Этапы работы системы СAD/CAM для изготовления зубных протезов»
Благодаря своей высокой точности, производительности и универсальности решаемых задач информационные технологии не могли не найти применения в медицине и, в частности, в стоматологии. Появились даже термины «стоматологическая информатика» и «компьютерная стоматология».
Цифровые технологии могут использоваться на всех этапах ортопедического лечения. Существуют системы автоматизированного заполнения и ведения различных форм медицинской документации, например Kodak EasyShare (Eastman Kodak, Rochester, N.Y.), Dental Base (ASE Group), ThumbsPlus (Cerious Software, Charlotte, N. C.), Частная практика стоматолога (DMG), Dental Explorer (Quintessence Publishing) и др. В этих программах помимо автоматизации работы с документами может присутствовать функция моделирования на экране конкретной клинической ситуации и предлагаемого плана лечения стоматологических пациентов. Уже существуют компьютерные программы, которые имеют возможность распознавания голоса врача. Впервые такая технология была применена в 1986 г. компанией ProDenTech (Batesville, Ark., USA) при создании автоматизированной системы ведения медицинской документации Simplesoft. Из таких систем наиболее востребована среди американских стоматологов Dentrix Dental Systems (American Fork, 2003).
Компьютерная обработка графической информации позволяет быстро и тщательно обследовать пациента и показать его результаты как самому пациенту, так и другим специалистам. Первые устройства для визуализации состояния полости рта представляли собой модифицированные эндоскопы и были дорогими. В настоящее время разработаны разнообразные внутриротовые цифровые фото- и видеокамеры (AcuCam Concept N (Gendex), ImageCAM USB 2.0 digital (Dentrix), SIROCAM (Sirona Dental Systems GmbH, Germany) и др.). Такие приборы легко подключаются к персональному компьютеру и просты в использовании. Для рентгенологического обследования все чаще используются компьютерные радиовизиографы: GX-S HDI USB sensor (Gendex, Des Plaines), ImageRAY (Dentrix), Dixi2 sensor (Planmeca, Finland) и др. Новые технологии позволяют минимизировать вредное воздействие рентгеновских лучей и получить более точную информацию. Созданы программы и устройства, анализирующие цветовые показатели тканей зубов, например системы Transcend (Chestnut Hill, USA), Shade Scan System (Cynovad, Canada), VITA Easyshade (VITA, Germany). Эти устройства помогают определить цвет будущей реставрации более объективно.
Есть компьютерные программы, позволяющие врачу изучить особенности артикуляционных движений и окклюзионных контактов пациента в анимированном объемном виде на экране монитора. Это так называемые виртуальные, или 3D-артикуляторы. Например, программы для функциональной диагностики и анализа особенностей окклюзионных контактов: MAYA, VIRA, ROSY, Dentcam, CEREC 3D, CAD (AX Compact). Для выбора оптимального метода лечения с учетом особенности клинической ситуации разработаны автоматизированные системы планирования лечения. Даже проведение анестезии может контролировать компьютер.
Технология автоматизированного проектирования и изготовления зубных протезов
Теоретические основы автоматизированного проектирования и производства различных объектов сформировались в 60-х-начале 70-х годов XX века.
Для обозначения систем автоматизированного проектирования во всем мире используется аббревиатура CAD (от англ. Computer-Aided Design), а для обозначения систем автоматизации производства — CAM (от англ. Computer-Aided Manufacturing). Таким образом, CAD определяет область геометрического моделирования разнообразных объектов с использованием компьютерных технологий. Термин CAM, соответственно, означает автоматизацию решения геометрических задач в технологии производства. В основном это расчет траектории движения инструмента. Поскольку эти процессы дополняют друг друга, в литературе часто встречается термин CAD/CAM. Интегрированные CAD/CAM-системы — это максимально наукоемкие продукты, постоянно развивающиеся и включающие в себя новейшие знания в области моделирования и обработки материалов. Затраты на их разработку составляют 400-2000 человеко-лет.
Первые теоретические исследования о возможности использования автоматизированных систем для восстановления разрушенных зубов были проведены Altschuler в 1973 г. и Swinson в 1975 г. Прототипы стоматологических CAD/CAM систем впервые были предложены в середине 1980-х годов несколькими независимыми группами ученых. Anderson R. W. (система РroCERA, 1983), Duret F. и Termoz C. (1985), Moermann W. H. и Brandestini M. (система CEREC, 1985), Rekow (система DentiCAD, 1987) считаются первооткрывателями в этой области. Сегодня в мире уже выпускается около трех десятков различных работоспособных стоматологических CAD/CAM-систем.
С самого начала технология развивалась в двух направлениях. Первое — индивидуальные (мини) CAD/CAM-системы, позволяющие изготовить реставрацию в пределах одного учреждения, иногда даже непосредственно в стоматологическом кабинете и в присутствии пациента (CEREC 3, Sirona Dental Systems GmbH, Germany). Основное преимущество таких систем — оперативность изготовления любой конструкции. Например, изготовление однослойной цельнокерамической коронки от начала препарирования зуба и до момента фиксации готовой коронки при использовании системы CEREC 3 занимает около 1-1,5 часа. Однако для полноценной работы необходим весь комплекс оборудования (дорогостоящего).
Второе направление развития CAD/CAM-технологии — это централизованные системы. Они предусматривают наличие одного производственного высокотехнологичного центра, изготавливающего на заказ большой ассортимент конструкций, и целой сети удаленных от него периферических рабочих станций (например, РroCERA, Nobel Biocare, Sweden). Централизация производственного процесса позволяет стоматологам не приобретать изготавливающий модуль. Основной недостаток таких систем — невозможность провести лечение пациента за одно посещение и финансовые затраты на доставку готовой конструкции врачу, поскольку производственный центр иногда может находиться даже в другой стране.
Несмотря на такое многообразие, основной принцип работы всех современных стоматологических CAD/CAM-систем остался неизменным с 1980-х годов и состоит из следующих этапов:
1. Сбор данных о рельефе поверхности протезного ложа специальным устройством и преобразование полученной информации в цифровой формат, приемлемый для компьютерной обработки.
2. Построение виртуальной модели будущей конструкции протеза с помощью компьютера и с учетом пожеланий врача (этап CAD).
3. Непосредственное изготовление самого зубного протеза на основе полученных данных с помощью устройства с числовым программным управлением из конструкционных материалов (этап CAM).
Различные стоматологические CAD/CAM-системы отличаются лишь технологическими решениями, используемыми для выполнения этих трех этапов.
Сбор данных
Системы CAD/CAM-значительно отличаются между собой на этапе сбора данных. Считывание информации о рельефе поверхности и перевод ее в цифровой формат осуществляется оптическими или механическими цифровыми преобразователями (дигитайзерами). Термин «оптический слепок» для описания процесса оптического считывания информации с протезного ложа был введен французским стоматологом Франком Дуретом (Francois Duret) в 1985 г. Основное отличие оптического слепка от обычной плоской цифровой фотографии объекта состоит в том, что он является трехмерным, т.е. каждая точка поверхности имеет свои четкие координаты в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Устройство для получения оптического слепка, как правило, состоит из источника света и фотодатчика, преобразующего отраженный от объекта свет в поток электрических импульсов. Последние оцифровываются, т.е. кодируются в виде последовательности цифр 0 и 1, и передаются в компьютер для обработки. Большинство оптических сканирующих систем исключительно чувствительно к различным факторам. Так, небольшое движение пациента в процессе получения и накопления данных приводит к искажению информации и ухудшает качество реставрации. Кроме того, на точность оптического способа сканирования существенно влияют отражающие свойства материала и характер изучаемой поверхности (гладкая она или шероховатая).
Механические сканирующие системы считывают информацию с рельефа контактным зондом, который шаг за шагом передвигается по поверхности согласно заданной траектории. Прикасаясь к поверхности, устройство наносит на специальную карту пространственные координаты всех точек контакта и оцифровывает их. Для обеспечения максимальной точности в процессе сканирования от начала и до конца недопустимо малейшее отклонение сканируемого объекта относительно его первоначального положения.
Из всего многообразия доступных CAD/CAM-комплексов пока только два обладают возможностью проведения высокоточного внутриротового сканирования. Это системы CEREC 3 (Sirona Dental Systems GmbH, Germany) и Evolution 4D (D4D Technologies, USA). Все остальные CAD/CAM-системы оснащены точными оптическими или механическими сканирующими устройствами, размеры или особенности работы которых не позволяют проводить сбор данных о рельефе непосредственно в полости рта пациента. Для работы таких систем требуется предварительное получение традиционных оттисков слепочными материалами и изготовление гипсовых моделей.
Компьютерное моделирование конструкции протеза
Возможно, в будущем появятся технологии изготовления предметов, не требующие предварительного точного геометрического описания создаваемого объекта, но пока это невозможно.
В первых стоматологических автоматизированных системах проектирование будущих конструкций было наиболее трудоемким этапом, требующим от врача серьезных навыков в области черчения и геометрии. Необходимо было вручную вводить координаты всех ключевых точек, в которых изменялось направление движения шлифовального устройства. Некоторые из автоматических систем и по сей день требуют предварительного изготовления вручную прототипа реставрации из воска или пластмассы (так называемой промежуточной модели), с последующим ее механическим копированием в соотношении 1:1 (система CELAY, Mikrona Technologic, Sweden).
Развитие автоматизированного проектирования у всех производителей стоматологических CAD/CAM-систем было направлено на упрощение и максимальную визуальную ясность данного процесса. Современные системы, получив со сканера оцифрованную информацию о рельефе поверхности протезного ложа, приступают к построению его изображения на экране монитора. После этого специальное программное обеспечение предлагает врачу наиболее приемлемый вариант реставрации зуба. Некоторые из современных компьютерных программ могут спроектировать протезы, не уступающие по своим параметрам работам опытных зубных техников. Степень вмешательства, необходимого от оператора системы CAD/CAM для того, чтобы спроектировать реставрацию, может меняться в пределах от минимальных пользовательских настроек до существенного изменения конструкции. Даже в наиболее автоматизированных системах пользователь обычно имеет возможность изменить автоматически спроектированную реставрацию согласно своим предпочтениям. Широкое развитие получило трехмерное анимированное моделирование будущей конструкции. Оно в значительной мере упрощает и ускоряет процесс создания виртуальной модели протеза, делает его более наглядным. Врач может рассмотреть на экране монитора конструкцию со всех сторон, при различном увеличении и внести свои поправки.
Изготовление реставрации
Когда моделирование будущей реставрации завершено, программное обеспечение CAD преобразовывает виртуальную модель в определенный набор команд. Они, в свою очередь, передаются на производственный модуль CAM, который изготавливает спроектированную реставрацию. Там полученный набор команд преобразуется в последовательность электрических импульсов, управляющих высокоточными движениями изготавливающего инструмента.
Ранние автоматизированные системы изготавливали зубную реставрацию путем вырезания из готового блока с использованием вращающихся алмазных или твердосплавных боров и дисков. Этот подход, при котором излишки конструкционного материала удаляются, чтобы создать заданную форму протеза, получил название «отнимающий метод» (англ. subtractive). «Отнимающее» изготовление позволяет создать законченную форму сложной конфигурации очень точно, но значительная часть материала расходуется впустую. Приблизительно 90% готового блока удаляется при создании типичных реставрациий зубов. Как альтернатива «добавляющие» (англ. additive) методы производства начинают находить применение в автоматизированных системах. Иногда их называют методами изготовления твердого тела свободной формовкой (англ. solid free-form fabrication). Впервые такие методы были использованы в микроэлектронике при быстром прототипировании деталей.
Избирательное лазерное спекание — одна из технологий, которые используются для изготовления керамических или металлических зубных реставраций. Примером могут служить стоматологические системы Medifacturing (Bego Medical AG, Germany) и DigiDent (Hint-ELs, Germany). При этом методе компьютер просчитывает траекторию движения инструмента, как и в других существующих CAD/CAM-системах. Однако система не сошлифовывает, а спекает лучом лазера слой материала, двигаясь по заданной траектории внутри емкости, заполняемой послойно керамическим или металлическим порошком. Каждый последующий слой спаивается с предыдущим. Такая технология позволяет изготовить конструкции сложной формы без потерь материала.
Некоторые системы CAD/CAM комбинируют «добавляющие» и «отнимающие» подходы. Например в системе Procera (Nobel Biocare, Sweden) сначала фрезеруется увеличенная металлическая копия культи опорного зуба («отнимающий» метод). Это увеличение рассчитывается компьютером, чтобы компенсировать усадку во время окончательного спекания реставрации. Затем порошок прессуется под давлением на металлический штампик-матрицу, создавая увеличенную реставрацию («добавляющий» метод). После этого блок фрезеруется снаружи (снова «отнимающий» метод), чтобы создать точные внешние контуры реставрации. В заключение увеличенная конструкция снимается с металлического штампика и спекается для достижения материалом окончательной твердости и размера.
Другой вариант сочетания «добавляющего» и «отнимающего» подходов использован в системе Wol-Ceram (Germany). На первом этапе создается колпачок «добавляющим» способом. Суть процесса заключается в осаждении кристаллов оксида алюминия из суспензии на поверхность культи методом электрофоретической дисперсии. Оператор вручную срезает излишки материала, выступающие за края уступа. Внешняя поверхность реставрации формируется шлифованием («отнимающий» подход). Затем оператор снимает колпачок со штампика-матрицы, пропитывает его стеклом и спекает.
Интересный пример «добавляющей» технологии — изготовление моделей протезов методом трехмерной печати. CAM-устройство WaxPro printer (система Pro 50, Cynovad, Canada) действует, как струйный принтер, только вместо чернил он выстреливает микроскопические порции расплавленного воска. Так, слой за слоем и получается восковая модель каркаса или искусственной коронки. В дальнейшем по восковой репродукции протез отливается из металла или прессуется из керамики. Усовершенствованный вариант печатающего модуля системы Cynovad способен создавать конструкции не только из воска, но и из композиционных материалов. Это существенно расширяет возможности данной системы и позволяет, к примеру, использовать ее для изготовления челюстно-лицевых протезов.
Стремительное развитие стоматологических систем автоматизированного проектирования и производства протезов привело к появлению нового сегмента в материаловедении — материалы для CAD/CAM-технологии.
Область применения стоматологических CAD/CAM-систем не ограничивается одним только изготовлением зубных протезов. Так, разработано несколько CAD/CAM-систем для применения в хирургической практике. Например, система SurgiGuide (Materialise, Belgium) используется для изготовления индивидуальных хирургических шаблонов, облегчающих правильное расположение зубных имплантов во время операции. CAD/CAM-система Nobel Guide software (Nobel Biocare, Sweden) позволяет изготовить реставрацию непосредственно после установки имплантата. Обе системы используют данные, полученные методом компьютерной томографии, специальное программное обеспечение CAD, чтобы определить идеальное размещение реставрации, и технологии CAM для производства шаблонов или рабочих моделей.
Таблица. Компьютерные технологии, применяемые в стоматологии
Система SL-Perfactory (Envisiontec GmbH, Germany) использует стереолитографию («добавляющий» процесс) для изготовления окклюзионных шин и им подобных аппаратов. Суть процесса заключается в послойном избирательном отверждении светом жидкого фоточувствительного акрилового мономера.
Созданы автоматизированные системы для использования в процессе обучения студентов-стоматологов и зубных техников — так называемые стоматологические симуляторы. Такие комплексы значительно ускоряют приобретение студентами навыков по препарированию и восстановлению разрушенных зубов.
Компьютерные технологии могут применяться на всех этапах оказания стоматологической помощи. Своевременная подготовка специалистов, в полной мере владеющих такими технологиями, является важным условием широкого внедрения современных информационных технологий во все сферы стоматологии. Компьютерные технологии уже изменили нашу жизнь. Вопрос в том, до какой степени они смогут изменить стоматологию.
Лекция № 2.
«Применение светоотверждаемых композитных материалов в стоматологии.