La CFAO (conception et fabrication assistées par ordinateur) est aujourd’hui totalement intégrée dans les protocoles de la dentisterie contemporaine. Elle est le fruit d’une évolution de plus de 40 années pendant lesquelles des recherches très poussées et de multiples innovations et optimisations technologiques ont permis l’avènement des systèmes commercialisés aujourd’hui. L’idée originelle de François Duret, l’inventeur de la CFAO en dentisterie, était d’augmenter la reproductibilité de la production des prothèses dentaires pour en améliorer le niveau moyen de leur qualité [¹]. La première étape pour le praticien est donc de réussir son empreinte optique, c’est-à-dire une bonne numérisation des surfaces bucco-dentaires.

Cette numérisation est le point d’entrée de la chaîne de CFAO dentaire composée de quatre maillons. Ainsi ce premier maillon a pour objectif de numériser les surfaces bucco-dentaires pour en obtenir un modèle virtuel à partir duquel la conception et la fabrication de divers dispositifs sont possibles [²]. La connaissance de l’évolution de ces scanners intra-oraux (SIO) est un passage nécessaire à l’assimilation de leurs caractéristiques et de leurs utilisations en situation clinique ainsi qu’à la compréhension des champs d’évolution possibles [³-⁶].

Les SIO font partie du plateau technique de bon nombre de cabinets dentaires. Pourtant, ces dispositifs constitués de technologies de pointe sont éloignés de nos compétences premières et déconcertent certains d’entre nous. D’autant que le nombre important de dispositifs commercialisés et la diversité des technologies peuvent désorienter les praticiens [⁴, ⁷-⁹]. Ils sont composés d’éléments capables d’enregistrer la topographie de la surface des tissus dentaires et de logiciels permettant de produire une représentation virtuelle. Ces composants sont divers et bien souvent spécifiques d’un SIO [¹⁰-¹³]. Face à cette technologie très riche, le SIO ne doit pas être considéré comme un instrument magique capable de compenser toutes les lacunes du praticien [¹⁴, ¹⁵]. Ils obligent à avoir une bonne stratégie clinique de numérisation des surfaces dentaires [¹⁶] ainsi qu’une bonne connaissance de l’outil de numérisation afin de garantir l’obtention d’une acquisition de qualité et surtout exploitable dans la suite de la chaîne CFAO [¹⁴, ¹⁵, ¹⁷]. Enfin, la compréhension des principes de fonctionnement des SIO permet aussi de conduire une réflexion objective avant de commander un SIO [⁴]. Après avoir décrit l’évolution des SIO, cet article en détaillera le fonctionnement, les techniques et les technologies, ainsi que leurs influences dans l’utilisation de ces systemes.

HISTORIQUE

En 1973, la rencontre des techniques assistées par l’ordinateur et de la dentisterie prend corps dans l’esprit de François Duret. Se séparer de l’empreinte physique, source de difficultés cliniques et d’imprécision dans la conception des restaurations prothétiques, était devenu possible grâce à la structuration d’une chaîne numérique de conception et de fabrication assistées par ordinateur permettant la numérisation des surfaces dentaires et la fabrication de l’élément prothétique. À partir de ces concepts, de nombreuses équipes de recherche vont faire évoluer les technologies et permettre l’avènement de divers systèmes ayant aujourd’hui un champ d’application dans bon nombre de nos disciplines (prothèse fixée et amovible, implantologie, orthodontie, endodontie, chirurgie muco-gingivale, chirurgie maxillo-faciale) [³, ⁵, ⁶].

Comme l’illustre la ^{figure 1}, l’évolution de la CFAO dentaire s’est faite en quatre périodes successives. Si bien que les systèmes de CFAO dentaire que nous connaissons sont le fruit de plus de 40 ans d’histoire. Après les premières démonstrations et commercialisations, les années 2000 ont vu une véritable exposition de l’offre commerciale. Aujourd’hui, l’évolution de ces systèmes devrait tendre plutôt vers une augmentation de leur performance afin d’assurer une reproductibilité et une qualité des fabrications par CFAO. À la source de ces modifications, il y a notamment les avancées technologiques concernant les SIO. Elles s’articulent entre l’évolution des technologies de numérisation des surfaces bucco-dentaires et l’augmentation des performances des systèmes informatiques.

Les technologies embarquées dans les SIO sont d’abord issues des techniques de relevé topographique en 3 dimensions, notamment l’interférométrie décrite par Fizeau en 1850, l’holographie imaginée par Gabot en 1948, ou encore les principes des acquisitions confocales proposées par Minsky en 1953. D’autres découvertes sont, sans doute, encore à venir et trouveront certainement une application dans l’acquisition optique dentaire.

À côté de ces techniques d’acquisition optique, l’évolution de la puissance des processeurs et des calculateurs a, à l’évidence, joué un rôle de catalyseur dans la mise en place de scanners de plus en plus performants. L’effet le plus révélateur a été le passage des caméras réalisant de simples clichés aux caméras capables d’accomplir un grand flux d’images, augmentant d’autant la vitesse d’acquisition des surfaces dentaires. Associés à la puissance des ordinateurs, les logiciels mis en jeu dans la création du modèle numérique 3D ont évolué afin d’obtenir une reconstruction de plus en plus fidèle au nuage de points acquis par le SIO [⁷].

PRINCIPES

Le scanner intra-oral constitue le premier maillon d’une chaîne composant les systèmes CFAO. Cette chaîne comporte 4 maillons : acquisition, conception assistée par ordinateur (CAO), fabrication assistée par ordinateur (FAO) et machine-outil à commande numérique (MOCN) [¹⁴]. Comme le montre la ^{figure 2}, le maillon « acquisition » s’articule en deux sous-maillons. Le premier correspond à la numérisation des surfaces dentaires. Celleci consiste en un échantillonnage de la réalité par une représentation discrète, sous forme d’un nuage de points, des surfaces des tissus numérisés. Chaque point, assimilable à une mesure de relevé topographique, est caractérisé par ses coordonnées spatiales (x, y, z). L’ensemble de ces points forme le nuage de points consigné au sein d’un fichier informatique. Ce fichier est ensuite traité par le deuxième sous-maillon qui est en réalité un logiciel de CAO, dont le but est de produire un modèle 3D représentant les surfaces numérisées.

Cette représentation 3D des éléments dentaires et gingivaux scannés – dent (s) préparée (s), dents adjacentes et antagonistes –, appelée modèle de travail virtuel, constitue le modèle sur lequel est construite la représentation 3D de la future pièce prothétique. La vulgarisation des technologies de CFAO dentaires a conduit à l’utilisation de termes propres aux techniques traditionnelles expliquant que ce modèle formaté en fichier STL est improprement appelé « empreinte optique » en dentisterie. Si l’on veut être rigoureux dans les appellations, l’empreinte optique devrait plutôt désigner le nuage de points puisque le modèle positif unitaire (MPU) virtuel correspondrait plus au MPU en plâtre. Cette sémantique est d’ailleurs utilisée dans les études concernant les acquisitions numériques intra-orales rapportées dans la littérature [⁸].

TECHNIQUES DE NUMÉRISATION

Toutes ces techniques d’acquisition optique utilisé en CFAO dentaire sont rassemblées dans la famille des acquisitions numériques 3D sans contact. Ces acquisitions optiques résultent d’une réflexion dite passive ou active de la lumière (^{figure 3}).

La réflexion passive fait appel uniquement à la lumière ambiante, alors que la réflexion active fonctionne avec un faisceau lumineux émis par une source artificielle.

Les acquisitions par réflexion passive sont essentiellement représentées par la stéréovision (^{figure 4A}). Dans cette technique, l’objet est numérisé par deux ou plusieurs capteurs. L’angulation entre les capteurs étant fixe, les images recueillies sont décalées. Un algorithme de calcul permet de déterminer les coordonnées (x, y, z) de chaque point constitutif de l’objet à partir des images acquises [⁴]. Les acquisitions par réflexion active en CFAO dentaire sont représentées par la triangulation, l’interférométrie et la technique confocale.

La triangulation détermine les coordonnées des points à la surface de l’objet en connaissant le positionnement et l’angulation de l’émetteur du faisceau et le capteur embarqués dans le SIO (^{figure 4B}). La triangulation peut être utilisée conjointement avec la technique du moiré(^{figure 4C}). Cette technique utilise une lumière structurée avec des bandes de lumière et des bandes sans lumière. La déformation de ces bandes à la surface de l’objet permet de déduire les coordonnées des points situées sur ces bandes. Cette technique a été développée pour la caméra BlueCam (Dentsply Sirona©) [¹, ¹⁸].

L’interférométrie consiste en une analyse du signal reçu par le capteur par rapport au signal émis (^{figure 4D}). Le déphasage temporel entre les signaux permet de déduire les coordonnées des points numérisés. L’interférométrie peut être associée à la technique du moiré ou à l’holographie.

L’holographie est ici caractérisée par la projection d’hologrammes, dont les franges de diffraction donnent la distance de la surface mesurée.

La technique confocale consiste à acquérir une série d’images nette, dite « focus », positionnée dans le plan focal (^{figure 4E}). La détection d’une zone de netteté, corrélée par la distance focale, permet de déduire la distance entre le capteur et la surface de l’objet [⁴, ¹⁶]. Dans l’imagerie confocale parallèle statique, utilisée par la caméra iTero de première génération (Align Technology, Inc), la distance focale est modifiée par le déplacement de la lentille, augmentant ainsi la quantité d’images enregistrée. Aujourd’hui, les caméras comme iTero 2 (Align Technology, Inc), Trios (3Shape A/S) et OmniCam (Dentsply Sirona©) présentent une capacité d’enregistrement d’images en flux continu qui est appelée imagerie confocale parallèle dynamique [⁹].

La lumière émise par le SIO peut être sous forme d’un faisceau simple, d’un laser ou encore d’une lumière structurée. La couleur du rayon est développée dans diverses longueurs d’onde selon le SIO. L’interaction de ces faisceaux de couleurs différentes à la surface des tissus dentaires implique l’utilisation de capteurs et de techniques d’acquisition particulièrement adaptés à la longueur d’onde et à l’intensité du faisceau réfléchi.

Au-delà de ces techniques d’acquisition, la technologie est tout aussi importante dans l’obtention d’une numérisation de qualité [¹⁰]. La résolution d’un SIO optique est dépendante à la fois des caractéristiques du capteur photographique – technologie CCD (Charged Couple Device) ou CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) – et des paramètres de calibrage du système optique de mesure. La cellule CCD est composée de photosites susceptibles d’être excités par les photons réfléchis à la surface de l’objet. Le nombre de photosites est proportionnel à la surface développée par la cellule CCD. Depuis 2012, les SIO commercialisées offrent la possibilité d’obtenir une représentation 3D du pilier dentaire en couleur [⁹]. L’ajout d’un filtre sur la cellule CCD permet une activation sélective des photosites selon la longueur d’onde des photons du faisceau réfléchi à la surface des tissus dentaires.

TRAITEMENT DU NUAGE DE POINTS

Le nuage de points issu du dispositif d’acquisition est soumis à plusieurs traitements afin de le transformer en un modèle numérique contenu, en CFAO dentaire, dans un fichier au format de type STL (STereoLithography ou Standard Tessellation Language).

Le premier niveau de traitement est le nettoyage du nuage de points. Le but de cette tâche réside dans l’élimination des points considérés comme aberrants grâce à des algorithmes du logiciel [¹¹]. La numérisation 3D induit de nombreux points indésirables appartenant à des éléments entourant l’objet de la numérisation (langue, muqueuses, écarteurs de lèvres) ou étant le résultat d’erreurs de mesures causées par l’opérateur (le praticien), l’équipement, la nature de l’objet numérisé ou encore par des perturbation extérieures (mouvement du patient, luminosité de la salle de soins). Les travaux de Kurz et al. ont montré que les propriétés optiques des éléments numérisés (émail, dentine, matériaux d’obturation ou de reconstitution prothétique) et l’interposition de liquide à leur surface (salive, fluides gingivaux, sang, eau) contribuent à altérer les acquisitions [¹²].

Une autre partie de ce sous-maillon dédié aux traitements modifie la densité des points en fonction de la géométrie, comme le montre les schémas de la ^{figure 5}. Sur cette illustration, la partie A montre une répartition régulière des points, alors que la répartition B propose d’éliminer les points en surnombre dans les zones de relief peu accidenté ou à faible courbure et de densifier ce nombre de points dans les zones de topographie complexe comme dans la zone de la limite de préparation. Cette dernière proposition permet d’alléger le fichier tout en préservant la qualité des informations topographiques qu’il contient.

Ce nuage de points va être transformé en modèle numérique. La plupart des outils disponibles dans les logiciels de CFAO dentaires utilisent les modeleurs surfaciques de type polygonal assemblant plusieurs plans élémentaires. Ils consistent en la construction d’une enveloppe composée de surfaces simples (facettes triangulaires) définissant la surface de l’objet séparant l’intérieur de l’extérieur de celui-ci. La facettisation du nuage de points est réalisée par association de triangles [¹³]. Ce type de modélisation, dont le format du fichier utilisé dans les systèmes de CFAO dentaire est le STL, permet une rapidité et une efficacité de traitement avec un nombre d’informations suffisantes pour la dentisterie. Chaque point est alors relié à ses voisins par des arêtes pour former des facettes planes triangulaires, comme illustré en ^{figure 6}. Cette interpolation est réalisée par des algorithmes appliquant la triangulation de Delaunay ou des variantes de celle-ci. Les facettes sont donc définies par les coordonnées spatiales de 3 points du nuage de points qui constituent leurs trois sommets et ainsi par leurs normales.

Enfin, chacune de ces acquisitions « facettisées » va être associée à l’acquisition voisine par fusion de leurs points communs situés dans la ou les zones de chevauchement [¹³]. La performance de cette opération, appelée concaténation, dépend de la robustesse des algorithmes de calcul et de la puissance de traitement des calculateurs, surtout dans les procédés full motion qui leur demandent une vitesse d’exécution importante [¹⁹].

INFLUENCE DU TYPE DE CAMERA SUR L’UTILISATION CLINIQUE

Stratégie d’acquisition

La technique d’acquisition et la technologie vont aussi influencer directement le volume et le poids du SIO et donc avoir un impact sur sa maniabilité. Par exemple, les techniques confocales demandent des composants volumineux expliquant l’encombrement que développait la caméra iTéro 1 [²⁰]. La littérature rapporte d’ailleurs que les difficultés pour la mise en œuvre d’une manipulation optimale de la caméra (stratégie d’acquisition) en technique intra-orale affectent la qualité de l’acquisition [¹⁶]. Ces difficultés sont aussi liées aux conditions particulières de l’acquisition : les mouvements du patient, l’éclairage environnant non maîtrisé et la manipulation humaine du dispositif.

La stratégie d’acquisition est le parcours optimal du SIO dans la cavité buccale. Celleci est tributaire des algorithmes réalisant la concaténation des différentes acquisitions [⁴, ¹⁶]. De manière générale, il est préconisé un mouvement fluide et continu à distance constante des tissus buccaux. Le chemin de balayage reste bien spécifique au SIO. La revue de littérature de Richert et al. montre que les fabricants de deux SIO distincts présentant la même technique d’acquisition (technique confocale) conseillent deux chemins de balayage complètement différents [⁴]. La formation à la manipulation du SIO par le praticien est un élément capital dans la réussite clinique. Toutes les acquisitions d’un dispositif de CFAO doivent être accompagnées d’un temps d’apprentissage qu’il ne faut pas négliger.

Poudrage ou non ?

Depuis 2006, les SIO apparus sur le marché présentent l’avantage de réaliser des acquisitions sans poudrage, augmentant ainsi le confort du patient et simplifiant le protocole opératoire pour le praticien [²¹]. L’amélioration des conditions cliniques de réalisation de ces acquisitions intra-orales, par rapport à l’époque où le poudrage était obligatoire, conduit à supposer que l’absence de poudrage permettrait de réduire les dispersions liées à l’inconfort du patient, à l’inhomogénéité de l’épaisseur de poudre ou à l’absence de poudre. Il faut garder à l’esprit que le poudrage était utilisé pour créer une uniformisation de la couleur, de l’opacité et du pouvoir réfléchissant des surfaces recouvertes (couronnes métalliques ou en zircone, surfaces d’attrition) afin de réduire certaines dispersions de données qui doivent être aujourd’hui compensées. Aucune donnée dans la littérature ne nous permet de conclure sur ce sujet.

Exactitudes des données

Tout au long de la chaîne CFAO, des dispersions des données sont présentes. Le maillon acquisition ne déroge pas à ce constat avec à la fois des dispersions physiques et numériques [¹⁴, ¹⁵]. La numérisation des surfaces sous-entend l’échantillonnage de celles-ci. Il y aura donc toujours une approximation de la réalité. Les techniques d’acquisition ont chacune des caractéristiques et une reproductibilité de mesure faisant varier l’exactitude du relevé topographique qu’elles produisent. La performance et le bon réglage d’une technique influencent la quantité de points aberrants enregistrés.

Les dispersions affectent aussi le modèle numérique au cours de la triangulation. Les erreurs liées aux écarts entre la géométrie numérisée et la facette de la représentation, provoquées par la planéité des facettes, peuvent survenir dans les parties ayant les plus faibles rayons de courbures (^{figure 7}). Ces erreurs dimensionnelles ont un impact sur l’exactitude du modèle virtuel et, par conséquent, sur l’exactitude de l’intrados de la pièce prothétique ou tout autre élément conceptualisé, puisque la réalisation de ces derniers est faite en rapport intime avec le modèle virtuel. Ces erreurs constituent des sources de dispersions ayant comme conséquence une adaptation altérée des reconstitutions prothétiques ou des autres dispositifs. Le nombre et l’importance de ces dispersions sont directement liés à la répartition des points et des facettes qu’ils définissent [¹⁷]. Une concentration plus importante des points et donc des facettes dans les zones à faible rayon de courbure, comme la zone marginale et la face occlusale des préparations dentaires, réduirait le risque d’erreurs. À un autre niveau, la mauvaise association des acquisitions peut être à l’origine de la déformation dimensionnelle de l’empreinte, surtout si la surface à numériser est importante comme au niveau d’une arcade dentaire complète [¹⁶].

CONCLUSION

La recherche d’un SIO adapté à la pratique courante d’un praticien demande une connaissance approfondie de ces dispositifs. Quelques lignes directrices ont été données dans cet article. Toutefois, il est possible de décrire un portrait-robot du SIO idéal qui pourrait se résumer comme suit :

• les techniques d’acquisition devraient garantir la meilleure exactitude de numérisation, tout en permettant une certaine miniaturisation du dispositif ;

• les technologies informatiques devraient permettre une grande vitesse d’acquisition avec une stratégie d’acquisition simple et peu sensible aux variations provoquées par le manipulateur.

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Liens d’intérêts

Philippe Boitelle, Laurant Tapie et William Pacquet déclarent n’avoir aucun lien d’intérêts et que le contenu de cet article ne présente aucun conflit d’intérêts.