Scanners 3D pour laboratoire dentaire Comment ils fonctionnent et ce qui marche le mieux Dr. Karl Hollenbeck, Dr. Thomas Allin, Dr. Mike van der Poel 3Shape Technology Research, Copenhagen Janvier 2012 Les personnes s intéressant aux scanners dentaires 3D sont assaillies par une avalanche d offres et de propositions diverses et variées et portant à confusion. Trop souvent, les professionnels à la recherche d informations restent dans le flou et se posent en définitive des questions cruciales telles que : «Quelle est la différence entre les scanners laser et les scanners à lumière blanche?» et «Comment puis-je comparer la précision annoncée entre les différents scanners?». Cet article a été rédigé pour donner aux lecteurs une compréhension basique de la technologie de numérisation 3D, leur permettant ainsi de mieux tester les fabricants de scanners 3D et de faire un choix avisé lors de l acquisition d un nouveau scanner. Cet article couvre principalement la technologie de numérisation et décrit seulement brièvement les aspects du logiciel CAO qui est souvent inclus avec le scanner. Le principe basique d un scanner 3D Hormis une exception, tous les scanners dentaires 3D sont conçus sur le même principe de base. Fondamentalement, un scanner 3D consiste en une source de lumière, une ou plusieurs caméras et un système de mouvement sur plusieurs axes pour le positionnement de l objet scanné en direction de la source de lumière et de la/des caméras(s). La source de lumière projette des lignes bien définies sur la surface de l objet et la/les caméras(s) acquiert/acquièrent des images des lignes. En fonction de l angle connu et de la distance entre la caméra et la source de lumière (appelé communément la tête de scan), la position 3D où la lumière projetée est réfléchie peut être calculée en utilisant la trigonométrie. Ce principe de mesure est désigné «triangulation». Le principe de base fonctionne avec une caméra seulement mais deux caméras permettent d améliorer la vitesse, la précision et la couverture de scan. Chaque ligne de la lumière projetée produit une ligne de contour 3D. Par conséquent, le mouvement relatif de la tête de scan et de l objet produit des lignes multiples et donc des multiples contours 3D. Les scanners laser génèrent des lignes multiples en déplaçant la tête de scan le long d un axe linéaire précis (Figure 1 à gauche) tandis que les scanners à lumière blanche ont une tête de scan fixe mais projettent plusieurs schémas de ligne décalés à partir d une position centrale consécutivement (Figure 1, à droite). Comme on peut le voir sur la Figure 1, les principes de base utilisés dans les scanners laser et à lumière blanche sont les mêmes. Ainsi, en se basant seulement sur un principe général de scanner, il est impossible d affirmer que la technologie de la lumière blanche est supérieure à la technologie laser ou vice-versa. Figure 1: Le principe de scanner 3D. Gauche : Un scanner laser 3D avec deux axes de rotation et un axe linéaire. Le scanner laser génère une ligne de lumière qui se déplace sur l objet en suivant les axes linéaires. Droite : Un scanner à lumière blanche avec deux axes de rotation. La source de lumière génère de multiples lignes de lumière et par conséquent une vue complète à partir d une position unique. 1 / 5
Chaque position relative de tête de scan et d objet, c.-à-d. chaque groupe de contours, produit une vue 3D unique. Tous les scanners exécutent un script de mouvement prédéfini en déplaçant la tête de scan relativement dans plusieurs positions/vues requises pour capturer la surface depuis tous les côtés (Figure 2). Certains scanners 3D supportent un système de mouvement mécanique de haute qualité dans lequel toutes les vues 3D peuvent être transformées directement en un système de coordonnées communes puis simplement annexées l une à l autre. D autres scanners 3D, d une mécanique moins précise ne dépendent pas de la qualité du système de mouvement mais alignent plutôt Vue1 Vue 2 Vue combinée Figure 2: Dans les systèmes de mouvement mécanique de haute précision, des vues différentes sont annexées. Des systèmes moins précis appliquent un alignement du logiciel des différentes vues. L alignement du logiciel dépend des correspondances de structure de surface dans les zones de chevauchement. Cela rend l alignement du logiciel enclin à des erreurs dans des zones qui sont petites ou présentent une structure lisse et moins définie. virtuellement les vues 3D en détectant des structures 3D similaires en superposant les régions d au moins une paire de vues. L alignement du logiciel fonctionne mieux pour les objets aux structures prononcées comme par exemple les molaires. La triangulation requiert que des schémas de lumière soient projetés avec netteté. Ceux-ci peuvent en principe être obtenus à la fois par des scanners laser et à lumière blanche. Les lasers peuvent produire des largeurs de ligne minimale de toute source d illumination (c est la raison pour laquelle ils sont parfaits pour une utilisation dans les pointeurs), mais s ils ne sont pas contrôlés soigneusement, ils affichent des taches une caractéristique aléatoire de l intensité de la lumière. À l opposé, les scanners de lumière blanche pâtissent d un caractère flou dû au fait que les différents composants de couleur qui existent dans la lumière blanche sont réfractés de manière sensiblement différente (aberration chromatique, un effet «arc-en-ciel»). L enregistrement par un scanner 3D de schémas de lumière projetés ne peut pas être meilleur que la qualité obtenue par les caméras. Par conséquent, une haute qualité d optique et de capteurs d image est impérative dans les scanners 3D d usage professionnel. Aujourd hui, la tendance est de développer des scanners ayant des capteurs de haute résolution certains atteignant jusqu à 5 mégapixels. Dans l étape finale de traitement, le nuage de points obtenu à partir de toutes les vues est converti en une surface 3D de triangles fins (Figure 3). C est une méthode d approximation qui est aussi utilisée dans l infographie. Des algorithmes intelligents de génération de surface sont préférables, c.-à-d., ceux qui préservent des caractéristiques pertinentes tels que les bords. En utilisant des algorithmes intelligents, le nombre de triangles peut être considérablement réduit sans altérer la qualité. En général, la réduction du nombre de triangles est souhaitable car le temps requis par le logiciel de conception CAO pour traiter l image 3D dépend en grande partie du nombre de triangles généré. Par exemple, le fait de doubler le nombre de triangles peut augmenter considérablement le temps de traitement du logiciel au moins d un facteur de quatre ou dans certains cas, le traitement peut même complètement échouer. Les technologies de numérisation 3D laser et à lumière blanche sont aussi largement utilisées dans des applications industrielles et en métrologie. Toutefois, les systèmes de numérisation laser dominent le segment des machines de mesure des coordonnées et les autres applications de haute précision. Nuage de points bruts Surface de densité élevée Surface de densité moyenne Réduction et préservation des bords Figure 3: Le nuage de points (gauche, 164 475 points) est utilisé pour générer la surface à base triangulaire (milieu ; 55 380 triangles). Des algorithmes intelligents de réduction de triangles peuvent être utilisés pour réduire le nombre de triangles (droite; 13 845 triangles) tout en préservant une chape et une adaptation de la ligne cervicale excellente. 2 / 5
Précision Il n existe actuellement aucune norme commune pour mesurer et valider la précision des scanners dentaires. La plupart des fabricants de scanner ne révèlent même pas comment ils mesurent leur degré de précision. Par conséquent, les précisions annoncées généralement de l ordre de 20 microns ne peuvent pas être comparées, ni même confirmées. La science des mesures de haute précision la métrologie- s applique à des objets de référence d une précision plus élevée que celle du scanner. Ces objets peuvent être fabriqués seulement par des entreprises spécialisées accréditées ou des laboratoires de métrologie. En définissant et en présentant des objets de référence mutuelle propre tels que ceux-ci, il devient évident que les diverses marques de scanner ont des performances variables et plusieurs résultats alarmants ont été obtenus - par exemple, certains scanners peuvent arrondir un bord incorrectement avec une marge d erreur de plus de 20 microns (Figure 4). Avec des objets de référence de barre sur implants, les tests révèlent une erreur inférieure à 3 microns le long de l axe d insertion - c.-à-d. au niveau de la surface de positionnement des implants (Figure 5). Cette erreur de numérisation est la première dans la chaîne de tolérance CAO qui au total doit atteindre moins de 10 microns d adaptation verticale incorrecte entre l armature et les piliers («l adaptation passive» idéale). Il a débattu afin d établir si cette valeur de 10 microns pouvait réellement être obtenue et vraisemblablement certains scanners permettent d obtenir cette valeur. 60 micron! Figure 4: Mesures par deux scanners de marque différente (ligne bleue, ligne orange) d un bord nettement aigu dans un objet de référence personnalisé en céramique (milieu). Notez la différence relativement importante autour des bords nets. Figure 5: Gauche: Mesures de référence avec une machine de mesure des coordonnées de haute précision (précision de 3 microns). Droite: Scan d un objet de référence de barre sur implants avec des erreurs dans l axe d insertion [en microns]. 3/5
Selon une loi physique indéniable, tous les matériaux et par conséquent le matériau des scanners, s élargissent et se contractent sous l effet des variations de température. Le matériau du scanner peut aussi être altéré par une mauvaise manipulation lors du transport. Pour des travaux exigeants tels que des bridges de longue portée et des barres sur implants, il est crucial que le scanner soit recalibré lorsqu il est déplacé ou lorsque la température du laboratoire varie. Les scanners les plus performants sont livrés avec des outils spécifiques de calibrage d un facteur de précision connu qui est bien plus élevé que la capacité de précision du scanner. Les algorithmes du logiciel ne peuvent pas compenser les effets de température car le matériau du scanner lui-même comprend des soudures, des fixations, des sections collées, des charges variables etc. et est ainsi propice à une expansion et une contraction hautement complexes. La précision dépend aussi de la bonne conception du scanner. Les fabricants importants de scanners 3D ont généralement de meilleurs sites de production et des outils performants et ils peuvent automatiser certaines étapes d assemblage incluant l inspection de qualité en sortie. Ils peuvent ainsi minimiser la variabilité du produit par rapport aux opérations de fabrication manuelle. Les usines de fabrication de plus grande envergure sont aussi généralement plus stables financièrement et ont plus de chance de rester en activité et d offrir une assistance à long terme. Vitesse de scan et productivité La vitesse de scan est un paramètre important lors du choix d un scanner car la durée du scan est un facteur essentiel dans la productivité globale. De même que pour la précision, il n existe pas de normes pour établir une comparaison des produits. Malgré l absence de référence commune, des comparaisons empiriques montrent que les durées de scan annoncées peuvent varier entre 30 secondes et plusieurs minutes pour le même die basique. Les fabricants les plus sérieux indiquent les temps de scan pour les indications majeures sélectionnées. Généralement parlant, l étude des valeurs des temps de scan n indique pas les capacités du scanner en termes de productivité. Les laboratoires doivent tenir compte des flux de travaux complets commençant par la création de la commande et se terminant par un scan 3D prêt pour la conception CAO. Cela inclut naturellement le matériau du scanner mais aussi le système qui l entraîne. La comparaison de la productivité de marques différentes de scanners sous cet angle, révèle des écarts de performance encore plus importants. Un degré élevé d automatisation permet à l utilisateur de passer moins de temps sur le traitement général du scan. L automatisation réduit aussi la possibilité d erreurs humaines et par conséquent le nombre de reprises, qui est l activité la plus fastidieuse. Par exemple, le réglage manuel de luminosité de la caméra peut produire des images surexposées dans lesquelles les lignes de lumière projetées ne seront plus détectées. Certaines fonctions de l équipement peuvent réduire le temps de manipulation. Avec un serveur de die ou un plateau multi-die, un scanner peut fonctionner sans opérateur pendant plusieurs minutes. Un seul technicien peut travailler avec plusieurs scanners simultanément ou utiliser efficacement le temps économisé pour concevoir des prothèses avec le logiciel CAO. De bons outils permettent de réduire le nombre d échecs qui est une source de temps perdu. Les sources d informations les plus fiables concernant la vitesse de scan sont probablement les opinions impartiales des utilisateurs (surtout en ce qui concerne les taux d échec) et les vidéos montrant les processus complets de scan. Fonctionnalités additionnelles En dehors de la précision et de la vitesse de scan, il existe plusieurs autres différences importantes entre les scanners dentaires. Le facteur majeur dont les laboratoires doivent tenir compte est le nombre d indications supporté par le scanner, par exemple, les bridges de longue portée, les piliers personnalisés, les barres sur implants précises et les prothèses partielles amovibles. Un grand nombre de scanners non évolutifs supportent uniquement des indications très basiques, limitant ainsi les capacités du laboratoire et son investissement à long terme. Avant la numérisation adaptative Après la numérisation adaptative Figure 6: Gauche: Exemple d un résultat de scan d empreinte traditionnel incomplet dans la préparation proximale et les zones de contact, ce qui peut compromettre l adaptation et la performance clinique. Droite : Scan complet et précis après la «numérisation adaptative d empreinte» des zones incomplètes en utilisant automatiquement la combinaison optimale de deux caméras et d un déplacement sur trois axes. 4 / 5
Les indications supportées par le scanner ne peuvent pas être visualisées en elles-mêmes. Le logiciel CAO fourni avec le scanner doit aussi pouvoir supporter ces indications. En général, les fabricants qui développent les scanners et le logiciel CAO offrent des flux de travaux optimisés avec des solutions complètement intégrées surtout en termes de support d indications et de convivialité. Si l on se projette dans le futur, la numérisation d empreinte sera certainement la méthode la plus productive pour la numérisation 3D au sein du laboratoire, reléguant les scanners n acceptant que les modèles en plâtre aux oubliettes. La numérisation d empreinte est particulièrement complexe pour un scanner 3D. À cause des cavités profondes, il est difficile pour la caméra et la source de lumière d illuminer et de voir les points de surface profonde simultanément, une nécessité basique pour la reconstruction du modèle 3D (Figure 6). L utilisation de caméras multiples augmente la possibilité de voir la surface entière. Une technologie exclusive, la «numérisation adaptative d empreinte», s applique au logiciel pour trouver la combinaison optimale des caméras et des positions pour re-numériser des zones non couvertes. D autres fabricants utilisent des scripts de mouvements fastidieux et prédéfinis. Contrairement à la numérisation adaptative, les scripts de mouvement prédéfinis ne garantissent pas la couverture complète de la surface. Certains scanners dentaires sont livrés avec un PC intégré. Bien que cela réduise l espace requis et facilite le transport, cela représente un inconvénient important au niveau de l investissement. Les PC de scanners nécessitent généralement une mise à niveau tous les 2 à 3 ans en raison des exigences sans cesse croissantes des systèmes d exploitations et du logiciel CAO - et la mise à niveau des PC intégrés est souvent complexe. Résumé En raison de l absence de normes communes pour les fonctions les plus basiques des scanners pour laboratoire dentaire, le marché des scanners 3D peut paraître confus pour un grand nombre de laboratoires à la recherche de l outil adéquat. Les laboratoires doivent tenir compte de la liste de points suivants lorsqu ils comparent des scanners dentaires 3D: Précision attestée par des objets de référence certifiés Temps de scan et de flux de travaux pour des indications bien définies Gamme d indications supportées bridges de longue portée, barres sur implants, barres amovibles Fonctions utiles numérisation d empreinte, numérisation de texture, serveur de die, objet de calibrage et caméras 5 MP. Figure 7: Scan de texture : capture d images 2D de la surface du modèle et superposition précise sur le modèle 3D. Basé sur la technologie de caméra haute résolution (5 MP), le scan de texture capture des images 2D de la surface du modèle en plâtre et les superpose avec précision sur le modèle 3D, ce qui a pour effet d améliorer la visualisation des détails de surface et permet aux techniciens d inclure des repères de guidage de conception tracés à la main dans la conception numérique (Figure 7). Ceci est particulièrement utile pour capturer une ligne cervicale tracée à la main directement sur le modèle physique ou pour transférer des repères de position d armature RPD du modèle dans le logiciel CAO. La numérisation de texture est une technologie innovante proposée uniquement sur les scanners dentaires les plus sophistiqués. En dernier lieu, il est fortement conseillé de toujours tester le scanner avant d effectuer un achat final. Les arguments publicitaires et la brochure d informations peuvent être truffés de promesses mais celles-ci peuvent ne pas se transformer en réalité le moment venu. L acquisition d un scanner est un investissement important et à long terme pour un laboratoire et il est tout à fait naturel de bien étudier le marché et de vérifier les prétendues performances annoncées par les fabricants. 5 / 5