Optische Scanverfahren – das Fundament des digitalen Workflows auf dem Prüfstand

Abformungen und Modelle der Zähne und Kiefer sind aus keiner zahnärztlichen oder kieferorthopädischen Praxis wegzudenken. Sie sind und waren für die Behandlungsplanung schon immer von eminenter Bedeutung – und das gilt genauso für sie als Grundlage zum Herstellen von Prothetik, Schienen, Bohrschablonen oder kieferorthopädischen Apparaturen im zahntechnischen Labor.

Karin Frank

Da nun die Computertechnik mit CAD/CAM Einzug in Zahnarztpraxis und Dentallabor gehalten hat, stellen sich neben herkömmliche Abformungen mit Material und Löffel und folgend auch neben reale Gipsmodelle nun virtuelle Objekte, die auf intra- und extraoralen Scans basieren (Abb. 1). Durch die wachsenden Anwendungsmöglichkeiten der verschiedenen Softwares und die Weiterentwicklung der Hardware treten digitale Abformungen immer stärker in den Mittelpunkt des Interesses. Aufgrund der eingetretenen Verbesserungen von intra- wie auch extraoralen Scanverfahren wird zunehmend versucht, auf analoge Bestandteile der Arbeitsabläufe in der prothetischen Behandlung zu verzichten und einen volldigitalen Workflow zu etablieren: Hier muss der Anwender wissen, ob die neuen Prozesse Grundlage für die gewünschten passgenauen Ergebnisse sein können.

Blick auf den digitalen Workflow in Praxis und Labor

Durch die Kombination unterschiedlicher digitalisierter Einzelschritte können zusammenhängende Arbeitsabläufe in die virtuelle Welt übertragen werden. So kam es zum Beispiel mithilfe digitaler Medien dazu, dass die minimalinvasive Implantologie durch das Zusammenfügen von Röntgentechnik mit CAD/CAM revolutioniert wurde [1].

Die Digitalisierung der Behandlungsabläufe hat sowohl die Planung und Durchführung von unterschiedlichen Behandlungen modifi ziert und teils vereinfacht als auch die Kommunikation des Behandlers mit dem Patienten und dem Zahntechniker verändert. Die Zusammenarbeit zwischen Labor und Praxis kann von einem schnelleren und umfangreicheren Austausch von Information und Daten, kurz: der fortschreitenden Digitalisierung, profitieren.

Karin Frank

Durch die Weiterentwicklung der Arbeitsabläufe und der Fertigungsverfahren für Zahnersatz, kieferorthopädische Apparaturen oder Schablonentechnik wachsen nun auch die Anforderungen an virtuelle Modelle, auf die sich der Anwender verlassen können muss. Ein Schritt baut auf dem anderen auf und schon der erste digitale Schritt, der Scan, limitiert die Genauigkeit des gesamten Workflows. Die Passgenauigkeit von Restaurationen beziehungsweise Apparaturen, die auf einem Modell (Abb. 2) hergestellt werden, steht in direktem Zusammenhang mit dessen Präzision und Genauigkeit, dementsprechend können zahntechnische Arbeiten, die sich über ganze Kiefer erstrecken, nur auf einem ausreichend präzisen digitalen Modell hergestellt werden.

Der Scan als Ausgangspunkt für CAD/CAM-Verfahren

Zwar ist die „Kurzstreckenpräzision“ von Intraoral- und Laborscannern, das heißt die Maßhaltigkeit darauf basierender kleiner Objekte wie digitalisierte Einzelstümpfe, schon wissenschaftlich erforscht und als hinreichend eingestuft [2–4], gegen die Maßhaltigkeit von Ganzkieferscans gibt es allerdings weitverbreitete Vorbehalte [5].

Ob ein Scan und damit zusammenhängend der gesamte Herstellungsprozess erfolgreich ist, hängt von vielen Faktoren ab, die für den Anwender nicht immer auf den ersten Blick erkennbar sind. So wird ein Scan beispielsweise durch zu viel Licht, durch eine falsche Scantechnik oder eine zu große Datenmenge potenziell negativ beeinflusst. Unterschiedliche Scanverfahren bedienen sich diverser Techniken, um den Scanprozess zu standardisieren, zu beschleunigen und reproduzierbar zu machen. Zum Beispiel werden Scanprozesse automatisiert oder die richtige Aufnahmetechnik von der Software vorgegeben. Dabei müssen Hardware und Software perfekt aufeinander abgestimmt sein. Es darf etwa nicht außer Acht gelassen werden, dass die Software und der integrierte Berechnungsalgorithmus einen erheblichen Einfluss auf die Präzision der Scans haben können.

Karin Frank

Bei der Auswahl eines Scanners und der dazugehörigen Software gibt es viele Möglichkeiten. So muss zunächst entschieden werden, ob schon gleich intraoral oder erst nach herkömmlicher Abformung extraoral im Labor gescannt werden soll. Wählt man einen Intraoralscanner, müssen die klinischen Gegebenheiten wie z.B. die Mundöffnung zum Scannen geeignet sein. Entscheidet man sich für einen Laborscanner, muss man das Risiko eines Fehlers bei der Abformung mit Material oder bei der Herstellung des Gipsmodells in Kauf nehmen. Hat man sich in der Praxis grundsätzlich für die Anschaffung eines Intraoralscanners entschieden, muss man die Auswahl weiter verfeinern. Es gibt z.B. Intraoralscanner, die Einzelbilder aufnehmen, und Geräte, die mithilfe von Videosequenzen arbeiten. Es ist zu entscheiden, ob man eine Aufnahme in Farbe für sinnvoll und/oder notwendig hält oder ob eine Schwarz-Weiß-Abbildung ausreicht. Auch muss überlegt werden, ob die vorkommenden Situationen mit oder ohne Puder abzubilden sind.

Grundsätzlich stehen verschiedene Scanner zur Verfügung, die mithilfe eines Projektors und einer Kamera die Oberfläche der Zähne und Schleimhäute erfassen können. Dabei wird ein definiertes Streifenmuster auf die Oberfläche projiziert und von der Kamera erfasst (Abb. 3). Aus den dabei entstehenden Bildern oder Videos wird die Oberfläche nach dem Prinzip der Triangulation berechnet.

Die Komponenten im Workflow und ihre Bedeutung für das Scanergebnis

Bei der Auswahl der Software spielt das Anwendungsgebiet die größte Rolle, da die weitere Verarbeitung und die Herstellung der zahntechnischen Arbeiten wenn möglich im selben Programm stattfinden sollten: vor allem zum Vermeiden von Schnittstellenproblemen. Auf den längsten Erfahrungszeitraum blickt Dentsply Sirona zurück [6]. Seit 1985 das erste Cerec-gestützt gefertigte Inlay eingesetzt wurde, haben sich die Möglichkeiten der Anwendung digitaler Modelle vervielfacht. Inzwischen wurden mit inLab, Cerec Premium und Cerec Ortho weitere Anwendungsgebiete erschlossen.

Der softwaregeführte Scan

Dentsply Sirona, Cerec Ortho Software

Mit Cerec Ortho wurde auch zum ersten Mal in der Cerec-Geschichte ein softwaregeführter intraoraler Scan eingeführt, in dem das Programm dem Anwender den richtigen Weg zum idealen Scan weisen soll. Von der Software wird vorgegeben, welche Flächen in welcher Reihenfolge aufgenommen werden sollen (Abb. 4).

Der vollautomatisierte Scan

Der inEos X5 Scanner brachte für Dentsply Sirona mit der inLab-Software erstmals einen vollautomatisierten Laborscan. Das Gipsmodell wird in eine Halterung eingespannt, von einem Motorarm unter dem Scanner bewegt und in alle Richtungen gekippt. Dabei wird stets dasselbe Scanprotokoll verfolgt. Der Scan kann anschließend mit individueller Steuerung vervollständigt werden. Durch diese Vereinfachung des Prozesses wird der Scan-Schritt zu einer delegierbaren Aufgabe, die keiner speziellen Ausbildung bedarf.

Die Beurteilung von Scans

Dentsply Sirona

Allerdings ist es für Anwender schwer bis unmöglich, festzustellen, welcher Scanner mit welcher Software am genauesten arbeitet. Ein zuverlässiges, genormtes Verfahren, um die Produkte und Methoden für intraorales und extraorales Scannen einheitlich miteinander zu vergleichen, existiert in Europa derzeit noch nicht. In den USA gibt es eine solche Norm (ADA/ANSI Standard No. 132), die für Messungen ein bestimmtes Einheitsmodell festlegt. Das Verfahren verursacht allerdings durch seine großen kugelförmigen Referenzkörper Fehlregistrierungen beim Scan, die das Messergebnis verfälschen können, wie Abbildung 5 deutlich macht.

Wissenschaftliche Studie zur Maßhaltigkeit mithilfe eines neuen Referenzmodells

Karin Frank

Ein neues Referenzmodell, mit dem unterschiedliche Scans und Fertigungsverfahren standardisiert verglichen werden können, habe ich entwickelt und in meiner Diplomarbeit beschrieben [8]. In diesem Modell wurden wesentlich kleinere Referenzkörper in das symmetrische Modell eines Oberkiefers eingelassen, um so die Maßhaltigkeit der Ganzkieferscans zu beurteilen (Abb. 6). Exemplarisch wurden Scantests durchgeführt: mit den Intraoralscannern BlueCam und Omnicam sowie den Laborscannern inEos Blue und inEos X5 in Verbindung mit den Software-Programmen Cerec Ortho (softwaregeführt), Cerec und inLab (vollautomatisiertes Aufnehmen). Es folgte die Analyse der virtuell erhaltenen Modelle, diese erstreckte sich zunächst auf die Auflösung und Oberflächenintegrität. Zum Analysieren der dreidimensionalen Wirklichkeitstreue wurden Zahnbogenlängen, Strecken, Abstände und Höhen vermessen.

Ergebnisse

Die Studie ergab insgesamt, dass moderne Verfahren des Ganzkieferscans durchaus geeignet sind, um virtuelle Meistermodelle für die unterschiedlichen Fachgebiete zu produzieren. Ein Teilergebnis zeigte, dass der jeweils verwendete Scanner nur einen Teil der Präzision bestimmt. Wesentlich größeren Einfluss auf das Resultat hatte die Kombination aus Hard- und Software.

Diesen Einfluss erkennt man besonders dann, wenn dasselbe Gerät von zwei unterschiedlichen Programmen gesteuert wird, die auf unterschiedliche Fachgebiete ausgelegt sind. So kann die Omnicam sowohl von der Cerec Software, die zur Konstruktion von prothetischen Arbeiten und Einlagefüllungen verwendet wird, als auch von der Cerec Ortho Software, die im kieferorthopädischen Bereich verwendet wird, gesteuert werden. Im Versuch lieferte die Omnicam wesentlich bessere Modelle, wenn sie von der Cerec Ortho Software gesteuert wurde, als es bei der Cerec Software der Fall war. Das softwaregeführte Scanverfahren der Cerec Ortho liefert eine andere Berechnung der Modelle aus den mit dem Mundscanner erfassten Rohdaten.

Es wurde ebenfalls untersucht, ob bei einem freien, also nicht automatisierten oder softwaregeführten Scanverfahren ein Zusammenhang zwischen dem Startpunkt des Scans und der Präzision der einzelnen Quadranten-Ergebnisse besteht. Die Frage lautete, ob das Ergebnis abweicht, je nachdem, ob die optische Ganzkieferabformung im linken oder im rechten Quadranten begonnen wird. Die Annahme konnte widerlegt werden, dass stets der zuerst erfasste Quadrant präziser abgebildet wird als der gegenüberliegende, in dem der Scanprozess endet.

Das jeweils gewählte Scanverfahren – softwaregeführt, automatisiert oder freies Führen des Geräts – beeinflusste allerdings nicht nur die durchschnittliche Scanpräzision, sondern auch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Konsequenz: Soll ein Workflow fest in einer Praxis oder in einem Labor implementiert werden, so ist es für die Anwender wichtig, einen stabilen Prozess zu etablieren, der immer gleich gute Ergebnisse liefert. Der automatisierte Scan des inEos X5 Scanners erzeugt nach den durchgeführten Untersuchungen sehr stabile Ergebnisse und ist somit sehr verlässlich.

Dentsply Sirona

Große Unterschiede bestanden auch in der Auflösung der virtuellen Modelle (Abb. 7a u. b). Die gescannten Oberflächen werden im STL-Format mithilfe kleiner Dreiecke dargestellt, die eine Netzstruktur bilden. Die Dichte dieses Netzes bestimmt die Genauigkeit der Darstellung. Beim inEos X5 Scanner war dieses Netz in der Untersuchung dreifach dichter als bei den virtuellen Modellen der Bluecam oder des inEos Blue Scanners.

Fazit

Es lässt sich also sagen, dass deutliche Unterschiede zwischen den Scanverfahren festgestellt werden können, auch wenn sie vom Blickpunkt der Maßhaltigkeit her insgesamt für Ganzkieferscans mit daraus errechneten Modellen herangezogen werden können. Außerdem muss bei der Auswahl eines Scansystems auf die individuellen Bedürfnisse geachtet werden. Dabei dürfen wichtige Kriterien, wie die Kompatibilität von Aufnahme und Verarbeitungssoftware oder die Art des Fertigungsverfahrens, nicht außer Acht gelassen werden. Denn wir wissen, dass in einem funktionierenden Workflow die einzelnen Schritte wie Zahnräder ineinandergreifen und sich gegenseitig beeinflussen. Dem Entscheider wird die Auswahl vereinfacht, wenn verlässliche Testverfahren wie das hier vorgestellte Aufschluss geben.

Konsequenzen für den Alltag und die Zusammenarbeit

Die Digitalisierung der Abformung der Zähne und Kiefer eröffnet Behandlern und Technikern neue Möglichkeiten und kann bestehende Prozesse vereinfachen. Virtuelle Modelle bieten gegenüber physischen den Vorteil der platzsparenden Archivierung zu Dokumentationszwecken oder zur Verfolgung des Behandlungsverlaufs. Durch Übertragung physischer Modelle in die virtuelle Welt erfolgt die Versendung schnell und bequem auch über größere Entfernungen zum Labor. Das vereinfacht und beschleunigt die Kommunikation zwischen Techniker, Zahnarzt und Patient. Virtuelle Objekte können ortsunabhängig bearbeitet und dupliziert werden, man kann sie zur Analyse oder zur Herstellung von Zahnersatz verwenden. Für die moderne Zahnheilkunde bedeutet die Digitalisierung deshalb einen enormen Fortschritt und Arbeitserleichterung. Sie birgt große Vorteile für die Diagnostik und Behandlung von Patienten und erleichtert die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Zahnärzten, Ärzten und Technikern. Die Weiterentwicklung der digitalen Workflows und der Informationsverarbeitung kann die Zahnmedizin und Zahntechnik in Zukunft maßgeblich beeinflussen und voranbringen.

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