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Comparison of the Spatial Landmark Scatter of Various 3D Digitalization Methods

Gegenüberstellung der räumlichen Messpunktstreuung verschiedener 3-D-Digitalisierungsverfahren

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Journal of Orofacial Orthopedics / Fortschritte der Kieferorthopädie Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Aim

The aim of this study was to compare four different threedimensional digitalization methods on the basis of the complex anatomical surface of a cleft lip and palate plaster cast, and to ascertain their accuracy when positioning 3D landmarks.

Material and Methods

A cleft lip and palate plaster cast was digitalized with the SCAN3D® photo-optical scanner, the OPTIX 400S® laser-optical scanner, the Somatom Sensation 64® computed tomography system and the MicroScribe® MLX 3-axis articulated-arm digitizer. First, four examiners appraised by individual visual inspection the surface detail reproduction of the three non-tactile digitalization methods in comparison to the reference plaster cast. The four examiners then localized the landmarks five times at intervals of 2 weeks. This involved simply copying, or spatially tracing, the landmarks from a reference plaster cast to each model digitally reproduced by each digitalization method. Statistical analysis of the landmark distribution specific to each method was performed based on the 3D coordinates of the positioned landmarks.

Results

Visual evaluation of surface detail conformity assigned the photo-optical digitalization method an average score of 1.5, the highest subjectively-determined conformity (surpasssing computer tomographic and laser-optical methods). The tactile scanning method revealed the lowest degree of 3D landmark scatter, 0.12 mm, and at 1.01 mm the lowest maximum 3D landmark scatter; this was followed by the computer tomographic, photo-optical and laser-optical methods (in that order).

Conclusions

This study demonstrates that the landmarks’ precision and reproducibility are determined by the complexity of the reference-model surface as well as the digital surface quality and individual ability of each evaluator to capture 3D spatial relationships. The differences in the 3D-landmark scatter values and lowest maximum 3D-landmark scatter between the best and the worst methods showed minor differences. The measurement results in this study reveal that it is not the method’s precision but rather the complexity of the object analysis being planned that should determine which method is ultimately employed.

Zusammenfassung

Ziel

Das Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, anhand der anatomisch komplexen Oberfläche eines Lippen-Kiefer-Gaumen-(LKG-)Spalten-Gipsmodells vier verschiedene räumliche Digitalisierungsverfahren einander gegenüberzustellen und deren Genauigkeit bei der 3-D-Messpunktpositionierung festzustellen.

Material und Methodik

Dazu wurde ein LKG-Spalten-Gipsmodell mit dem lichtoptischen Scanner SCAN3D®, dem laseroptischen Scanner OPTIX 400S®, dem Computertomographen Somatom Sensation 64® und dem dreiachsigen taktilen Digitalisierungsarm MicroScribe® MLX digitalisiert. Zunächst wurden durch vier Auswerter für die drei nichttaktilen Verfahren die subjektive Oberflächendetailtreue im Vergleich zum Referenz-Gipsmodell visuell beurteilt und benotet. Anschließend wurde von den vier Auswertern eine Messpunktpositionierung in fünf Durchgängen im Abstand von 2 Wochen wiederholt durchgeführt. Dabei sollten die Messpunktpositionen lediglich von einem Referenzmodell aus Gips auf das durch das entsprechende Verfahren digital reproduzierte Modell übertragen bzw. räumlich ertastet werden. Anhand der räumlichen Koordinaten der gesetzten Messpunkte erfolgte die statistische Prüfung der verfahrensspezifischen Messpunktstreuung.

Ergebnisse

Die visuelle Beurteilung der Oberflächendetailtreue bescheinigte der lichtoptischen Digitalisierungsmethode mit der Durchschnittsnote 1,5 vor dem computertomographischen und laseroptischen Verfahren die höchste subjektiv wahrgenommene Genauigkeit. Für die taktile Abtastung der Messpunkte konnte mit 0,12 mm die geringste räumliche Messpunktstreuung und mit 1,01 mm die kleinste maximale räumliche Messpunktabweichung festgestellt werden. Danach folgten das computertomographische, lichtoptische und laseroptische Verfahren.

Schlussfolgerungen

Die vorliegende Studie verdeutlicht, dass die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messpunkte nicht nur von der Komplexität der Referenzmodelloberfläche, sondern auch von der digitalen Oberflächengüte und des damit verbundenen individuellen räumlichen Erfassungsvermögens des einzelnen Auswerters bestimmt wird. Die Differenzen der Messwerte der räumlichen Messpunktabweichung und die der kleinsten maximalen räumlichen Messpunktabweichung zwischen dem besten und dem schlechtesten Verfahren zeigten nur geringe Unterschiede. Die Ergebnisse ließen den Schluss zu, dass nicht die Methodengenauigkeit, sondern die Komplexität der durchzuführenden Objektanalyse die Verfahrenswahl bestimmen sollte.

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Authors and Affiliations

  1. Department of Orthodontics, University of Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germany

    Ursula Hirschfelder

  2. Universitätsklinikum Erlangen, Zahnklinik 3 – Kieferorthopädie, Glückstr. 11, 91054, Erlangen, Germany

    Ursula Hirschfelder

Authors
  1. Florian Boldt
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  2. Christian Weinzierl
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  3. Klaus Hertrich
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  4. Ursula Hirschfelder
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Boldt, F., Weinzierl, C., Hertrich, K. et al. Comparison of the Spatial Landmark Scatter of Various 3D Digitalization Methods. J Orofac Orthop 70, 247–263 (2009). https://doi.org/10.1007/s00056-009-0902-2

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