Einfluss der Digitalisierung auf die erreichbare Präzision CAD/CAM-gefertigter zahnmedizinischer Restaurationen

TAGUNGSBEITRAG H. Rudolph 1, C. Schöne 2, R. G. Luthardt 1 Einfluss der Digitalisierung auf die erreichbare Präzision CAD/CAM-gefertigter zahnmedizinischer Restaurationen In einer optimierten CAD/CAM-Prozesskette sind hochpräzise Restaurationen aus innovativen Materialien in konstanter Qualität bei gleichzeitiger Kostenoptimierung denkbar. Eine bestehende 3D-Analysekette wurde weiter entwickelt, um den Einfluss der Digitalisierung und Flächenrückführung auf die erzielbare Genauigkeit bei der CNC-Fertigung von Duplikaten eines präparierten Zahnes zu ermitteln. Repräsentative Digitalisierverfahren wurden mit unterschiedlichen Flächenrückführungsverfahren kombiniert. Duplikatstümpfe der präparierten Zähne 13 und 36 wurden erstellt und diese mit dem Referenz-CAD-Modell und dem der Fertigung zugrunde liegenden Fertigungsdatensatz verglichen. Die größten mittleren Abweichungen betrugen +68 µm und 74 µm bei einer Standardabweichung von +54 µm bzw. 55 µm. Die geringsten Abweichungen betrugen +18 µm und 17 µm bei einer Standardabweichung von 12 µm. Während der Einfluss der Flächenrückführung von untergeordneter Bedeutung ist, schlägt sich der Digitalisierungsfehler vollständig in der Bearbeitung nieder, da der Gesamtfehler sich additiv aus Fertigungsfehler und Digitalisierungsfehler zusammen setzt. Schlüsselwörter: CAD/CAM, Digitalisierung, Messung, Methode, 3D-Analyse, Präzision The influence of digitizing on the precision of CAD/CAMmade dental restorations. Given an optimized CAD/CAM-process, dental restorations of high precision can be made economically out of innovative materials in constant quality. An existing method for tree-dimensional analysis has been advanced in order to determine the influence of digitizing and surfacing on the precision of CNC-manufactured tooth duplicates. Representative digitizing systems and surfacing methods were combined. Duplicates of a prepared upper canine and a lower molar were fabricated and compared to the original CAD-model as well as to the data-set with which they were produced. The greatest average differences amounted to +68 µm and -74 µm (SD +54 µm/ -55 µm). The least average differences came to +18 µm and -17 µm (SD 12 µm). While the influence of surfacing methods is of minor importance, the digitizing error is determining for the manufacturing precision since the over-all error sums up manufacturing error and digitizing error. Keywords: CAD/CAM, digitizing, method, measurement, 3Danalysis, precision 1 Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus, Technische Universität Dresden (Direktor: Professor Dr. M. Walter) 2 Institut für Produktionstechnik, Professur Produktionsautomatisierung, Zerspan- und Abtragtechnik, Technische Universität Dresden (Leiter: Professor Dr.-Ing. habil. D. Fichtner) 1 Einleitung Der Einsatz von CAD/CAM-Technologien (computergestütztes Design/ computergestützte Herstellung) zur Fertigung zahnmedizinischer Restaurationen eröffnet zahlreiche Möglichkeiten. Es können keramische Materialien eingesetzt werden, die anderweitig nicht zu verarbeiten wären [2 6, 8, 11 13, 18 22]. Durch Chair-side-Anwendung sind Präparation und Restauration in einer Sitzung möglich [17]. In einer optimierten Prozesskette sind hochpräzise Restaurationen von reproduzierbarer, konstanter Qualität bei gleichzeitiger Kostenoptimierung denkbar. Die CAD/CAM-Prozesskette in der Zahnheilkunde besteht im Wesentlichen aus den Schritten Präparation Datenerfassung Datenverarbeitung CAD-Modellation und CAM-Fertigung [7]. Die Präparation folgt grundsätzlich den Regeln für vollkeramische Restaurationen. Bereits hier werden jedoch, abhängig davon, welches CAD/CAM-System gewählt wurde, besondere Anforderungen beispielsweise an den Präparationswinkel, den Innenwinkel einer Stufenpräparation oder die Ausprägung des okklusalen Reliefs gestellt. Die Digitalisierung kann indirekt mechanisch-taktil oder berührungslos-optisch (Laser- oder Weißlichtprojektionsverfahren) nach Abformung und Modellherstellung erfolgen. Durch den Einsatz einer intraoralen Kamera ist eine direkte, berührungslos-optische Digitalisierung möglich. Als Resultat der Digitalisierung entstehen eine oder mehrere Punktewolken, deren Punkte durch ihre Koordinaten in den drei Raumrichtungen bestimmt sind. Alle Punkte zusammen beschreiben die Oberfläche und somit die Form des digitalisierten Objektes, im einfachsten Falle eines präparierten Zahnes. Die Datenverarbeitung beinhaltet die Filterung der Daten, also das Entfernen von Streupunkten und gegebenenfalls die Reduktion des messbedingten Rauschens, die Flächenrückführung und computergestützte Konstruktion (CAD). Dabei wird ausgehend von den Digitalisierdaten mit unterschiedlichen mathematischen Verfahren die zu fertigende Restauration als ein zusammenhängendes Objekt erstellt. Für dieses Objekt werden anschließend Fräs- oder CNC-Bahnen (computer numeric control) berechnet, die den genauen Arbeitsablauf für die eingesetzte CNC-Maschine vorgeben. Die Restauration kann direkt aus Keramikblöcken herausgeschliffen werden oder es werden Duplikatstümpfe gefräst, auf die das keramische Material in Pulverform aufgebracht wird. Abschließend ist je nach Material oder CAD/CAM-System eine Sinterung, Endsinterung oder ein Glanzbrand notwendig. Kronen- und Brückengerüste werden im Anschluss an die CAD/CAM-Fertigung konventionell verblendet. Die Komplexität der Zahnformen und die Individualität jeder Präparation resultieren bei Anwendung dieser Technolo- Deutscher Ärzte-Verlag, Köln 73

gie in geometrisch schwer beschreibbaren sogenannten Freiformflächen. Jede Restauration ist zudem ein individuelles Einzelstück. Daher lassen sich Erfahrungen aus dem Maschinenbau nicht in vollem Umfang auf die Zahnheilkunde übertragen. Während es in der zahnmedizinischen CAD/CAM-Literatur zahlreiche Fall- oder Systembeschreibungen sowie Invitro- und werkstoffkundliche Studien gibt, fehlen vergleichende Studien zu der CAD/CAM-Prozesskette [15]. Ziel dieser Untersuchung war es daher, den Einfluss der Digitalisierung und Flächenrückführung auf die erzielbare Genauigkeit bei der CNC-Fertigung von Duplikaten eines präparierten Zahnes zu ermitteln. 2 Material und Methode Digitalisierung Repräsentativ für die verschiedenen Digitalisierverfahren heutiger CAD/CAM-Systeme wurden (1) die simulierte intraorale Digitalisierung, (2) ein Laserscan-Verfahren und (3) ein Weißlicht-Streifenprojektionsverfahren ausgewählt. Zu Vergleichszwecken wurde eine idealisierte, mathematisch generierte Punktewolke erstellt, für die ein CAD-Modell wiederum durch Sampling in Einzelpunkte zerlegt wurde (Abbildung 1). Als Versuchsstümpfe dienten Edelstahlmodelle eines präparierten oberen Eckzahnes und eines präparierten unteren Molaren [10, 16]. Die simulierte intraorale Digitalisierung erfolgte direkt von den Metallstümpfen nach Puderapplikation. Für die indirekte, extraorale Digitalisierung wurden die Stümpfe in individuellen Löffeln in Doppelmischtechnik abgeformt (Dimension Penta H und Dimension Garant L, 3M ESPE AG, Seefeld) und Gipsstümpfe hergestellt (estheticrock, dentona Dental GmbH, Wipperfürth) [9]. Flächenrückführung Für die Flächenrückführung wurden zwei Varianten mit unterschiedlichem mathematischen Hintergrund gewählt. Bei der Spline- oder NURB-Fläche (Non-Uniform, Rational, B-spline; B steht für Basis) werden Kurven berechnet, deren Gitternetz die Oberfläche des Zahnes beschreibt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Beschreibung von glatten Kurven oder Flächen unter Verwendung von Polynomen. Das herausragendste Merkmal solcher Kurven oder Flächen ist, dass sie nicht selbst durch die definierenden Knotenpunkte verlaufen und somit editierbar sind ( Abbildung 2 a und b). Bei der Triangulation werden je drei benachbarte Punkte zu einem Dreieck verbunden. Die Oberfläche wird also durch viele kleine Dreiecke beschrieben. Es gibt verschiedene Verfahren, mit denen die benachbarten Punkte, welche zu einem Dreieck verbunden werden, ausgewählt werden können. Für diese Studie wurde eine DeLaunay-Triangulation verwendet (Abbildung 3 a und b). Analysekette Grundlage der Analysekette des Versuchs bilden zwei reale Metallstümpfe der präparierten Zähne 13 und 36 und dazu identische, virtuelle CAD-Modelle [10]. Mit den je vier verschiedenen Punktewolken für Zahn 13 und 36 wurden je- Abbildung 1 Punktewolken des Zahnes 13. Von links nach rechts: simulierte intraorale Digitalisierung, Laserscan-Verfahren, Weißlichtprojektion, idealisierte Sampling-Wolke Abbildung 2 a) Spline-Flächen-Gitternetz von Zahn 13, b) Detail 74

Abbildung 3 a) Triangulation von Zahn 36, b) Detail weils Spline-Flächen und Triangulationen erstellt. Anhand dieser Datensätze wurden Duplikatstümpfe aus einem fräsbaren Polyurethan (SikaBlock M800, Sika GmbH, Bad Urach) gefertigt. Die Duplikatstümpfe wurden mit einem optischen Dreikoordinaten-Messgerät (ODKM 97; IVB GmbH, Jena; Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik, Jena) erneut digitalisiert. Nach 3D-Zuordnung der gemessenen Datensätze der Duplikatstümpfe zu (1) den jeweiligen Spline-Flächen und Triangulationen, anhand derer sie gefertigt wurden und (2) den jeweiligen Referenz-CAD- Modellen, wurden die 3D-Abweichungen zu diesen berechnet. Dabei liefert Vergleich 1 den Fertigungsfehler und Vergleich 2 den Gesamtfehler (Abbildung 4). Zur Berechnung der negativen und positiven maximalen und mittleren Abweichungen sowie deren Standardabweichungen wurde die Software Surfacer (Version 10.6, SDRC- Imageware, Neu-Isenburg) eingesetzt. Jede der Paarungen aus präpariertem Zahn (Eckzahn; Molar), Flächenrückführung (Spline-Fläche; Triangulation) und Vergleich mit dem jeweiligen Datensatz (Spline-Flächen bzw. Triangulationen, anhand derer sie gefertigt wurden; Referenz-CAD-Modell (Ausgangsdatensatz)) wurden auf statistisch signifikante Differenzen innerhalb der Paarungen geprüft (SPSS 11.0.1, SPSS Inc., Chicago, IL, USA). Abbildung 4 Analysekette 3 Ergebnisse Gesamtfehler der Analysekette Für Zahn 13 mit Spline-Flächenrückführung ergaben sich im Vergleich zum Referenz CAD-Modell maximale Abweichungen von +231/-433 µm und mittlere Abweichungen von +68/-74 µm (SD 54/55 µm) für die simulierte intraorale Digitalisierung. Für das indirekte, extraorale Laserscan-Verfahren wurden maximale Abweichungen von +117/-179 µm und mittlere Abweichungen von +39/-36 µm (SD 24/27 µm) ermittelt. Maximale Werte für das Weißlichtprojektionsverfahren waren +88/-111 µm und mittlere Abweichungen +28/-25 µm (SD 17/19 µm). Die idealisierte Punktewolke zeigte Maxima von +89/-112 µm und mittlere Abweichungen von +/- 28 µm (SD 18/23 µm). Für Zahn 13 mit Triangulations-Flächenrückführung ergaben sich im Vergleich zum Referenz CAD-Modell maximale Abweichungen von +199/-302 µm und mittlere Abweichungen von +66/-59 µm (SD 46/45 µm) für die simulierte intraorale Digitalisierung. Für das Laserscan-Verfahren wurden maximale Abweichungen von +192/-172 µm und mittlere Abweichungen von +44/-41 µm (SD 27/31 µm) ermittelt. Maximale Werte für das Weißlichtprojektionsverfahren waren +86/-165 µm und mittlere Abweichungen +29/-27 µm (SD 17/20 µm). Die idealisierte Punktewolke zeigte Maxima von +96/-114 µm und mittlere Abweichungen von +/- 28 µm (SD 15/19 µm). Statistisch signifikant waren die Unterschiede zwischen den Ergebnissen der simulierten intraoralen Digitalisierung (p=0,000) und den des Laserscan-Verfahrens (p=0,001) im Vergleich zur idealisierten Punktewolke sowohl für die Spline-Flächenrückführung, als auch für die Triangulations-Flächenrückführung. Zahn 36 mit Spline-Flächenrückführung zeigte im Vergleich zum Referenz CAD-Modell maximale Abweichungen von +355/-144 µm und mittlere Abweichungen von +/- 34 µm (SD 28/26 µm) für die simulierte intraorale Digitalisierung. Für das Laserscan-Verfahren wurden maximale Abweichungen von +147/-132 µm und mittlere Abweichungen von +33/-30 µm (SD 25/21 µm) ermittelt. Maximale Werte für das Weißlichtprojektionsverfahren waren +159/-156 µm und mittlere Abweichungen +/- 24 µm (SD 19 µm). Die idealisierte Punktewolke ergab Maxima von +169/-77 µm und mittlere Abweichungen von +/- 19 µm (SD 13 µm). Signifikante Unterschiede im Vergleich zur idealisierten Punktewolke zeigten sich hier für die simulierte intraorale Digitalisierung (p=0,000), das Laserscan-Verfahren (p=0,001) und das Streifenprojektionsverfahren (p=0,001). 75

Zahn 36 mit Triangulations-Flächenrückführung zeigte im Vergleich zum Referenz CAD-Modell maximale Abweichungen von +163/-174 µm und mittlere Abweichungen von +/- 33 µm (SD 27/26 µm) für die simulierte intraorale Digitalisierung. Für das Laserscan-Verfahren wurden maximale Abweichungen von +249/-153 µm und mittlere Abweichungen von +31/-29 µm (SD 23/21 µm) ermittelt. Maximale Werte für das Weißlichtprojektionsverfahren waren +206/-143 µm und mittlere Abweichungen +22/-23 µm (SD 17/18 µm). Die idealisierte Punktewolke ergab Maxima von +348/-103 µm und mittlere Abweichungen von +/- 22 µm (SD 15 µm). Der Vergleich zur idealisierten Punktewolke zeigte signifikante Unterschiede für die simulierte intraorale Digitalisierung (p=0,000) und das Laserscan-Verfahren (p=0,001). Der Vergleich der Datensätze der Duplikatstümpfe mit der jeweils zugrunde liegenden Spline-Fläche oder Triangulation ergab einen mittleren Fertigungsfehler von 25 µm für Zahn 13 für beide Arten der Flächenrückführung. Die Duplikatstümpfe von Zahn 36 wiesen einen mittleren Fertigungsfehler von 19 µm für die Spline-Flächenrückführung und von 18 µm für die Triangulations-Flächenrückführung auf. Aus der Differenz von Gesamtfehler und Fertigungsfehler ergibt sich der Einfluss des Digitalisierverfahrens (Abbildung 5). 4 Diskussion Fertigungsfehler Differenz zu Gesamtfehler Abbildung 5 Einfluss der Digitalisierung auf den Gesamtfehler Mittlere Abweichungen (µm), blau = Differenz zum Gesamtfehler Fertigungsfehler: gelb = simulierte intraorale Digitalisierung, rot = Laserscan- Verfahren, weiß = Weißlichtprojektion, cyan = idealisierte Punktewolke Die Fortentwicklung der bestehenden 3D-Analysekette zur Prüfung des Einflusses von Digitalisierung und Flächenrückführung auf die erzielbare Fertigungsgenauigkeit von CNCgefertigten Duplikatstümpfen erwies sich im Zuge der Untersuchungen als valides und reproduzierbares Verfahren. Die maximalen negativen und positiven Abweichungen sollten dabei nicht für sich allein betrachtet werden, da es sich um einzelne Punkte in der Punktewolke handeln kann. Die mittleren positiven und negativen Abweichungen sowie die Standardabweichung stellen die aussagekräftigsten Messgrößen dar. Eine ausreichende Punktzahl der Punktewolke vorausgesetzt, erscheint die Art der Flächenrückführung von untergeordneter Bedeutung. In dem hier vorgestellten Versuch wurden alle Punktewolken unabhängig von der Zahl der Punkte in der Messwolke auf eine in etwa gleiche Anzahl reduziert (ca. 35.000 Punkte für Zahn 13 und 74.000 Punkte für Zahn 36). Die unterschiedliche Punktzahl für Eckzahn und Molar spiegelt das Größenverhältnis der Stumpfoberflächen wieder. Über die in diesem Versuch verwendeten Flächenrückführungen hinaus gibt es zahlreich weitere mathematische Ansätze (z.b. Marching Cubes, Blob-Algorithmus) bis hin zu lernfähigen neuronalen Netzen. Da der Einfluss auf den Gesamtfehler vernachlässigbar scheint, sind entscheidende Kriterien für die Anwendung in der CAD/CAM-Technologie die erzielbare Genauigkeit, die Geschwindigkeit und das Generieren konsistenter Netze. In der Untersuchung wurden Duplikatstümpfe angefertigt, um zusätzliche Abweichungen, welche durch das Umsetzen der positiven Stumpfform in eine negative Kroneninnenform entstehen, auszuschließen. Vor allem bei der Innenbearbeitung von Kronen und Brücken kommt es im Bereich von Höckerspitzen durch die Form des Werkzeugs zu größeren Abweichungen zwischen Kronen- oder Brückeninnenfläche und Zahnstumpf [1, 14]. Das fräsbare Polyurethan hat den Vorteil, einfach und schnell bearbeitbar zu sein. Auf materialspezifische Besonderheiten wie z.b. bei der Hartbearbeitung von Keramik muss daher keine Rücksicht genommen werden. Um die Zahl der variablen Faktoren innerhalb der Analysekette möglichst klein zu halten, wurde auf die Anwendung unterschiedlicher Frässtrategien für die verschiedenen Zahnformen verzichtet. Mit einer geeigneten Kombination aus unterschiedlichen Frässtrategien könnte der Fertigungsfehler vermutlich weiter gesenkt werden. Der Fertigungsfehler fällt für Zahn 36 etwas geringer aus, als für Zahn 13. Ursächlich hierfür ist vermutlich der Einfluss der Zahnform bzw. des Verhältnisses zwischen Höhe des Stumpfes und der präparierten Fläche. Während die Differenz zwischen dem Gesamtfehler und dem Fertigungsfehler bei der idealisierten Punktewolke definitionsgemäß für beide Zähne und beide Flächenrückführungen gleich Null ist, addiert sich der Fehler der Digitalisierung bei allen anderen Digitalisierverfahren dem Fertigungsfehler hinzu. Das bei der Anwendung des Weißlicht-Streifenprojektionsverfahrens, dass sowohl in der Gruppe der zu untersuchenden Verfahren als auch für die Analyse selbst eingesetzt wurde, nur minimale Differenzen zwischen Gesamtfehler und Fertigungsfehler auftraten, zeigt dessen hohe Eignung für derartige Untersuchungen, wie auch die Digitalisierung von Einzelzähnen. 5 Schlussfolgerungen Der Einfluss der Flächenrückführung ist innerhalb der untersuchten Prozesskette von untergeordneter Bedeutung. Die CAD/CAM-Herstellung von Duplikatstümpfen erfüllt die Anforderungen an die zahnmedizinisch notwendige Präzision. Ein Einfluss der Form der Stümpfe darf aber bei der Anwendung dieser Technologie nicht außer Acht gelassen werden. Es konnte gezeigt werden, dass sich der Digitalisierungsfehler vollumfänglich in der Bearbeitung niederschlägt, da der Gesamtfehler sich additiv aus Fertigungsfehler und Digitalisierfehler zusammensetzt. 6 Danksagung Die Autoren danken Herrn OA Dr. Gido Bornemann, Abteilung Prothetik II, Zentrum Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde der Universität Göttingen (Direktor: Prof. Dr. Dr. A. Hüls) für die Daten der simulierten intraoralen Digitalisierung. Teile der Voruntersuchungen zu diese Studie entstanden im Rahmen des Projekts Erarbeitung einer Reverse-Engineering-CAM-Prozesskette für den Bereich der Konstruktion und Fertigung zahnärztlich-prothetischer Restaurationen, 76

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