Введение

Цифровые оттиски полностью беззубых челюстей с несколькими имплантатами характеризуются сниженной точностью из-за отсутствия выраженной рельефной морфологии и длинных, однородных участков сканирования, что ухудшает работу алгоритмов сопоставления и увеличивает суммарную погрешность сшивания следующего кадра с предыдущим [1, 2]. В ряде исследований показано, что при полном отсутствии зубов интраоральные сканы уступают по точности традиционным физическим оттискам, если не применять дополнительные ориентиры, вспомогательные устройства или дополнительные методы сканирования (фотограмметрия) [3—6]. Это особенно критично для протяженных конструкций с винтовой фиксацией, у которых даже суммарные 50—100 мкм линейного и 1—2° углового отклонения могут приводить к нарушению пассивной посадки и повышенной нагрузке на шейки дентальных имплантатов и окружающую костную ткань [7—9].

Дополнительные геометрические устройства (Auxiliary Geometric Devices, AGD) — вспомогательные конструкции, вносимые в область сканирования и обладающие различной геометрии — от простых соединительных планок до сложных структур с кубическими, цилиндрическими или сферическими элементами — которые фиксируются на скан-маркеры и создают дополнительные оптические трехмерные ориентиры для сканера [10]. AGD предназначены для повышения стабильности сканирования, облегчения алгоритмов сопоставления (stitching) и снижения частоты ошибок позиционирования имплантатов за счет добавления геометрической неоднородности над сканируемой областью. Это особенно актуально в отсутствие анатомических ориентиров (полное отсутствие зубов) [11, 12].

AGD чрезвычайно разнообразны по форме, материалу изготовления и способу фиксации: от простых плоских или многогранных платформ и сферических/кубических элементов до сложных изогнутых структур с искусственными ориентирами (углублениями, фасками), индивидуально изготовленных и универсальных, изготовленных методом 3D-печати или фрезерованных, что затрудняет их рассмотрение как единую гомогенную группу [6, 10, 11, 13]. В исследованиях тестируют как низкопрофильные скан-маркеры с разной оптической текстурой (белый/серый/желтый цвета) и рельефом (система Scan Ladder — Full Arch Technologies Limited, Великобритания), так и физически объединяемые скан-маркеры типа Optisplint (Digital Arches LLC, США), отличающиеся по профилю, кривизне и распределению геометрической неоднородности, что приводит к вариабельным результатам по точности [14—16].

В России такие устройства официально не зарегистрированы и не доступны в коммерческой продаже, что определяет актуальность разработки отечественных аналогов для клинического применения в цифровой имплантологии.

Цель исследования: создание универсального дизайна прототипа устройства-AGD, основанного на анализе существующих вариантов, и его интеграция в CAD/CAM среду.

Материал и методы

Изготовление тестовой модели. В качестве референсной модели использована гипсовая модель нижней челюсти пациента с 4 аналогами мульти-юнит абатментов Osstem в проекциях зубов 3.5, 3.2, 4.2, 4.5, полученная методом открытой ложки с использованием силиконового материала (рис. 1).

Рис. 1. Тестовая гипсовая модель.

Сканирование тестовой модели проводили с использованием стандартных цилиндрических скан-маркеров для системы Osstem в лабораторном сканере 3Shape E2 (3Shape TRIOS A/S, Дания) в зуботехнической лаборатории ФГБУ НМИЦ «ЦНИИСиЧЛХ» Минздрава России (рис. 2).

Рис. 2. Лабораторный сканер 3Shape Trios E2.

Разработка дизайна устройства. Для определения вариантов универсальных устройств выполнен поиск научных публикаций в электронных базах данных по ключевым словам. Выделены варианты устройств, которые универсальны в своем применении и не требуют индивидуального моделирования для клинического случая (рис. 3). Для ориентирования при проектировании проанализированы следующие варианты:

Scan Ladder Titanium Direct Kit [14];

OPTISPLINT [15];

Customized over-scan body rings [17];

O-I Buckle [18].

Рис. 3. Существующие устройства для сканирования.

а — «ScanLadder»; б — «OptiSplint»; в — Over-scan rings; г — «I-O Buckle».

Из всех проанализированных устройств, OPTISPLINT обладает возможностью получения прямого трансфер-чека, что является теоретическим преимуществом среди обозреваемых систем даже при наличии неточностей в получаемом в результате интраорального сканирования. Следовательно, за основу для разрабатываемого устройства было выбрано именно это изделие.

Основные принципы создания дизайна прототипа. Прототип системы должен состоять из 4 скан-маркеров; промежуточной части, объединяющей скан-маркеры и фиксирующих винтов.

Скан-маркер прототипа должен иметь выступающую часть, к которой с помощью бис-акриловой пластмассы или композитного материала будет фиксироваться промежуточная часть.

Устройство должно обладать габаритами, не затрудняющими интраоральное сканирование.

Прототип должен корректно распознаваться CAD/CAM системами и иметь соответствующую библиотеку для моделирования конструкций.

Устройство должно иметь достаточный объем для перекрывания собой значительной площади сканируемой области с мягкими подвижными тканями и точно передавать пространственную ориентацию установленных дентальных имплантатов, но при этом давать оптимальную видимость неподвижных слизистых оболочек для сопоставления сканов и дополнение не просканированных участков.

Для создания чертежей использована программа FreeCAD (GNU Lesser General Public License, Open-Source). В результате моделирования получены модель промежуточной части с гексогональными перфорациями (рис. 4) и 3 варианта дизайна скан-маркеров: SB1, SB2, SB3 (рис. 5). Винтовые шахты скан-маркеров были спроектированы для использования винта мульти-юнита для фиксации. Файлы проекта переведены в формат STL для последующего изготовления.

Рис. 4. 3D-прототип промежуточной части.

Рис. 5. 3D-модели скан-маркеров.

Изготовление тестовых систем проведено методом 3D-печати с помощью принтера Phrozen Sonic 4K 2022 (Phrozen Technology, Тайвань) и смолы HARZ Labs Dental Peach (HARZ Labs, Россия). Все экземпляры изготовлены одновременно и обработаны согласно протоколу изготовителя смолы для 3D-печати (рис. 6).

Рис. 6. 3D-печать.

Монтаж и сканирование тестовых образцов. Для сканирования каждый комплект (SB1, SB2, SB3) с одинаковой промежуточной частью прикручивали к аналогам тестовой модели с усилием 15 Н/см (рис. 7). Монтаж промежуточной части был осуществлен с использованием жидкотекучего композитного материала светового отверждения. Каждый вариант устройства сканировали на модели интраоральным сканером 3Shape TRIOS 3 (3Shape TRIOS A/S, Дания; рис. 8). Модель с каждой системой сканировал один оператор в количестве 10 сканов с каждого варианта дизайна (SB1, SB2, SB3).

Рис. 7. Варианты дизайна скан-маркера.

Рис. 8. Интраоральный сканер 3Shape Trios 3.

Обработка в среде CAD. Для определения точности сканирования было выбрано исследование передачи пространственного расположения протезируемой платформы мульти-юнита в пространстве относительно референсных данных. Для сравнения положения сканы были загружены в CAD-систему Exocad 3.2 Elefsina (exocad GmbH, Германия). Каждый скан (референс, SB1, SB2, SB3) при загрузке в программную среду был скомпонован из 2 сканов: скан модели без скан-маркеров и скан с скан-маркерами — для заполнения незахваченных участков слизистой оболочки. Каждый скан-маркер был сопоставлен с библиотекой в программе по алгоритму «best-fit», благодаря чему были выставлены виртуальные аналоги дентальных имплантатов в сканах и были выставлены ответные части мульти-юнитов, винтовые шахты и предварительная моделировка протезной конструкции (рис. 9).

Рис. 9. Распознавание скан-маркеров программой в программной среде Exocad.

Определение точности передачи позиций имплантатов. Для определения точности передачи позиций имплантатов все модели были центрированы относительно друг друга по методу «pick-point alignment». В проектах Exocad были выгружены отдельно позиции ответных частей мульти-юнитов в пространстве в формате STL (рис. 10).

Рис. 10. Ответные части, используемые в расчетах.

Для оценки пространственных отклонений при сканировании была использована программа CloudCompare v2.14 beta (Nov 23 2025). Объекты формата .stl представляют собой полигональную сетку (англ. «mesh»). Каждая ответная часть мульти-юнита была сегментирована для сравнения с соответствующей референсной частью (4 объекта эталона и 4 объекта тестируемого дизайна). Для дальнейшей работы сетка, которая воспроизводит поверхность, была переведена в облако точек (1 млн точек по поверхности). Для расчета линейного отклонения был осуществлен расчет расстояния между каждой точкой в пространстве относительно референсных позиций (C2C Dist. Analysis) и получено среднее квадратическое расстояний, что и соответствует линейному отклонению между сканами.

Для определения углового отклонения был использован алгоритм ICP. ICP-алгоритм (Iterative Closest Point — итеративный алгоритм ближайших точек) — это широко используемый в компьютерном зрении и робототехнике метод выравнивания двух облаков точек путем многократного нахождения ближайших пар точек и итеративной минимизации ошибки между ними до достижения необходимой точности трансформации (смещения и вращения). Каждая пара соответствующих ответных частей была отдельно сегментирована и сравнивалась по-отдельности (рис. 11). В результате работы алгоритма ICP получалась матрица жесткой трансформации:

,

где r — матрица поворота (чистое вращение без масштабирования, отражений и сдвигов); t — вектор трансляции, сдвиг центра абатмента по осям координат (в миллиметрах).

Рис. 11. Работа алгоритма ICP.

Из этой матрицы с помощью кода, написанного на языке Python, вычислялось среднее угловое отклонение тестовых групп SB1, SB2, SB3 от референса (рис. 12).

Рис. 12. Алгоритм цифровой обработки данных.

Результаты и обсуждение

Результаты исследования трех вариантов дизайна вспомогательного устройства для интраорального сканирования (SB1, SB2, SB3) представлены в таблице. Анализ полученных данных выявил значительные различия в точности передачи позиций дентальных имплантатов между тремя вариантами конструкции как по линейным (рис. 13), так и по угловым (рис. 14) отклонениям.

Результаты измерения пространственных отклонений в зависимости от используемого дизайна устройства

Рис. 13. Среднее линейное отклонение трех прототипов по соответствующим положениям при сравнении с эталоном

Рис. 14. Среднее угловое отклонение трех прототипов по соответствующим положениям при сравнении с эталоном.

Точность передачи пространственного положения. По показателю среднеквадратического отклонения (RMS), характеризующему линейную точность сканирования, вариант SB3 продемонстрировал существенное превосходство над другими конструкциями. Среднее значение линейного отклонения для SB3 составило 39±4 мкм (диапазон 36—44 мкм), что на 68,8% лучше результатов SB1 (125±33 мкм, диапазон 68—165 мкм) и на 47,3% превосходит точность SB2 (74±31 мкм, диапазон 35—111 мкм). Вариант SB3 обеспечивал наиболее стабильную передачу позиции во всех четырех точках установки имплантатов: для позиции 3,5 отклонение составило 36 мкм, для позиции 3,2 — 40 мкм, для позиции 4,2 — 37 мкм и для позиции 4,5 — 44 мкм. Вариабельность результатов между позициями для SB3 была минимальной (диапазон всего 8 мкм), что указывает на высокую стабильность геометрии устройства.

В отличие от этого варианты SB1 и SB2 показали значительную вариабельность при сканировании разных позиций. Для SB1 максимальное отклонение достигало 165 мкм на позиции 3,2 и минимальное 68 мкм на позиции 4,5, что свидетельствует о недостаточной геометрической стабильности этой конструкции. Вариант SB2 также демонстрировал нестабильность: минимальное значение 35 мкм получено на позиции 3,2, а максимальное 111 мкм на позиции 3,5.

Анализ угловых отклонений, полученных с помощью ICP-алгоритма, также показал явное преимущество SB3. Среднее угловое отклонение для варианта SB3 составило 0,44±0,16° (диапазон 0,26—0,67°), что значительно ниже результатов SB1 (1,24±0,96°, диапазон 0,46—2,90°) и SB2 (1,86±0,42°, диапазон 1,44—2,40°). Улучшение составило 64,5% по сравнению с SB1 и 76,3% по сравнению с SB2. Максимальное угловое отклонение 0,67° для SB3 было зарегистрировано только на позиции 4,5, а минимальное 0,26° — на позиции 4,2. Узкий диапазон углового отклонения (0,41°) свидетельствует о стабильной передаче ориентации имплантатов в пространстве.

Для сравнения, вариант SB1 показал наибольшее угловое отклонение на позиции 4,2 (2,90°), что значительно превышает приемлемые пределы для винтовых креплений протезов. Вариант SB2 также демонстрировал повышенные угловые отклонения, особенно на позициях 3,2 (1,75°) и 4,2 (2,40°).

Анализ причин различий между вариантами конструкций. Значительные различия в результатах между вариантами SB1, SB2 и SB3 указывают на определяющее влияние геометрии скан-маркеров на качество сканирования. Вариант SB1 показал наихудшие результаты, что может быть объяснено неоптимальной геометрией скан-маркеров, которая не обеспечивала достаточного количества стабильных оптических ориентиров для интраорального сканера. Высокая вариабельность результатов между позициями (диапазон 68—165 мкм) указывает на то, что геометрические особенности SB1 неравномерно влияли на качество сканирования в разных локализациях.

Вариант SB2 продемонстрировал промежуточные результаты, улучшив точность по сравнению с SB1, однако все еще уступая SB3. Особенно критичным был высокий уровень угловых отклонений (среднее 1,86°), что может быть связано с недостаточной стабильностью ориентации устройства на модели при сканировании из-за избытка скругленных граней на сканируемой поверхности.

Вариант SB3 обеспечил наилучший баланс между достаточностью оптических ориентиров и минимизацией помех при сканировании. Это позволило алгоритмам сканера эффективнее обрабатывать поверхность мягких тканей для заполнения незахваченных участков и одновременно точно передавать позиции имплантатов. Полученные результаты демонстрируют, что разработанный дизайн скан-маркеров SB3 оптимально взаимодействует с оптической системой интраорального сканера TRIOS 3.

Методологические аспекты оценки точности. Примененная методология оценки точности через загрузку сканов в среду CAD (Exocad 3.2) и последующее сравнение пространственных позиций имплантатов представляет реалистичный подход, отражающий практический рабочий процесс при создании протезных конструкций. Использование функции «best-fit» при сопоставлении скан-маркеров с библиотеками в программе позволило автоматизировать расстановку виртуальных аналогов дентальных имплантатов и обеспечило объективность сравнения.

Переход от сегментированных полигональных сеток (mesh) к облакам точек (point cloud) и последующее применение ICP-алгоритма для определения матриц жесткой трансформации обеспечили высокую точность количественной оценки как линейных, так и угловых отклонений. Этот подход соответствует современным требованиям ISO 20896-1 для оценки точности цифровых оттисков и позволяет объективно сравнивать различные системы сканирования.

Ограничения исследования. Несмотря на обнадеживающие результаты, необходимо указать на ряд ограничений настоящего исследования. Во-первых, исследование проведено на одной модели нижней челюсти с четырьмя имплантатами, что не позволяет в полной мере оценить эффективность устройства при различных морфологических особенностях беззубых челюстей. Во-вторых, исследование выполнено в лабораторных условиях на твердой гипсовой модели, что исключает влияние подвижных тканей полости рта, слюны и подвижности челюсти пациента. В-третьих, все сканы получены одним оператором с использованием одного типа интраорального сканера, что требует верификации эффективности SB3 с другими сканерами.

Клиническое значение полученных результатов. Достигнутая точность передачи позиций имплантатов критически важна для обеспечения пассивной посадки несъемных протезных конструкций с винтовой фиксацией. Согласно данным литературы, линейные отклонения до 150 мкм и угловые отклонения в пределах 1—2° могут быть допущены без существенного нарушения пассивной посадки. Полученные результаты для SB3 (линейные отклонения 39 мкм и угловые 0,44°) находятся значительно ниже указанных пороговых значений, что обеспечивает достаточный запас точности для практического применения. Это позволяет исключить необходимость дополнительной коррекции позиций имплантатов при моделировании протезной конструкции в CAD-среде, что экономит время врача-ортопеда и повышает эффективность цифрового рабочего процесса.

Заключение

Разработанный прототип вспомогательного геометрического устройства в варианте SB3 демонстрирует высокую эффективность при сканировании беззубых челюстей с установленными дентальными имплантатами. Достигнутая точность передачи позиций имплантатов (линейные отклонения 39 мкм и угловые отклонения 0,44°) сопоставима или превосходит результаты существующих коммерческих решений и находится значительно ниже клинически приемлемых пороговых значений. Высокая стабильность результатов по всем позициям имплантатов указывает на универсальность конструкции и ее потенциальную готовность для клинической апробации. Разработка отечественного аналога известных AGD-систем открывает новые возможности для повышения качества цифровых оттисков полностью беззубых челюстей и улучшения точности винтовых протезных конструкций на дентальных имплантатах.

Участие авторов. Все авторы внесли равный вклад в написание настоящей статьи.

Contribution of the authors. All the authors have made an equal contribution to the writing of this article.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.