Разработка первой системы для проектирования и изготовления коронок началась во Франции под руководством доктора Francois Duret в 1971 г. В 1973 г. была представлена его диссертационная работа под названием «Оптический оттиск», в которой впервые в стоматологии была выдвинута концепция автоматизированного проектирования и изготовления зубных протезов - CFAO (Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur) [14], или CAD/CAM (computer aided design/computer aided manufacturing). В 1984 г. F. Duret разработал и запатентовал устройство CAD/CAM [15]. Разработанная система была представлена на конференции в Чикаго в 1989 г. на примере изготовления коронки зуба за 4 ч.

Но сама разработка первого цифрового внутриротового сканера относится к 1980 г. (швейцарский стоматолог доктор Werner Mörmann и итальянский инженер-электрик Marco Brandestini). В итоге в 1985 г. появилась первая коммерческая CAD/CAM-система для непрямых стоматологических реставраций CEREC («Siemens AG») [11].

Благодаря научным исследованиям и разработкам в этой отрасли начали появляться интраоральные сканеры с улучшенными характеристиками. Эти системы были способны создавать трехмерные (3D) виртуальные изображения отпрепарированных зубов, на основании которых могли непосредственно изготовляться непрямые реставрации (с помощью CAD/CAM-систем), или эти системы могли использоваться для создания точной модели для реставраций в зуботехнической лаборатории.

Основными преимуществами применения интраоральных сканеров являются:

- отсутствие неприятных ощущений, связанных с нахождением большого объема оттискной массы в полости рта при получении традиционного оттиска;

- возможность использования при повышенном рвотном рефлексе у пациента;

- отсутствие погрешностей, присущих традиционным оттискам: нарушение пропорций; неправильное или неполное смешивание материала; ингибирование твердения оттискного материала из-за замешивания в латексных перчатках или наличия химически активных веществ на зубах пациента; неправильное введение оттискной ложки с материалом в полость рта; движения пациента во время получения оттиска; оттяжки; воздушные поры; дефекты из-за попадания слюны или крови; контакт ложки с зубом; отрыв оттискной массы от ложки; перелом гипсовой модели при удалении оттиска;

- возможность оценить клиническую ситуацию и качество оттиска сразу после его получения; в случае обнаружения дефекта трехмерной виртуальной модели в подавляющем большинстве устройств достаточно отсканировать повторно только данную область, а не всю челюсть;

- значительно ускоряется передача данных в лабораторию, нивелируются риски, связанные с повреждением или потерей оттиска во время транспортировки;

- возможность начать проектирование будущей конструкции без необходимости изготовления физической модели зубного ряда, что сокращает общие сроки выполнения работы;

- устраняется возможность передачи бактериальной или вирусной инфекции в зуботехническую лабораторию вместе с оттиском;

- исключается попадание оттискного материала на одежду врача или пациента.

В основу работы интраоральных сканеров положены бесконтактные оптические технологии: конфокальная микроскопия; оптическая когерентная томография; фотограмметрия; активные и пассивные стереоскопия и триангуляция; интерферометрия и принципы фазового сдвига. Для уменьшения таких помех от сканируемых объектов, как прозрачность и отражение материалов, влажность и случайные движения, в некоторых устройствах комбинируются различные методы получения информации о рельефе поверхности. Кроме того, применяется несколько видов источников структурированного света и оптических компонентов. Принципы работы сканирующих устройств подробно изложены в книге А.Н. Ряховского «Цифровая стоматология» [5].

Итак, применение трехмерных цифровых внутриротовых сканеров дает много преимуществ, представленных выше, однако существуют и некоторые недостатки. Например, в ряде случаев для устранения погрешности измерений и получения устойчивого фокуса необходимо устанавливать рукоятку камеры на челюсть и использовать специальные покрытия на зубы. Кроме того, виртуальная 3D-модель часто реконструируется путем обработки одиночных изображений (полученных в 1 плоскости) и соответственно реконструкция производится не в режиме реального времени с непрерывным охватом всего объема информации. В настоящее время нет достаточных данных о точности существующих сканеров. Чтобы определить, насколько достоверны цифровые оттиски, получаемые от внутриротовых сканеров, необходимо разделять такие понятия, как точность, прецизионность и правильность. В Международной организации по стандартизации (ISO 5725-1-2002) эти понятия определяются так [37]:

- точность (accuracy) - степень близости результата измерений к принятому опорному значению, точность включает в себя прецизионность и истинность;

- прецизионность (precision) - степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях; прецизионность - показатель близости друг к другу результатов повторных опытов;

- правильность (trueness) - степень близости среднего значения, полученного в большой серии измерений (или испытаний - 10 и более), к принятому опорному значению; это - показатель того, насколько сильно результаты измерений отклоняются от истинных размеров объекта.

Немаловажными характеристиками внутриротовых сканеров являются и размеры их рабочей части, а также скорость процесса сканирования.

На сегодня известны следующие интраоральные сканеры [27]:

- CEREC AC Bluecam, CEREC Omnicam, Apollo DI - «Sirona Dental System GmbH» (Германия);

- iTero - «CADENT LTD» (Израиль);

- LavaC.O.S., True Definition - «3M ESPE» (США);

- E4D - «D4D TECHNOLOGIES, LLC.» (США);

- IOS FastScan - «IOS TECHNOLOGIES, INC.» (США);

- MIA 3D - «DENSYS LTD.» (Израиль);

- DPI-3D - «DIMENSIONAL PHOTONICS INTERNATIONAL, INC.» (США);

- 3D Progress - «MHT S.p.A.» (Италия) и «MHT Optic Research AG» (Швейцария);

- PlanScan - «Planmeca» (Финляндия);

- trios - «3SHAPE A/S» (Дания);

- Condor - «MFI» (Бельгия);

- Bluescan-I - «A-tron3d» (Австрия);

- ElIOscan - «Steinbichler Optotechnik GmbH» (Германия);

- Оптик-ДЕНТ - Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений - «ВНИИОФИ» (Россия).

Цель настоящей статьи - подробно рассмотреть эти устройства, обратив особое внимание на принципы их работы, особенности и индивидуальные характеристики.

CEREC (сокращение от «кабинетная экономическая реставрация эстетической керамикой») была представлена компанией «Siemens AG» (сейчас - «Sirona Dental System GMBH») в 1985 г. Система претерпела ряд технологических усовершенствований, что привело к появлению CEREC AC Bluecam, представленной в январе 2009 г., и CEREC Omnicam, представленной в августе 2012 г. Последние версии системы CEREC (рис. 1, см. на цв. вклейке)

Системы CEREC AC Bluecam и Omnicam используют разные методы получения информации о рельефе поверхности исследуемого объекта. Система CEREC AC Bluecam работает в соответствии с основными принципами конфокальной микроскопии, а CEREC Omnicam - на основе метода триангуляции [10, 29].

Система CEREC AC Bluecam [36] обладает автоматической системой стабилизации изображения [22, 30, 33], в связи с чем нет необходимости фиксировать рукоятку сканера на поверхности зубов для получения устойчивого фокуса. Данная система позволяет произвести одномоментное сканирование всей зубной дуги, что занимает менее 3 мин. При использовании данной системы необходимо покрывать зубы специальным порошком, чтобы обеспечить единообразие отражательной способности поверхностей.

Основное отличие системы CEREC Omnicam - отсутствие необходимости использовать порошок, а 3D-изображения получаются в натуральном цвете.

Ниже приведено сравнение 2 систем (табл. 1)

В апреле 2013 г. вышла система Apollo DI, обладающая наилучшим соотношением цена/качество из всей линейки интраоральных сканеров компании «Sirona».

Cadent iTero - цифровая система получения оттисков от компании «Cadent LTD, IL» - поступила в продажу в начале 2007 г. (рис. 2, см. на цв. вклейке).

The Lava Chairside Oral Scanner (C.O.S.) был создан на базе Brontes Technologies в Лексингтоне, штат Массачусетс, и приобретен компанией «3M ESPE» (St. Paul, MN) в октябре 2006 г. Интраоральный сканер был официально представлен в феврале 2008 г.

Система Lava C.O.S. состоит из процессора, сенсорного дисплея и непосредственно самого сканера [39]. Вес рукоятки камеры - 390 г, а ширина головки - 13,2 мм. В основу работы системы Lava C.O.S. положен принцип активного отбора проб фронтальных волн с проекцией структурированного света. Данный метод был назван «3D-in-Motion technology» (технология трехмерного изображения в движении) [25]. Компьютерная обработка в системе Lava C.O.S. позволяет сформировать в реальном времени видеопоследовательность из 3D-изображений, скорость съемки которых - 20 кадров в 1 с. Для выполнения сканирования необходимо использовать специальный порошок. Система автоматически завершает процедуру сканирования, как только стоматолог возвращается к зубу, с которого он начинал. Затем стоматолог подтверждает сканирование, получая изображения других зубов в дуге. В случае обнаружения некачественных изображений достаточно отсканировать конкретную область, и программное обеспечение само исправит ошибку.

Процедура завершается сканированием зубов при максимальном фиссурно-бугорковом контакте, при этом щечная поверхность 1 стороны челюсти покрывается порошком. После этого 3D-модели верхней и нижней челюстей распределяются в артикулятор на экране. Компьютерное обеспечение системы создает стереолитографическую (SLТ) модель, которая может быть отправлена в лабораторию зубному технику через интернет.

16 октября 2012 г. компания «3М ESPE» (США) представила интраоральный сканер True Definition, рукоятка которого значительно меньше и легче, чем у сканера предыдущей версии. К другим преимуществам относятся: дизайн; интерактивный, мультисенсорный монитор; свободное соединение с другими системами через Центр подключения 3М и поддержка файлов изображений формата STL.

True Definition - автономная система со встроенным фрезерным аппаратом. Система имеет оптику с защитой от запотевания (рис. 3, см. на цв. вклейке).

Система The E4 Dentist была представлена компанией «D4D Technologies LLC» (Richardson, TX) в начале 2008 г. Это - передвижной блок, состоящий из процессора и монитора, лазерного сканера, а также отдельного блока для фрезерования (рис. 4, см. на цв. вклейке).

E4D не требует использования отражающего агента (порошка). Головка сканера должна отстоять на определенном расстоянии от сканируемой поверхности, что достигается с помощью резинового наконечника на головке сканера. Пользователь удерживает педаль, одновременно происходит центрирование изображения; когда на экране выбрана нужная область, он отпускает педаль, и происходит съемка. Диаграмма на мониторе показывает, как ориентировать сканер для получения следующего изображения. Как только получены все изображения, они выстраиваются в 3D-модель. Монитор с сенсорным экраном позволяет стоматологу просмотреть сканирование зуба со всех сторон, что дает возможность оценить его качество. Конструкционные особенности системы E4D способны автоматически обнаруживать и маркировать финишную границу препарирования [28].

Компания «IOS Technologies Inc.» была основана в начале 2007 г. с целью выведения на рынок внутриротовых сканеров и приборов для получения цифровых оттисков своего производства. В июле 2010 г. компания объявила, что внутриротовой цифровой сканер IOS FastScan лучше своего прототипа и успешно прошел все клинические испытания.

Лазер в системе IOS FastScan автоматически перемещается на треке внутри рукоятки, так что стоматологу для сканирования полной дуги остается только держать рукоятку в 3 положениях - щечном, язычном и окклюзионном [16, 17, 34]. Как и Lava C.O.S. и iTero, IOS FastScan является автономным сканером, так что стоматологу придется сотрудничать с лабораторией. Данные сканирования системой IOS FastScan выводятся в стереолитографическом (STL) формате с открытым исходным кодом, который могут распознавать, открывать и использовать все лаборатории. Система включает в себя также модуль автоматизированного проектирования (CAD) для получения информации о цвете, прозрачности и 3D-форме. Эта информация объединяется в 1 файл и отправляется в электронном виде в лабораторию или CAD/CAM-систему для последующего изготовления реставрации. Программное обеспечение IOS FastScan Dental CAD позволяет создать виртуальную модель, на которой может быть отмечена граница препарирования.

Densys3D - автономное устройство, состоящее из процессора, монитора и внутриротовой камеры, созданное компанией «DENSYS LTD.» (Migdal Ha’Emeq, Israel) [21].

В системе Densys3D используется принцип активной стереофотограмметрии с проекцией структурированного света. Полученные в ходе сканирования данные архивируются в небольшие по объему файлы, которые могут быть использованы при работе с различными CAD/CAM-машинами других фирм-производителей. Используя эту систему, стоматологи могут создавать и хранить файлы малого размера, которые готовы к экспорту в CAD/CAM-устройства в клинике или в удаленных лабораториях. Вес рукоятки - около 100 г.

«Dimensional Photonics International Inc.» (DPI) является разработчиком технологии по трехмерному измерению и захвату изображений [13, 32]. Последней разработкой компании является интраоральный сканер DPI/O, отличающийся малыми размерами и работающий в режиме реального времени. Запатентованная технология DPI не требует использования порошка для получения точного изображения зуба или полной дуги. Система невосприимчива к относительному движению устройства и объектов. К преимуществам сканера DPI/O перед старыми сканерами, в которых используется «белый свет», относятся меньшая чувствительность к вариациям света, высокая точность, большая глубина проекции поля, расширенные возможности для сканирования блестящих и прозрачных поверхностей и возможность сканирования без использования мишеней и фотограмметрических систем.

3D Progress, произведенный компанией «MHT («Medical High Technologies») S.p.A.» и созданный компанией «MHT Optic Research AG» (Швейцария), является портативной системой для получения цифровых оттисков, которая подключается к ПК через кабель USB 2.0 (рис. 5, см. на цв. вклейке).

Компании «MHT Optic Research AG» и «MHT S.p.A.» были основаны в 1995 г. M. Berner [9] и C. Gobbetti. 3D Progress позволяет получить цифровой оттиск менее чем за 1/10 с для 1 сканирования со скоростью от 14 скан/с (в зависимости от свойств ПК). Полная дуга может быть отсканирована примерно за 3 мин. Сканер не требует использования порошка для покрытия прозрачных поверхностей. Отсканированные поверхности сначала выводятся в виде облака точек, а затем в окончательном варианте - в формате STL, совместимом с большинством CAD-систем. Основными техническими характеристиками системы 3D Progress являются: сенсор, который обеспечивает возможность быстрого и точного сканирования; автоматическая сшивка изображений каждого отдельного сканирования в режиме реального времени; возможность функции паузы/остановки сканирования в каждый момент времени; автоматическое (или полуавтоматическое) определение границы препарирования; соединение с ПК с помощью USB 2.0.

Интраоральный сканер PlanScan был представлен в марте 2013 г. Он может быть непосредственно встроен в стоматологическую установку либо может использоваться как автономное устройство. Сканер имеет сменные наконечники разных размеров в зависимости от полости рта пациента. Наконечники подвергаются стерилизации в автоклаве, что предупреждает распространение инфекции. В оптической системе сканера применена технология антизапотевания (рис. 6, см. на цв. вклейке).

Сканирование в режиме реального времени может выполняться как для 1 зуба, так и для полной дуги. Данные выводятся в STL-формате. Программное обеспечение для PlanScan может быть установлено на ПК с операционными системами Mac OS и Windows.

В данной системе используется метод триангуляции. Источник света - лазер. Головка сканера при непосредственном исследовании должна отстоять от поверхности зубов на 15-20 мм. Скорость записи - более 10 3D-данных в секунду с погрешностью в точности менее 25 мк.

В декабре 2010 г. компания «3Shape» анонсировала внутриротовой сканер TRIOS, который был презентован на Международной стоматологической выставке (IDS) в марте 2011 г. в Кельне, Германия (рис. 7, см. на цв. вклейке)

В марте 2013 г. компания представила TRIOS Color solution, с помощью которого можно получать изображение в натуральном цвете. Система TRIOS работает по принципу конфокальной микроскопии. Она не требует использования порошка.

Во время процедуры сканирования головка рукоятки должна плавно перемещаться в плоскости, немного отстоящей от поверхностей зубов. В нее интегрирован механизм антизапотевания, что способствует оптимальной визуализации. Для предотвращения распространения инфекции головка сканера обрабатывается в автоклаве. Получение изображения происходит в режиме реального времени. Запись данных производится в формате STL. Система позволяет получать цифровые оттиски под коронки, мосты, вкладки, накладки, виниры и коронки на имплантатах.

Condor - новый интраоральный сканер, разработанный под началом профессора F. Duret - основоположника CAD/CAM-технологии. Система является открытой и не требует применения порошка. Рукоятка камеры имеет маленькие размеры. Сканер впервые представлен на Международной стоматологической выставке IDS в марте 2013 г. в Кельне (Германия).

Bluescan-I имеет размеры 25×22×216 мм, вес наконечника (без кабеля) - 50 г. Дизайн сканера разработан по аналогии с рукояткой зубной щетки. Он не требует калибровки и технического обслуживания, устойчив к стерилизации [35] (рис. 8, см. на цв. вклейке).

Во время процесса сканирования головка может касаться поверхности зубов либо отстоять от нее на 20 мм. Площадь области сканирования (на расстоянии 5 мм) - 21×17 мм. Получение данных происходит в режиме реального времени (8-15 кадров в секунду). Источник света - ультрафиолетовый импульс. Для сканирования не требуется особой подготовки зубов и нанесения на их поверхность порошка. Время, требующееся для исследования полной дуги, - 4 мин. Данные получают в формате STL или любых других в зависимости от пожеланий. Программное обеспечение сканера может быть установлено на ПК с операционной системой Windows 7 (64 бит). Передача данных осуществляется с помощью USB 2.0.

В марте 2013 г. на Международной стоматологической выставке IDS в Кельне был представлен интраоральный сканер ElIOscan (рис. 9, см. на цв. вклейке).

В нашей стране профессором Г.Г. Левиным (д.т.н., проф., начальник лаборатории ВНИИОФИ) был разработан и запатентован способ оптического измерения формы поверхности трехмерного объекта [1], что привело к появлению отечественной CAD/САМ-системы Оптик-ДЕНТ [2-4] (рис. 10, см. на цв. вклейке).

Приведенная информация обобщена в сравнительной таблице, составленной на основании исследования доктора S. Logozzo [27] и дополненной нами (табл. 2).

В ряде институтов были проведены независимые исследования по точности интраоральных сканеров. По данным доктора A. Ender и профессора A. Mehl (2011, Zurich, Switzerland) [18], правильность гипсовой модели (гипс IV типа), отлитой по оттиску, полученному с использованием оттискного материала «Impregum Penta» и металлической оттискной ложки, составляет 55±21,8 мк, а прецизионность - 61,3±17,9 мк. Правильность цифрового оттиска системы Lava COS - 40,3±14,1 мк, прецизионность - 60,1±31,3 мк, системы Cerec Bluecam - соответственно 49±14,2 и 30,9±7,1 мк. Значения правильности в каждой группе очень близки друг к другу - от 40 до 50 мк, что указывает на незначительные различия между ними. Значения прецизионности все же превышали значения правильности в группах, полученных с оттискным материалом «Impregum» и системой Lava COS. Поэтому результаты измерений были представлены в широком диапазоне значений по отношению к первоначальному у исходной модели. В противоположность этому расхождения в группе системы Cerec Bluecam невелики. Прецизионность в этой системе значительно выше, чем в остальных по данным исследования.

В аналогичном исследовании, в котором изучалась точность цифрового оттиска полной дуги (A. Mehl, 2013) [19], была изготовлена стальная модель зубов, измеренная исследуемым интраоральным сканером (в результате чего была получена эталонная цифровая модель). По стальной модели были сняты оттиски и отлиты гипсовые модели из гипса IV типа; затем они были отсканированы и получены их цифровые модели. Были также сделаны цифровые оттиски эталонной модели и созданы ее виртуальные модели. Точность измеряли путем наложения цифровых моделей на эталонную модель для каждой группы. Наложение цифровых моделей на эталонную цифровую модель показало правильность каждого из методов получения оттиска. Были получены следующие результаты: исследуемый сканер показал высокую точность отображения полной зубной дуги со значениями прецизионности 1,6±0,6 мк и правильности 5,3±1,1 мк. Оттиски, полученные традиционными методами, характеризовались значительно более высокими прецизионностью (12,5±2,5 мк) и правильностью (20,4±2,2 мк) с небольшими отклонениями в области моляров. Цифровые оттиски были значительно менее точными: прецизионность - 32,4±9,6 мк, правильность - 58,6±15,8 мк. Большинство систематических отклонений цифровых моделей были видимы на протяжении всей зубной дуги.

Исследователи P. Seelbach, C. Brueckel и B. Wösann (2012, Germany) пришли к выводу, что допустимый краевой зазор и прилегание коронок, изготовленных по цифровым оттискам, сопоставимы с таковыми, изготовленными традиционными методами (табл. 3)

Исследовав точность внутриротового сканера Cerec Bluecam, профессор A. Mehl и соавт. (2009) [20] сообщили, что расхождение полученного цифрового оттиска с размерами исходного шаблона составило 19,2±5,9 мк при сканировании только отпрепарированного зуба, что доказало достаточную точность системы.

Актуальность технологии внутриротового сканирования и ее высокая перспективность обусловливают большой интерес к ней и неуклонное развитие. На сегодня список интраоральных сканеров не так уж и мал; приведенные выше - лишь основные из них. На рынке появляется все больше новых моделей внутриротовых сканеров. Меняются их дизайн, способ и сама методика получения изображения. Системы становятся более удобными как для врача, так и для пациента. Исследования, посвященные отслеживанию и сравнению технических характеристик разных сканеров, зачастую не успевают за столь быстрым развитием данной отрасли, на что указывает небольшое количество публикаций на эту тему.