◎ ความท้าทาย：

การวัดครอบฟันที่พิมพ์ 3D ด้วยความแม่นยำเพียงพอสำหรับการวิเคราะห์เปรียบเทียบและเพื่อตรวจสอบว่ามีประสิทธิภาพดีกว่าครอบฟันที่ทำจากวัสดุทางทันตกรรมทั่วไปหรือไม่

◎ วิธีแก้ปัญหา：

Artec Micro II, Artec Studio, CloudCompare, MATLAB

◎ ผลลัพธ์：

แบบจำลอง 3D ทางทันตกรรมที่มีรายละเอียดสูง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าวัสดุพิมพ์ 3D ชนิดหนึ่งให้รากฟันเทียมที่มีความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า (และมีศักยภาพมากกว่า) เมื่อเทียบกับอีกชนิดหนึ่ง ขั้นตอนการทำงานเดียวกันนี้จะถูกนำมาใช้เพื่อการวิเคราะห์เพิ่มเติมตามคำขอของผู้เชี่ยวชาญด้านการพิมพ์ 3D ทางทันตกรรมชาวอิตาลี

◎ ทำไมต้อง Artec 3D ?：

Micro II จับภาพวัตถุขนาดเล็กได้โดยอัตโนมัติด้วยความเร็วสูง ข้อมูลที่ได้สามารถนำไปใช้สำหรับวิศวกรรมย้อนกลับและการตรวจสอบภายใน Artec Studio ได้ เครื่องมือในตัวช่วยให้สามารถประมวลผลข้อมูล, แก้ไขตาข่าย และวิเคราะห์ความเบี่ยงเบนได้ในซอฟต์แวร์เดียว ผู้ใช้ขั้นสูงสามารถส่งแบบจำลอง 3D เพื่อตรวจสอบเชิงลึกในที่อื่น ๆ ได้เพียงคลิกปุ่มเดียว

นักศึกษาของ University of Perugia กำลังสแกน 3D ชิ้นส่วนฝังด้วย Micro II ภาพจาก University of Perugia

อุตสาหกรรมทันตกรรมกำลังเห็นการเติบโตอย่างรวดเร็วของการพิมพ์ 3D ด้วยเทคโนโลยีดังกล่าวทำให้ทันตแพทย์จำนวนมากขึ้นสามารถสร้างรากฟันเทียมที่กำหนดเองได้อย่างรวดเร็วในคลินิกต่าง ๆ ทั่วโลก

เมื่อพูดถึงการปรับแต่งรากฟันเทียม เช่น ครอบฟัน, สะพานฟัน, ไกด์ และอุปกรณ์จัดฟัน การพิมพ์ 3D นั้นเร็วกว่า, แม่นยำกว่า และ (ในระยะยาว) ประหยัดกว่าการพิมพ์ปากแบบดั้งเดิม แต่ก็มีข้อเสีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเรื่องความเข้ากันได้ของวัสดุ

วัสดุการพิมพ์ 3D ไม่เพียงแต่ต้องมีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับการใช้งานกับเทคโนโลยีเฉพาะเท่านั้น แต่ยังต้องผ่านการทดสอบความทนทาน, ความสวยงาม, การหดตัว และความปลอดภัยของมนุษย์อีกด้วย ในปัจจุบัน ปัญหาเหล่านี้จำกัดความหลากหลาย และทำให้วิธีการแบบเก่าที่ผ่านการทดลองและพิสูจน์แล้วกลายเป็นที่สนใจของทันตแพทย์ผู้มีประสบการณ์

การนำเรซินใหม่ไปมอบให้กับทันตแพทย์เหล่านี้ต้องอาศัยการวิจัยอย่างมาก บ่อยครั้งที่การวิเคราะห์ความแม่นยำทางเรขาคณิตจะมุ่งเน้นไปที่การวิเคราะห์ แต่ขนาดและความเร็วในการพิมพ์ก็อาจเป็นความท้าทายที่สำคัญเช่นกัน แล้วเราจะแปลงและทดสอบรากฟันเทียมขนาดเล็กที่พิมพ์ 3D ได้อย่างรวดเร็ว ซ้ำแล้วซ้ำเล่าได้อย่างไร

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงได้มีการจัดตั้งโครงการวิจัยร่วมมือระดับประเทศขึ้นในประเทศอิตาลี โดยมีคณะทันตแพทยศาสตร์ University of Turin, Turin Polytechnic, University of Catania และ University of Perugia ทั้งสองมหาวิทยาลัยได้แสวงหาวิธีการใหม่ ๆ ในการพัฒนาระบบมาตรวิทยาอัตโนมัติที่ห้องปฏิบัติการการผลิตอัจฉริยะ (Smart Manufacturing Laboratory) และเพิ่งได้เครื่องสแกน 3D ตั้งโต๊ะ Artec Micro II มาใช้ ปรากฏว่าโครงการนี้เป็นโอกาสอันดีที่จะทดสอบแนวคิดของพวกเขากับผลิตภัณฑ์จริงที่ผลิตโดยผู้ผลิตรากฟันเทียม ซึ่งอาจช่วยให้การพิมพ์ 3D ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางขึ้น และยกระดับประสบการณ์ของผู้ป่วย

การแปลงรากฟันเทียมเป็นดิจิทัลเพื่อการตรวจสอบ

ห้องปฏิบัติการการผลิตอัจฉริยะ (Smart Manufacturing Laboratory) ของ University of Perugia เปิดดำเนินการเมื่อสองสามปีก่อน รองศาสตราจารย์ Nicola Senin หัวหน้าห้องปฏิบัติการ ซึ่งเพิ่งเปิดแผนกมาตรวิทยา กล่าวว่า หนึ่งในเป้าหมายหลักของห้องปฏิบัติการคือ “การทำให้ระบบการวัดมีความชาญฉลาด” ผ่านการพัฒนาระบบอัตโนมัติหุ่นยนต์, การผสานรวมปัญญาประดิษฐ์ (AI) และการพัฒนาซอฟต์แวร์ภายในองค์กร และการลงทุนใน Micro II ช่วยให้ห้องปฏิบัติการสามารถขยายขอบเขตไปสู่การวัดด้วยแสงได้มากขึ้น

ภาพสแกนฟัน 3D ที่ถ่ายด้วย Artec Micro II ภาพจาก University of Perugia

ทีมงานจัดหาเครื่องสแกน 3D จาก 3DZ ซึ่งเป็นตัวแทนจำหน่ายที่ได้รับอนุญาตของแบรนด์การพิมพ์ 3D ชั้นนำ และเป็นพันธมิตรอันยาวนานของ Artec 3D 3DZ มีสำนักงาน 15 แห่งทั่วยุโรป ทำหน้าที่เป็นที่ปรึกษาที่เชื่อถือได้ คอยสนับสนุนบริษัทต่าง ๆ ในการเลือกเทคโนโลยี 3D ที่เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะของตนมากที่สุด หลังจากวิเคราะห์ข้อกำหนดของมหาวิทยาลัยเปรูจาอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว 3DZ จึงแนะนำ Artec Micro II ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากความแม่นยำที่โดดเด่นและใช้งานง่าย

ในช่วงแรก สมาชิกห้องปฏิบัติการได้ใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อวัดรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนจากการพิมพ์ 3D สำหรับรากฟันเทียม Micro II ช่วยให้พวกเขาตรวจสอบความแม่นยำและดูว่าการพิมพ์ผิดรูป, บิดเบี้ยว หรือโค้งงอหรือไม่ สิ่งเหล่านี้เป็นปัญหาสำคัญในการสร้างรากฟันเทียม เนื่องจากข้อบกพร่องนำไปสู่รอยแตก และรอยแตกทำให้เกิดการแตกหัก เมื่อการวิจัยและพัฒนาดำเนินไป พวกเขาเริ่มมองหากรณีการใช้งานที่ใช้งานได้จริงมากขึ้น ซึ่งนำไปสู่โครงการพิมพ์ 3D และการบูรณะเซรามิกแบบจำลองเสมือนสำหรับทันตกรรม

โครงการ ‘3DCer4Dent’ ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากกระทรวงมหาวิทยาลัยและการวิจัยของอิตาลี นำโดย University of Perugia โดยเฉพาะอย่างยิ่งรองศาสตราจารย์ Elisabetta Zanetti (วิศวกรรมชีวอุตสาหกรรม) และนักวิจัย Giulia Pascoletti (วิธีการออกแบบ) ณ ห้องปฏิบัติการการผลิตอัจฉริยะของมหาวิทยาลัย นักวิจัยได้เริ่มต้นสร้างครอบฟันแบบสแกน 3D ที่ออกแบบโดยผู้ผลิตรากฟันเทียมสำหรับการใช้งานจริง และ Micro II ได้พิสูจน์แล้วว่าเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานนี้

ฟันที่ยึดกับแคลมป์ พร้อมสำหรับการสแกน 3D ด้วย Micro II ภาพจาก University of Perugia

การสแกนแต่ละครั้งใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที โดยแพลตฟอร์มอัตโนมัติของอุปกรณ์จะทำหน้าที่หนักหน่วงเป็นหลัก ในกรณีก่อนหน้านี้ พวกเขายังใช้เครื่องเอกซเรย์และเอกซเรย์คอมพิวเตอร์แบบออปติคัลเพื่อการตรวจเพิ่มเติม แต่ในแอปพลิเคชันนี้ Micro II ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถเก็บข้อมูลได้เพียงพอสำหรับผลลัพธ์ที่ชัดเจนด้วยตัวเอง โดยสามารถระบุความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างเซรามิกทางทันตกรรมสองชนิดที่แตกต่างกันได้ ในระยะยาว การวิจัยและพัฒนาเพิ่มเติมอาจนำไปสู่การดูแลผู้ป่วยที่ดีขึ้น ดังที่ Zanetti อธิบาย

“ทันตแพทย์กำลังทำงานกับเรซินที่มีการหดตัวอย่างมาก ยังไม่ชัดเจนว่าตัวคูณสเกลใดที่เหมาะสมที่สุดที่จะใช้ นั่นคือจุดที่เรากำลังพยายามช่วยเหลือด้วย Micro II” เธอกล่าว “ส่วนที่สำคัญที่สุดคือส่วนต่อประสานระหว่างครอบฟันและส่วนที่เหลือของฟัน คุณไม่มีซีเมนต์ [สำหรับทันตกรรม] ตรงนั้น และหากรากฟันเทียมไม่เข้ากัน คุณจะเห็นแบคทีเรียแทรกเข้ามา ซึ่งแสดงว่ารากฟันเทียมจะล้มเหลว”

การวิเคราะห์วัสดุการพิมพ์ 3D ใหม่

ที่น่าประทับใจคือเวิร์กโฟลว์ส่วนใหญ่ของนักวิจัยเกิดขึ้นภายใน Artec Studio ซอฟต์แวร์สแกนและประมวลผลข้อมูล 3D นี้มีเครื่องมือทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยน point clouds ให้เป็นตาข่ายที่มีความละเอียดสูง พร้อมสำหรับการวิเคราะห์และส่งออกเป็นไฟล์ประเภทที่นิยมใช้ในการผลิต

ในกรณีนี้ ทีมวิจัยพบว่าสามารถสแกนด้านหนึ่งของรากฟันเทียม หมุนได้ 180 องศา สแกนอีกครึ่งหนึ่ง และรวมข้อมูลผลลัพธ์ได้อย่างรวดเร็วโดยใช้การจัดตำแหน่งแบบจุดต่อจุด การเจาะลึกการตั้งค่ายังช่วยให้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์การรวมเพื่อให้ได้ความละเอียดสูงสุด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวิเคราะห์พื้นผิวโดยละเอียด ซึ่งพวกเขายังดำเนินการใน Artec Studio อีกด้วย

Pascoletti กล่าวว่า “วัสดุหนึ่งชนิดมีประสิทธิภาพดีกว่าอีกชนิด เพราะพบค่าเบี่ยงเบนที่น้อยกว่าในค่าเปอร์เซ็นไทล์ 90” เมื่อเปรียบเทียบกับช่วงเริ่มต้นการวิจัย ซึ่งตอนนั้นทีมงานกำลังทำงานกับเครื่องสแกน 3D ทางทันตกรรมแบบดั้งเดิมและเครื่องสแกน 3D ชนิดอื่น ๆ เธอเสริมว่า Micro II “แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างด้านความแม่นยำที่สำคัญ” อันที่จริง นั่นคือเหตุผลที่พวกเขาสามารถก้าวเข้าสู่การทดสอบเชิงทดลองได้ตั้งแต่แรก

ไฟล์ STL ซ้อนทับบนตาข่ายที่สร้างขึ้นใหม่ภายใน Artec Studio ภาพจาก University of Perugia

สำหรับการวิเคราะห์เชิงสถิติที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ทีมจาก University of Perugia ยังใช้ซอฟต์แวร์อย่าง Cloud Compare และ MATLAB แพลตฟอร์มเหล่านี้ช่วยให้ผู้ใช้สามารถคำนวณความแตกต่างระหว่างพื้นผิวโค้งได้อย่างง่ายดาย และวิเคราะห์ตัวเลขเมื่อตรวจสอบชุดข้อมูลที่ซับซ้อน แต่ผลลัพธ์ที่ได้คือ วัสดุหนึ่งมีจุดเด่นกว่าอีกวัสดุหนึ่ง วิธีการของพวกเขาได้รับการพิสูจน์แล้ว

ศักยภาพด้านทันตกรรม, การแพทย์ และอื่น ๆ

หลังจากความสำเร็จเบื้องต้น ทีมงานวางแผนที่จะทดสอบวัสดุเซอร์โคเนียมอีกอย่างน้อยสองชนิด แต่ความพยายามของพวกเขาไม่ได้จำกัดอยู่แค่ด้านทันตกรรมเท่านั้น พวกเขายังมองเห็นศักยภาพในการวิเคราะห์ด้วยการสแกน 3D ในการปรับแต่งอุปกรณ์ปลูกถ่ายทางการแพทย์ และการพิมพ์ 3D ของส่วนประกอบดาวเทียม

นอกจากการจัดตั้งความร่วมมือระหว่างภาครัฐและเอกชนอื่น ๆ แล้ว นักวิจัยยังตั้งใจที่จะดำเนินงานเกี่ยวกับอัลกอริทึมเพิ่มประสิทธิภาพด้านมาตรวิทยาต่อไป ซึ่งรวมถึงการสร้างมุมมองอัตโนมัติ ซึ่งเป็นขั้นตอนการทำงานที่คำนวณจำนวนการสแกนขั้นต่ำที่จำเป็นจากแต่ละตำแหน่ง จากนั้นจึงส่งแบบจำลองที่ได้ไปผลิตโดยตรง ไม่ว่าพวกเขาจะมุ่งหน้าไปทางไหน Micro II จะเป็นศูนย์กลางของแผนงานของพวกเขา และ Senin กล่าวว่าอุปกรณ์นี้มีอนาคตที่สดใสทั้งในด้านการออกแบบและการตรวจสอบ

“วัสดุโลหะ, เซรามิก และโพลีเมริกหลายชนิดน่าจะสามารถวัดได้ด้วย Micro II” Senin กล่าวสรุป “ตัวอย่างเช่น เรากำลังเริ่มวัดส่วนประกอบขนาดเล็กที่ทำจากวัสดุวิศวกรรมขั้นสูงสำหรับดาวเทียม จนถึงตอนนี้ เรายังไม่ได้ปรับปรุงกระบวนการนี้ให้เหมาะสม และเราไม่ได้กำลังพูดถึงยานอวกาศ แต่ Micro II ช่วยให้เราสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตภายใต้อุณหภูมิที่แตกต่างกันในฐานะสถาบันวิจัยในระดับต้นแบบได้”

Micro II ในมือของนักวิจัยจาก University of Perugia กำลังช่วยปลดล็อกศักยภาพของการพิมพ์ 3D ในด้านการแพทย์, ทันตกรรม และอื่น ๆ ใครจะรู้ว่าการตรวจสอบความแม่นยำระดับ 5 ไมครอนจะมีประโยชน์ตรงไหนอีก? เห็นได้ชัดว่างานวิจัยของทีมวิจัยนี้น่าติดตามอย่างยิ่ง

โครงการวิจัยที่กล่าวถึงข้างต้น “การพิมพ์ 3D และการบูรณะเซรามิกแบบดิจิทัลสำหรับทันตกรรม” (3DCer4Dent) ดำเนินการโดยได้รับทุนจากกระทรวงมหาวิทยาลัยและการวิจัยของอิตาลี (เป็นโครงการริเริ่มของ PRIN) โดยได้รับการสนับสนุนจาก Next Generation EU (J53D23012190)