J Dent Hyg Sci Vol.14, No.2, 2014, pp.94-100 RESEARCH ARTICLE 치과용탄성인상재를기반으로채득된디지털모형의정확성연구 : 3 차원중첩분석 김기백ㆍ정재관 1 ㆍ김재홍 고려대학교일반대학원보건과학과치의기공전공, 1 대전보건대학교치기공학과 Accuracy of Digital Impression Made from Different Elastomeric Impression Materials: Three-Dimensional Superimpositional Analysis Ki-Baek Kim, Jae-Kwan Jung 1 and Jae-Hong Kim Department of Dental Laboratory Science and Engineering, College of Public Health Science, Graduate School, Korea University, Seoul 136-703, 1 Department of Dental Laboratory Technology, Daejeon Health Sciences College, Daejeon 300-711, Korea The purpose of this study was to evaluate the accuracy of digitized elastomeric impression materials of crown abutment, using non-contact white light scanner and virtual three-dimensional superimpositional analysis. The stone models and impressions were digitized white light scanner to create three-dimensional surface models. Stone models were used as CAD reference model (CRM). The resulting point clouds (ASC file) from digitization of impressions using converting software. Discrepancies between the points in the point clouds and CRM were measured by superimpositional software. Mean and standard deviation of values of discrepancies were analyzed by one-way ANOVA and multiple comparison (α=0.05). The mean discrepancy between the impressions for the extra-light body (XLB), light body (LB), and heavy body (HB) group were 5.10±1.45 μm, 6.30±1.87 μm, 9.80±1.52 μm, respectively. The different impression materials affected the digitization of impressions significantly (p<0.05). As a result, digitization of elastomeric impression materials on dental scanner was influenced by material sort. Key Words: Accuracy, Digital impression, Elastomeric impression material, Three-dimensional superimpositional analysis 서론 성공적인수복치료를하기위해서정밀한인상채득은매우중요한요소이다. 구강내에반유동성재료를넣고그것이경화되어만들어지는전통적인인상채득과정은인상채득기구와재료의발달에도불구하고불명확한변연구현, 인상재의변형가능성, 모형재의부피변화, 구강내타액과혈액에의한오염등여러가지문제점이있으나, 아직까지는대부분사용되고있는인상채득방식이다. 또한전통적 인인상채득과정의단점을살펴보면환자들이불편을감수해야하고, 술자의숙련도와기술에따라인상의정밀도에도큰차이를보이는문제점이있다 1). 이처럼수작업에의한보철물제작의단점을해결하고일관성있는양질의보철물제작에대한필요가 computer-aided design/computer-aided manufacture (CAD/CAM), 즉기계화에의한자동화테크놀로지를치과계에도입하는결과를낳게되었다 2,3). 1971 년 Francois Duret에의해처음으로컴퓨터를이용한치과보철물제작을시작으로, 지난 40여년간디지털기술의발 Received: February 18, 2014, Revised: April 1, 2014, Accepted: April 7, 2014 ISSN 1598-4478 (Print) / ISSN 2233-7679 (Online) Correspondence to: Jae-Hong Kim Department of Dental Laboratory Science and Engineering, College of Public Health Science, Graduate School, Korea University, 161, Jeongneung-ro, Seongbuk-gu, Seoul 136-703, Korea Tel: +82-2-940-2762, Fax: +82-2-909-3502, E-mail: noreason07@korea.ac.kr Copyright 2014 by the Korean Society of Dental Hygiene Science This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/ by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
김기백외 : 디지털모형의정확성연구 : 3 차원중첩분석 전과 CAD/CAM system의도입은전통적인인상채득방식및수작업으로이루어지고있는보철물제작방식의변화의기회를제공하였다 4). 하지만이러한장점들이꼭최종보철물의정확성을높여주는것은아니다. 치과 CAD/CAM system 을바탕으로하는모든보철물역시구강인상체로부터제작되므로정확한인상채득은매우중요하다 5). 그리고어떤종류의스캐너로스캔을했는지, 스캔한사물의재질이무엇인지역시양질의디지털모형을획득하는데영향을주고나아가보철물의정확도에도영향을끼치게된다 6). 정밀한보철물을제작하기위해서는인상재와모형재의물성이사용목적에적합해야하지만그과정마다수치변화를일으키는팽창, 수축, 변형의영향을받게된다. 인상채득시영향을미치는요소로는인상재의종류, 혼합비율, 혼합시간, 인상채득시사용된트레이의종류와형태, 인상채득방법및제거방법, 인상의보관법등이있다 7,8). 인상재의중합에의한수축률이경화후 24시간뒤에 polysulfide, polyether 인상재는 0.5% 이하, silicone 인상재는 1.0% 이하여야한다고규명한연구가있으며 9), 모든인상재나모형재는경화나중합시어느정도체적변화와뒤틀림을일으키기에완전하게만족할만큼정확한재료는없다는결론을내었다 10). 컴퓨터소프트웨어의개발과 CAD 프로그램의발달로 3 차원디지털모형을자유자재로조작할수있게되었으며, 치아의불규칙하고기하학적인형태를비교및분석하는다양한소프트웨어들이소개되고있다 11). Persson 등 12) 은접촉식스캐너와비접촉식스캐너레이저방식의스캐너를사용하여각각의지대치를반복측정한데이터를 NSI Registration 소프트웨어프로그램 (3Shape A/S, Copenhagen, Denmark) 을이용하여 3차원형상을서로겹치게함 (3차원중첩분석 ) 으로써각스캐너의정밀성과안정성을비교하는연구를하였는데, 그결과두스캐너모두 10 μm 이내의작은오차만이관측되어임상적으로사용가능하다는결론을내었다. 한편치과용스캐너의발달로석고모형의스캔뿐만아니라인상체를스캔하여디지털화하는방법이소개되었는데, 이상적인보철물을제작하려면여러제작단계중에서발생되는변형을줄이기위해서제작과정을최소화해야할필요가있다. 그래서인상체를직접스캔하는방법은석고를인상체에붓는작업을생략함으로써작업시간을단축시키고제작과정중에서변형을줄일수있다는장점을가지고있다. 여러선행연구에서인상체를직접스캔하는방법은본모형이나스톤복제모형보다조금차이가있기는하지만임상적으로사용가능하다는결론을내렸다 13,14). Luthardt 등 15) 은인상체특성상표면광택이나표면조도에의한난반 사와인상재색상에따라스캔데이터가달라지기때문에오류가발생된다고도하였다. 그러므로스캐너제조회사들은구강내스캐닝이나인상체스캔이전에전용티타늄산화물분말을도포한후에스캔할것을권장한다. 하지만이작업역시일률적인파우더도포가힘들어표면의형태를변화시키고내면적합도에영향을끼치게된다. 이에본연구의목적은치과임상분야에서인상채득시사용되는탄성인상재의점조도가디지털모형의정확성에미치는정도를검증하고자한다. 탄성인상재와주모형을복제한석고모형을백색광스캐너를이용하여디지털화한후 3차원분석소프트웨어를통해분석하였다. 연구대상및방법 1. 연구대상 1) 지대치모형의제작본연구를위하여상악우측제 1대구치를지대치로채택하였다 (Frasaco GmbH, Tettnang, Germany). 삭제전치아본모형을치과용스캐너 (SensAble, Woburn, MA, USA) 를이용하여디지털화하였다. 완료된디지털모형을해당 CAD 프로그램을이용하여변연부형태를 chamfer 형태로 1.2 mm, 360 o 로프로그램상에서삭제하였으며, 인접면의축벽각도로 6 o 를부여하였다. 지대치디자인이완료된파일을토대로티타늄블록을가공하여티타늄의주모형을제작하였다 (Fig. 1). 2) 석고지대치모형의제작작업모형을제작하기위해티타늄주모형을치과용실리콘 (Deguform; DeguDent GmbH, Hanau, Germany) 을이용하여몰드를제작하였다. 제작된복제주형내면에 wetting agent (Picosilk; Renfert, Hilzingen, Germany) 를도포한후백색교정용석고 (orthodontic stone; Whip Mix, Louisville, KY, USA) 를제조사의지시에따른혼수비 (water/powder ratio) 로 vacuum mixer system을이용하여 30 초간혼합한후 vibrator 상에서기포가생기지않도록조심스럽게넣어 1시간이지난다음복제주형에서석고모형을분리하였다. 제작된석고모형은측정을시행하기전에 22 o C± 2 o C의온도와 45%±5% 습도의항온항습이유지되는곳에 24시간보관하였다 (Fig. 2). 반복적인작업을통해 30개의석고지대치모형을제작하였다. 각각고유번호를부여하여구별이가능하도록하였다. 95
J Dent Hyg Sci Vol. 14, No. 2, 2014 Fig. 1. Titanium abutment model. Fig. 2. Stone abutment model (N=30). Fig. 3. Impressions of abutment model (N=30). (A) Extra-light body, (B) light body, (C) heavy body. Table 1. Elastomeric Impression Materials Used in the Study (N=30) Group Type Color Batch number Chemical composition XLB Extra-light Yellow BA1200-2175 VPS LB Light Light green BA1200-2184 VPS HB Heavy Green BA1200-2260 VPS VPS: Vinyl Polysiloxane (Bisco Dental Product Ltd.). 3) 탄성인상재를이용한인상채득본실험에서는부가중합형실리콘인상재로종류는 extralight body (XLB), light body (LB), heavy body (HB) 3종류를사용하였다. 본연구는 Delong 등 16) 의연구에서지정했었던실험군분류방법을참고, 수정한후동일하게부가중합형실리콘인상재를분류하였다. 사용된인상재는동일한중합수축위해같은회사의제품을사용하였다. 각인상 재는제조사에서권장하는방법으로혼합하였으며, 실험에사용된모든인상재는 auto-mixing gun (Kerr Corp., Orange, CA, USA) 을사용하였다. 지대치의인상채득을위해고안된 special tray에인상재를주입한후지대치를식립하여하중을가한후실온에서완전경화시키고, 모형을제거하여지대치인상을채득하였다 (Fig. 3, Table 1). 96
김기백외 : 디지털모형의정확성연구 : 3 차원중첩분석 2. 연구방법 1) 디지털모형데이터채득각지대치와인상체의디지털화된모형을채득하기위해 white light scanner (Identica; Medit, Seoul, Korea) 을이용하여상악제1대구치지대치모형을모두스캔한다음, 그데이터를대조군으로삼았다. 지대치모형의스캔과정은먼저백색광이비춰지는안쪽테이블에지대치모형을올려놓아고정시킨다. 신뢰도높은데이터를채득하기위해동일한부위가위치시키는것을원칙으로하였다. 스캐닝이시작되면테이블의각도가바뀌고조금씩회전할때마다백색광이영사된다. 피사체에서반사된백색광을점과면으로인식한후 mesh를생성하는데, 각각점이면으로합성되고점과면이연결되어삼각망이형성되는데, 각각의경로에따라얻은데이터를 stitching algorithm을통해반자동으로통합하면완전한 3차원디지털모형의스캔데이터 (STL file) 가획득된다. 인상체도마찬가지원리도채득되며스캐너소프트웨어상에서 impression scan mode로지정하여작업을진행하였다. 지대치모형과인상체모두각각 30개씩의데이터를획득하였다. 모든데이터는 3차원형상에서변연아래쪽의불필요한부분은빠른데이터분석을위해모두삭제하였다. 2) 전용소프트웨어를이용한차이분석 30개의지대치석고모형을디지털화한데이터를대조군 (CAD reference model, CRM) 으로삼고, 3종류의인상재 (XLB, LB, HB) 를이용하여제작된인상체를모두스캔하여 30개의데이터를채득하여실험군 (ASC) 으로지정하였다. 30개의실험군데이터는모두 CopyCAD (Delcam Plc., Birmingham, UK) 소프트웨어를사용하여점군데이터 (point cloud-asc file) 로변환하였다. 그다음과정으로는 PowerInspect 2012 (Delcam Plc., Birmingham, UK) 을실행시켜여러개의삼각격자그물로구성되어하나의면을이루고있는대조군데이터와수많은점으로이루어진점군데이터를재배열한뒤, 각지대치형상표면에중첩시켰다. 총점의개수는지대치형상당약 2,000개정도이고, 서로중첩되어진 CRM의표면과모든점들간의간격오차를소프트웨어상에서 Root Mean Square값으로환산하여그평균과표준편차를구하였다 (Fig. 4). 3) 통계분석인상재의종류별스캔데이터와석고지대치모형의스캔데이터간의평균값이서로유의한차이가있는알아보기위해서평균, 표준편차및최대값, 최소값등의기술통계량을제시하였고, 모수검정인일원배치분산분석 (one-way ANOVA) 을시행하였으며, 인상체집단간의차이를보이는지검증하기위해다중비교검정 (Tukey s honestly significant difference) 을실시하여사후분석하였다. 모든통계처리와분석은 IBM SPSS Statistics 20.0 (IBM Co., Armonk, NY, USA) 을사용하여시행하였으며, 제1종오류수준은 0.05로설정하였다. Fig. 4. Flowchart over the experimental protocol. 97
J Dent Hyg Sci Vol. 14, No. 2, 2014 Table 2. Different Elastomeric Impression Materials Scanning Data Compared to CAD Reference Model Data (μm) Group N Mean Standard deviation Min Max p-value XLB 10 5.10 a 1.45 7.80 4.17 0.036 LB 10 6.30 a 1.87 8.91 5.26 HB 10 9.80 b 1.52 12.23 8.13 XLB: extra-light body, LB: light body, HB: heavy body. a,b Data with the different letters are significantly different at 0.05 significance level. Fig. 5. Color difference maps of the discrepancy distribution of the aligned digital abutment model and elastomeric impression model. (A) Extra-light body (XLB) group, (B) light body (LB) group, (C) heavy body (HB) group. 결과 3종류의탄성인상재를사용하여각각석고모형의지대치와비교하였을때 HB 그룹에서 9.80±1.52 μm으로가장높게나타났으며, XLB 그룹은 5.10±1.45 μm로가장낮게측정되었다. 따라서 XLB 인상재로채득된디지털모형데이터가다른인상재들과비교하였을때석고모형과의차이가가장적었다. 이는 XLB 그룹이다른그룹에비해상대적으로더욱재현성, 정확성이높다고평가할수있겠다. 3종류의실험군의평균값차이를알아보기위한일원배치분산분석결과, 모든실험군에서유의한차이가있음이판명되었다 (p<0.05, Table 2). PowerInspect 2012를이용하여얻어진 color difference map 분석결과, XLB 그룹의경우오차가 0에가까운연두색을띠고있다. 상대적으로오차의색상을보이는파란색 (-) 이나빨간색 (+) 의분포는다른그룹에비해적게측정되었다. 반면에 HB 그룹은지대치축면에음의오차를나타내는파란색의범위가눈에띄게보였으며, 변연부위에서도양의오차를나타내는빨간색도넓게분포되었다 (Fig. 5). 고찰 치의학영역에도입되어이용되고있는 CAD/CAM 체계는치아모형의 3차원입력과수복물의설계및재료가공으로나눌수있다 17). 치과 CAD/CAM 시스템이적용되기위 한첫번째과정은환자의인상정보의정밀한 3차원입력이라할수있다. 환자의구강내인상을 CEREC system (Sirona Dental Systems GmbH, Bensheim, Germany) 과같이구강내스캐너를이용하여구강내에서직접촬영을통해인상을채득하는방법도있으나주로치과병, 의원에서사용하고있다 4). 반면치과기공소에서는치과병ㆍ의원에서채득된음형의인상재에치과용석고를통해양형의모형을제작하여치과용스캐너를통해석고모형의표면을분할한후수많은 X, Y, Z 좌표데이터를형성하여환자의인상을 3 차원디지털인상으로전환하여보철물제작을위해사용하고있다 18). 스캐닝과정을통해얻은 3차원디지털모형은기존의석고모형이나인상체와대조적으로파절이나분실될우려가없다. 뿐만아니라데이터베이스구축이가능하여저장이간편하고검색또한용이하다. 데이터를복사하거나이메일등을통해다른곳으로전송이가능하며여러사람들과같이자료를공유함으로써환자치료에있어서원활한의사소통이가능하게된다 19). 비록이러한장점이있더라도 3차원디지털모형의해상도나정밀도가떨어진다면사용에많은제약이따를것으로생각된다. 치과에서사용되는 3차원디지털모형은산업용으로사용되는것보다상대적으로크기가작고기하학적인형상의치아모형을대상으로하기때문에 3차원재구성이더욱어렵다. 또한디지털모형은환자에게적용할보철물을제작하는바탕이되므로더욱이정밀도와재현성이요구된다는특성이다. 외국의경우에는디지털모형과치과용 98
김기백외 : 디지털모형의정확성연구 : 3 차원중첩분석 스캐너에대한다각적인검증이활발히이루어지고있으나, 국내에서는아직구체적인검증이아직초기단계이다. 따라서본연구에서수행한탄성인상재료의종류에따른디지털모형의정확성을 3차원중첩분석법으로평가한것은의미가있다. 석고지대치모형과 3종류의탄성인상재를사용하여채득한디지털모형을 3차원중첩분석을통해비교한결과, HB 그룹이가장큰오차를보였으며 XLB 그룹이가장낮은결과를나타냈다 (Table 2). 이와같은결과를토대로 XLB 인상재가석고지대치모형을더정확히재현한다고판단된다. Color difference map의결과에서도음과양의오차를나타내는파란색이나빨간색이 HB 그룹에서넓게측정되었다 (Fig. 5). Rodriguez 등 6) 은인상재의색상, 빛이반사되는표면각도, 인상재의표면질감등의광학적요소에의해서도디지털모형데이터에영향을받을수있다고하였다. Rudolph 등 20) 은충분한스캔이이루어지지않은부분에서 point cloud의수가적게되고, 본래형상과차이가발생된다고보고하였다. 또한 Delong 등 16) 의연구에서부가중합형실리콘인상재로채득된 3차원디지털모형은인상재의종류가디지털화과정시큰변수로작용될수있음을제안하였다. 특히각재료별표면의질감에영향을받지만, 비교적접촉각은거의영향을미치지않음을규명하였다. 본실험에서사용된중첩소프트웨어의원리는두형상전체의오차가가장적은값 (best-fit) 이되도록겹치게하는것이다 21,22). 이러한이유때문에어느한쪽면을정확히중첩시킨다면그에따른보상으로다른한쪽의형상오차가발생할수있다. 따라서중첩소프트웨어는 3차원형상의전체적이고상대적인분석이가능해도절대적인각부분별정확도는판별하기힘들다. 따라서본실험결과의일반화에는일정정도의한계를내포한다. 치과용스캐너를이용하여음형의인상체를스캔하는방식이도입된지그리오래되지않았기에유사한선행연구가그리많지않다. 하지만음형의인상체를스캔한디지털모형의전체적인오차범위가 10 μm 이내로크지않다는점에서본연구의의미를찾아볼수있을것이다. 요약 본연구는임상에서널리사용되고있는 3종류의탄성인상재를치과용백색광스캐너로스캔하여얻어진데이터와석고지대치모형과의차이를비교분석하였다. 인상재의물성차이가 3차원디지털모형의정확성에어떠한영향을미치는지 3차원중첩분석법을통해평가함으로써다음과같 은결과를얻었다. 석고지대치모형과 3종류의인상재를토대로채득된디지털모형의차이를비교한결과, HB 그룹이 9.80±1.52 μm 로가장큰차이를보였으며, XLB 그룹이 5.10±1.45 μm로가장작은차이를나타내었다. 음형의인상체간의정확성에있어서는측정된평균값이통계적으로유의한차이를보였다 (p<0.05). Color difference map의결과에서도 HB 그룹에비해 XLB 그룹이오차가 0에가까운연두색의분포가넓게나타났기에, 더욱안정적이며정확한디지털모형채득이가능한탄성인상재라는결론을내릴수있다. 아직까지는음형의인상체스캔방식은표면의혈흔이나난반사, 중합수축등좀더개선하고보완해야할문제점들이존재하기때문에널리사용하진않지만, 석고모형과비교하였을때전체적인오차범위가크지않기에임상적으로허용될만한수준으로생각된다. References 1. Christensen GJ: The state of fixed prosthodontics impressions: room for improvement. J Am Dent Assoc 136: 343-346, 2005. 2. Tinschert J, Natt G, Mautsch W, Spikermann H, Anusavice KJ: Marginal fit of alumina-and zirconia-based fixed partial dentures produced by a CAD/CAM system. Oper Dent 26: 367-374, 2001. 3. Miyazaki T, Hotta Y, Kunii J, Kuriyama S, Tamaki Y: A review of dental CAD/CAM: current status and future perspectives from 20 years of experience. Dent Mater J 28: 44-56, 2009. 4. Christensen GJ: Impressions are changing: deciding on conventional, digital or digital plus in-office milling. J Am Dent Assoc 140: 1301-1304, 2009. 5. Luthardt RG, Walter MH, Weber A, Koch R, Rudolph H: Clinical parameters influencing the accuracy of 1- and 2-stage impressions: a randomized controlled trial. Int J Prosthodont 21: 322-327, 2008. 6. Rodriguez JM, Curtis RV, Bartlett DW: Surface roughness of impression materials and dental stones scanned by noncontacting laser profilometry. Dent Mater 25: 500-505, 2009. 7. Finger W, Ohsawa M: Effect of mixing ratio on properties of elastomeric dental impression materials. Dent Mater 2: 183-186, 1986. 8. Shigeto N, Murata H, Hamada T: Evaluation of the methods 99
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