口腔修复计算机辅助设计

口腔修复计算机辅助设计 口腔修复计算机辅助设计/制作的过去、现在和将来 [关键词]口腔医学;计算机辅助设计;牙修复;氧化锆;钛 口腔医学,特别是口腔修复医学,最大的特点是医生与技师相配合,通过特定的专业知识和技能,为患者设计和制作具有个性化几何形态、颜色效果和生理功能的口腔修复体。传统口腔修复体的设计及其制作方法和工艺,是以医生和技师的个人理论水平、临床经验和手工操作能力为基础来实现的,缺乏客观性和量化,因此,难以与现代工业和科学技术的成果相结合,从而延缓了口腔修复技术的进步与发展。 20世纪70年代,法国口腔医生FrancoisDuret教授,开创性地将工业领域中最先进的计算机辅助设计/计算机辅助制作(computer aided design/computer aidedmanufacturing, CAD/CAM) 的概念和方法引入到口腔修复体的设计与制作中来[1]。1983年Duret的第一台口腔修复CAD/CAM样机在法国问世, 1985年,Duret利用该系统制作了世界上第一个CAD/CAM全冠, 1986年德国西门子公司生产了世界上第一台商用口腔修复CAD/CAM系统———Cerec 1,从而开创了以计算机技术为支撑平台的数字化口腔修复时代。 1 口腔修复CAD /CAM的历史 CAD/CAM的概念来源于工业机床领域,是指利用专门的计算机软件完成工件的设计后,再利用数控机床完成工件的自动加工,这种技术在制造业领域被广泛应用。1971年法国的Duret教授首次将CAD/CAM的概念和方法引入到口腔修复体的设计与制作中,因而被公认为是口腔修复CAD/CAM的创始人。工业用的CAD/CAM系统的特点在于其设计与加工的工件或对象多为标准几何体,大多具有相应的数学表达方法,而口腔修复体要求实现“个性化”,即每个修复体形态各异,多为复杂的自由曲面,并缺少相应的数学表达方法,此外,还必须满足对人体生理功能及美观等方面的高要求。 口腔修复CAD/CAM系统起初是用于牙齿缺损固定修复,如用于制作嵌体、全冠等,系统可自动或部分自动完成某些步骤。之后,随着氧化锆、氧化铝等高性能全瓷材料的出现,CAD/CAM系统主要用来制作烤瓷固定桥基底支架,也就是利用CAD/CAM系统设计制作一个个性化的基底支架,再由口腔修复技师完成外部饰瓷的制作。 口腔修复CAD/CAM早期的研究和探索,主要由教授在大学实验室中进行,由于当时CAD/CAM的概念和知识在大多数口腔医生和技师中还不普及,人们对传统技术的依赖,以及口腔修复CAD/CAM系统在技术上也的确还不成熟,因此,新旧观念的交替和更新令口腔修复学界困惑。少数人坚持研究开发,宣传鼓动,但更多的人则是在观望,他们期待临床上拿出更多、更成功的病例报道,以证实CAD/CAM技术的可行性和优越性。 2 口腔修复CAD /CAM系统的构成 目前主流的CAD/CAM系统主要包括以下3个部分。 第一部分,三维扫描,在口内直接扫描牙齿或在口外扫描石膏模型。对于单个嵌体或全冠来说,至少需要获得预备牙齿的三维表面数据,如果需要设计固定桥或者设计咬合功能面,就必须从邻牙和对颌牙齿获得更多的数据,同时还需要获得各基牙预备体之间的空间关系。 第二部分,CAD,由修复体三维规划、设计软件程序以及承载它的计算机硬件构成,当今常用的CAD软件程序允许操作者在各个阶段、各个角度实现交互式设计,满足修复体的个性化需求。然而,随着软件系统复杂性的提升,操作者错误操作的风险也随之增加,不论软件的操作界面多么友好,仍需要操作者懂得一些基本的计算机知识。 很多口腔修复CAD/CAM系统提供石膏代型-基底冠蜡型双次扫描功能,可通过简单的软件计算直接获得基底冠的可加工数据,例如泽康系统(德国)、Cerec inLab系统(德国),其原理是首先扫描预备体石膏代型表面,然后采用传统方法制作基底冠的蜡型,在相同扫描坐标系中再扫描蜡型表面,计算机程序自动计算获得代型表面和蜡型表面之间的三维尺寸,这种方法使传统技术得以继续应用,适用于没有购买CAD软件或尚未掌握CAD程序的用户,目前很多技工 室仍在使用。 第三部分,CAM,采用不同的制造技术将虚拟修复体变为真实的口腔修复体,目前以数控铣、磨床为主。利用这些设备将金属、陶瓷材料块加工成修复体,而后口腔修复技师的二次加工不可或缺,除了检查修复体的适合性、密合度并作相应的修正外,还须完成修复体的最终抛光以及烤瓷修复体基底支架外部个性化饰瓷层的制作。 在各种所谓的封闭式CAD/CAM系统中,其可切削材料是排他的,因此,也可以将各系统专用的可切削材料看作是除了三维扫描、CAD和CAM之外的第四个组成部分。 与封闭式系统相对应的就是开放式系统,开放式系统允许用户为了一些特殊要求选择最适合的加工设备。开放式CAD/CAM系统可以输出标准格式的扫描数据和CAD数据,最常用的数据格式为STL,与IGES、DXF等其他数据格式相比, STL数据的可修改性下降但数据读取不易出错。 目前绝大多数口腔修复CAD/CAM系统秉承独立设计加工理念,即各系统具备完整的扫描、设计和加工链,但已有若干CAD/CAM系统开始倡导集中加工理念,对于这些系统来说,三维扫描和饰瓷的制作需由用户自行完成。与此同时,德国的Cerec系统、美国的E4D系统可进行口内三维扫描,在口腔治疗椅旁进行贴面、嵌体和全冠的设计加工。 3 CAD /CAM技术研发及临床应用现状 随着CAD/CAM技术的日趋完善和成熟,以及在人类生产、生活各领域的广泛应用并做出重大贡献,众多的大学院校和口腔厂商也开始加大在这一领域的投入和研发,并纷纷推出自己的产品。迄今为止,已有报道的产品和系统就多达三十余种,可以在市场上买到的商品也有十余种。 3.1 临床牙体预备的特殊要求 CAD/CAM制作修复体对临床牙体预备的要求与传统方法差异很小,例如,采用现代高性能氧化锆全瓷材料制作的非金属修复体的牙体预备量与传统的金属烤瓷修复体几乎一致,但是,基牙预备体轴面聚合度要适当增大,否则三维扫描仪可能无法获得轴面的足够数据。根据修复材料的不同预留充足的三维修复空间,需要严格掌握固定桥的跨度,避免过大,尤其需要指出的是,当铣、磨修复材料时,车针工作端的形状和直径对加工效果起着重要的作用,因为该因素会影响组织面轮廓的形成。 3.2 牙齿三维数据的获取 采用CAD/CAM技术制作的修复体,其适合精度在很大程度上依赖于三维数据的获取和处理,例如扫描数据中的噪声点、孤岛点以及预备体边缘线的提取、倒凹区等。需要明确,三维扫描获得的空间点的数量本身并不是数据获取效果的指标,同时,尽管三维扫描技术日新月异,精确的牙体预备和仔细的设计也是决定CAD/CAM修复体适合精度的重要因素。 牙齿预备体可采用口内直接扫描或口外模型扫描的方法获得数字化印模,然而,目前口内扫描法尚无法在单次扫描操作中获得多个预备体的表面形态和空间关系,而这些因素是制作精确修复体的重要前提。口内扫描仪开发了可以对多次扫描数据进行“多视拼合”的软件工具,用该方法可以获得超出口内扫描仪单次扫描范围的区域,但是此种方法的可靠性和精度尚不足以用于固定桥的制作,因此,目前口外扫描法仍是固定义齿的首选数据获取方式。当然,口内扫描技术仍然有进一步开发的必要,因为它能够避免最容易产生误差的传统印模制取、石膏模型翻制以及临时冠等步骤。在口外模型扫描技术上,非接触式光学三维测量法是主流技术,采用激光(点、线)测量方法,也有一些系统采用结构光(光栅),目前最先进的数据采集设备精度已可达到1μm。也有人采用层析法、立体视觉、三维彩色等方法来获取数据,但这些方法目前尚未能形成主流技术。近年来,以结构光(光栅)、线激光和三维立体摄影技术为代表的非接触式三维扫描仪渐成主流,高效率、高分辨率和更加人性化的操作界面是它们的突出特点,但基于多自由度数控结构的接触式扫描装置仍被一些口腔修复CAD/CAM系统(例如瑞 典Procera系统)所采用。 3.3 CAD 在各种系统的CAD程序中,除尽力提高对各类修复体设计过程的自动化程度外,也需注意加强人机交互的友好性,并更多地兼顾临床医生和技师的思维习惯和工作方式。随着研究和应用的不断深入,对与修复体设计有关的用数学表达口腔医学知识,以及相关数据的收集、、归纳、整理也在逐步深入,使与设计相关的口腔修复数据库日臻完善,特别是在复杂嵌体、贴面、固定桥、个性化种植体零件的形态、功能设计上都已具有较高的水准和精度。近年来,口腔修复CAD软件的研究主要集中于该技术在传统修复领域的拓展,例如各种颌面部赝复体的设计与制作,各种复杂固定活动联合修复体的设计与制作,各种针对口腔种植修复的设计、规划软件(如种植手术导板和个性化基台CAD软件)等,但是,下颌运动轨迹记录装置与虚拟架在设计具有功能性颌面形态修复体方面的研究进展相对缓慢。 尽管计算机技术高速发展,但修复体CAD阶段的问也并未完全解决,例如并不是所有的CAD/CAM系统均支持修复体咬合平面的“自动化”设计。制作完整修复体时必须考虑咬合、邻面接触关系,并且需要应用“虚拟架”(virtual articulator,VA)模拟个性化下颌运动进行咬合关系检查、调整,同时,基底冠或固定桥基底支架的理想设计路线是先设计全解剖修复体,再对全解剖修复体进行定量“虚拟回切”,获得基底冠的外表面,为外部饰瓷预留均匀的修复空间。应用该程序时,需要同时避免饰瓷层过厚、过薄以及由于基底冠厚度不均匀导致的材料应力,采用这种方法,可以将饰瓷崩裂的风险降至最低。众所周知,天然牙齿是由透光性和颜色饱和度不同的多层物质构成,因此直接加工的全冠很难满足美学修复的要求。近年来出现了模拟天然牙齿颜色分布特征的美学材料块,这种瓷块通常分为3层,底层强度最高但透光性较差,中层与天然牙本质类似,顶层具有较高透明度,模拟天然牙釉质,但这种3层色瓷块是否真正能够更好地模拟天然牙齿颜色的层次感以及与剩余牙本质产生的整体颜色效果是否会更佳,尚需临床验证,当然,由口腔修复技师根据患者口内个性化特征手工制作饰瓷可以达到满意的美观效果。国外有学者研究应用CAD/CAM技术制作饰瓷[2],最后采用一种特殊瓷粉将内冠、饰瓷两层瓷冠在高温下粘合在一起,该技术不但可以避免技师制作饰瓷时繁琐的步骤,还可以获得更好的机械强度、美观效果以及饰瓷部分的边缘封闭。 3.4 CAM 目前口腔修复CAM技术很多,基本原则是能将虚拟修复体准确地制造成实物,要求有良好的适合性并 尽量减少技师二次加工的工作量,总体上可以分为3类。 第一类,采用3~5轴数控铣、磨机床自动加工成预材料块,其中初烧结和终烧结氧化锆均可直接加工,前者也称为环保加工模式。直接加工终烧结氧化锆适合于多单位固定桥的制作,可避免二次烧结产生的不可控形变因素,但加工时间长、刀具磨损严重,并且易在修复体表面产生微裂纹;加工初烧结氧化锆省时省力,但由于二次烧结时会发生25%左右的收缩,因此需要在CAD阶段进行软件预补偿。 第二类,极少数的CAD/CAM系统采用在石膏代型上直接制作修复体的技术路线,其中ECD系统(德国)就是将传统的金沉积技术应用于氧化铝、氧化锆全瓷修复体的制作。Wol-Dent-EPC CAM系统(德国)基于瓷沉积和数控技术,可在石膏模型上直接制作氧化铝、氧化锆基底冠,然后根据CAD程序设计结果,用数控机床自动回切,完成基底冠的加工,但最后仍需要进行“玻璃渗透”。 第三类,一种称为快速成形(rapid prototyping,RP)的技术近年来迅速发展,由于采用可准确控制的“加法”加工工艺,可在单次加工流程中完成修复体的批量加工。目前,不但可以制作蜡、树脂铸型(加拿大),还可以应用大功率激光直接加工金属材料的最终修复体(德国),口腔修复全瓷材料的快速成形工艺仍在实验中。必须提到的是,立体印刷术也是快速成形技术的 一种,主要工作原理是根据CAD设计结果,采用数控光敏固化头选区固化光敏树脂材料,不但可以制作树脂铸型,还可用来快速制作全牙列垫、种植手术导板等。各种快速成形技术的突出优点是批量修复体的高效制作,但是否会因此比传统手工法更能降低修复体的加 工成本尚需验证。 3.5 口腔修复可切削材料 近年来,口腔修复可切削材料的研究和应用方面也取得了较大的进步,其中氧化锆是目前各种CAD/CAM系统加工的主要修复材料,这种高强度的全瓷材料目前只能采用CAD/CAM系统加工,该材料的发现是口腔修复CAD/CAM系统发展的一个重要的里程碑,并同时为我们树立了一个新的研究目标。基于不断提高口腔修复体质量的愿望,CAD/CAM系统的发展目标在不断丰富传统口腔修复材料的同时,还应借助工业预加工技术,从源头上不断提高修复体的质量。氧化锆类高强度全瓷材料是一个很好的例子,工业预加工 的氧化锆材料块具有很好的微观结构,几乎无暇疵,这种品质在技工中心采用手工方法是很难实现的,因此,应用该材料制作的修复体的长期预后更为乐观。由于具有良好的机械性能,应用氧化锆的各种类型全瓷修复体的研究在全球大量开展,但中长期的研究报告尚少。尽管如此,应用氧化锆制作套筒冠内冠、种植基台和嵌体桥的研究也已开展,尤其是当制作嵌体桥的时候,嵌体固位体与剩余牙体组织之间的边缘封闭比传统工艺更好。然而,由于氧化锆嵌体固位体外表面只能制作很薄的饰瓷层,因此美观效果稍差。此外,高强度的树脂粘接技术对嵌体固定桥的成功至关重要,传统玻璃离子和聚羧酸锌水门汀适合于氧化锆全冠的粘接,却几乎不能用于氧化锆嵌体固定桥的临床粘接,因为这些粘接剂不能提供足够的粘接固位力。CAD/CAM 系统不仅在全瓷修复领域取得成功,而且也正在研发可以加工金属的方法,例如纯钛的加工。种植修复领域倡导“单组分金属修复”理念,即患者口腔内仅用一种金属或一种合金制作修复体,但由于纯钛铸造较难,以往的种植上部修复体多采用贵金属合金制作,借助CAD/CAM技术,可避开纯钛铸造的问题,从而发挥纯钛金属在种植修复中的优势。与铸造相比,数控加工的纯钛修复体具有更好的微观结构、更小的内部应力,而该目标在传统铸造技术中非常难实现,只有通过激光点焊或减小铸件体积后焊接才能实现,但步骤非常繁琐,早期的Procera系统(瑞典)采用这种方法制作种植体支持的多单位修复体。CAD/CAM工艺在非贵金属加工领域已经可与传统失蜡铸造技术并驾齐驱,然而,即使将来可能会有更高效的数控加工技术产生,传统铸造技术在制作金属修复体中的作用仍然很难被完全取代。与传统铸造技术相比,不断提高修复体加工精确度也是CAD/CAM技术开发者必须重视的问题。 在口腔修复可切削材料领域,各种陶瓷材料,特别是几经改善的氧化锆生物陶瓷,不同基质、添料的可切削复合树脂,纯钛或钛合金等材料的研发始终是重点,但目前还需要解决: (1)如何进一步简化工艺步骤;(2)在提高强度的前提下如何能具有较好的生物相容性; (3)如何更好、更简单地在制造过程中实现颜色的自动化匹配问题。 3.6 CAD/CAM技术的应用模式 多种应用模式正在全球口腔修复领域尝试推广,根据CAD/CAM系统应用环境不同,可分为椅旁、技工室和集中加工中心3种。 第一种,椅旁系统。以Cerec系统(德国)为代表,其购买群体多为口腔修复医生。牙体预备后直接进行口内扫描,完成修复体的加工和戴入,该类系统最符合早期引入CAD/CAM技术的初衷,不但节省时间,而且省去了印模制取等传统步骤,节约材料,降低了修复体加工费用,应用了高性能的工业预成材料并且减少了患者的费用,但是,该类系统有很多局限性,例如仅能加工嵌体、贴面和单冠等小面积修复体,并且只能应用低挠曲强度的硅酸盐类陶瓷、树脂等材料。此外,应用单色瓷块很难实现令人满意的前牙美观效果,如果应用多色瓷块或上色技术,就不得不引入口腔修复技师的手工劳动。 第二种,技工室系统。此类CAD/CAM系统类似于技工室的一台高智能化自动设计加工 设备,口腔修复医生仍然像往常一样将印模或模型交给技工中心,技工中心应用CAD/CAM设备制作全瓷修复体基底支架,而对修复体美观效果影响最大的饰瓷层,仍然由口腔修复技师根据患者的个性化要求手工制作完成 。第三种,集中加工系统。对于此类系统来说,应用CAD/CAM技术制作基底支架的工作由该系统遍布全球的集中加工中心完成,这种集中技工中心成为了一种全新概念的技工室,各地区的技工中心只需提供模型扫描数据,通过网络传输到集中加工中心,经过7~10 d后就可以收到快递公司送来的已经加工完成的修复体基底支架,并继续完成外部饰瓷的手工制作。当前,口腔CAD/CAM和RP的概念和方法已被口腔医学界广泛接受。国外前几年就已出现完全数字化的、非传统技术的口腔修复技工加工中心,有些著名的口腔修复CAD/CAM系统已售出上万套设备,并在世界各地形成了庞大的客户群,他们拥有自己的学术期刊和每年定期召开的学术研讨会,这是一种观念上革命性的改变,也是口腔医学界的一个了不起的进步。 近年来,活动义齿(如可摘局部义齿、全口义齿)CAD/CAM技术取得了一定的进展,W illiams等[3-7]基于一种具有力回馈功能的人机交互设备,尝试进行了可摘局部义齿的计算机辅助设计与金属支架的快速成形,并在患者口内初步验证了适合性。国内有学者[8-11]尝试采用“两步法”进行全口义齿的CAD软件的开发以及全口义齿修复体的快速成形辅助制作,初步完成了全口义齿CAD/RP辅助制作系统基础理论和基本方法的探索,实现了CAD/CAM技术在全口义齿修复领域的突破。 此外,CAD/CAM技术也已不再局限于口腔修复领域,它同时也被其他口腔学科广泛采纳和应用[12-21]。口腔内科应用快速成形制作复杂根管或牙周病变牙齿周围骨组织的三维透明模型,在体外再现牙齿、牙槽骨的三维结构,以便对病变程度、治疗预习及预后作出更准确分析和判断。口腔颌面外科应用快速成形技术制作手术导板、骨替代体以及正颌治疗效果模型等,可提高手术成功率,减少手术创伤并增强医患沟通效果。近年来,基于三维测量技术、计算机辅助设计技术和快速成形技术的一种崭新的正畸治疗技术———“无托槽隐形矫治术”正在逐渐被广大追求美观的正畸患者所接受。此外,还可应用CAD/CAM技术制作个性 化托槽,应用快速成形技术制作用于精确定位个性化托槽的导板。CAD/CAM技术在口腔种植修复领域取得了令人瞩目的应用效果,主要包括种植规划专家系统、种植外科手术导航和即刻永久固定种植修复等,患者一次就诊就可以全部完成种植体的植入、最终修复体的戴入,从而在最短的时间内为患者制作兼具美观、功能和舒适的固定修复体,该技术的进一步研究和广泛应用必将为牙列缺损、缺失患者带来福音。 4 今后的发展趋势和方向 展望未来,借助CAD/CAM技术,基于各种经过改性后性能更加优越的氧化锆类材料制作冠、桥,基于纯钛金属材料制作种植义齿上部结构将成为研究的热点。无论CAD/CAM是否会令口腔修复技师这个行业彻底消失,目前,至少越来越多地口腔修复技师正在帮助全球口腔修复医师制作高质量的口腔修复体。 在数据获取方面,口内扫描可以最大限度地避免印模、模型等中间环节带来的误差,是理想的研发方向,但由于口内空间的局限性,如何准确、高效地完成多单位牙齿的口内扫描,是亟待解决的问题。 在CAD方面,人类牙齿微细解剖结构的完全数学表达、个性化特征信息的更高程度的提取与应用,将使修复体的设计更加符合个体生理功能的需要。 在CAM方面,烤瓷修复体的饰瓷层,目前仍以口腔修复技师手工分层雕塑、烧结、打磨制作为主,由于各瓷层的材料种类、机械强度、色度、透明度和表面光滑度等均不相同,采用预成可切削材料块显然不行,如能应用快速成形技术,结合牙齿颜色数字化测量分析软件,实现多层陶瓷材料的三维精确表达,将推动口腔修复体全数字化制作技术的进一步发展。 在CAD/CAM技术整体方面,出现了先进制造技术(advancedmanufacturing technology, AMT)的概念,是由美国在80年代末期首先提出的一个综合性、交叉性前沿学科,是制造技术 和信息技术以及其他现代高技术相结合而产生的一个完整的技术群,并被公认为是面向21世 纪的主要技术手段。一般来说,比较被人们接受的定义是:“先进制造技术是以人为主体,以计 算机为重要工具,不断吸收机械、光学、电子、信息(计算机和通信、控制理论、人工智能等)、 材料、环保、生物以及现代系统管理等最新科技成果,涵盖产品生产的各个环节的先进工程 技术的总称”。先进制造技术的特点是:制造模式将朝着快速响应的智能化制造系统发展,设计 和制造工艺紧密结合,统一在一个人身上,这也是口腔临床的一种理想工作模式。 先进制造技术目前包括了CAD/CAM和RP两大技术平台,但又是这些技术平台的升华 和综合进步。 目前的CAD/CAM技术加工精密度高,但成形能力受加工对象的形状复杂性制约;快速成 形不受加工对象的形状复杂性制约,但目前的加工精度偏低。 此外,尽管口腔CAD/CAM技术大幅度提高了口腔修复工艺的水平,在一定程度上“解放了口 腔技师的双手”,但口腔医生的临床诊疗理念仍在延续传统。在今后相当长的时期内,研发口 腔临床诊疗辅助设备和手术机器人技术,或将成为世界口腔医学技术应用研究的新起点。用 自然科学领域的最新成果,“解放医生的双手”,将使口腔临床诊疗工作发生新的质的飞跃。 计算机辅助外科是一门新的学科，它与口腔颌面外科各分支学科的交叉应用，在某些方面正 逐渐地改变着传统的医疗模式，随着医学影像学、计算机科学、生物医学材料的不断发展， 其未来的应用前景将会更加广阔 参考文献 [ 1 ] DuretF, Blouin JL,DuretB. 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