口腔内スキャナーがどのように機能するか？

ワイヤレス口腔内スキャナーの動作原理

ここからが、この技術の興味深いところです。 前述の通り、TRIOSは1秒間に2,500枚の画像を撮影していますが、これらはすべてカメラで撮影したような２D画像です。 これをどうやって3Dにするのですか？

Gabijaによると、この技術はフォーカス・スキャンと呼ばれるものです。 この技術こそが、TRIOSが他の多くのスキャナーと一線を画している点でもあり、。 3Shapeがフォーカス・スキャンに関する多くの特許を取得している理由です。

企業秘密は明かせませんが、TRIOSはカメラのようにレンズがあります。 カメラのように、レンズシステムは異なる距離に焦点を合わせることができます。 TRIOSスキャナーは、フォーカスを自動で前後に調整します。 同時に、フォーカスレンズの移動に合わせて位置を正確に追跡するスケール（測定基準）も備えています。 そのため、撮影されたすべての画像に対応するレンズの位置情報が取得されており、そのデータを基に画像ごとの深度を計算することができます。

つまり、画像を撮影するときに「この位置でレンズのピントを合わせた」と認識し、次の画像では「別の位置でレンズのピントを調整した」と把握している、という仕組みです。 こうして、2つの画像間で深度を測定し、比較しています。

歯は独特な形状。

でも、ここからがさらに面白いところです。 歯科医療従事者ならご存知のとおり、歯は非常に独特な形状をしており、写真でうまく捉えるのが難しい対象物です。 歯を正確に撮影するには、TRIOSが撮影した画像を歯の表面に投影する必要があります。

そうしないと、光が歯の表面で反射してしまったり、歯に吸収されたり、さらには光が歯を通り抜けてしまうことがあります。 これは、歯が半透明で、光を通しやすい特有の性質を持っているためです。 Gabijaはこの後、もう少し詳しく説明します。

チェッカーボードから点群へ

その前に、TRIOSの話に戻りましょう...歯に投影される画像は、市松模様のような格子状の形をしています。 TRIOSは、この模様を使って、レンズがどの位置でピントを合わせているかを判断し、その情報から画像の深度を計算します。 市松模様は歯の表面にコントラストを作り出し、歯の半透明な特性による影響を補正し、より正確な深度情報を取得できるようにしているのです。

Gabijaによれば、この模様を使うことで、異なる深さで取得した画像の層（レイヤー）を作り出せるとのことです。 これらのレイヤーが3Dサブスキャンの元となります。

彼女の説明によると、「レンズに組み込まれたスケールを使って焦点面までの距離を測定し、深度情報を取得します。 レイヤー化された画像を組み合わせて、たくさんある点群データの1つを作成します。」とのことです。これらの点群データは1秒間に2.5GBのデータ量になりますが、40MBまで圧縮して処理しています。

この仕組みを理解すると、スキャナーが口腔内の特定の部位をスキャンするのが難しい理由も納得できます。 スキャナーは手が届きにくい部位をただ撮影するだけでなく、その部位の深度を測定して3D画像を作成しなければなりません。

つまり、TRIOSの場合は、その市松模様を届きにくい部位に投影し、ピントを合わせ、撮影深度を特定し、それを1秒間に2500枚の画像で行うということです！

口腔内スキャナーの種類

高価格と低価格のスキャナーモデルを分けるポイントをMadsが説明します。 口腔内スキャナーメーカーごとに、これらの画像やサブスキャンを処理するソフトウェアの性能には大きな差があり、特に隣接面の画像処理ではその違いが顕著に表れます。

低価格なスキャナーは、こういった複雑な部位の表面を正確に捉えるのが苦手だそうです。 市場に出回っているスキャナーはすべて、光学印象や3Dスキャンを撮ることができます。

しかし、低価格のスキャナーでは、例えば歯間や遠心面、アンダーカットなど、届きにくい部位のデータ取得が難しい傾向にあります。

歯の興味深い光学特性

それでは、再び歯の話に戻りましょう。 Gabijaは、「歯はスキャンするには特殊な表面を持っている。」と言います。

歯には非常に興味深い光学的特性があります。 歯に均一な光を当てると、滑らかな表面と均一な色調により、一貫した反射を示します。 さらに、光を歯に投影すると、歯は半透明であるため、光の一部が歯の内部で散乱します。 正確に言うと、半透明なのはエナメル質です。

TRIOSでは、3D模型を構築するために、歯の内部ではなく歯の表面をスキャンする必要があります。

口腔内スキャナーの精度

なぜなら、3D画像を作成するために、歯の表面からの深度を正確に測定する必要があるからです。 スキャンに基づいてクラウンを作成する場合、歯が半透明だからといって歯の内側から１ミリずれた単位で測定するのではなく、歯の表面から正確な測定データを取得する方がよいでしょう。このことから、歯の半透明性が 口腔内スキャナーの精度に影響を与える理由がわかります。

口腔内スキャナーの種類：パウダーと非パウダー

昔のスキャナーは歯にパウダーを吹き付けて使用していたため、半透明性の影響を抑えることができ、スキャンがより簡単に行えていました。 しかし、パウダーの使用は手間がかかり、誰も好んで使いたがりませんでした。 もし、歯の光学的特性についてさらに詳しく知りたい場合は、Dr. James Fondriestの論文を参照してみてください。天然歯の光学特性に関する詳しい情報が紹介されています。

歯は半透明であって透明ではないため、3Shapeでは歯の表面をスキャンするために異なる技術を採用しています。 また、入れ歯やその他の修復物を「キャラクタライズ」(歯の色調や質感を再現して個性を持たせること)する技術が、非常に特殊で高い技術を要する理由でもあります。

口腔内スキャナー技術：偏光

TRIOSが歯の半透明性に対応するために使用している技術は「光の偏光」と呼ばれ、ここでGabijaの専門知識が活かされています。 彼女によると、偏光技術は多くのデジタルカメラでも使われており、これによってTRIOSはパウダーを使うスキャン方法を不要にできたそうです。

詳細は省きますが、光は鏡面反射、表面散乱、内部散乱（体積散乱）の3つの方法で反射します。

TRIOSが歯の表面に投影する光は、これら3種類の方法によってランダムまたは非偏光状態になります。 以前は、パウダーを使用して歯を完全に不透明にすることでこの問題に対処していましたが、Gabijaたちエンジニアは光の偏光技術を使った別の解決策を考案したのです。 この技術により、TRIOSは主に歯の表面から戻ってくる光信号の偏光特性（偏光指紋）を識別することができるのです。

残念ながら、Gabijaの要望により、これ以上TRIOSの偏光技術の詳細についてはお話しできません。 彼女は「企業には秘密があるものですからね」と話していました。