Зачем сканируем зубы, а не льём силикон в рот

Исторически пациенту лили массу в рот, чтобы получить отпечатки зубов. 20 минут с открытым ртом — и вот у ортопеда есть модель вашего рта.

Потом оказалось, что пациента всё равно оцифровывают изнутри — КТ-сканирование даёт облако точек. И если оцифровать ещё и в полости рта, по доступным поверхностям, то получится точная цифровая модель. Причём за 3 минуты и без рвоты от силикона.

Так выглядит высокополигональная трёхмерная «склейка», полученная при сканировании

Если вместо силикона или гипса в человека пихать сканер, то будет 3 минуты вместо 20 и гораздо приятнее. Просто фото зубов и всё. Полученную 3D-модель можно использовать в лечении, протезировании, имплантации, ортодонтии, да и много где ещё. Можно распечатать на 3D-принтере, загрузить во фрезерный станок для вытачивания коронки или вообще соединить с данными КТ и посмотреть, как двигаются и смыкаются челюсти. Массу задач можно решить на благо пациенту и врачу, главное — чтобы был хороший сканер, который по точности как минимум не уступает обычному силиконовому оттиску.

Если у вас в клинике такого нет, сейчас расскажу, что вы упускаете из благ двадцать первого века.

Как устроен и работает стоматологический сканер

Сканирование зубов — это получение их трёхмерной цифровой модели. Сразу оговорюсь, что речь дальше пойдёт об интраоральных (внутриротовых) сканерах, которые используются непосредственно в стоматологическом кабинете. Потому что есть ещё лабораторные — с их помощью сканируют физические слепки зубов. Их мы рассматривать здесь не будем.

Так вот, для сканирования в клинике используется интраоральный сканер — это такая рукоятка с наконечником, подключённая к компьютеру. Внутри у сканера одна или несколько камер для захвата изображения, лазер или светодиод для направленного освещения и оптическая система из линз, зеркал и датчиков измерения искажений.

Когда врач водит наконечником по поверхности зубов и дёсен пациента, излучатель проецирует на них световой или лазерный рисунок, а камеры захватывают отражённый под разными углами световой сигнал. Устройство захватывает изображения, данные передаются на компьютер, там система сравнивает спроецированный и отражённый световой рисунок и рассчитывает трёхмерные координаты опорных точек на поверхности зуба.

Одновременно камеры фиксируют тысячи треугольных изображений этой поверхности, которые накладываются на координатную сетку и сшиваются друг с другом. Получается трёхмерная модель, которая сохраняется в открытом формате STL или собственном формате системы (если она закрытая).

Сканер постоянно получает поток изображений, поэтому врач двигает его медленно и плавно, не отрывая от поверхности зубов, — резкие движения сильно искажают данные. Для более точного результата, особенно в труднодоступных участках (задняя поверхность моляров или межзубные впадины), располагать сканер нужно под разными углами.

Программа сканера расцвечивает отсканированные участки разными цветами для отражения точности обработки: зелёные соответствуют максимально корректным, красные ― наименее точным

Так как эмаль зуба хорошо отражает свет, раньше для получения точного результата на зубы наносились порошки, которые временно устраняли блики. Аналогично обрабатывались искусственные коронки из керамики или металла. Современные сканеры позволяют обойтись без этого — главное, чтобы на зубах не было слюны или крови.

Полученный скан можно использовать много где:

В ортопедии для изготовления протезов (коронки, виниры и прочее). Собственно, сканирование изначально именно для этого и применялось. У сканера есть своя CAD/CAM-программа, она позволяет подготовить пациенту зуб под коронку, быстро отсканировать и тут же загрузить полученную модель во фрезерный станок, изготовить на нём протез, поставить и установить его условно в тот же день.
В ортодонтии на основе цифрового оттиска обеих челюстей делают клинчек. Это такая программа, которая показывает, как будут двигаться зубы относительно друг друга. И исходя из этого в зуботехнической лаборатории изготавливают прозрачные пластиковые капы для исправления зубного ряда.
В хирургической стоматологии на основе цифрового слепка делают навигационные шаблоны для установки имплантата, для этого 3D-модель с помощью ПО соединяют с компьютерной томограммой, а потом в программе располагают виртуальный имплантат.

Ещё сканирование используют в диагностике для оценки смыкания зубов, расположения зубов относительно друг друга в зубном ряду, их состояния и т. д. Визуально это можно сделать только снаружи, мы не можем посмотреть на смыкание с внутренней стороны рта. А с помощью 3D-моделей это возможно вообще в любой проекции. По ним врач определяет тип смыкания — и если оно неправильное, то предлагает определённый тип лечения — кому-то коррекцию зубного ряда с помощью кап, кому-то замещение зубов имплантами или установку коронок и т. д.

Когда появились и как развивались стоматологические сканеры?

Началось это в 1973 году, когда доктор Франсуа Дюре защитил и опубликовал диссертацию «Оптический оттиск». В ней он выдвинул концепцию автоматизированного проектирования и изготовления (CAD/CAM) зубных протезов. Через 10 лет он презентовал прототип такой системы и изготовил с её помощью зубную коронку. За это Дюре считают «отцом CAD/CAM».

Франсуа CAD/CAM-батя Дюре в 1979 году возле прототипа своей будущей системы Duret System. В большую серию она не пошла из-за сложности и высокой стоимости, но стала первой ласточкой

Но первой системой, которая стала реально применяться в стоматологии, стала система CEREC совместного производства компаний Siemens и Sirona, которую выпустили на рынок в 1985 году. В ней применялся структурированный свет, использующий проекцию заранее заданных световых паттернов на поверхность зубов и дёсен для создания трёхмерных изображений. Но система не позволяла проектировать окклюзионные поверхности и плохо работала при внешнем освещении из-за высокой чувствительности к отражённому свету. Примерно в то же время CEREC появилась и в Советском Союзе.

Линейка интраоральных сканеров CEREC (Sirona). Слева — настоящий стоматологический антиквариат

Через несколько лет, в 1990-х, появились системы условно второго поколения (та же CEREC 2, CELAY и т. д.). Они сканировали точнее и были менее чувствительны к бликам, но всё ещё не могли отображать сложные поверхности в модели из-за технологии двухмерного сканирования. И продолжали использоваться исключительно в ортопедии для изготовления протезов. Тогда же они начали внедряться в российских клиниках.

У сканеров первых двух поколений был целый набор буквально суровых условий для нормальной работы, которые сильно портили жизнь и врачам, и пациентам.

Во время сканирования нужно было выключать всё освещение в кабинете, потому что оно создавало блики на поверхности зуба, которые искажали результаты. Камеры первых сканеров были очень чувствительны к отражённому свету.
Поверхность зубов должна была быть идеально сухой по той же самой причине: влага создавала блики, искажающие результат.
Но даже сухая поверхность зубов (особенно керамических и металлических) всё равно имела какую-то отражающую способность, поэтому перед сканированием их нужно было посыпать порошком, который делал их матовыми.

Поэтому перед сканированием шла довольно долгая подготовка, которая сводила на нет основные преимущества процедуры — скорость и удобство.

К счастью, в 2000-х появились сканеры третьего поколения — например, Omnicam (Dentsply Sirona) или TRIOS (3Shape). Это уже были современные устройства, которые в целом удовлетворяли стоматологов по параметрам. Но они ещё капризничали при обработке влажных и блестящих поверхностей, имели небольшую глубину сканирования, из-за чего возникали затруднения с большими зубами и глубокими дефектами.

Наконец, в середине – конце 2010-х на рынок вышли сканеры четвёртого поколения, к которым относится, например, Primescan — мы как раз его в клинике используем. Они более точные и быстрые, с большой глубиной сканирования, хорошо работают с влажными и блестящими (циркониевыми, керамическими поверхностями).

Оговорюсь, что всё это деление на поколения — условное и очень приблизительное. Разные модели от различных брендов эволюционировали независимо друг от друга — одни быстрее, другие медленнее. Но в целом картина постепенного расширения их функционала и улучшения характеристик выглядит таким образом.

Как сканеры изменили жизнь врачей и пациентов?

Когда сканеры только появились и их начали внедрять в практику, было много скепсиса со стороны стоматологов. Вплоть до третьего поколения сканеров работать с ними было не то чтобы легко. Долгая подготовка, куча разных условий для получения сканов с хотя бы приемлемой точностью — всё это было неудобно. Да ещё и разбираться в работе с ПО нужно. Поэтому неудивительно, что многие врачи не торопились их осваивать и продолжали лепить слепки по старинке.

Признаюсь, когда я впервые начал работать со сканером — а это было в 2019 году, у меня поначалу такой скепсис тоже был. Но после 5 пробных использований я понял, что это крутая штука. Благо, что мне повезло сразу работать с Omnicam, а это хороший сканер. Наверное, если бы работал с более старыми моделями, то это могло отбить всякое желание.

Как бы то ни было, современные сканеры очень упрощают жизнь и врачам, и пациентам. Они экономят время, т.к. сканы делаются меньше минуты и с ними сразу можно работать в цифровом виде.

Они повышают комфорт — пациента не тошнит во время сканирования, как это часто происходит при взятии силиконового оттиска. А чтобы переслать данные в лабораторию, достаточно просто отправить по почте файл, а не ждать курьера.

В дополнение к сканированию мы используем компьютерную и магнитно-резонансную томографию. С помощью КТ мы оцениваем состояние твёрдых тканей — костей и зубов. МРТ ещё позволяет исследовать окружающие мягкие ткани — дёсны, мышцы, связки. Это даёт ценную информацию в широком контексте состояния пациента.

КТ можно соединять с цифровой моделью, полученной от сканирования, и это увеличивает общую точность диагностики и планирования лечения. КЛКТ вообще идеально подходит для диагностики проблем, связанных с зубами и челюстями, таких как аномалии, кисты, воспаления и подготовка к имплантации.

Какие есть альтернативы у сканирования?

Физический аналог сканирования — традиционное моделирование с помощью силиконовых слепочных материалов. На практике это происходит так.

Слепок с зубов и имплантатов

Берут стандартную ложку и делают оттиск вязким и жёстким силиконом — силиконовая смесь замешивается и наносится на ложку. Из полости рта пациента слюноотсосом удаляется слюна или кровь — чтобы жидкость не замешалась в слепочную массу и не исказила слепок. Потом ложку со слепочной массой кладут пациенту в полость рта, и ждут 2–5 минут, пока смесь затвердеет, затем полученный слепок извлекают изо рта. Потом то же самое проделывают со второй челюстью.

Но это только половина дела. Далее слепок упаковывают, передают администрации, и та через курьера пересылает его в зуботехническую лабораторию, где в него заливается гипс. Он застывает, извлекается из формы — и получается уже гипсовая модель зубов, которую передают в клинику тем же путём.

Затем гипсовые слепки челюстей фиксируют в артикулятор — это прибор, который имитирует движение верхней и нижней челюстей, он настраивается индивидуально под пациента. И мы, собственно, получаем модель, которую можем покрутить в руках, посмотреть на ней состояние, расположение и смыкание зубов. И исходя из этого уже получаем необходимые данные для дальнейшего лечения.

Чем сканирование круче традиционного слепка?

Скорость моделирования. Получение качественного скана в современных сканерах занимает в среднем секунд 40–60, плюс ещё 1–2 минуты на создание 3D-модели в программе. И всё, модель готова, делай с ней что хочешь. Со слепком всё дольше и сложнее. Теоретически это тоже недолго — 8–10 минут на сам слепок и ещё минут 20 на гипсовую модель. Но из-за того, что слепок и гипсовую модель нужно пересылать между клиникой и лабораторией, на практике продолжительность сильно зависит от загруженности курьера, зуботехнической лаборатории и т. д.
Комфорт для пациента. У многих пациентов есть такая неприятная штука, как стоматофобические рефлекторные реакции. Проще говоря, их начинает тошнить, когда в их рот попадает что-то постороннее, кроме еды. Из-за этого получение аналогового слепка — достаточно трудоёмкая, а то и вовсе невозможная история. Плюс у пациентов усиливается страх перед стоматологическими процедурами вообще, в итоге они начинают избегать походов к врачу. Чтобы как-то уменьшить рвотный рефлекс, приходится назначать противорвотные препараты, но они тоже не всегда действуют. В этом плане сканирование снижает дискомфорт до минимума. Мы спрашиваем, есть ли у пациента рвотный рефлекс, какая часть рта (обычно это нёбо или язык) его вызывает — и во время сканирования просто обходим этим места.
Минимальная погрешность цифрового оттиска. На точность аналогового оттиска влияет куча факторов — соотношение компонентов в смеси, качество замешивания, контроль положения ложки во рту пациента и её извлечения, наличие слюны и крови, движения самого пациента в процессе и т. д. Да даже материал перчаток, в которых врач проводит процедуру, и тот имеет значение. Всё это требует от врача определённого навыка и квалификации. Со сканированием всё проще, только рот высушить надо и всё. С этим может справиться и менее опытный врач, на точности и предсказуемости результата это практически не скажется.
Цифровая модель надёжнее. Традиционный слепок и получаемая из него гипсовая модель — вещи весьма капризные, их легко повредить. Мало того, точность слепка мы узнаем только после того, как в лаборатории отольют гипсовую модель. Но для этого слепок должен туда сначала попасть, а потом вернуться обратно в клинику. И вообще на каждом из этих этапов слепок или модель может повредиться или потеряться. И тогда всё придётся делать по новой — а это снова время и дискомфорт пациента. В случае сканирования электронная модель просто файлом отсылается в лабораторию, где с его помощью спроектируют нужную конструкцию. Даже делать физическую модель необязательно, что тоже сокращает время.
Проще сделать коррекцию. Допустим, на небольшом участке силиконового слепка оттиск получился недостаточно точный — возможно, в процессе немного недожали или пациент дёрнулся, или слепок повредился при извлечении изо рта пациента. В этом случае заменить повреждённый или недостаточно «пропечатанный» аналоговый оттиск нельзя — придётся всё переделывать заново, по крайней мере, нужную челюсть. А в цифровом оттиске можно просто удалить некачественный сегмент, досканировать нужную область и вставить полученный скан в общую модель.

А минусы-то будут? Будут (но немного)

Первый — зависимость качества сканирования от внешних и внутренних факторов. Напомню, что скан получают с помощью светового луча, который отражается от сканируемой поверхности и попадает в приёмную камеру сканера. Влажная (от слюны или воды), тёмная (от крови, кариеса или налёта) или блестящая (например, у металлических коронок) поверхность зуба либо рассеивает, либо поглощает свет, что искажает изображение. Чтобы получить хороший скан, из ротовой полости нужно удалить жидкость. Кроме того, отрицательно на качество сканирования влияет скученность и наклон зубов.

Второй минус — погрешность на изгибах. У интраоральных сканеров, особенно старых моделей, точность снижается при сканировании изогнутой части зубного ряда, это которая между клыками. Сегменты от клыков до семёрок или восьмёрок они сканят нормально. А вот в изогнутом сегменте силиконовый оттиск точнее цифрового. Но тут стоит уточнить, что это для ситуации, когда и цифровая, и аналоговая модели выполнены идеально. На практике разница настолько невелика, что ею можно пренебречь.

И ещё один минус — высокая стоимость оборудования для сканирования. Сканер стоит несколько миллионов, а аналоговый силиконовый оттиск 250 рублей. Несопоставимые затраты.

Иногда всё же лучше использовать слепки, но это не точно

Например, при установке брекетов 3D-сканирование не то чтобы хуже, просто некоторые врачи предпочитают пользоваться физической моделью для определения точек крепления брекетов. Они на ней ставят специальные метки, где и в какой позиции планируют приклеить пластину. И уже в полости рта это реализуют. Но, повторюсь, можно это сделать и на виртуальном оттиске, и на распечатанной с него на 3D-принтере модели. Это скорее дело вкуса и привычки, а не каких-то объективных преимуществ.

Ещё слепки чаще применяют при моделировании беззубой челюсти. Когда мы сканируем челюсть, сканер использует окклюзионные выступы зубов как реперные точки для построения общей модели. Если челюсть беззубая, с гладкой десневой тканью, таких ориентиров нет и качество сканирования несколько снижается. Впрочем, это скорее вопрос опыта и предпочтений врача. Я знаю стоматологов, которые делают хорошие сканы беззубых челюстей. Но именно в своей практике я в такой ситуации больше доверяю традиционным слепкам.

Ну и конечно, слепок делать лучше, когда нет точного сканера или есть, но устаревшая и/или недорогая версия с невысокими характеристиками. Хорошо сделанный аналоговый оттиск будет точнее, чем скан, выполненный на устаревшей аппаратуре, чувствительной к малейшим загрязнениям и движениям пациента во время процедуры, работающей с несовершенным ПО.

Сравнение сканеров между собой

Сканеров на рынке много разных — понятное дело, что они различаются и иногда довольно сильно. Мы при выборе ориентируемся на качество склейки, погрешность, скорость и глубину сканирования.

Качество склейки, т. е. соединения изображений в виде треугольников, которые захватываются камерой сканера, в единую 3D-модель. Соединение происходит программным способом. Система «склеивает» эти изображения гранями друг с другом — получается такая полигональная конструкция. Так вот, качество этого соединения зависит от используемых в ПО алгоритмов.
Скорость сканирования. Если сравним сканеры нынешнего и предыдущего поколения (те же Primescan и Omnicam) или дорогие модели с бюджетными, то одним потребуется для получения качественного скана одной челюсти 40 секунд, а другим — 1,5–2 минуты. Это тоже главным образом зависит от программного обеспечения.
Глубина сканирования зависит от длины луча и определяет, насколько хорошо сканер обработает дефекты поверхности. Например, если дефект спрятан под десной, то чем больше глубина сканирования, тем лучше он отобразится на виртуальной модели.
Погрешности сканирования есть у любого сканера, но варьируются в зависимости от производителя и модели. Определяется она так: берётся модель и сканируется с помощью промышленного сканера, у которого погрешность 0,001 мм. Потом ту же модель сканируют стоматологическим сканером. Полученные результаты совмещают и смотрят, насколько STL-файл стоматологического сканера не соответствует файлу промышленного сканера. На практике допустимый интервал погрешности — 75–80 микрон. В таких же пределах находится погрешность аналоговых слепков. Поэтому на неё можно закрыть глаза, она на качество результата не повлияет.

Сравнение точности некоторых наиболее распространённых интраоральных сканеров

Тут есть ещё такой момент — заявленные характеристики не всегда соответствуют реальным. Например, производитель на презентации говорит, что его продукт сканирует на глубину в 1 сантиметр, а на практике получается меньше. Потому что всё определяется условиями использования. Производитель указывает максимальное значение, достигнутое на модели. Но во рту пациента куча мешающих факторов — слюна, кровь, пятна на эмали и т. д., которые снижают реальную глубину проникновения.

Поэтому при выборе сканера ориентироваться стоит в первую очередь на практический опыт. Именно свой опыт, потому что у разных врачей он отличается. Я, например, не могу работать на сканере Medit i700 после нашего Primescan. Но знаю докторов, которые такие: «А мне норм». Это как в вопросе, что лучше — сканирование или аналоговые слепки? Одни врачи выбирают первое, другие — второе.

Впрочем, существуют и сравнительные исследования сканеров, можно воспользоваться и их результатами для более объективной оценки.

Чем грозит некачественное сканирование?

Давайте сначала определимся с критериями качественного/плохого скана:

Отображение поверхности зуба. На скане не должно быть «глухих» зон, где не прошёлся сканер или которые были закрыты языком, щеками, губами. Хорошие современные сканеры более-менее отличают окружающие ткани от зубов и автоматически их убирают. Но есть модели, которые лепят всё в одну корзину, и либо тогда надо вручную удалять, либо на скане будет множество таких пересечений.
Граница препарирования. Есть такая процедура — ретракция десны. Это временное расширение десневого кармана для доступа к шеечной части зуба. Её проводят, например, для удаления зубного камня или чтобы предотвратить риск повреждения десны при лечебных процедурах. Так вот, при ретракции возникает граница препарирования, где заканчивается десневая ткань. На качественном скане она отражается чётко, на некачественном — размыто.
Наличие крови, слюны и загрязнений. На хорошем скане таких участков быть не должно. Кровь сильно ухудшает сканирование, даже качественными сканерами. Красный цвет поглощает свет, из-за чего поверхность плохо отображается на модели. Слюна на современные сканеры влияет в меньшей степени, но когда её слишком много — тоже снижает качество сканирования.

Эти моменты так важны, потому что алгоритм сканера плохо отсканированные участки «достраивает» сам как ему вздумается. И в итоге мы получаем модель, которая в этих местах не будет соответствовать реальному прототипу.

Допустим, по каким-то причинам — сканер то ли был старый/дешёвый или процедура проведена с нарушениями — мы получили плохой скан. Далее возможны два сценария. Первый — врач переделывает скан. Если он замечает недостатки сразу после первого сканирования, то просто второй раз сканирует и всё. Если замечает через некоторое время — снова приглашает пациента на повторную процедуру. То есть в этом случае пациент отделывается просто потраченным временем.

А вот если в ход идёт второй сценарий и по каким-то причинам врач, несмотря на недостатки скана, продолжает лечение — в результате будет некачественно изготовленная коронка, капы, которые не садятся на зубы, или хирургический шаблон, неправильно направляющий болты в кость. И пациент уже столкнётся с конкретными последствиями такого лечения вроде воспаления под коронкой, неровных зубов или криво вставшего имплантата.

Сканеры с высокой погрешностью: где можно использовать?

На рынке есть немного моделей стоматологических сканеров с погрешностью хуже, чем у аналогового слепка, то есть выше 80 микрон. Чаще всего такие сканеры применяются в стоматологии для диагностики — просто чтобы визуализировать зубы. Ещё они используются в ортодонтии, потому что их погрешность на качество ортодонтического лечения не сильно влияет.

Но для работы вроде изготовления тонких виниров или коронок они не приемлемы — точность слишком низкая. Например, сделать винир толщиной 0,3 миллиметра на таком сканере не получится, потому что он его просто не увидит. Но в хирургии с их помощью можно делать навигационные шаблоны, это окей.

Но, на мой взгляд, если есть выбор между использованием бюджетного сканера с низкой точностью и слепком — я выбираю второе.

Как увязать цифровой слепок с КТ/МРТ и зачем это нужно

Прелесть сканирования ещё и в том, что цифровую модель можно соединить с данными КТ и МРТ.

Происходит это следующим образом: сначала daikon-файлы КТ/МРТ обрабатываются для создания твердотельной модели, а затем эта модель конвертируется в STL-формат. На буграх и фиссурах каждого зуба в них ставятся 3–4 реперных точки. Аналогичные точки ставятся на тех же зубах в STL-файле стоматологического сканера. Затем алгоритм специального ПО сам считывает эти точки в обоих файлах и соединяет два объекта.

Точность соединения зависит как от скана, так и от КТ, потому оба файла должны быть хорошего качества. Также влияют алгоритмы самого программного обеспечения — но ПО, которое сегодня есть на рынке, позволяет сделать это довольно точно. Так что в первую очередь нужны именно качественные сканы и снимки.

STL-файл — соединение цифрового слепка с КТ. Скан зубов (жёлтого цвета), КТ (синего цвета)

С помощью соединения сканов и КТ мы в клинике решаем следующие задачи:

Создаём виртуальный хирургический шаблон на объединённой модели, затем полученный SТL-файл закидываем в принтер и печатаем его.
Лечим височно-нижнечелюстной сустав. Делаем скан зубов верхней и нижней челюстей. Далее проводим аксиографию. Она позволяет посмотреть, как челюсти двигаются относительно друг друга. Затем привязываем это движение к зубам, а их, в свою очередь, соединяем с файлом КТ. Таким образом можно визуализировать движение челюстей, провести диагностику и спланировать специальные сплинт-капы для расслабления мышц или правильного позиционирования челюстей.
Контролируем корпусное движение зубов. SТL-файл КТ и SТL-файл модели соединяем, чтобы визуализировать движение корней в челюстной кости. Это важно, потому что нам нужно иногда не просто наклонить зуб, а целиком подвинуть его. Например, есть какая-то дырочка, и мы можем её закрыть, просто наклонив зуб или целиком передвинув его в сторону этого просвета. Второй вариант лучше, потому что обеспечивает больший контроль над лечением.

Можно это всё сделать и с помощью традиционного слепка. И некоторые врачи даже предпочитают именно этот вариант. Но, опять же, физический слепок изготавливается дольше, для работы с ним нужен определённый опыт.

Подытожим

В общем, сегодня сканеры в клиниках встречаются довольно часто, и дальше их использование, полагаю, будет только нарастать. Потому что пациент будет выбирать клинику, где всё сделают гораздо комфортнее, быстрее и точнее.

Ещё посты:

P.S. Если вы дойдёте до наших клиник, то говорите, что вы с Хабра, будет скидка 5%.

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/847924/