[치과에 디지털을 입히다] [특별기고] 구강스캐너 선택의 고려사항 “3차원 새 패러다임 열린다”
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[치과에 디지털을 입히다] [특별기고] 구강스캐너 선택의 고려사항 “3차원 새 패러다임 열린다”
  • 박지만 교수
  • 승인 2020.09.18 09:35
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연세대치과대학 보철과학교실 박지만 교수

구강스캐너에 대한 개원가 관심이 수년 전과 비교해 큰 폭으로 증가했다. 특히 최근 1~2년 사이, 임상적 유용성에 대한 긍정적 평가가 연이어 이어지며, 개원가의 구매 의지도 한층 적극적 양상으로 돌아섰다. 가격이 최근에는 5~6000만 원에서 2000만 원 수준으로 점차 낮아지고 있지만, 아직은 장벽이 있다. 고가의 장비를 치과에 도입하기에 앞서 구강스캐너의 정밀도, 임상적 효용성을 따져봐야 한다. 구강스캐너를 선택하기 위한 기준을 연세대학교치과대학 박지만 교수를 통해 들어본다.

△ Figure 1. 구강스캐너 선택 시 고려할 점

 

구강스캐너의 구현 알고리즘과 유형별 차이

구강스캐너의 정확도를 살펴보기에 앞서 디지털 구강스캐너를 임상에서 10회 이상 학습한 치과종사자를 대상으로 한 설문조사 결과를 살펴봤다. 구강스캐너의 선호도를 조사한 결과, 연습량에 따라 선호도가 증가했고, 사용 난이도, 환자 편안함, 임상 유용성 등에서 사진 방식 보다는 동영상 방식의 스캐너를 선호하는 것으로 나타났다(Park HR et al. BMC Oral Health 2015).

구강스캐너가 새로 소개될 때마다 비교를 위해 정밀하게 밀링한 치아들로 이뤄진 팬텀 덴티폼으로 데이터를 획득해 비교분석 했는데, 동일한 상악 중절치인데도 스캔 데이터의 치아 표면이 실제와 같이 매끈한 것도 있지만 거칠고 울퉁불퉁한 것도 있었다. 소개된 지 오래된 초기 스캐너들에서 이같이 나타났다.

구강스캔 데이터는 처음엔 점들로 이뤄진 데이터를 획득하지만, 스캔 소프트웨어에 탑재된 알고리즘에 의해 3개의 점을 이은 폴리곤으로 면을 이루게 된다. 만들어지는 폴리곤의 개수는 시스템에 따라 다르며 결과적으로 스캔 해상도의 수준에 따라 마진이나 각진 부분의 세밀한 표현 정도가 다르다.

△ Figure 2. 크라운, 브리지, 인레이 등의 수복물을 대상으로 비교했을 때 브리지가 다른 스캔에 비해 진도(trueness)와 재현성(precision)이 나빴고, 인레이는 동영상 보다 사진 방식 스캐너에서 진도가 좋았다. 하지만 전반적으로 사진 및 비디오 방식의 정확도에는 차이가 없었고, 파우더 도포는 스캔 정확성을 높이나, 임상적으로 불편하고 인체 흡입 및 유해성 때문에 추천되지 않는다(Park JM. J Adv Prosthodont 2016).

폴리곤 형태도 시스템별로 차이가 나는데, 작은 정삼각형으로 균일하게 배열된 것과 바늘처럼 길쭉길쭉한 폴리곤이 불규칙적으로 섞여있는 것까지 다양하며, 후자로 갈수록 CAD에서의 처리속도가 느려지거나 오류가 나타날 가능성이 높다(Kim JY et al. J Prosthet Dent 2018)<Fig. 2>.

구강스캐너의 상황별·유형별 정확도 차이
현재 소개된 구강스캐너 9종의 전악 스캔 정확도를 평가한 연구에서 비교적 오래 전에 출시한 E4D, Zfx IntraScan, Planscan 등은 편차가 심했으나, 현재까지 업데이트 된 Trios, iTero, True Definition 등의 스캐너는 좋은 정확도를 보였다. 임상에서 실리콘 인상재로 전통적인 인상을 채득했을 때 그 인상체를 검사하는데, 통상적으로는 지대치의 마진 부위 등의 중요한 곳을 평가한다.

이 때 인상재가 경화되는 속도 차이, 인상재가 주입된 과정 등의 오류로 변형되는 곳이 흔히 발견되며, 구강스캐너로 얻은 데이터에도 이러한 오류들이 발생하는지를 조사했다. 동일한 부위를 같은 각도에서 데이터를 캡처해 비교한 결과, 구강스캐너도 성능에 따라 데이터의 오류 양상이 다양하게 나타났으며, 중요한 지대치 부위에도 오류가 종종 나타났다. 

따라서 임상가는 구강스캔 채득 후 중요한 부분은 아날로그에서처럼 데이터를 확인하는 과정이 필요하고, 향후 이를 쉽게 확인할 수 있는 시스템이 각광을 받을 것이다(Kim JY et al. J Prosthet Dent 2018)<Fig. 2>.

지금까지 보고돼온 연구자들의 구강스캐너 정확도에 대한 연구에 따르면 4분악의 스캔 정확도는 신뢰할 만하다. 그러나 전악스캔의 정확도에는 변수가 더 존재하는데(Patzelt SBM et al. Clin Oral Invest 2013), 이는 구강스캐너가 환자 구강 내에서 이리저리 움직여야해서 광학창이 작을 수밖에 없기 때문이다.

좁은 영역의 작은 데이터들을 중첩해 전체 악궁을 완성하는 과정에서, 악궁의 뒤틀림이 발생할 수 있다. 하악 전치부는 치아 형태가 비슷하기 때문에 광학창에 비슷한 치아가 동시에 들어올 경우, 영상 재구성에서 오류가 발생할 수 있다. 실제 다양한 공극을 형성한 모형 상에서 연구한 결과, 오류를 나타내는 구간이 구강스캐너 유형에 따라 달랐다.

사진 방식과 달리 동영상 방식의 스캐너는 스캔을 하면서 오류를 바로잡을 수 있을 가능성이 높아 추천된다. 

교합 오류 방지 위한 다양한 방법들
구강스캐너를 임상에 도입하려는 많은 임상가들이 가장 궁금해 하는 부분은 구강스캔을 통해 만든 보철물의 교합이 잘 맞는지 여부다. 디지털 인상에서 교합은 환자가 중심교합위(Centric Occlusion)로 물고 있을 때 측방을 스캔해, 상·하악 데이터의 해당 면과 자동 정렬하는 방법으로 채득된다.

상·하악 스캔에서 협측에 볼 근육 등의 지저분한 데이터가 있거나 충분히 스캔이 덜 된 경우, 협측 스캔과의 정렬이 정확하지 않을 수 있다. 협측 바이트의 정확도에 대한 연구 결과를 보면, IOS 시스템 별로 교합이 정상보다 높거나 낮은 방향으로 일관성 있게 차이가 나고, 그 정도도 달랐다(Jeon J et al. J Dent Rehabil Appl Sci 2018).

따라서 임상가는 본인이 사용하는 스캐너의 정렬 오류가 어떤 경향으로 생기는지를 파악하고, 이를 일관성 있게 보철물 제작에 반영하는 것이 추천된다. 또한 교합 오류를 방지하기 위한 방법으로, 스캔 후 보여지는 프리뷰 화면과 실제 환자 구강에서의 전방부 상·하악 관계를 직접 비교해 동일한지를 보고, 다르다면 상·하악 스캔, 또는 측방 바이트를 다시 스캔하는 것이 필요하다. 
그리고 컬러 스캐너의 경우, 미리 교합지로 치아 교합면에 교합점을 찍어 놓고 스캔을 함으로써 기공소에서 디자인 시 프리뷰에서의 간격과 컬러로 나타난 교합점을 비교하면서 보정하도록 하는 것도 좋은 보완법이다(Park DH et al. J Adv Prosthodont 2017).

와동의 정확한 스캔 위해 주의할 점
구강스캐너 사용 시 흔히 경험하는 또 다른 어려운 점은, 지대치의 와동 바닥이 구강스캐너의 심도, 혹은 최대 도달 거리보다 좁고 깊어서, 스캔이 불가능한 상황이다. 이를 평가하기 위해 임상에서 볼 수 있는 5종의 인레이 와동을 밀링 가공해 형성한 팬텀 덴티폼 상에서 구강스캐너(IOS, Intraoral scanner) 6종의 데이터를 비교했다(Park JM et al. J Prosthet Dent 2019).

인레이 와동 바닥이 일률적으로 깊게, 혹은 얕게 스캔된 IOS군이 있었는데, 얕았던 E4D 군의 데이터로 인레이를 제작하면 얇게 되어 장시간 사용 시 파절될 위험이 있고, 와동 깊이가 실제보다 깊었던 Zfx IntraScan 군의 경우, 두꺼워져서 구강 내 장착 시 조정량이 많게 된다. 

또한 깊어서 심도에 못 미치는 부분의 데이터에는 변형으로 인해 인레이의 적합도가 좋지 않을 수 있어 주의가 필요하다.

구강스캐너는 광학 기반의 영상획득 장비이므로 와동에 물이 고이면, 연못 바닥의 동전이 가깝게 보이는 것처럼, 인레이 와동이 실제보다 얕게 스캔될 수 있으며, 변연부 근처에 혈액이 덮이면 혈액도 지대치의 일부로 함께 스캔될 수 있다. 

따라서 제작되는 보철물에 틈이 생길 수 있으므로 디지털 인상 채득 시에도 전통적 방법과 마찬가지로 철저한 격리가 필요하다.

적합도를 디지털 방식으로 평가하는 방법
구강스캐너로 모형 없이 전부지르코니아관을 제작하는 것이 일반적인 활용사례인데, 이에 대한 임상연구로써 Trios 구강스캐너로 디지털 인상을 채득해 만든 전부지르코니아관을 레플리카법으로 적합도 분석을 했으며, 결과는 변연간극 및 내면간극이 임상적으로 허용 가능한 범위 내였다.

다만 전체적으로 변연부가 과풍융되는 경향을 보였다. 그 이유는 일반적으로 지르코니아관의 변연부는 가공 시 얇은 곳이 파절되는 것을 피하기 위해 약간 두껍게 가공하며, 구강스캐너 증례는 마진 하방의 스캔이 잘 되지 않기 때문에, 지르코니아관 가공 시 치근의 형태를 모르는 상태에서 임의로 변연부를 가공하면서 발생하는 것으로 보인다. 

따라서 구강스캐너로 처음 자연치아 수복물을  만들 때에는 과풍융되지 않는지 확인하는 것이 필요하다(Lee JW et al. J Korean Acad Prosthodont. 2016)<Fig. 3>.

△ Figure 3. 구강스캐너 제작 지르코니아관의 변연적합도 분석법(출처: 대한치과보철학회지 2016).

 

‘Trios’와 ‘i500’ 구강스캐너로 동일한 환자를 대상으로 비교 임상연구를 한 결과, 외산에 비해 국산 구강스캐너도 적합도가 열등하지 않고 임상적 허용치 안으로 제작되는 것을 확인했다(Manuscript in preparation).

특히 i500 스캐너는 국내 임상가들의 요구에 따라, 깊은 치은연하마진으로 디지털 인상채득이 불가능한 경우에도 전통적 인상을 추가로 뜬 뒤, 디지털 인상에서 잘 나오지 않는 깊은 부위에 인상체를 대고 추가 스캔해 주요 부위를 보완하는 기능이 소개돼 활용되고 있다. 

추가로 필자는 취리히 대학과의 공동연구로 보철물의 적합도를 디지털 방법으로 평가하는 방법을 소개한 바 있는데, 기존의 레플리카 방법을 대체할 수 있을 것으로 예상한다(Park JM et al. J Prosthet Dent 2017).

구강스캐너의 정확도 측면에서 해상도, 4분악 스캔, 개별 치아 스캔에 있어서는 임상에서 문제없이 사용될 만하나, 전악 스캔을 할 경우 악궁 뒤틀어짐이 생길 수 있어, 구강스캐너의 성능에 따라 정확도에 차이가 있다. 

이 부분에 대해서는 구강스캐너 시스템의 반응속도가 빨라지고, 영상의 이어붙임(stitching) 과정이 정확이 이루어져야 하며, 제조사의 꾸준한 업그레이드가 필수적이다.

이러한 요소를 평가하기 위해 우리 연구팀은 전악 뒤틀어짐 평가용 팬텀을 디자인했고, 분석방법을 동영상으로 설명하기 위해 비디오 저널에 영상으로 제작해 소개했다(Park JM et al. J Vis Exp 2019)<Fig. 4>.

△ Figure 4. 구강스캔 데이터의 전체악궁 뒤틀어짐 평가법(출처: J Vis Exp 2019, PLOS ONE 2019).

 

간단히 설명하면, 하악 전악모형의 주요 부위 6군데에 임플란트 스캔바디 형태의 원기둥이 있으며, 좌측 구치부 최후방에 구체 3개를 배치했는데, 이를 스캔한 데이터에서 간단히 XYZ 좌표계를 추출할 수 있는 팬텀의 데이터가 대한치과의사협회 표준국에 보관돼 있다(박 등. 대한치과의사협회 단체표준 2017). 이를 금속 3D프린트로 출력해 연구자가 쉽게 표준 팬텀을 얻을 수 있으며, 구강스캐너 제조사나 다른 평가기관에서 활용할 수 있다. 이 방법에 대한 신뢰성은 비디오 저널에 평가돼 있다.

실제로 최신 구강스캐너 5종을 대상으로 평가한 결과, Trios 3와 i500 구강스캐너가 CS3600, iTero Element, Omnicam에 비해 적은 악궁 뒤틀어짐을 보였다(Kim JY et al. PLOS ONE 2019). 이 평가방법은 전체 악궁 주요 부위의 뒤틀어짐을 3차원적으로 분석할 수 있어, 국내 단체표준으로 출간돼 있을 뿐 아니라, 국제표준에도 반영돼 구강스캐너 개발이 보다 가속화되고 치과 종사자들이 그 이득을 얻을 수 있기를 기대한다.

하드웨어적 특성에 따른 구입 시 고려사항
구강스캐너의 크기와 무게는 다양하다. 광학계와 영상 획득 장치 등 구강스캐너의 기계적 원리가 제조사별로 특허로 등록돼 있고 기술 구현 방법에 차이가 있기 때문이다.

임상가는 오래 사용하기 위해 본인에게 안정감 있게 잘 잡히는 스캐너를 선택해야 한다. 또한 파우더를 도포하지 않아도 되는 시스템이 사용하기에 유리하다. 

구강스캐너 심도는 범위가 넓을수록 좋고, 이 때 혀나 볼이 겹치는 것은 소프트웨어 알고리즘으로 자동 삭제되는 스캐너가 좋은 시스템이며, 다만 자동 삭제가 되지만 입천장 등의 필요한 연조직은 정확하게 스캔되어야 한다. 

또한 스캔하다가 이전에 스캔했던 부분에 방향과 관계없이 다시 대었을 때, 자리를 정확히 찾아 그 부위부터 스캔이 이어지는 것이 중요하다. 스캐너 팁은 교체 가능해야 하며, 반복 소독 시 유리 파손 때문에 스캔 속도와 정확도가 저하될 수 있으므로, 소독 가능 횟수가 길고 교체 팁의 가격이 너무 비싸지 않은 것이 좋다.

컬러 스캐너의 색조 제안(shade detection) 기능은 백선과 착색 등의 색 분포를 기공소에 전달하는 데는 유용하지만, 실제보다 파랗게 보이는 등 시스템 마다 차이가 있고, 제안된 수치가 실제 치아의 색조를 정확히 전달하는 것은 아니므로 아직은 보조적인 수단으로 사용해야 한다(Yoon HI et al. J Prosthodont 2016).

그 밖의 구강스캐너 구입 시 고려 사항들
소프트웨어 측면을 살펴보자. 우선 고려해야 할 사항으로, 스캔한 데이터는 원본 손상 없이 최대 해상도로 데이터를 추출해 다양한 CAD S/W에서 사용 가능해야 한다. 얼마 전까지만 해도 스캔 데이터를 .stl 파일로 외부 저장 시, 해상도가 낮아지거나 교합 정보가 소실되는 등 회사의 복제 방지장치가 있었으나, 현재는 데이터를 쉽게 추출할 수 있게 허용하는 경향이다.

3shape 스캐너는 컬러 정보를 그대로 활용하기 위해 3shape社의 CAD인 Dental System에서만 작업을 해야 한다. 반면 exoCAD를 지원하는 다른 스캐너 시스템들은 컬러 정보가 함께 저장되는 .obj 나 .ply 등의 화일 포맷을 지원하기 때문에 다른 소프트웨어에서의 활용도가 높다.

동영상 방식의 구강스캐너는 영상이 완성된 후에는 수정이 불가능하다. 반드시 잘못된 부위를 지우고 환자 구강에서 재스캔해야하기 때문에 지대치 등 중요한 부분은 스캔 당시에 확인하는 것이 중요하다. 

마지막으로 구강스캐너를 임상에서 실제 적용하는데 가장 어려운 점은 장비에 대한 학습곡선이 존재하고, 이에 대한 적응이 동반돼야 한다는 점이다.

구강스캐너를 처음 접하는 치과의료진을 대상으로 임상연구를 한 결과, 동영상 방식의 최신 스캐너가 조작이 어려운 사진 방식에 비해 스캔 소요시간에 대한 학습곡선이 더욱 짧았다(Kim J et al. J Prosthet Dent 2016). 

또한 동일한 학습 과정에서, 최신 스캐너일수록 처음 스캔하든지, 충분히 학습 후에 스캔하든지, 데이터의 정밀도에 차이가 나지 않아, 임상에서 손쉽게 적용해 사용할 수 있었다. 따라서 구강스캐너를 도입하는 임상가는 러닝커브가 길지 않고 임상적 효용성이 높은 시스템을 선택하는 것이 좋다(Lim JH et al. J Prosthet Dent 2017)<Fig. 5>.

△ Figure 5. 구강스캐너 학습곡선 연구로 분석한 스캔시간 및 정밀도(출처: J Prosthet Dent 2016, 2017).

3차원 안면스캔과 결합된 새 패러다임
마지막으로 최근 우리 연구팀은 구강스캔과 안면스캔의 정밀 정합을 통한 치아 디자인 방법을 소개한 바가 있다(Park JM. J Prosthet Dent 2019). 

보철 진단과 치료계획, 그리고 보철수복물 디자인 및 제작 과정에서 구강스캔 데이터만으로도 훌륭한 치료결과를 가져올 수 있지만, 3차원 안면스캔 데이터를 활용하면 환자의 안모에 어울리는 진단과 치료를 할 수 있고, 환자와의 의사소통이 증대되고 치료 결과에 대한 환자의 동의율이 높아진다.

앞으로는 구강스캔, 안면스캔, CT, 하악운동궤적 등의 다양한 데이터를 하나로 합치는 가상환자(virtual patient) 개념의 데이터가 흔하게 다뤄질 전망이며, 치료 패러다임이 점차 변화할 것이다.

30년간 구강스캐너를 연구해온 취리히 대학의 Mörmann 교수님이 퇴임 후 고별강연에서, 그 동안 본인을 비롯한 연구자들이 개척자로서 노력을 많이 한 끝에, 드디어 모든 사람이 디지털 치과학의 매력에 흠뻑 빠져들 수 있는 시대가 왔다고 선언했다. 많은 임상가들이 가성비와 성능이 높아진 구강스캐너를 치과임상에서 재미있게 사용할 수 있기를 기대한다. 


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