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Lo scanner desktop

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Top Contributor DDU
20 Aprile 2017

Lo scanner desktop

Cesare Gargi
Odontotecnico
Aree di Esperienza: scanner, protesi digitale, materiali estetici, fresatori
www.regstudiolab.it

 

Malgrado un numero sempre maggiore di laboratori odontotecnici stia integrando ed adattando nel proprio flusso di lavoro le moderne tecnologie digitali, molti concetti non sono ancora chiari; in ogni caso, molti odontotecnici desiderano oggi acquistare uno scanner desktop per implementare la propria attività. Il mercato offre una notevole vastità di proposte, l’acquisto di uno scanner desktop non è però un passo semplice, e tutta una serie di parametri andrebbero presi in considerazione prima di procedere all’acquisto. Proviamo a fare chiarezza sulle varie tipologie di scanner desktop disponibili ad oggi sul mercato, prendendone in esame le precipue caratteristiche tecniche: ciò per aiutare l’odontotecnico a capire quale macchina possa meglio adattarsi alle proprie esigenze ed al proprio flusso di lavoro. Gli scanner desktop sono scanner 3D (definiti anche scanner da banco, extraorali o da laboratorio): dispositivi che permettono di partire da un oggetto fisi­co, ed ottenere una rappresentazione tridimensionale dello stesso. Il principio del loro funzionamento è pertanto comune a quello degli altri scanner 3D (intraorali, facciali). In sostanza, lo scanner proietta sulla superficie dell’oggetto da analizzare una fonte lumino­sa; la deformazione che tale fonte luminosa subisce dall’oggetto viene catturata tramite una o più telecamere, e sfruttata per il calcolo delle coordinate tridimensionali attraverso un potente software di elaborazione, in grado di gestire nuvole di punti e generare mesh. Vediamo ora cosa prendere in considerazione, nella valutazione e nella scelta per l ‘acquisto di uno scanner desktop: i parametri da prendere in considerazione sono:

 

  1. Tipologia di acquisizione
  2. Sistema aperto o chiuso
  3. Assi, Volume di acquisizione, Dimensioni
  4. Velocità
  5. Accuratezza, Ripetibilità, Risoluzione
  6. Software di elaborazione, Telecamere
  7. Costi di acquisto e Gestione

 

1. Tipologia di acquisizione. Le tecnologie di acquisizione al momento sono tre: luce strutturata, laser e contatto. Per ognuna tecnologia abbiamo vantaggi e svantaggi, costi differenti e proprio per questo lo scanner va scelto in base alle diverse esigenze, per non trovarsi ad utilizzare la macchina sbagliata.

Gli scanner a luce strutturata proiettano sopra al nostro oggetto pattern di luce orizzontali/verticali e con l’ausilio di telecamere a corta focale rilevano la variazione di ombre e luci, rendendo possibile la rilevazione di volumi dovute alla variazione della luce. Il software, analizzando la diversa posizione dei pixel di ombra e di luce, calcola la profondità degli oggetti, e tramite complessi algoritmi ricava la nuvola di punti, come per gli scanner laser; analogo nelle due tipologie è anche il procedimento di mesh e rendering. Questa tipologia di scanner riesce a processare mediamente 15-30 scansioni complete, c.a. 2.000.000 di pixel al secondo, per cui non digitalizza un solo punto alla volta, ma parecchie centinaia di migliaia di punti: ciò riduce o elimina il problema della distorsione da movimento. Negli ultimi anni la tipologia di luce emessa dai proiettori è passata da Bianca a Blue (Blue LED), poiché la resa è nettamente migliore e vengono garantite immagini prive di rugosità; non ultimo, le zone più difficili da scansionare risultano più nitide. Oltre a tutto ciò, le luci BLUE LED risultano più durature rispetto ai led a luce bianca.

Gli scanner laser o laser a scansione, sono dispositivi che emettono un raggio elettromagnetico (il laser) deflesso da specchi, con vari gradi di inclinazioni. Tramite un punto o una linea il raggio colpisce il nostro oggetto; il segnale riflesso è quindi catturarlo tramite telecamere a corta focale ad alta risoluzione. La ripresa dei fotogrammi e la definizione del tempo tra un fotogramma e il successivo consentono di ottenere, tramite apposite formule matematiche, le coordinate x, y e z di ogni singolo pixel dell’oggetto da acquisire. Questa operazione viene effettuata migliaia di volte creando una nuvola di punti (point cloud) che formera' sul nostro monitor un oggetto virtuale. L'operazione di triangolazione viene effettuata per far sì che i punti vengano uniti per formare triangoli, che a loro volta daranno vita ad una forma geometrica del nostro oggetto (mesh poligonali); sarà ottenuta l’immagine definitiva attraverso un processo di rendering. Per ridurre gli errori causati dalle vibrazioni si utilizzano filtri e si procede con una media dei punti scansionati, per ottenere la forma più vicina al nostro oggetto reale.

Gli scanner a contatto o macchine di misure coordinate (CMM) sono scanner con sensori cinetici, dotati di una sonda, con al vertice un rubino (materiale che è poco influenzabile da temperature esterne) che tocca la superficie esterna del nostro oggetto fisicamente, rilevando la posizione spaziale con una accuratezza che in diversi casi scende sotto il centesimo di millimetro. Con oggetti dalle dimensioni semplici, questi sistemi operano al meglio delle loro prestazioni, con profili piani e superfici convesse. L’accuratezza, la precisione e l’insensibilità sono i vantaggi di questa tipologia di scansione, rispetto a problematiche quali tipologia, lucentezza, colore o trasparenza dell’oggetto, che possono invece influenzare gli scanner ottici. Vengono utilizzati nel campo dentale nella rilevazione della posizione delle fixture implantari, ma non sono adatti alla scansione di monconi o ancor meno di modelli, sia per le difficoltà che incontrano in presenza di sottosquadri, sia per la lentezza con cui rilevano la forma.

 

2. Sistema aperto/chiuso. E’ importante sapere se lo scanner lavora come sistema aperto, semi-aperto o chiuso. Il termine “output” indica il formato (.STL, .PLY, .OBJ, o altro) o file con cui il nostro scanner esporta le scansioni. Gli scanner aperti possono esportare ogni scansione con un formato libero (per esempio un file .STL), in grado cioè di essere immediatamente aperto ed utilizzato da qualunque software di computer assisted design (CAD) protesico, senza limitazioni. Gli scanner semi-aperti non esportano un file libero direttamente al termine della scansione, ma soltanto al termine della progettazione CAD (tali dispositivi sono pertanto legati a specifico software di CAD). Infine, gli scanner chiusi non esportano un file libero nè dopo la scansione, nè dopo la progettazione: essi producono un file proprietario che può essere lavorato solo dalla casa madre.

 

3. Assi, Volume, Dimensioni. Grande importanza rivestono il volume dello scanner e gli assi di lavoro. E’ necessario che le telecamere “vedano” il nostro oggetto in ogni suo dettaglio, per ottenere una buona scansione; a tal scopo, bisogna che la macchina sia dotata o di un numero sufficiente di assi di movimento oppure di un numero elevato di telecamere, suddivisi tra i movimenti dell’oggetto e quelli delle telecamere stesse. Ciò onde evitare nella nostra scansione “zone d’ombra”. Tali zone d’ombra impediscono infatti la completa acquisizione dell’oggetto, lasciando dei “buchi” sull’oggetto 3D. Tali “buchi neri”, infatti, ci costringerebbero a dovere riprendere la scansione, con conseguente diminuzione della qualità della stessa. Per volume si intende invece la massima dimensione di un oggetto, che possa essere rilevata nel nostro scanner in un’unica soluzione. Lo spazio interno dello scanner deve essere ampio e deve permettere all’operatore di inserire articolatori o verticolatori o semplici bite di registrazione, strumenti che permettono di creare la medesima situazione reale anche nel mondo virtuale (indispensabili per costruire, per esempio, dei Toronto Bridge). Il concetto di volume è legato naturalmente allo spazio interno allo scanner. Il piattello deve poter essere sostituito facilmente, così come l’oggetto da scansionare dovrebbe poter essere inserito facilmente senza venire rimosso dal piattello; il piattello, infine, dovrebbe essere abbastanza ampio da poter alloggiare qualsiasi tipo di sistema di monconi sfilabili. Idealmente, sarebbe utile poter disporre di diversi tipi di piattelli, magari con split cast per diversi articolatori. Spesso per un design più accattivante vengono ridotte le dimensioni degli scanner, costringendo il costruttore a modificare la posizione e l’angolo delle telecamere: ciò può modificare la profondità di campo e l’area di lavoro.

 

4. Velocità. Un parametro di importanza secondaria, spesso non dichiarato, è la velocità: questo poichè gli oggetti che scansioniamo (modelli, impronte) sono di ridotte dimensioni. Nel caso, tuttavia, il laboratorio debba far fronte a una quantità di lavori importante, è opportuno che lo scanner sia abbastanza veloce e performante.

 

5. Accuratezza, Precisione, Risoluzione. Si tratta di parametri che fanno riferimento alla qualità delle scansioni e dei modelli 3D derivati dallo scanner.

Per Precisione si intende la capacità dello scanner di garantire un ri­sultato ripetibile quando impiegato in diverse misura­zioni dello stesso oggetto. La costante ripetibilità del risultato è di fondamentale importanza: diverse misu­razioni dello stesso oggetto devono necessariamente essere sovrapponibili, e discostarsi tra loro in maniera minima. Per poter misurare la precisione di uno scan­ner extraorale non è necessario avere una misurazione di riferimento ottenuta con strumento industriale di potenza superiore: è sufficiente ripetere più volte la scansione dello stesso oggetto

Per Accuratezza si intende quanto la media delle no­stre misurazioni si avvicini alla realtà: dal punto di vista matematico, infatti, una misura è tanto più accurata quanto più la media delle misure si approssima al va­lore vero della grandezza. Uno scanner desktop do­vrebbe perciò essere il più possibile accurato, essere cioè in grado di rilevare ogni dettaglio dell’oggetto scansionato (sia esso un modello o un’impronta) e permettere l’elaborazione di un modello 3D virtuale il più possibile simile al reale, e che poco o nulla si discosti dalla realtà. Per poter misurare l’accuratezza, è necessario fare riferimento ad una misurazione cer­ta, con margine di errore tendente a zero, quale può essere quella determinata da un potente strumento di rilevazione industriale (x es. tastatore industriale). Per fare un esempio, se uno scanner dichiara un’accuratezza di 0.02 mm, ciò indica che in ogni punto della nostra scansione potrebbe esserci un errore di posizione, appunto, di 0.02 mm.

Infine, per Risoluzione si intende la sensibilità dello strumento, ovvero la minima differenza (dimensione più piccola) che lo scanner possa effettivamente rilevare. Per esempio, se la risoluzione di acquisizione dello scanner è di 0.02, e nel nostro oggetto ci sono dettagli di dimensioni inferiori a questo valore, lo scanner non sarà in grado di rilevarli. La risoluzione di acquisizione di uno scanner dipende generalmente dalle telecamere, che sono molto potenti.

Nel 2013 è stata introdotta una norma ISO a valutazione dei sistemi di scansione da laboratorio che, grazie all’acquisizione di due oggetti geometrici definiti, consente la definizione un range standard di acquisizione per gli scanner da labororatorio (UNI EN ISO 12836:2013 Titolo: Odontoiatria - Dispositivi di digitalizzazione per sistemi CAD/CAM per restaurazioni dentali - Metodi di prova per la valutazione dell'accuratezza).

 

6. Software di elaborazione, Telecamere. Di primaria importanza è il software di scansione 3D abbinato allo scanner, poiché da esso dipende l’elaborazione delle mesh. Tale elaborazione fa comunque la differenza. Sarebbe del tutto inutile possedere uno scanner con potentissime telecamere, ma con un software di elaborazione scadente: l’eccellente acquisizione verrebbe vanificata al momento dell’elaborazione delle mesh. Operazioni di smoothing vengono elaborate dal software per permette di effettuare in modo automatico chiusura fori e diminuzione del rumore; la grande differenza è data però dal numero di funzioni operative che il software effettivamente possiede, e il grado di libertà che lascia all’operatore operatore nell’esecuzione di tutta una serie di modifiche manuali, laddove necessarie. All’interno degli scanner le telecamere sono ogni anno più potenti e il numero sempre maggiore di pixel rende le nostre scansioni sempre più definite, per questo bisogna prestare molta attenzione al numero di pixel che possono rilevare. Gli scanner sono sensibili a variazioni di temperatura (non devono essere collocati vicino a fonti di calore o condizionatori), necessitano di costante calibrazione (soprattutto se vengono spostati) e le ottiche e il proiettore devono essere pulite (per evitare interferenze nella rilevazione dell‘immagine).

 

7. Costi. Ultimo parametro da considerare è senza dubbio il costo, ma catalogare gli scanner da banco in base al costo è difficile. Infatti, alcuni scanner sono legati in modo indissolubile a specifico software di CAD protesico, altri vengono venduti abbinati a diversi tipi di CAD (spesso modulari, ossia formati da moduli aggiuntivi che fanno lievitare il prezzo), altri ancora sono venduti separatamente (senza CAD). In ogni caso, al costo di acquisto del solo scanner (o dello scanner insieme a CAD protesico) possono aggiungersi i costi delle royalties per l’aggiornamento annuale e l’assistenza.

 

In conclusione, farsi influenzare da pubblicità e da proposte commerciali è forviante e spesso controproducente per l’odontotecnico; è importante che la scelta dello scanner desktop sia dettata da una valutazione consapevole delle proprie esigenze e dei dettagli tecnici della macchina. E’ pertanto necessario che l’odontotecnico prenda in esame tutta una serie di parametri e caratteristiche tecniche prima dell’acquisto; diversamente, il rischio di fare una scelta sbagliata potrebbe rivelarsi concreto. L‘improvvisazione non è una prerogativa accettabile per questa tecnologia, che necessita di solide basi e preparazione teorica: occorre studiare come guidare queste macchine, e non farsi guidare dalle stesse. Il solo l’utilizzo delle fasi di scansione “automatizzate”, per esempio, ci limita, mentre con l’implementazione manuale delle stesse è possibile migliorare e velocizzare il lavoro, oltre a prepararci ad importare le scansioni da scanner intraorali. Di fatto, come per i programmi dei forni da ceramica, anche gli scanner possono essere “personalizzati”: ciò permette di raggiungere risultati che neanche chi ha progettato queste macchine immaginava potessero mai essere ottenuti. Ancora una volta, come spesso è accaduto nel passato, la preparazione tecnica e le intuizioni dell’odontotecnico fanno la differenza