Возможности и использование CAD/CAM в стоматологии
а) Терминология. Определения и сокращения:
• Автоматизированное (компьютерное) проектирование (CAD) - использование компьютерных систем для создания, модификации, анализа или моделирования дизайна.
• Автоматизированное производство (САМ) — использование компьютерного программного обеспечения для управления станками и соответствующими обрабатывающими центрами.
• CAD/CAM-стоматология —использование компьютерного моделирования и автоматического изготовления приспособлений и изделий для всех видов стоматологической реабилитации:
о CAD/CAM-диагностика — использование цифровых моделей, наложенных на трёхмерные радиологические данные, для обеспечения диагностической точности в областях, где радиологические данные искажены артефактами (или имеют низкую точность/разрешение).
о CAD/CAM-планирование лечения — использование цифровых моделей для имитации протезирования, хирургических имплантатов, перемещения зубного ряда и ортопедического моделирования с целью оптимизации в планировании комплексного лечения и реабилитации.
о CAD/CAM-хирургическая стоматология - использование цифровых технологий для навигации и ассистирования в хирургической стоматологии:
- Включает CAD-планирование и идентификацию для этиологического лечения, хирургической резекции, остеотомии и дентальной имплантации.
- Использование САМ включает изготовление хирургических шаблонов для установки имплантатов, шаблонов редукции кости, шин для ортопедической стабилизации, титановых пластин и хирургических фиксирующих устройств, синтетических трансплантатов.
• Анализ методом конечных элементов — численный метод нахождения приблизительных решений задач о граничном значении для дифференциальных уравнений:
о Использует вариационные методы (вариационное исчисление) для минимизации ошибки функции и нахождения устойчивого решения.
о Метод часто применяют в стоматологических исследованиях для тестирования материалов и изделий — в стоматологии и автоматизированной инженерии (САЕ — от англ. Computer-Aided Engineering).
• Фотореалистичный рендеринг.
о Рендеринг — процесс генерации изображения из модели с помощью компьютерных программ:
- Предоставляет информацию, включающую геометрию, точку обзора, текстуру, освещение и данные о затенении как описание виртуального дентального изображения.
(Слева) 3D-рендеринг КЛКТ пациента с протяжённым беззубым участком в переднем отделе нижней челюсти показывает CAD-данные (оптический оттиск) исходного клинического состояния с мягкими тканями и поверхностью зубов. Эта симуляция была выполнена в программном обеспечении Galахis 1.9.4.
(Справа) 3D-рендеринг данных КЛКТ (тот же самый пациент) показывает радиологические данные, совмещённые с CAD-данными с виртуальной реставрационной восковой моделью (wax-up), окрашенной в оранжевый ивет, на беззубом участке с мягкими тканями и участками поверхности зубов, которые окрашены жёлтым цветом.
(Слева) Объёмный рендеринг КЛКТ-данных (тот же пациент) демонстрирует дентальные внутрикостные имплантаты, которые виртуально позиционированы на основе CAD-данных виртуальной восковой модели (wax-up). CAD-моделирование в массиве данных КЛКТ помогает уточнить соответствующий план лечения для всех дентальных имплантатов.
(Справа) Кроссекция КЛКТ показывает расположение виртуального имплантата относительно контура мягких тканей и профиля реставрации CAD-данных. Определяется потенциальное истончение кортикальной кости. Эта симуляция была произведена с использованием программы 360 DPS.
(Слева) Кроссекция КЛКТ представляет сегментацию альвеолы. Данные о сегментации можно передать CAD/CAM-программному обеспечению для изготовления медицинской модели или хирургического шаблона с опорой на костную ткань.
(Справа) CAD-рендеринг поверхности альвеолярной части челюсти с виртуально запланированным имплантатом. Также виден слой мягких тканей и профиль реставрации. Эта симуляция была сделана с использованием программы 360 DPS.
б) Использование CAD/CAM в стоматологии. CAD:
• Один из множества инструментов, используемых клиницистами, техниками и исследователями:
о Применяют во многих случаях в зависимости от цели пользователя и типа используемого программного обеспечения.
о Предполагает использование компьютера и графического программного обеспечения для создания моделей реставраций и протезов.
о Современное CAD-оборудование позволяет оператору быстро создавать очень точные и реалистичные модели, которые затем будут изготовлены.
• Моделирование непрямых реставраций:
о Коронки, виниры, вкладки, накладки, мосты, каркасы, частичные и полные съёмные протезы, хирургические шаблоны, каппы, ортодонтические аппараты.
о Врачебная CAD/CAM-система с цифровым оттиском для применения в кабинете стоматолога:
- Технологии получения оптического оттиска включают фото и видео (оптические), светодиодные и лазерные методы фиксации данных.
- Системы, имеющие внутриротовой сканер, получают цифровую информацию о полости рта и впоследствии генерируют на её основе трёхмерные данные, что позволяет в присутствии пациента провести необходимое моделирование реставрации и затем отправить данные о модели непосредственно на фрезерный центр для немедленного изготовления (в том числе в присутствии пациента):
- К ним относятся CEREC (Sirona), E4D (D4D Technologies) и некоторые другие системы, которые только выходят на стоматологический рынок.
- CAD-данные можно отправить в зуботехническую лабораторию для проектирования и изготовления реставраций.
- Внутриротовые оптические сканеры:
- К ним относятся 3М ESPE Lava COS, 3М True Definition Scanner, 3 Shape Trios, Align Cadent iTero, IOS FastScan, Sirona Apollo DI.
о Лабораторные системы CAD/CAM:
- Системы, которые дают возможность получения данных путём сканирования (оцифровки) традиционных оттисков или гипсовых моделей, протезов или приёма данных внутриротового сканирования, предоставленных клиницистом.
- Существует множество закрытых и открытых систем, которые позволяют техникам при изготовлении комбинировать сканеры и фрезерные устройства различных производителей:
- Сканеры для CAD: 3 Shape, Zirkonzahn, Nobel Procera, Medit Identica, Amann Girrbach Ceramill, Sirona X5, Dental Wings, GC и др.
- Фрезерные станки для САМ: Roland Mills, Sirona MCXL inLab, Digital Dental Lab Mill 4, Premotec Premio Plus, Zirkonzahn M, Datron, Zubler, Imes-iCore, Amann Girrbach Ceramill, Wieland, BruxZir и др.
- Быстрое прототипирование (3D-печать) для САМ: Stratasys Objet, Solidscape 3Z, EOS, Envisiontec 3 Dent, ProJet, DWS и др.
• Моделирование хирургических шаблонов:
о Размещение мастер-втулок можно определить после планирования места установки имплантата с помощью программного обеспечения.
• Цифровое моделирование для прогнозирования результатов и информирования пациентов:
о CAD также используют для создания точных цифровых моделей, которые часто нужны при планировании комплексного лечения:
- Цифровые конструкции для планируемого лечения накладывают на диагностические фотографии и рентгенограммы пациентов, чтобы представить, как будет выглядеть результат лечения.
о Интеграция CAD и КЛКТ позволяет клиницистам не только точно планировать лечение, но и получать данные для изготовления хирургических шаблонов и протезов с использованием автоматизированного производства.
• Судебно-медицинская оценка и протоколирование.
2. САМ:
• Система автоматизированного производства стоматологических реставраций с использованием фрезерных устройств, управляемых компьютером:
о Обеспечивает эффективный процесс производства стоматологических реставраций с точным контролем размеров, формы и состава материала.
- Использует только необходимое количество материала (таким образом минимизируя объём отходов).
- Одновременно уменьшает потребность в создании аналоговых промежуточных этапов, таких как гипсовые модели.
• САМ (изготовление) — автоматизированный этап, следующий за процессом CAD (моделирования), а иногда и САЕ (автоматизированного моделирования):
о Модель, сгенерированную в CAD и проверенную в системе САЕ, можно перенести в программное обеспечение САМ, которое затем будет управлять обрабатывающим устройством.
• САМ рассматривают как фрезерное устройство (обрабатывающий станок с числовым программным управлением (ЧПУ)].
о ЧПУ:
- Компьютерная автоматизация станков, которые управляются точно запрограммированными командами, закодированными на носителе данных: в отличие от механически автоматизированных или управляемых вручную посредством штурвалов и рычагов.
- Для стоматологии:
Дентальные программы генерируют компьютерный файл, который интерпретируется для извлечения команд, необходимых для работы конкретной машины через постпроцессор, а затем загружается в станки с ЧПУ для производства.
- Машина с ЧПУ может содержать несколько инструментов для изготовления различных анатомических компонентов ортопедической реставрации.
- Производство финальной реставрации зачастую состоит из серии различных механических операций, переход между которыми (в том числе смена инструмента) высокоавтоматизирован, и фрезерное устройство практически полностью автоматизированно изготавливает реставрацию, которая полностью соответствует оригинальному CAD-дизайну.
3. Процесс использования CAD/CAM в стоматологии:
• САМ требует ввода данных из CAD:
о Появление CAD/CAM обеспечивает врачей, пациентов и техников методами изготовления, которые считаются точными и воспроизводимыми.
о CAD и САМ работают вместе, поскольку цифровая модель, созданная в CAD, вводится в пакет программного обеспечения САМ.
• Полученный оптический оттиск может быть напечатан (3D-печать, прототипирование) самостоятельно (без дополнительного компьютерного моделирования), воспроизводя аналог традиционной гипсовой модели.
• Эти данные оптического сканирования (цифровой оттиск) можно сопоставить с радиологическими данными для установления диагноза и планирования лечения:
о Есть возможность создания капп, хирургических шаблонов, медицинских моделей, моделей для обучения, ортодонтических моделей.
• После лечения эти данные можно использовать как для оценки результата лечения, так и с целью контроля отдалённых результатов.
• Данные оптического скана, полученные после обточки зубов на ортопедическом этапе (подготовки под протезирование), используют в программном обеспечении CAD для разработки финальных протезов:
о После компьютерного моделирования реставрации данные о модели отправляются в САМ для изготовления.
о Программное обеспечение САМ должно получить информацию о физической форме продукта (модель CAD), прежде чем оно сможет составить последовательность команд по изготовлению для производственной машины.
о Обычно CAD/CAM-стоматологические реставрации фрезеруются из твёрдых блоков стоматологических материалов, которые точно соответствуют основному оттенку восстанавливаемого зуба:
- Также выполняется фрезерование из металлических сплавов.
- Возможно фрезерование керамики, металлов, акрила и восков:
- для изготовления непрямых реставраций, таких как коронки, виниры, вкладки, накладки, мосты, каркасы, частичные и полные съёмные протезы, хирургические шаблоны, внутриротовые каппы и ортодонтические аппараты.
- Вид финишной обработки изготовленной реставрации зависит от типа протеза и материалов, часто нужна последующая лабораторная обработка изготовленной конструкции.
- Краски и глазурь обжигают на поверхности фрезерованной керамической коронки или моста для исправления первоначального монохромного вида реставрации:
Также доступны блоки для фрезерования с градацией оттенков.
- Затем реставрацию корректируют вручную с использованием обычных методов и фиксируют в полости рта (цементируют).
(Слева) Объёмный рендеринг КЛКТ демонстрирует оставшиеся корни левого клыка и второго премоляра верхней челюсти. Это изображение было сгенерировано с использованием программного обеспечения Invivo 5 (Anatomage Inc.).
(Справа) Объёмный рендеринг КЛКТ (объединённый с оптическим оттиском гипсовой модели полости рта пациента) оказывает предоперационное состояние. Обратите внимание на чёткое определение данных поверхности верхнечелюстного зубного ряда и мягких тканей полученных из оттиска, по сравнению с зубным рядом нижней челюсти, который сглажен артефактом от металлов.
(Слева) CAD-скан (тот же пациент) дуги верхней челюсти демонстрирует виртуальную восковую модель (wax-up) утраченных зубов. Виртуальная восковая модель помогает клиницисту определить эстетически корректное положение коронок, а впоследствии — и имплантатов, которые будут служить опорой коронки.
(Справа) Объёмный рендеринг КЛКТ с интегрированным CAD-сканом (тот же пациент) моделей верхней и нижней челюстей показывает виртуальную восковую модель (wax-up) утраченных зубов.
(Слева) Объёмный рендеринг КЛКТ с интегрированным CAD-сканом модели верхней челюсти демонстрирует виртуальную восковую модель (wax-up) зубов и планирование имплантации с учётом необходимой реставрации. CAD-скан верхней челюсти сделан прозрачным для визуального осмотра планируемых имплантатов.
(Справа) Объёмный рендеринг КЛКТ с интегрированной CAD-виртуальной восковой моделью (wax-up) зубов и планирование имплантации с учётом будущей реставрации показывает, как CAD-скан челюсти можно сделать полностью прозрачным для окончательной трёхмерной пространственной оценки имплантации.
в) CAD-оснащение:
1. Клиническое оснащение и материалы:
• Оптические сканеры для врачебного кабинета традиционно используют для прямого внутриротового сканирования.
• Для сканирования могут потребоваться дополнительные материалы:
о В некоторых системах может понадобиться спрей для оптического сканирования, обеспечивающий равномерное покрытие мелким порошкообразным материалом сканируемых объектов:
- Для работы с некоторыми сканерами необходимо использование спрея для сканирования с целью получения оптимальных изображений для CAD/CAM-реставраций.
- Спрей для оптического сканирования уравновешивает различные оптические свойства натурального зуба (дентин и эмаль) и, таким образом, обеспечивает оптимальную запись при использовании внутриротовой камеры.
- Порошки для сканирования не рекомендуют применять в областях, где недавно проведено хирургическое вмешательство.
о Средства изоляции:
- Используют коффердам, ретракторы, прикусные блоки для стабилизации положения челюстей пациента, слюноотсосы.
о Сканируемые материалы для регистрации прикуса.
2. Лабораторное оснащение:
• Настольные оптические сканеры, используемые для сканирования традиционных зубных оттисков и гипсовых моделей.
• Компьютер, работающий с программным обеспечением CAD:
о Графические модули CAD-систем выполняют задачи с высокой вычислительной нагрузкой.
о Можно рекомендовать использование современных видеокарт, высокоскоростных (и, возможно, нескольких) процессоров и оперативных запоминающих устройств больших объёмов.
• Работа с интерфейсом «человек—машина» осуществляется, как правило, с помощью компьютерной мыши, но также возможно использование пера и графического планшета, сенсорного дисплея, различных джойстиков.
• Модули управления отображением на экране у некоторых систем могут быть встроены в сам оптический сканер.
• Некоторые системы также поддерживают стереоскопические очки для просмотра в 3D-режиме.
д) CAD-программное обеспечение:
1. Преимущества:
• Повышает производительность оператора.
• Улучшает качество проектирования.
• Улучшает взаимодействие специалистов посредством модуля ведения электронной медицинской документации.
• Создает базу данных для производства.
• Системы высшего класса предоставляют возможности для внедрения более реалистичных планов лечения, эстетических и биомиметических особенностей в клиническую практику.
2. Свойства:
• Вывод CAD-данных часто осуществляется в форме:
о электронных файлов для печати (быстрое прототипирование, стереолитография);
о электронных файлов для фрезерных устройств и других видов автоматизированного изготовления (например, таких как напыление).
• Программное обеспечение CAD для медицинского моделирования может использовать векторную графику для отображения объектов традиционного инженерного конструирования:
о Также можно быстро получить рендеринги, демонстрирующие общий внешний вид объекта.
о Доступно множество других графических пользовательских интерфейсов и типов проектных файлов.
• Программное обеспечение CAD может работать как в двух, так и в трёх измерениях:
о В стоматологических приложениях чаще всего нужны 3D-интерфейсы.
о Современные программы с автоматизированным проектированием часто обеспечивают возможность трёхмерного объёмного и поверхностного моделирования:
- Дают пользователю возможность совершать вращение в трёх измерениях.
- Позволяют просматривать спроектированный объект с любого угла обзора.
о Инструменты позиционирования полезны при вращении и перемещении объектов внутри стоматологического программного обеспечения в 3D-пространстве:
- Пример: перемещение тела виртуального имплантата в массиве объёмных радиологических КЛКТ-данных при планировании окончательного плана операции.
о Дополнительные инструменты моделирования полезны при использовании произвольной формы протезов зубов:
- Пример: зубную коронку произвольной формы устанавливают над подготовленной поверхностью зуба с возможностью контурирования, добавления и удаления толщины материала, формирования анатомии стоматологической реставрации, что похоже на аналоговый метод воскового моделирования стоматологических реставраций.
• Данные в CAD-программе могут обеспечить большие возможности, а не просто служить визуальной поддержкой:
о Могут предоставлять данные о материалах, процессах, размерах и допусках.
• CAD-приложения теперь предлагают расширенные возможности рендеринга и анимации:
о Клиницисты и техники могут лучше визуализировать нюансы своих стоматологических проектов.
3. Типы:
• Существует несколько видов программного обеспечения CAD для объёмного моделирования в стоматологической индустрии:
о Объёмное моделирование:
- Согласованный набор принципов математического и компьютерного моделирования трёхмерных твёрдых тел.
- Отличается от смежных областей геометрического моделирования и компьютерной графики: особое внимание уделяют физической точности.
- Принципы геометрического и объёмного моделирования создают основу автоматизированного проектирования: в общем смысле - поддержку создания, обмена, визуализации, анимации, запросов и аннотации цифровых моделей физических объектов.
о 3D-параметрическое объёмное моделирование:
- Позволяет оператору использовать то, что называют «проектным замыслом»: сканирование зубной модели для создания стоматологического протеза.
- Созданные объекты и характеристики изменяемы.
- Любые будущие изменения будут внесены путём изменения способа создания оригинальной детали.
о Явные средства моделирования или прямое 3D CAD-моделирование:
- Обеспечивает возможность прямого редактирования геометрии объектов из шаблона; обычно используется при изготовлении дентальных имплантатов, стандартных абатментов и стоматологических компонентов.
- При прямом моделировании, как только эскиз использован для создания геометрии — он включается в новую геометрию, и оператор модифицирует геометрию без потребности в оригинальном эскизе.
- Как и при параметрическом моделировании, прямое моделирование даёт возможность включать взаимоотношения между выбранными компонентами с разными геометрическими особенностями (например, между слиянием и соосностью).
(Слева) Фотография (тот же пациент) демонстрирует хирургический шаблон, разработанный по CAD-ланным и изготовленный с использованием CAM-протокола. Мастер-втулки помещаются точно в области, предназначенной для установки имплантатов.
(Справа) В лабораторной CAD-программе показана модель мастер-имплантата с параллельными телескопическими абатментами и условно-съёмным гибридным протезом. Программа, использованная для этого примера моделирования, - Sirona inLab 4.2.3.
(Слева) Врачебная CAD-программа в кабинете стоматолога демонстрирует верхнечелюстную дугу с несколькими запланированными реставрациями. Эта симуляция была выполнена в программе Sirona Cerec.
(Справа) Фотография показывает фрезерованную заготовку, одиночную фрезерованную реставрацию из дисиликата лития (необожжённую) и завершённую одиночную реставрацию из дисиликата лития полностью сделанную в CAD/CAM. Материал, используемый для изготовления — E-max (Ivoclar).
(Слева) CAD-планирование с объёмным рендерингом КЛКТ демонстрирует удаляемые из-за травмы резцы верхней челюсти с виртуальным позиционированием четырёх имплантатов для замены этих зубов с использованием протокола немедленной установки имплантатов. Эта симуляция была произведена с применением программного обеспечения Sirona Calахis 1.9.4.
(Справа) Внутриротовая фотография, сделанная во время операции (тот же пациент), показывает зафиксированный CAM-фрезерованный хирургический шаблон, разработанный CAD-программой, с имплантатами установленными с использованием протокола полной последовательности фрез и установкой имплантата через шаблон.
е) CAM-оснащение. Типы:
• Закрытая ЧПУ-система:
о Двигатели, сервоприводы и шпиндели работают согласованно в рамках этой системы:
- Цель состоит в том, чтобы контролировать инструментальную обработку стоматологических материалов для субтрактивных методов создания протезов.
о Станок обычно состоит из столика, который перемещается по осям X и Y, и шпинделя инструмента, который перемещается по оси Z (в глубину):
- Положение инструмента управляется двигателями через ряд понижающих передач для обеспечения высокоточных перемещений или, в современных конструкциях, шагового двигателя с прямым приводом или сервоприводами.
о Современные дентальные ЧПУ-системы полностью управляются с помощью электроники.
о ЧПУ-подобные дентальные системы теперь используются в любом процессе, который можно описать как серию движений и операций:
- Некоторые стоматологические CAM-операции включают лазерную резку, сварку, плазменную резку, сгибание, фиксацию, склеивание и распиливание.
• Оборудование для быстрого прототипирования:
о Другая форма САМ-аппаратуры.
о Создание детали или сборки обычно выполняют с использованием технологии 3D-печати или технологии «аддитивного послойного производства».
о Процесс традиционного быстрого прототипирования начинается с создания геометрических данных — либо трёхмерного объёма с использованием CAD-рабочей станции, либо двухмерных реформатов с применением сканирующего устройства.
о Получают требуемые траектории управления движением для обеспечения фактического быстрого прототипирования, 3D-печати или механизма аддитивного производства:
- Готовая геометрическая модель обычно нарезана слоями в программном обеспечении.
- Реформаты используют для генерации траектории похожей на траекторию ЧПУ-инструмента, имитируя процесс физической постройки слоя за слоем.
ж) Программное обеспечение CAM. Свойства:
• Однозначно определяет особенности производства, которые обеспечивают предсказуемый результат.
• Системы САМ могут максимизировать использование всего спектра производственного оборудования, в том числе:
о высокоскоростных, 5-осевых, многофункциональных и токарных станков;
о контрольного оборудования;
о оборудования для быстрого прототипирования.
• Программное обеспечение начинает работу с создания геометрических данных: либо как трёхмерных изображений с использованием CAD-рабочей станции, либо 2D-реформатов с использованием сканирующего устройства.
• Данные должны представлять актуальную геометрическую модель, конечный объём которой полностью ограничен поверхностями.
• Модель действительна, если для каждой точки в трёхмерном пространстве компьютер может однозначно определить: находится эта точка внутри, на, или вне пограничной поверхности модели.
