모델을제작하고이디지털모델을 3차원광학스캐너의디지털모델과비교하였다. 비교시 ICP (iterative closest point) 알고리즘을이용해두모델을정렬하여 3차원광학스캐너의디지털모델과콘빔CT로구성된디지털모델의차이를측정하고분석하였다. 연구재료및방법 1. 실험재료 2014년 2월에서 2015년 5월까지서울대학교치과병원교정과에내원한환자들의진단모형중 11쌍을난수표를이용하여무작위선출하였다. 2. 콘빔CT를이용한디지털모델제작콘빔CT 촬영장치 (Carestream CS9300, Carestream Health, Rochester, USA) 를이용하여아래의과정을통해디지털모델을제작하였다 (Fig. 1). 석고모형을고정한후콘빔CT 촬영장치를이용하여촬영하였다. 촬 A B C Fig. 1. Construction procedure of digital model from CBCT image. (A) Down view of intermediate model with threshold 600-1,000, (B) Rear view of intermediate model with threshold 600-1,000, (C) Side view of intermediate model with threshold 600-1,000, (D) Constructed digital model. D 61

Kwon HJ, Kim KK, Yi WJ 영조건은 80-90 Kvp, 2-15 ma, scan time은 12-28 초, Voxel size 200 μm으로하여한모형에대하여 287 개의 cut을촬영하였다. 콘빔CT에서얻어진데이터는 DICOM (Digital Imaging & Communication in Medicine) 파일형식으로변환하였다.

3 Kwon HJ, Kim KK, Yi WJ 영조건은 Kvp, 2-15 ma, scan time은 초, Voxel size 200 μm으로하여한모형에대하여 287 개의 cut을촬영하였다. 콘빔CT에서얻어진데이터는 DICOM (Digital Imaging & Communication in Medicine) 파일형식으로변환하였다. DICOM 데이터를 3D Slicer 17 를이용해 3D 표면데이터로변환하였다. 변환시잡음을제외한석고모형부분만표면데이터로구성하기위해데이터의임계값 (threshold) 를 범위의값에서조절하였다. 완성된이미지는 STL (STereoLithography) 형식으로저장하여 ICP 알고리즘을이용해정렬하고비교하였다. 3. 3차원광학스캐너를이용한디지털모델의제작구외모델스캐너 (Identica-Blue, Medit, Seoul, Korea) 을사용하여아래의과정을통해석고모형의디지털모델을제작하였다. 정확도 μm의조건에서제조사의지침에따라 3차원광학스캐너로모델촬영하였다. 그후자동스캔작업수행하고보간 (interpolation) 작업중공극으로표시된부분은재촬영을실행하여모델을 생성하였다. 완성된이미지를 STL 파일형식으로저장하였다. 4. 비교각석고모형에대하여콘빔CT와 3차원광학스캐너를이용하여만든디지털모델을한쌍으로묶어상, 하악각각 11쌍을구성하여아래의과정을통해두모형간차이를분석하였다. 분석은 Geomagic Studio 12 (Geomagic, 3D Systems, Rock Hill, USA) 프로그램을이용하였다 (Fig. 2). 치아를제외한부분을제거한후두모형을 ICP (Iterative Closest Point) 알고리즘을통해 3 차원광학스캐너로만든디지털모델을기준으로정렬하였다. 분석시정렬된콘빔CT로부터생성한모델이대조군인광학스캐너의모델보다높은값을가지게된경우를양의오차 (Positive Error, PE) 로정의하고반대로정렬된콘빔CT 모델이대조군보다같은지점에서축소된값을가지게된것을음의오차 (Negative Error, NE) 로정의하였다. 두모델의정렬된위치에서의평균오차, 최대오차및표준편차를계산하였다. A B C D Fig. 2. Deviation analysis procedure. (A) Trimming of CBCT digital model, (B) Alignment of digital models from CBCT and 3D oral scanner by ICP algorithm, (C) Aligned result, (D) Result of deviation analysis. 62

4 Comparison of digital models generated from three-dimensional optical scanner and cone beam computed tomography 결과 양의오차의경우최대값이 mm 범위내에서존재했고, 평균은 mm 사이에존재했으며음의오차는최대값이 mm 범위에존재했고평균값은 mm 범위에존재했다 (Table 1). 상악과하악의양의오차와음의오차의평균의분포는공분산을가정할수있었다. 이에따라일원배치분산분석을시행할수있었으며시행결과상악과하악에서유의한차이가없다 (P < 0.05) 는점을확인하였다. 양의오차와음의오차간의정규성검정시행하여두분포의정규성을유의수준 0.05에서확인후각오차에대하여일반적인보철물의변연오차허용값인 70 μm, 120 μm 및각오차의평균근방의값인 80 μm, 90 μm, 100 μm, 110 μm를기준으로단일표본 T 검정을수행하였다. 검정결과양의오차는 70 μm이상이며 100 μm 이하이며 (Table 2) 음의오차는 70 μm 이상이며 120 μm 이하인것이유의함 (P < 0.05) 을확인했다 (Table 3). 양의오차와음의오차의최대값은수정작업으로접근이어려운모델의내부의잡음이나모델의변연에서동떨어진외부의잡음으로부터발생하였다. 이러한잡음부위는해부학적구조가아닌 3D 구성과정을통해생긴가상의지점에서의오차이다. 따라서양의오차와음의오차의최대값은본연구에서의분석대상으로서의미가없다고판단하였다. 각비교쌍의정면, 교합면의양의오차와음의오차를색을이용해표현하였다 (Fig. 3). 두모델의수월한비교를위해위해색채가나타내는오차의크기와범위를 21개의색범주로최대오차를 3.0 mm 최대공칭 (nominal) 값을 0.05 mm로동일하게설정하였다. 이를통하여일부콘빔CT 모델에서소와 (pit), 열구 (fissure) 및치간부에는양의오차가발생하고교두 (cusp) 부위는음의오차가발생한것을확인하였다 (Fig. 4). Table 1. Maximum, average and standard deviation of PE and NE of each model Maximum Average Cast No. Cast type PE NE PE NE Total Standard deviation 01 Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Mx Mn Average PE, positive error; NE, negative error; Mx, maxilla; Mn, mandible. 63

Kwon HJ, Kim KK, Yi WJ Table 2. T-test of PE with t = 70, 80, 90, 100, 110, 120 μm Test value µm t df Sig. (2-tailed) Mean difference 95% Confidence interval of the difference Lower Upper 70 5.

5 Kwon HJ, Kim KK, Yi WJ Table 2. T-test of PE with t = 70, 80, 90, 100, 110, 120 μm Test value µm t df Sig. (2-tailed) Mean difference 95% Confidence interval of the difference Lower Upper Table 3. T-test of NE with t = 70, 80, 90, 100, 110, 120 μm Test value µm t df Sig. (2-tailed) Mean difference 95% Confidence interval of the difference Lower Upper A B C D Fig. 3. Deviation analysis (A) Frontal view of result shows least average PE (maxillary cast of model no. 01), (B) Occlusal view of result shows least average PE (maxillary cast of model no. 01), (C) Frontal view of result shows least average NE (maxillary cast of model no. 03), (D) Occlusal view of result shows least average NE (maxillary cast of model no. 03). 64

6 Comparison of digital models generated from three-dimensional optical scanner and cone beam computed tomography A B Fig. 4. Deviation analysis which shows PE at pit, fissure, proximal area and NE at cusp (maxillary cast of model no. 10). 고찰 물리적인공간이필요하지않고재사용이가능하며전송이용이한디지털모델의장점들은이미여러연구에서확인되었다. 촉감을제공할수없다는단점또한 Azari와 Nikzad 18 와 Kuo 등 19 이보고한바와같이 RP (Rapid Prototyping) 모델제작을통하여극복되고있다. 이에따라디지털모델연구는활발하게이루어지고있다. Commer 등의연구에따르면 3차원광학스캐너장비를이용한디지털모델은이미전통적인보철물및 CAD/CAM 과정에충분히활용가능하다고보고되고있다. 20 또한현재여러종류의 3차원광학스캐너가상용화되어있고이를이용한디지털인상채득연구가진행되고있다. 3,4 그러나 3차원광학스캐너는일반진료실에일반적으로보급되어있지는않다. 11 이와는다르게콘빔CT의경우임플란트진료의보편화에따라광범위하게보급되어있다. 따라서접근성이높은콘빔CT이미지를활용하여디지털모델을제작하려는시도가있어왔다. 이러한시도는특히악교정수술에서활발히시도되었고이미임상적으로도사용되고있다. 8 교정영역에서도콘빔CT 영상을통한치열공간분석이교정치료에활용하기에문제가없음이보고되었다. 21 그러나환자의콘빔CT 영상활용시구강내에금속이존재할경우이로인한잡음으로인해영상품질이저해된다는문제점이있다. 또한금속잡음의문제가없는환자라할지라도수술이나임플란트진료가아닌이상콘빔CT를촬영은아직까지일반적으로시도되지않기때문에구강의콘빔CT 영상을통해디지털모형을구성할경우모형제작을위한불필요한방사선노출이야기 된다는점또한존재한다. 반면석고모형의콘빔CT 영상의제작은금속잡음및불필요한방사선노출의문제로부터자유롭다. 따라서본연구에서는석고모형을대상으로콘빔CT 영상과 3차원광학스캐너를통해구성된디지털모델을비교분석하였다. 상, 하악 11쌍의석고모형으로부터구성된디지털모델들에대하여 ICP 알고리즘을이용해정렬한후모델을구성하는두모델의삼각형폴리곤메시 (polygon mesh) 의최단거리를통해두모델의차이를분석하였다. 분석결과평균양의오차는 85 μm, 음의오차는 121 μm로측정되었다. 또한일부콘빔CT 모델에서교두부분에서는음의오차가발생하고소와, 열구, 치간부에서양의오차가발생한점을확인하였다. 3차원이미지구성시곡률반경이작고깊은부분의경우고립되거나심한스파이크를보이는폴리곤 (polygon) 이생성될가능성이높다. 교두와소와열구부위는이러한지점에해당되며이러한종류의폴리곤은모델표면의거친질감을유발하기때문에모델구성시주변의폴리곤들의평균값을고려해일부분평탄화된다. 콘빔CT를이용한디지털모델제작에사용된 3D slicer의경우모델구성에이러한과정이포함되어있었고교두, 소와및열구부분의값은평탄화되어평균쪽으로이동하여교두부위에는음의오차가소와열구부위에는양의오차가발생하게된것으로파악된다. 이러한오차는보다많은실험을통해석고모형의콘빔CT 영상을통한디지털모델에서자주발생하게되는 3차원영상구성상의오류를통계적으로파악하여그에맞는영상처리기법을적용함으로써일부분극복가능할것으로예상된다. 65

7 Kwon HJ, Kim KK, Yi WJ 다음으로석고모형의콘빔CT를통한디지털모델의보철물제작시활용가능성을분석하였다. Christensen 은금인레이와같은보철물의적합한변연간격은약 39 μm라고보고하였다. 22 Hung 등은 PFM (Porcelain Fused Metal crown) 과전부도재관에서허용가능한변연오차는 μm 로지적하였다. 23 Weaver 등은주조형전부도재관의적절한변연적합도를 70 ± 10 μm로보고하였다. 24 Beuer 등의연구에서는 Belser 등의보고를종합하여 CAD/CAM으로제작된보철물의경우변연오차가 120 μm 이하인경우임상적으로사용가능하다는보다유연한기준을제시하였다 콘빔CT 영상으로부터구성된디지털모델의양의오차와음의오차는다수의연구자들이주장한허용가능한최대변연오차인약 70 μm보다유의하게 (P < 0.05) 큰것으로파악되었다. 반면양의오차, 음의오차의평균값은 Beuer 등이제시한기준인 120 μm의변연오차보다는유의하게 (P < 0.05) 작다는점을확인할수있었다. 25 그러나 Beuer 등은동일한연구에서광학스캔을이용한 CAM 보철물이가지게되는변연오차의평균값이 CAD/CAM 시스템의종류에따라최소의경우 9 μm에서최대 108 μm의값을가진다고보고하였다. 25 따라서콘빔CT를이용해제작된디지털모델이 CAD/CAM에적용될경우오차의중첩으로인하여같은연구에서제시된변연오차의기준인 120 μm를넘는 μm 의변연오차를가질것으로예상할수있었다. 또한전통적인방법으로제작한금속수복물의경우도최소 40 μm 이상의변연오차를가질수있음이보고되어있다. 30 이에따라콘빔CT를이용한디지털모델을최종보철물제작에사용하는것은적합하지않다고판단하였다. Givens 등은통상적인임시보철물제작에이용되는이중중합형및자가중합형수복물질로제작한상악중절치임시치관의변연부에서 μm의오차가발생함을확인하였다. 31 이는콘빔CT 및 CAD/CAM을활용한보철물제작시발생할것으로예측되는 μm의변연오차를허용하는범위이다. 이미디지털모델과 CAD/CAM을통한임시수복물의제작은활발히이루어지고있는점을고려하면콘빔CT를이용한디지털모델은임시보철물제작에활용가능할것으로생각된다. Mischkowski 등은콘빔CT 영상이 helical CT보다평균적으로길이에있어서 0.06 mm, 부피에있어서 0.55 ml 부정확하지만교정진단에활용하기에는문제가 없음을밝힌바있다. 13 따라서석고모형의콘빔 CT 를이 용한디지털모델이정확한석고모형으로부터구성된 경우교정진단영역에서활용가능할것으로판단된다. 결론 본연구에서는일반적인석고석고모형의콘빔 CT 영 상을이용하여구성한디지털모델과 3 차원광학스캐 너를통해구성한디지털모델을비교하여오차를분석 하였다. 분석결과양의오차의최대값은 mm 범위에존재했고평균값은 mm 의범 위에존재했다. 음의오차의최대값은 mm 범위에서얻어졌으며유의수준 0.05 에서양의오차의 평균은 μm, 음의오차의평균은 μm 내에존재함을확인하였다. 이로부터석고모형의콘빔 CT 영상으로부터구성된디지털모델은임시수복물제 작및교정진단과정에활용될수있는가능성이있다는 결론을내렸다. Acknowledgements This work was supported by the Technology Innovation Program ( ) funded By the Ministry of Trade, industry & Energy (MI, Korea). References 1. Ender A, Mehl A. Accuracy of complete-arch dental impressions: a new method of measuring trueness and precision. J Prosthet Dent 2013;109: Bootvong K, Liu Z, McGrath C, Hägg U, Wong RW, Bendeus M, Yeung S. Virtual model analysis as an alternative approach to plaster model analysis: reliability and validity. Eur J Orthod 2010;32: Birnbaum NS, Aaronson HB. Dental impressions using 3D digital scanners: virtual becomes reality. Compend Contin Educ Dent 2008;29:494, 496, Patzelt SB, Bishti S, Stampf S, Att W. Accuracy of computer-aided design/computer-aided manufacturing-generated dental casts based on intraoral 66

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10 Original Article 3 차원광학스캐너와콘빔 CT 에서생성된디지털모형의비교 권혁진 1, 김각균 2, 이원진 3 * 서울대학교치의학대학원 1 치의학과, 2 구강악안면감염및면역학교실, 3 구강악안면방사선학교실 목적 : 본연구에서는실제환자의석고모형의콘빔CT (Cone Beam Computed Tomography) 이미지로디지털모델을제작하고이디지털모델을동일한석고모형을 3차원광학스캐너로스캔하여얻은디지털모델과비교하였다. 연구재료및방법 : 총 11쌍의석고모형에대하여실험을진행하였다. 콘빔CT를이용하여 CT 영상을촬영하여디지털모델을제작하였고 3차원광학스캐너를사용해대조군이되는디지털모델을제작하였다. 이를이용해각석고모형에대하여콘빔CT와 3차원광학스캐너를이용하여만든디지털모델을한쌍으로묶어상, 하악 11개의비교쌍을구성하고각쌍에대하여차이점을분석하였다. 결과 : 대조군과비교시콘빔CT 영상으로부터구성된디지털모델이대조군보다과다추정된부분인양의오차의평균은 mm, 과소추정된부분인음의오차의평균은 mm의범위내에존재했다. 또한유의수준 0.05에서양의오차의평균은 μm, 음의오차의평균은 μm 내에존재함을확인하였다. 결론 : 석고모형의콘빔CT 영상으로부터구성된디지털모델은최종수복물제작에는부적합하나임시수복물제작및교정진단과정에활용될수있는가능성이있다. ( 구강회복응용과학지 2016;32(1):60-9) 주요어 : 치과주조법 ; 치과용디지털방사선 ; 치과모형 ; 콘빔 CT * 교신저자 : 이원진 (03080) 서울특별시종로구대학로 101 서울대학교치의학대학원구강악안면방사선학교실 Tel: Fax: wjyi@snu.ac.kr 접수일 : 2016 년 2 월 22 일 수정일 : 2016 년 3 월 16 일 채택일 : 2016 년 3 월 16 일 69

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