https://doi.org/10.33777/cjkao.2019.9.3.202
ABSTRACT
Intraoral scanners are being increasingly used in the field of clinical orthodontics. These scanners provide full arch scan data of patients’ dentition, which can be used to make a diagnosis as well as virtually setup and fabricate orthodontic appliances such as custom-prescription brackets and clear aligners. It has been claimed that these digitally manufactured orthodontic appliances can simplify laboratory procedures by eliminating the need for conventional impression procedures and provide more accurate treatment results. However, clinicians question the efficacy and predictability of the treatment results using these appliances. In this article, we will present cases and review the current evidence on accuracy and reliability of orthodontic appliances created by computer-aided design and computer-aided manufacturing technology. (Clin J Korean Assoc Orthod 2019;9(3):202-216)
Key words Digital orthodontics, Clear aligner, Customized appliance, Accuracy
Digital Orthodontics-Part 1
디지털 교정의 이해: 실효성과 한계
김윤지, 김명수, 이동렬 고려대학교 임상치의학대학원 교정학과
Clinical Effectiveness and Limitations of Digital Orthodontic Appliances
Yoon-Ji Kim, Myung-Su Kim, Dong-Yul Lee
Department of Orthodontics, Korea University Graduate School of Clinical Dentistry, Seoul, Korea
Dr. 김 명 수 Dr. 김 윤 지
Corresponding author: Yoon-Ji Kim Department of Orthodontics, Korea University School of Medicine, 73 Goryeodae-ro, Seongbuk-gu, Seoul 02731, Korea
Tel: +82-2-920-6498 E-mail: [email protected] Received: August 1, 2019 / Revised: August 27, 2019 / Accepted: August 30, 2019
Dr. 이 동 렬
을 이용한 진단 모형 제작, 간접 접착을 위한 transfer jig 제작, 개인 맞춤형 브라켓(custom prescription bracket) 제작, 투명 교정(clear aligner therapy) 등 에 다양하게 활용되고 있다. 디지털 인상 채득(digital impression) 및 이로부터 얻은 스캔 데이터를 이용하 여 교정치료에 반영하는 ‘디지털 교정’은 기존 알지네이 트 인상 채득 과정이 생략되어 환자의 불편감이 최소화 되었으며, 석고 모형을 이용한 작업이 최소화되면서 기 공 작업의 효율성과 데이터 공유 및 보관의 용이성 등 의 장점을 내세우고 있다. 그러나 CAD/CAM 기술을 통해 제작한 교정장치의 실효성과 정확도 등에 대한 근 거가 부족한 상황이며, 이에 따라 디지털 교정치료 시스 템을 도입하는 데에 제한 요소가 될 수 있다. 또한 디지 털 교정치료 시스템을 갖추기 위해 구강 내 스캐너가 필 수적인데, 장비 구축 비용에 대한 부담과 더불어 시중 에 너무 많은 종류의 스캐너가 판매 중이므로 신중한 결정이 요구된다. 또한 새로운 시스템이 도입됨에 따라 진료 프로토콜의 변화가 불가피하고 또한 적응하기 위 한 학습 곡선(learning curve)이 존재하므로 많은 노 력이 필요하다. 그런데 디지털 기술을 적용한 교정치료 가 기존의 전통적인 치료에 비해 더 효율적이고 효과가 뛰어난 것인지에 대한 확신이 없다면 임상가의 입장에 서는 주저할 수밖에 없다. 따라서 본 저자는 최근 많이 사용되고 있는 디지털 교정장치의 효용성과 정확도, 한 계에 대해 증례와 함께 문헌 고찰을 하고자 한다.
스트레이트 와이어로 3차원적 치아 이동을 가능하게 하였다. 하지만 이러한 평균 치관 형태에 맞춰 제작한 preadjusted appliance는 환자의 치아 형태가 평균에 서 벗어날 경우 치아 배열 후 오차가 발생할 수 있다.
예를 들어, 상악 측절치의 왜소치나 대구치의 부가결절 (Carabelli’s cusp) 등의 치아 형태 이상을 보이거나, 골격성 부정교합 환자에서 절충 치료가 계획된 경우 전 치부 토크가 골격 양상에 따라 달라질 것이며, 결손치 를 인접치로 대체하는 경우, 전치나 대구치를 발치하는 경우 등에서 한계를 가진다.
이러한 경우 환자 개인의 치아 형태에 맞춘 개인 맞
춤형 브라켓을 제작하면 효율적인 치료가 가능하다. 구
강 내 스캔을 통해 치아의 표면 데이터(surface data)
를 생성하고 각 치아의 분리(segmentation) 및 셋업
을 통해 교합을 형상화하고, 이를 이용하여 각 치아별
두께(in and out), 경사(tip), 토크(torque) 값이 계산
된다. 물론 기존의 전통적인 방식으로 작업 모형에서
도 제작이 가능하지만, 디지털 셋업으로 인해 치료 전
후 치아 이동량의 자동 계산, 교합 접촉 및 치간 삭제
의 정량화 등 세부적인 정보를 소프트웨어를 통해 계
산하여 얻을 수 있다. 또한 상기 데이터를 기반으로 환
자별 개인 맞춤형 브라켓 및 호선을 주문 제작할 수 있
고, 3D 프린팅을 통한 indirect bonding jig를 이용하
여 계획한 위치에 브라켓을 간접 부착할 수 있다. 또한
환자의 콘빔 전산화단층촬영(cone-beam computed
tomography; CBCT) 이미지 데이터가 있는 경우 치아
스캔 데이터와 병합하여 치근의 위치를 확인하며 셋업
이 가능하다.
순측 맞춤형 브라켓을 제공하는 Insignia (Ormco, Orange, USA)를 평가한 연구에 따르면, 비발치 증례 에서 기존의 기성 브라켓과 비교하였을 때 총 치료 기 간은 약 37% 감소하였으며, peer assessment rating (PAR) index와 American Board of Orthodontics (ABO) score로 평가한 결과 배열, 회전, 수평피 개 및 치근 경사도에서 기존의 시스템보다 향상된 결 과를 보였다.
1반면 그 이후 시행된 무작위 임상시험 (randomized clinical trial)에 따르면 Insignia 시스 템으로 치료한 경우 치료 기간 및 치료 결과는 유의한 차이를 보이지 않았음을 보고하였다.
2인디애나 대학의 비발치로 치료한 환자의 연구에서 일반 고정성 교정장 치를 이용해 치료한 군(대조군 63명)과 맞춤형 와이어 를 제공하는 SureSmile (OraMetrix, Richardson, USA)로 치료한 군(69명)을 비교한 결과, SureSmile 로 치료한 환자군의 평균 치료 기간이 23개월로 대조군 의 치료 기간인 32개월에 비해 짧았고, 치료 종료 모형 분석상 더 나은 점수를 얻었다.
3또한 셋업과 치료 종료 후 모형을 비교하였을 때 전반적으로 0.5 mm 및 2° 이
하의 차이를 보여 예측 가능성이 높은 것으로 보고되었 다.
4증례 1
얼굴의 비대칭을 주소로 내원한 19세 여자 환자로 하안모 전돌과 반대교합, 안면 비대칭 소견을 보였다 (Figure 1A). 미니스크루 보강형 상악 확장장치(mini- screw assisted rapid palatal expansion; MARPE) 를 이용하여 상악골 확장 후 선수술을 시행하였다. 삼 차원 가상 수술 시뮬레이션을 이용하여 상악에서는 르 포르 I 골절단술을 시행하여 제1대구치 부위의 5 mm 함입 및 우측으로의 경사짐 수정(canting correction) 을, 하악에서는 양측 시상분할골절단술(bilateral sagittal split ramus osteotomy)을 시행하여 하악골 의 회전을 동반한 후방이동(rotational setback)을 계 획하였다(Figure 1B). 이때 설정된 술후 교합을 이용하 여 셋업을 진행하였으며 안면 비대칭으로 인한 구치부 의 보상성 위치를 고려하여 탈보상을 위한 토크값을 가 진 맞춤형 브라켓을 제작하였다(Figure 1C). 술후 교정 치료를 통해 교합이 개선되었고(Figure 1D), 술후 교정
Figure 1. Surgery-first approach of skeletal Class III malocclusion with facial asymmetry using virtual surgery and 3D printed surgical guides, followed by post-surgical orthodontics using the Insignia system. A, Initial intraoral and extraoral photos showing mandibular prognathism and facial asymmetry. (Continued to the next page)
A
치료 기간은 총 11개월이 소요되었다. 치료 결과 하안모 전돌 및 안면 비대칭이 해소되었으며, 기능적 교합이 형 성되었다(Figure 1E). 치료 전후 CBCT의 삼차원 중첩 에서 상·하악 복합체의 시계방향 회전 및 경사짐 개선 으로 골격 부조화의 개선이 이루어졌으며(Figure 1F), 치료 전후 치열의 중첩 결과 악궁의 확장이 있었음을 알 수 있었다(Figure 1G). 또한 술전 디지털 셋업과 교 정치료 후 악궁 스캔을 비교한 결과 전반적으로 실제 셋 업과 비슷한 양상으로 치아가 이동하였지만 상악 제2소
구치와 제1대구치의 협측 경사, 제2대구치의 수직적 위 치에서의 오차를 확인할 수 있었다(Figure 1H). 최후방 대구치에서의 오차는 cantilever 형태로 힘이 가해지 기 때문이며 이는 기존 연구들과 상통하며, 소구치부의 오류는 브라켓 탈락 이후 간접 부착의 오류에서 기인 한 것으로 사료된다. 하악 전치부는 셋업보다 실제로 설 측으로 위치하였는데, 이는 black triangle을 제거하기 위해 시행한 인접면 삭제(interproximal reduction;
IPR)에 의해 발생하였다고 보여진다(Figure 1H). 치 Figure 1. (Continued) B, Virtual surgery. (Continued to the next page)
B
Figure 1. (Continued) C, Digital setup and customized prescription brackets with individual torque values. D, Treatment progress. E, Debonding intraoral and extraoral photos. (Continued to the next page)
C
D
E
Figure 1. (Continued) F, Superimposition of pre and post surgery CBCTs. G, Superimposition of initial and debonding. H, Superim- position of digital setup and debonding. (Continued to the next page)
F
G
H
료 전·후 측면 두부방사선계측사진 비교 시 SNA 값 이 78.3˚에서 79.5˚로 증가하였고 SNB값은 81.1˚에 서 76.6˚로 감소하였다. 또한 U1-FH는 132.4˚에서 117.7˚로 탈보상되었고, 하악 전치부 각도는 유지되었다 (Figure 1I).
설측 교정장치
설측 교정장치인 Incognito (3M, Monrovia, USA) 의 경우 디지털 셋업 후 맞춤형 패드와 브라켓을 디자 인하고 왁스를 이용하여 3D printing을 한 후 금으로 주조하여 제작하며, 호선은 로봇을 이용하여 제작한 다. 치료계획 수립 시 제작하였던 Incognito
TM의 셋업 과 실제 치료 후의 디지털 모형을 중첩하여 결과를 비 교했을 때, 1 mm 이하의 변연융선 오차, 4° 이하의 각 도에서의 오차를 보이는 등 상악 제2대구치의 토크를
제외하고 높은 정확성이 확인되었다.
5또한 유사한 시 스템인 WIN (DW Lingual Systems, Bad Essen, Germany)을 이용한 치료결과를 비교한 연구에서 전 치부의 각도 차이는 3° 이하, 거리 차이는 0.3 mm 이 하로 역시 높은 정확성을 보였으며, 구치부 또한 5° 정 도의 각도 차이, 0.5 mm 정도의 위치 차이를 보였다.
특징적으로 하악 제2대구치의 경우 협설측으로 약 1.5 mm 차이가 나는 등 최후방 구치부에서 정확성이 부족 한 양상을 보였다.
6증례 2
앞니의 벌어짐을 주소로 내원한 22세 여자 환자 로 하안모가 후퇴되고 입술 부전이 보이며 전치부 개 방교합과 상악궁의 협착을 보이고 있다(Figure 2A).
MARPE를 이용하여 상악골 확장을 시행하였고, 초진 스캔 데이터를 이용하여 디지털 셋업을 진행하였다. 셋 업에서는 상악골의 확장을 반영하여 상악 치열의 확장 을 시행하였다(Figure 2B). 레벨링 및 배열 후 설측의 미니 임플랜트를 이용하여 상악 전치열 후방 이동을 시 행하였다(Figure 2C). 치료 19개월 후 전치의 적절한 수평 및 수직피개를 형성하여 치료를 종료하였고 입술 의 부전 또한 개선되었다(Figure 2D). 치료 전·후 치 열 중첩 시 상악 치열의 확장이 관찰되고 계획대로 상 악 치열의 후방 이동이 관찰되었다(Figure 2E). 치료 전·후 측면 두부방사선계측사진 중첩 시 상악 구치부 의 약 1.2 mm의 함입을 보이고 이로 인해 하악의 전상 방 회전을 보였다(Figure 2F). 셋업과 치료 후 치열궁 을 중첩하여 비교한 결과 상악 구치부 폭경에서의 차이 가 관찰되었는데, 이는 MARPE 시행 전 셋업에서 임의 로 확장을 시행하였기 때문인 것으로 사료된다(Figure 2-G). 치료 종료 후 유지 15개월째 안정적인 교합을 보 였다(Figure 2H).
Figure 1. (Continued) I, Superimposition of initial and debond- ing lateral cephalograms.
I
Figure 2. Treatment of skeletal Class II with anterior openbite patient using MARPE and Incognito system. A, Initial intraoral and extraoral photos showing mandibular retrognathism and anterior openbite. B, Digital setup and customized prescription brackets.
(Continued to the next page) A
B
Figure 2. (Continued) C, Treatment progress. D, Debonding intraoral and extraoral photos. E, Superimposition of digital setup and debonding. (Continued to the next page)
C
D
E
Figure 2. (Continued) F, Superimposition of initial and debonding lateral cephalogram X-rays. G, Superimposition of initial and G
H
투명교정장치(Clear aligner)
투명교정장치 중 가장 높은 시장 점유율을 차지하고 있는 인비절라인은 재료의 탄성과 체계화된 어태치먼 트 시스템을 통해 교정치료 증례의 범위를 확장하고 있 다.
7-10투명 교정장치의 제작 과정을 보면 디지털 셋업 을 통해 최종 교합을 형상화하고, 치아 이동 경로 및 각 치료 단계별 이동량을 설정하여 각 단계별 치아 모 형을 3D printer로 출력 후 열가소성 투명 시트를 이 용해 제작함으로써 원하는 치아 이동을 도모하는 것이 다. 과거에는 적용 가능한 증례가 한정적이었으며, 비 발치 치료 위주로 시행되었으나 2014년 SmartTrack 이라고 불리우는 새로운 열가소성 시트(thermoplastic sheet) 재료의 개발과 SmartForce 어태치먼트를 통해 작은 크기의 어태치먼트로 모멘트를 발생시킴으로써 발 치 치료, 악교정 수술 치료, 성장기 환자의 악정형 치료 등에서 사용되고 있다. 그러나 기존 고정성 교정장치와 생역학적으로 많은 차이가 있기 때문에, 투명 교정장치 에 대한 이해가 필수적이며, 셋업을 통한 치료계획 수 립 시 현실적으로 달성 가능한 치아 이동을 계획하는 것이 중요하다. 특히 치아의 정출, 회전, 치체 이동, 토 크 조절 등의 문제가 제기되어 왔고, 최근 많은 연구자 들에 의해 인비절라인의 치아 이동 범위 및 예측 가능 성에 대한 분석 결과가 보고되고 있다.
비발치 증례에 대한 연구에서는 대부분 좋은 결과를 얻었음을 보고하였고, 미네소타 대학에서 시행된 연구 에 따르면, 비발치로 잘 치료된 환자(30명)의 치료 후 디지털 모형을 채득하여 치료 전에 계획했던 것과 비교 한 결과, 계획했던 것보다 전치는 교합면 쪽으로 더 많 이 정출되는 경향이 있었고 견치 및 소구치 등은 회전 이동에 제한을 보였으며, 또한 구치부에서는 모든 방향 에서의 이동에 제한이 있음을 확인하였다. 그러나 치료 계획과의 비교 시 평균 위치의 차이는 0.45 mm 이내, 평균 각도의 차이는 2.13°로 최종 교합에는 임상적으로
유의할 만한 영향이 없음이 보고되었다.
11세인트루이스 대학에서는 인비절라인으로 잘 치료된 환자가 아닌 얼라이너로 치료 완료 후 재치료(재스캔 및 새로운 얼라이너 제작)를 시행한 환자를 대상으로 치아 이동의 오차를 분석하였다. 즉, 치료가 잘 되지 않은 환 자에서 발생한 치아 이동량의 오차를 치료 전 스캔 데 이터, Clincheck software(Invisalign 셋업을 위한 소프트웨어)에서 형성한 셋업 모델의 데이터, 실제 얼라 이너 치료 후 채득한 스캔 데이터를 이용하여 분석하였 는데, 절치의 수평 이동 및 정출이 가장 정확한 것으로 나타났다. 반면 절치의 압하가 가장 예측성이 낮다고 보고하였으며 그 중 상악 중절치의 압하는 예상된 압하 량과 1.5 mm 차이가 있다고 하였다.
12투명교정과 관련된 체계적 문헌 고찰에 따르면 현재
까지 보고된 연구들은 후향적 연구가 많고, 대부분 연
구 디자인에 한계가 있어 신뢰도가 높지 않은 연구가 많
은 것으로 보고되었다.
13-15따라서 연구자에 따라 결과
가 상이하기 때문에 일률적인 결론을 얻는 것이 불가능
하다. 이는 인비절라인의 결과에 영향을 미치는 요소가
매우 다양하기 때문인 것으로 사료된다. 그러나 기존 연
구 결과를 종합하였을 때 성인에서 중등도의 총생의 해
소가 가능한 것으로 보고되고 있으며, 상악 대구치 후
방 이동은 효과적으로 일어날 수 있고 약 1.5 mm 정도
내에서는 치아 이동의 정확도가 높은 것으로 알려져 있
다. 전치부 압하는 기존 고정성 장치와 비슷한 효과를
가지는 것으로 알려져 있으나 전치부 정출은 보고된 연
구들에서 결과가 상이하고 예측 가능성이 낮음으로 주
의를 요한다. 전치부 토크 조절, 견치 및 소구치의 회전
은 정확도가 낮기 때문에 치료계획 수립 시 참고가 필
요할 것이며, 효율적인 치료와 정확한 결과를 얻기 위
해 어태치먼트, 악간 고무, 치간 삭제(IPR) 및 교정용
미니 임플랜트 등 부가적인 장치가 필수적이라고 결론
을 내리고 있다.
태치먼트를 통해 상악 절치를 정출시켰으며, 하악에서 는 고정원 보강을 위해 양측의 교정용 미니 임플랜트 를 이용하여 견치에 후방력을 가하며 순차적인 구치부 원심 이동(sequential molar distalization)을 진행하 였다(Figure 3B). 치료 전·후 비교를 통해 각 치아별 모든 방향에서의 이동량과 각도 변화를 확인할 수 있 으며, 계획대로 치료된 것을 확인할 수 있었다(Figure
교 시 상악 구치의 함입 및 하악의 전 치열이 후방 이동 된 것을 확인할 수 있었다(Figure 3G). 셋업과 치료 후 치열궁의 중첩 결과 전방부 치아는 계획과 비슷한 결과 를 얻었고 구치부는 수직적으로 압하가 더 많이 일어나 과수정(overcorrection)이 된 것을 확인할 수 있었다 (Figure 3H).
Figure 3. Treatment of an openbite patient using Invisalign. A, Initial intraoral photos showing anterior openbite. B, Digital setup with optimized attachments and tooth movement table. (Continued to the next page)
A
B
Figure 3. (Continued) C, Treatment progress. D, Debonding intraoral photos. E, Retention intraoral photos. (Continued to the next page)
C
D
E
Figure 3. (Continued) F, Superimposition of initial and debonding lateral cephalogram X-rays. G, Superimposition of initial and debonding. H, Superimposition of digital setup and debonding.
F
G
H
결론
임상치과 교정학 분야에 CAD/CAM 기술이 도입됨으 로 인해 부정교합 환자의 진단 및 치료 과정에 많은 변 화가 일어나고 있다. 치열의 디지털 셋업에서 나아가 머 신 러닝 기술이 접목됨으로써 환자가 교정 상담을 위해 내원하면 구강 내 스캔을 시행 후 수분 안에 치료 후 예상되는 치열의 모습을 보여줄 수 있게 되었고, 즉석에 서 임상의에 의해 발치 치아의 변경, 발치와 비발치의 비교 등 치료계획을 반영한 셋업의 수정이 가능해졌다.
최종적으로 임상의에 의해 셋업 데이터가 완성되면, 이 러한 데이터를 이용하여 환자와의 의사소통은 물론 임 상의의 입장에서도 최종 목표가 되는 치열을 단시간에 시각화함으로써 효율적인 진단이 가능하고, 장치를 제 작할 경우 모형이 아닌 치열 데이터를 전송함으로써 시 간과 공간의 제약 없이 장치의 제작을 의뢰할 수 있게 되었다. 현재까지 보고된 문헌들을 기반으로, 디지털 교 정치료는 임상적으로 우려할 만한 오차가 발생하지 않 는다는 것을 알 수 있고, 임상가의 경험과 노하우를 통 해 더 정밀하게 적용될 수 있다. CAD/CAM 기술을 이 용한 디지털 교정치료 기술이 아직은 초기 단계에 있으 며 한계가 있지만, 임상가의 전문 지식이 결합되어 꾸 준한 연구와 개발이 이루어진다면, 더욱 예측 가능하고 정확한 치료 결과를 도모할 것으로 사료된다.
REFERENCES
