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Accuracy of Digital Impression Made from Different Elastomeric Impression Materials: Three-Dimensional Superimpositional Analysis
Accuracy of Digital Impression Made from Different Elastomeric Impression Materials: Three-Dimensional Superimpositional Analysis
Journal of Dental Hygiene Science. 2014. Jun, 14(2): 94-100
Copyright © 2014, the Korean Society of Dental Hygiene science
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  • Received : February 18, 2014
  • Accepted : April 07, 2014
  • Published : June 30, 2014
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기백 김
재관 정
재홍 김
noreason07@korea.ac.kr

Abstract
본 연구는 임상에서 널리 사용되고 있는 3종류의 탄성 인상재를 치과용 백색광 스캐너로 스캔하여 얻어진 데이터와 석고 지대치 모형과의 차이를 비교분석하였다. 인상재의 물성 차이가 3차원 디지털 모형의 정확성에 어떠한 영향을 미치는지 3차원 중첩 분석법을 통해 평가함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다. 석고 지대치 모형과 3종류의 인상재를 토대로 채득된 디지털 모형의 차이를 비교한 결과, HB 그룹이 9.80±1.52 μm로 가장 큰 차이를 보였으며, XLB 그룹이 5.10±1.45 μm로 가장 작은 차이를 나타내었다. 음형의 인상체 간의 정확성에 있어서는 측정된 평균값이 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). Color difference map의 결과에서도 HB 그룹에 비해 XLB 그룹이 오차가 0에 가까운 연두색의 분포가 넓게 나타났기에, 더욱 안정적이며 정확한 디지털 모형 채득이 가능한 탄성 인상재라는 결론을 내릴 수 있다. 아직까지는 음형의 인상체 스캔방식은 표면의 혈흔이나 난반사, 중합 수축 등 좀 더 개선하고 보완해야 할 문제점들이 존재하기 때문에 널리 사용하진 않지만, 석고 모형과 비교하였을 때 전체적인 오차범위가 크지 않기에 임상적으로 허용될만한 수준으로 생각된다.
Keywords
서 론
성공적인 수복치료를 하기 위해서 정밀한 인상채득은 매우 중요한 요소이다. 구강 내에 반유동성 재료를 넣고 그것이 경화되어 만들어지는 전통적인 인상채득 과정은 인상채득 기구와 재료의 발달에도 불구하고 불명확한 변연 구현, 인상재의 변형가능성, 모형재의 부피변화, 구강 내 타액과 혈액에 의한 오염 등 여러 가지 문제점이 있으나, 아직까지는 대부분 사용되고 있는 인상채득 방식이다. 또한 전통적인 인상채득과정의 단점을 살펴보면 환자들이 불편을 감수해야 하고, 술자의 숙련도와 기술에 따라 인상의 정밀도에도 큰 차이를 보이는 문제점이 있다 1) . 이처럼 수작업에 의한 보철물 제작의 단점을 해결하고 일관성 있는 양질의 보철물 제작에 대한 필요가 computer-aided design/computer-aided manufacture (CAD/CAM), 즉 기계화에 의한 자동화 테크놀로지를 치과계에 도입하는 결과를 낳게 되었다 2,3) . 1971년 Francois Duret에 의해 처음으로 컴퓨터를 이용한 치과 보철물 제작을 시작으로, 지난 40여 년간 디지털 기술의 발전과 CAD/CAM system의 도입은 전통적인 인상채득 방식 및 수작업으로 이루어지고 있는 보철물 제작 방식의 변화의 기회를 제공하였다 4) . 하지만 이러한 장점들이 꼭 최종보철물의 정확성을 높여주는 것은 아니다. 치과 CAD/CAM system을 바탕으로 하는 모든 보철물 역시 구강 인상체로부터 제작되므로 정확한 인상채득은 매우 중요하다 5) . 그리고 어떤종류의 스캐너로 스캔을 했는지, 스캔한 사물의 재질이 무엇인지 역시 양질의 디지털 모형을 획득하는데 영향을 주고 나아가 보철물의 정확도에도 영향을 끼치게 된다 6) .
정밀한 보철물을 제작하기 위해서는 인상재와 모형재의 물성이 사용목적에 적합해야 하지만 그 과정마다 수치변화를 일으키는 팽창, 수축, 변형의 영향을 받게 된다. 인상채득시 영향을 미치는 요소로는 인상재의 종류, 혼합비율, 혼합시간, 인상채득 시 사용된 트레이의 종류와 형태, 인상채득방법 및 제거방법, 인상의 보관법 등이 있다 7,8) . 인상재의 중합에 의한 수축률이 경화 후 24시간 뒤에 polysulfide, polyether 인상재는 0.5% 이하, silicone 인상재는 1.0% 이하여야 한다고 규명한 연구가 있으며 9) , 모든 인상재나 모형재는 경화나 중합 시 어느 정도 체적변화와 뒤틀림을 일으키기에 완전하게 만족할 만큼 정확한 재료는 없다는 결론을 내었다 10) .
컴퓨터 소프트웨어의 개발과 CAD 프로그램의 발달로 3차원 디지털 모형을 자유자재로 조작할 수 있게 되었으며, 치아의 불규칙하고 기하학적인 형태를 비교 및 분석하는 다양한 소프트웨어들이 소개되고 있다 11) . Persson 등 12) 은 접촉식 스캐너와 비접촉식 스캐너 레이저 방식의 스캐너를 사용하여 각각의 지대치를 반복 측정한 데이터를 NSI Registration 소프트웨어 프로그램(3Shape A/S, Copenhagen, Denmark)을 이용하여 3차원 형상을 서로 겹치게 함(3차원 중첩 분석)으로써 각 스캐너의 정밀성과 안정성을 비교하는 연구를 하였는데, 그 결과 두 스캐너 모두 10 μm 이내의 작은 오차만이 관측되어 임상적으로 사용 가능하다는 결론을 내었다.
한편 치과용 스캐너의 발달로 석고모형의 스캔뿐만 아니라 인상체를 스캔하여 디지털화 하는 방법이 소개되었는데, 이상적인 보철물을 제작하려면 여러 제작단계 중에서 발생되는 변형을 줄이기 위해서 제작 과정을 최소화해야 할 필요가 있다. 그래서 인상체를 직접 스캔하는 방법은 석고를 인상체에 붓는 작업을 생략함으로써 작업시간을 단축시키고 제작과정 중에서 변형을 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있다. 여러 선행연구에서 인상체를 직접 스캔하는 방법은 본 모형이나 스톤 복제 모형보다 조금 차이가 있기는 하지만 임상적으로 사용 가능하다는 결론을 내렸다 13,14) . Luthardt 등 15) 은 인상체 특성상 표면광택이나 표면조도에 의한 난반사와 인상재 색상에 따라 스캔 데이터가 달라지기 때문에 오류가 발생된다고도 하였다. 그러므로 스캐너 제조회사들은 구강 내 스캐닝이나 인상체 스캔 이전에 전용 티타늄 산화물 분말을 도포한 후에 스캔할 것을 권장한다. 하지만 이 작업 역시 일률적인 파우더 도포가 힘들어 표면의 형태를 변화시키고 내면 적합도에 영향을 끼치게 된다.
이에 본 연구의 목적은 치과 임상 분야에서 인상채득 시 사용되는 탄성 인상재의 점조도가 디지털 모형의 정확성에 미치는 정도를 검증하고자 한다. 탄성 인상재와 주 모형을 복제한 석고모형을 백색광 스캐너를 이용하여 디지털화 한 후 3차원 분석 소프트웨어를 통해 분석하였다.
연구대상 및 방법
- 1. 연구대상
1) 지대치 모형의 제작
본 연구를 위하여 상악 우측 제 1대구치를 지대치로 채택하였다(Frasaco GmbH, Tettnang, Germany). 삭제 전 치아 본 모형을 치과용 스캐너(SensAble, Woburn, MA, USA)를 이용하여 디지털화하였다. 완료된 디지털 모형을 해당 CAD 프로그램을 이용하여 변연부 형태를 chamfer 형태로 1.2 mm, 360°로 프로그램 상에서 삭제하였으며, 인접면의 축벽 각도로 6°를 부여하였다. 지대치 디자인이 완료된 파일을 토대로 티타늄 블록을 가공하여 티타늄의 주 모형을 제작하였다( Fig. 1 ).
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Titanium abutment model.
2) 석고 지대치 모형의 제작
작업 모형을 제작하기 위해 티타늄 주 모형을 치과용 실리콘(Deguform; DeguDent GmbH, Hanau, Germany)을 이용하여 몰드를 제작하였다. 제작된 복제주형 내면에 wetting agent (Picosilk; Renfert, Hilzingen, Germany)를 도포한 후 백색 교정용 석고(orthodontic stone; Whip Mix, Louisville, KY, USA)를 제조사의 지시에 따른 혼수비(water/powder ratio)로 vacuum mixer system을 이용하여 30초간 혼합한 후 vibrator 상에서 기포가 생기지 않도록 조심스럽게 넣어 1시간이 지난 다음 복제주형에서 석고모형을 분리하였다. 제작된 석고모형은 측정을 시행하기 전에 22℃±2℃의 온도와 45%±5% 습도의 항온항습이 유지되는 곳에 24시간 보관하였다( Fig. 2 ). 반복적인 작업을 통해 30개의 석고 지대치 모형을 제작하였다. 각각 고유 번호를 부여하여 구별이 가능하도록 하였다.
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Stone abutment model (N=30).
3) 탄성 인상재를 이용한 인상채득
본 실험에서는 부가중합형 실리콘 인상재로 종류는 extralight body (XLB), light body (LB), heavy body (HB) 3종류를 사용하였다. 본 연구는 Delong 등 16) 의 연구에서 지정했었던 실험군 분류방법을 참고, 수정한 후 동일하게 부가 중합형 실리콘 인상재를 분류하였다. 사용된 인상재는 동일한 중합수축 위해 같은 회사의 제품을 사용하였다. 각 인상재는 제조사에서 권장하는 방법으로 혼합하였으며, 실험에 사용된 모든 인상재는 auto-mixing gun (Kerr Corp., Orange, CA, USA)을 사용하였다. 지대치의 인상채득을 위해 고안된 special tray에 인상재를 주입한 후 지대치를 식립하여 하중을 가한 후 실온에서 완전 경화시키고, 모형을 제거하여 지대치 인상을 채득하였다( Fig. 3 , Table 1 ).
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Impressions of abutment model (N=30). (A) Extra-light body, (B) light body, (C) heavy body.
Elastomeric Impression Materials Used in the Study (N=30)
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VPS: Vinyl Polysiloxane (Bisco Dental Product Ltd.).
- 2. 연구방법
1) 디지털 모형 데이터 채득
각 지대치와 인상체의 디지털화된 모형을 채득하기 위해 white light scanner (Identica; Medit, Seoul, Korea)을 이용하여 상악 제1대구치 지대치 모형을 모두 스캔한 다음, 그 데이터를 대조군으로 삼았다. 지대치 모형의 스캔 과정은 먼저 백색광이 비춰지는 안쪽 테이블에 지대치 모형을 올려 놓아 고정시킨다. 신뢰도 높은 데이터를 채득하기 위해 동일한 부위가 위치시키는 것을 원칙으로 하였다. 스캐닝이 시작되면 테이블의 각도가 바뀌고 조금씩 회전할 때마다 백색광이 영사된다. 피사체에서 반사된 백색광을 점과 면으로 인식한 후 mesh를 생성하는데, 각각 점이 면으로 합성되고 점과 면이 연결되어 삼각망이 형성되는데, 각각의 경로에 따라 얻은 데이터를 stitching algorithm을 통해 반자동으로 통합하면 완전한 3차원 디지털 모형의 스캔 데이터(STL file)가 획득된다. 인상체도 마찬가지 원리도 채득되며 스캐너 소프트웨어 상에서 impression scan mode로 지정하여 작업을 진행하였다. 지대치 모형과 인상체 모두 각각 30개씩의 데이터를 획득하였다. 모든 데이터는 3차원 형상에서 변연 아래쪽의 불필요한 부분은 빠른 데이터 분석을 위해 모두 삭제하였다.
2) 전용 소프트웨어를 이용한 차이 분석
30개의 지대치 석고모형을 디지털화한 데이터를 대조군(CAD reference model, CRM)으로 삼고, 3종류의 인상재(XLB, LB, HB)를 이용하여 제작된 인상체를 모두 스캔하여 30개의 데이터를 채득하여 실험군(ASC)으로 지정하였다. 30개의 실험군 데이터는 모두 CopyCAD (Delcam Plc., Birmingham, UK) 소프트웨어를 사용하여 점군 데이터 (point cloud-ASC file)로 변환하였다. 그 다음 과정으로는 PowerInspect 2012 (Delcam Plc., Birmingham, UK)을 실행시켜 여러 개의 삼각 격자그물로 구성되어 하나의 면을 이루고 있는 대조군 데이터와 수많은 점으로 이루어진 점군 데이터를 재배열한 뒤, 각 지대치 형상 표면에 중첩시켰다. 총 점의 개수는 지대치 형상 당 약 2,000개 정도이고, 서로 중첩되어진 CRM의 표면과 모든 점들 간의 간격 오차를 소프트웨어 상에서 Root Mean Square값으로 환산하여 그 평균과 표준편차를 구하였다( Fig. 4 ).
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Flowchart over the experimental protocol.
3) 통계분석
인상재의 종류별 스캔 데이터와 석고 지대치 모형의 스캔데이터 간의 평균값이 서로 유의한 차이가 있는 알아보기 위해서 평균, 표준편차 및 최대값, 최소값 등의 기술 통계량을 제시하였고, 모수 검정인 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)을 시행하였으며, 인상체 집단 간의 차이를 보이는지 검증하기 위해 다중비교검정(Tukey’s honestly significant difference)을 실시하여 사후분석 하였다. 모든 통계처리와 분석은 IBM SPSS Statistics 20.0 (IBM Co., Armonk, NY, USA)을 사용하여 시행하였으며, 제1종 오류 수준은 0.05로 설정하였다.
결 과
3종류의 탄성 인상재를 사용하여 각각 석고 모형의 지대치와 비교하였을 때 HB 그룹에서 9.80±1.52 μm으로 가장 높게 나타났으며, XLB 그룹은 5.10±1.45 μm로 가장 낮게 측정되었다. 따라서 XLB 인상재로 채득된 디지털 모형 데이터가 다른 인상재들과 비교하였을 때 석고 모형과의 차이가 가장 적었다. 이는 XLB 그룹이 다른 그룹에 비해 상대적으로 더욱 재현성, 정확성이 높다고 평가할 수 있겠다. 3종류의 실험군의 평균값 차이를 알아보기 위한 일원배치 분산분석 결과, 모든 실험군에서 유의한 차이가 있음이 판명되었다(p<0.05, Table 2 ).
Different Elastomeric Impression Materials Scanning Data Compared to CAD Reference Model Data (μm)
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XLB: extra-light body, LB: light body, HB: heavy body.a,bData with the different letters are significantly different at 0.05 significance level.
PowerInspect 2012를 이용하여 얻어진 color difference map 분석 결과, XLB 그룹의 경우 오차가 0에 가까운 연두색을 띠고 있다. 상대적으로 오차의 색상을 보이는 파란색(−)이나 빨간색(+)의 분포는 다른 그룹에 비해 적게 측정되었다. 반면에 HB 그룹은 지대치 축면에 음의 오차를 나타 내는 파란색의 범위가 눈에 띄게 보였으며, 변연 부위에서도 양의 오차를 나타내는 빨간색도 넓게 분포되었다( Fig. 5 ).
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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.
고 찰
치의학 영역에 도입되어 이용되고 있는 CAD/CAM 체계는 치아모형의 3차원 입력과 수복물의 설계 및 재료가공으로 나눌 수 있다 17) . 치과 CAD/CAM 시스템이 적용되기 위한 첫 번째 과정은 환자의 인상 정보의 정밀한 3차원 입력이라 할 수 있다. 환자의 구강 내 인상을 CEREC system (Sirona Dental Systems GmbH, Bensheim, Germany)과 같이 구강 내 스캐너를 이용하여 구강 내에서 직접 촬영을 통해 인상을 채득하는 방법도 있으나 주로 치과 병, 의원에서 사용하고 있다 4) . 반면 치과기공소에서는 치과 병ㆍ의원에서 채득된 음형의 인상재에 치과용 석고를 통해 양형의 모형을 제작하여 치과용 스캐너를 통해 석고모형의 표면을 분할한 후 수많은 X, Y, Z 좌표 데이터를 형성하여 환자의 인상을 3차원 디지털 인상으로 전환하여 보철물 제작을 위해 사용하고 있다 18) . 스캐닝 과정을 통해 얻은 3차원 디지털 모형은 기존의 석고 모형이나 인상체와 대조적으로 파절이나 분실될 우려가 없다. 뿐만 아니라 데이터베이스 구축이 가능하여 저장이 간편하고 검색 또한 용이하다. 데이터를 복사하거나 이메일 등을 통해 다른 곳으로 전송이 가능하며 여러 사람들과 같이 자료를 공유함으로써 환자 치료에 있어서 원활한 의사소통이 가능하게 된다 19) .
비록 이러한 장점이 있더라도 3차원 디지털 모형의 해상도나 정밀도가 떨어진다면 사용에 많은 제약이 따를 것으로 생각된다. 치과에서 사용되는 3차원 디지털 모형은 산업용으로 사용되는 것보다 상대적으로 크기가 작고 기하학적인 형상의 치아모형을 대상으로 하기 때문에 3차원 재구성이 더욱 어렵다. 또한 디지털 모형은 환자에게 적용할 보철물을 제작하는 바탕이 되므로 더욱이 정밀도와 재현성이 요구된다는 특성이다. 외국의 경우에는 디지털 모형과 치과용 스캐너에 대한 다각적인 검증이 활발히 이루어지고 있으나, 국내에서는 아직 구체적인 검증이 아직 초기 단계이다. 따라서 본 연구에서 수행한 탄성 인상재료의 종류에 따른 디지털 모형의 정확성을 3차원 중첩 분석법으로 평가한 것은 의미가 있다.
석고 지대치 모형과 3종류의 탄성 인상재를 사용하여 채득한 디지털 모형을 3차원 중첩 분석을 통해 비교한 결과, HB 그룹이 가장 큰 오차를 보였으며 XLB 그룹이 가장 낮은 결과를 나타냈다( Table 2 ). 이와 같은 결과를 토대로 XLB 인상재가 석고 지대치 모형을 더 정확히 재현한다고 판단된다. Color difference map의 결과에서도 음과 양의 오차를 나타내는 파란색이나 빨간색이 HB 그룹에서 넓게 측정되었다( Fig. 5 ). Rodriguez 등 6) 은 인상재의 색상, 빛이 반사되는 표면 각도, 인상재의 표면질감 등의 광학적 요소에 의해서도 디지털 모형 데이터에 영향을 받을 수 있다고 하였다. Rudolph 등 20) 은 충분한 스캔이 이루어지지 않은 부분에서 point cloud의 수가 적게 되고, 본래 형상과 차이가 발생된다고 보고하였다. 또한 Delong 등 16) 의 연구에서 부가중합형 실리콘 인상재로 채득된 3차원 디지털 모형은 인상재의 종류가 디지털화 과정 시 큰 변수로 작용될 수 있음을 제안하였다. 특히 각 재료별 표면의 질감에 영향을 받지만, 비교적 접촉각은 거의 영향을 미치지 않음을 규명하였다.
본 실험에서 사용된 중첩 소프트웨어의 원리는 두 형상전체의 오차가 가장 적은 값(best-fit)이 되도록 겹치게 하는 것이다 21,22) . 이러한 이유 때문에 어느 한쪽 면을 정확히 중첩시킨다면 그에 따른 보상으로 다른 한쪽의 형상 오차가 발생할 수 있다. 따라서 중첩 소프트웨어는 3차원 형상의 전체적이고 상대적인 분석이 가능해도 절대적인 각 부분별 정확도는 판별하기 힘들다. 따라서 본 실험결과의 일반화에는 일정 정도의 한계를 내포한다. 치과용 스캐너를 이용하여 음형의 인상체를 스캔하는 방식이 도입된 지 그리 오래되지 않았기에 유사한 선행연구가 그리 많지 않다. 하지만 음형의 인상체를 스캔한 디지털 모형의 전체적인 오차 범위가 10 μm 이내로 크지 않다는 점에서 본 연구의 의미를 찾아볼 수 있을 것이다.
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