Qualität dentaler CAD/CAM-Systeme

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1 Autor Wissenschaftler Status Aktuell Kategorie Qualität dentaler CAD/CAM-Systeme Neue Arbeitsgruppe der ISO erarbeitet Standards zur Überprüfung der Genauigkeit digitaler Technologien Prof. Dr. Jef M. van der Zel In der Herstellung von Zahnersatz konnte sich die CAD/CAM-Technologie in den letzten Jahren gegenüber anderen Fertigungsmethoden eindeutig durchsetzen. Ständig bringt die Dentalindustrie neue Entwicklungen auf den Markt, welche die Digitalisierung von Produktionsabläufen betreffen. Umso wichtiger ist deshalb die Entwicklung und Festlegung von Standard-Testverfahren, welche hinsichtlich der Qualität der Scanner, Softwareprogramme oder Materialien sowohl die Angaben der Hersteller als auch die Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen überprüfen. Aus diesem Grund wurde auf einem Treffen des TC 106 (Technical Committee for Dentistry) der International Organization for Standardization (ISO) im Oktober 2007 in Berlin eine neue Arbeitsgruppe ins Leben gerufen. Die Working Group 11: CAD/CAM systems unter der Leitung des Technical Comittee TC 106 soll künftig Testverfahren festlegen, die einen Qualitätsvergleich von CAD/CAM-Systemen ermöglichen. Um einen Vergleich und eine Bewertung computerunterstützter Technologien möglich zu machen, sind standardisierte Testverfahren unverzichtbar. Zur Qualitätssicherung von keramischen und metallischen Materialien, die mittels CAD/CAM bearbeitet werden können, existieren bereits zahlreiche standardisierte physikalische und chemische Tests, die wiederum auf standardisierte Prüfobjekte zurückgreifen. Auch in der dentalen Implantologie werden computerbasierte Methoden eingesetzt wie z. B. zur Planung der exakten Insertionsorte von Implantaten auf Basis von CT-Scans und der anschließenden Konstruktion der Bohrschablone am Monitor. Dies erfolgt unter anderem bei den implantologischen Planungs- beziehungsweise Navigationsprogrammen SimPlant (Materialise, D-Oberpfaffenhofen), Cyrtina Guide [1] (Oratio, NL-Zwaag) oder NobelGuide (Nobel Biocare, D-Köln). Und auch hier bedarf es Testverfahren zur Überprüfung und zum Vergleich der eingesetzten digitalen Technologien. Im Folgenden möchte ich mich zunächst jenen Aspekten widmen, die bei der optischen Datenerfassung von dentalen Scannern eine Rolle spielen. Dreidimensionale Datenerfassung Zu Beginn eines jeden CAD/CAM-Prozesses steht die dreidimensionale Datenerfassung der Präparation, die sowohl durch mechanische als auch durch optische Messverfahren erfolgen kann [2-8]. Heutzutage kommen in der Zahnheilkunde hauptsächlich berührungslose optische Messgeräte zum Einsatz. Gründe hierfür sind vor allem die Möglichkeit der Flächenerfassung sowie die kürzeren Messzeiten sowie das stetig wachsende Vertrauen in diese Technologie. Generell erfüllt der Großteil der auf dem Markt erhältlichen Scanner die Mindestanforderungen an die Messgenauigkeit. Hinsichtlich der Qualität der virtuellen Daten spielt jedoch nicht nur der Scanvorgang an sich eine Rolle: Auch die Genauigkeit der Software beispielsweise bei der Festlegung der Präparationsgrenzen kommt hier zum Tragen. Verbesserungspotential sehe ich bei der dreidimensionalen Datenerfassung insbesondere in den Bereichen Bedienungskomfort, Softwareprogramm, Geschwindigkeit und Genauigkeit der optischen Systeme. Die sich auf dem Markt befindlichen Scanner unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Genauigkeit, Schnelligkeit und zunehmend auch in Bezug auf die 70

2 mitgelieferte Design-Software [7]. Bei geschlossenen CAD/CAM-Systemen ist der Scanner automatisch integriert. Prinzipiell ist es natürlich von Vorteil, alle Systemkomponenten aus einer Hand zu erhalten und somit auch eine Garantie vom Hersteller für deren einwandfreie Kompatibilität. Allerdings kann sich der Anwender dann nicht leistungsbezogen für den Kauf eines bestimmten Scanners entscheiden. Immerhin besteht bei einigen Scannern die Möglichkeit, eine sys temfremde Software zu installieren und sich damit eine gewisse Herstellerunabhängigkeit zu verschaffen [9]. Aus oben genannten Gründen können Testverfahren zur Überprüfung der Genauigkeit dreidimensionaler Datenerfassung also zunächst nur für offene, optische Digitalisierungssysteme festgelegt werden. Für die Testverfahren infrage kommen folgende kalibrierte Testkörper: Zur Überprüfung der Genauigkeit eine Kugel (Abb. 1), für die Formenreproduktion ein Block (Abb. 2) und für Kanten-Effekte kalibrierte Brückenpfeiler (Abb. 3a und b). Abb. 3a und b: Kalibrierte Brückenpfeiler. Genauigkeit mit Kugelmessung Abb. 1: Kalibrierte Alumina-Kugel (12 mm). Abb. 2: Kalibrierter Alumina-Block (10 mm). Noch immer wird nach geeigneten Methoden für die Validierung und Verifikation der Genauigkeit von Scannern geforscht. Die Methode zur Bestimmung der Mess-Unsicherheit bei der Erfassung von Volumen nach der bestehenden Norm ISO / VDI 2617 [9] ist sehr kompliziert. Für zahntechnische Labore und Hersteller von Scannern sind praktikablere Testmethoden erwünscht. Das Akademische Zentrum für Zahnheilkunde (ACTA) der Universität Amsterdam (NL) entwickelte deshalb eine Messmethode, die auf einer kalibrierten Kugel basiert [10]. Hierfür wird eine Präzisionskugel aus Aluminiumoxid (Saphirwerk, CH-Brügg) mit einem nominalen Laserstrahl von 6,000 ± 0,0005 mm laut des vom Hersteller empfohlenen Scan-Protokolls abgetastet. Aus der Punktewolke (Abb. 4) wird zunächst das Zentrum der virtuellen Kugel und anschließend die Standardabweichung des Radius der best fit -Kugel berechnet. Dabei liegt die Standardabweichung des Radius von der theoretischen Kugel bei etwa 6,5 µm (Abb. 5). Mithilfe dieser Methode kann auch die Größe des Winkels 71

3 berechnet werden, mit dem unter dem Äquator gescannt wird. Das Scannen von unter sich gehenden Bereichen ist besonders für die automatische Erkennung der Präparationsgrenze sowie der Position des Äquators von Bedeutung. Die Ergebnisse dieses Testverfahrens zeigen, dass einige auf dem Markt befindlichen optischen Scanner Messungenauigkeiten auf der Kugel von bis zu 25 µm aufweisen (Abb. 6). Abb. 4: Punktewolke der gescannten Kugel. anhand der Abweichungen der Flächenwinkel vom Wert 90 bestimmt. Hierfür wird ein Aluminiumoxid-Präzisionsblock (Grade K) von x mm ± 0,0006 mm (TESA, CH-Renens) gemäß empfohlenem Scan-Protokoll abgetastet. Aus der Punktewolke des gescannten Blocks (Abb. 7) wird zuerst die Standardabweichung zur Punktewolke der best fit -Fläche berechnet. Dann werden die Normalvektoren sowie die jeweiligen Abstände der Flächen mit denen der best fit -Fläche verglichen und die jeweiligen Abweichungen hinsichtlich Ausrichtung und Abstand berechnet. Abbildung 8 zeigt die Verteilung der Abweichungen zum Präzisionsblock. Die durchschnittlichen Ergebnisse der Blockvermessung gibt Abbildung 9 wieder. In diesem Fall wurde eine Abweichung zur best fit -Fläche von 11,3 µm festgestellt. Bei extraoralen Scannern wurde eine Unparallelität von maximal 0,15 ermittelt. Bei einem Pfeiler mit einer Länge von 10 mm beträgt der maximale Fehler deshalb rund 13 µm. Dieser Wert liegt innerhalb der klinischen Anforderungen. Die Messungenauigkeiten hinsichtlich des Flächenabstands mit einem maximalen Wert von 22 µ sind in etwa vergleichbar mit den Resultaten der Kugelvermessung. Abb. 5: Verteilung der Abweichungen zur kalibrierten Kugel. Abb. 7: Punktewolke des gescannten Blocks. Abb. 6: Durchschnittliche Messungenauigkeiten bei Verwendung der kalibrierten Kugel. Reproduzierbarkeit der Form Bei der ebenfalls von ACTA entwickelten Methode [11] wird die Reproduzierbarkeit der Form Abb. 8: Verteilung der Abweichungen zum Präzisionsblock. 72

4 Abb. 9: Durchschnittliche Messungenauigkeiten bei Verwendung des Präzisionsblock. Kanteneffekte Entscheidend für die Genauigkeit bei der optischen Vermessung ist die Erfassung der scharfen Kanten einer Präparation. Die dort erzielte Messgenauigkeit entscheidet über die spätere Passgenauigkeit der gefertigten Restauration. Dabei ist unvermeidbar, dass bei dem Scanprozess die scharfen Kanten automatisch abgerundet werden. Es gilt: Je schlechter die Qualität des Scanners ist, also je ungenauer dieser das Scanobjekt abtastet, desto stärker werden die scharfen Kanten abgerundet. Diese Ungenauigkeit muss später mithilfe des Softwareprogramms korrigiert werden. Die Genauigkeit des Scanners bei scharfen Kanten kann am besten mit kalibrierten Brückenpfeilern überprüft werden (Abb. 3a und b). Abbildung 10 zeigt, wie das Problem der scharfen Ecken und Ränder anhand von kalibrierten Pfeilern in der Software neutralisiert werden kann. Bei einem Großteil der offenen, extraoralen optischen Scanner, die zu einem adäquaten Preis erhältlich sind, liegt die Messgenauigkeit im Bereich von 7 bis 25 µm. Eine angemessene Präzision bei Präparationen mit scharfen Kanten kann in Kombination mit einer intelligenten Software erzielt werden. Die Mindestanforderungen an die Auflösung und damit die Genauigkeit und Formtreue werden von den meisten derzeit am Markt erhältlichen CAD/CAM- Scannern erfüllt. Obwohl nach DIN EN ISO [12] bereits eine Richtlinie zur Prüfung der Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten existiert, wird eine vereinfachte und speziell auf den dentalen Bereich ausgelegte objektive Messmethode zur Beurteilung und zum Vergleich der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse von Scannern benötigt. Die neu gebildete Arbeitsgruppe TC 106 / WG 11: CAD/CAM systems, die sich aus 35 Experten aus 15 Ländern zusammensetzt, wird sich künftig mit der Qualität der dreidimensionalen Digitalisierung beim Einsatz von CAD/CAM-Systemen beschäftigen. Mit Unterstützung der Industrie, von Anwendern und Zahnärzten wird sie sicher bald zu einem zufriedenstellenden Ergebnis gelangen, welches auf lange Sicht für die computerunterstützte Zahnheilkunde unverzichtbar ist. Literatur [1] Van der Zel, J. M.: Implant Planning and Placement Using Optical Scanning and Cone Beam CT Technology. In: J Prosth 20 (2008), S [2] Krämer, N; Kunzelmann, K.-H.: Messfehler bei der 3D-Erfassung von Oberflächen durch mechanische Profilometrie. In: Dtsch Zahnärztl Z 50 (1995), S [3] Persson, M.; Andersson, M.; Bergman, B.: The accuracy of a high-precision digitizer for CAD/CAM of crowns. In: J Prosth Dent 74 (1995), S Abb. 10: Durchschnitt durch kalibrierte Brückenpfeiler. Fazit [4] Van der Zel, J. M.; Vlaar, S. T.; de Ruiter, W. J.; Davidson, C. L.: The CICERO system for CAD/CAM fabrication of full-ceramic crowns. In: J Prosth Dent 85, 3 (2001), S [5] Van der Zel, J. M.: Ceramic-fused-tometal restorations with a new CAD/CAM system. In: Quintessence 24, 11 (1993), S [6] Pfeiffer, J.: Dental CAD/CAM technologies: The Optical Impression (II). In: Int J Comput Dent 2 (1999), S

5 [7] Van der Zel, J. M.: Scanner Wo liegen die Grenzen? In: Team Work, Journal of Multidisciplinary Collaboration in Prosthodontics 6, 4/03 (2003), S [8] Brandestini, M.; Möhrmann, W.; Lutz, F.; Kreji, I.: Computer machined ceramic inlays: In vitro marginal adaptatiom. In: J Dent Res 64(A) (1985), Abstract 305. [9] Van der Zel, J. M.: Die Bedeutung dentaler Scanner für das prothetische Endergebnis und dessen Qualität. In: DDN 9/2007, S [10] Vlaar, S. T.; van der Zel, J. M.: Accuracy of Dental Digitizers. In: Int Dent J 56 (2006), S [11] Vlaar, S. T.; de Ruiter, W. J.; van der Zel, J. M.: Form reproduction by Dental Digitizers. In: Int Dent J (accepted for publication). [12] VDI / VDE 2617 Part 6.2: Accuracy of coordinate measuring machines Characteristics and testing of Characteristics Guideline for the application of DIN EN ISO to coordinate measuring machines with optical distance sensors. Prof. Dr. Jef M. van der Zel Amsterdam, Niederlande Promotion an der Universität Amsterdam technischer Direktor und Scientific Offizier bei Elephant Dental, Hoorn (NL) Entwicklungsleiter des CAD/CAM-Systems CICERO von Elephant Dental Professor am weltweit ersten Lehrstuhl für computerunterstützte Zahnheilkunde, Academic Center of Dentistry, Amsterdam Entwicklungsleiter des CAD/CAM-Systems CYRTINA von Oratio seit 2003 Vorstandsvorsitzender der Oratio B.V., Zwaag (NL) Vorsitzender der Special Interest Group CAD/CAM der International Association of Dental Research (IADR) Vorsitzender der TC 106 / Working Group 11: CAD/CAM systems der ISO Kontakt j.vd.zel@acta.nl 74