The use of CAD/CAM technology in dental laboratories

Abstract

This article provides an overview of the literature data, covering aspects of CAD/CAM technology in dental laboratories.

Full Text

Особое значение в организации стоматологической службы имеет зуботехническая лаборатория, являющаяся структурной единицей стоматологической поликлиники. Организации и совершенствованию деятельности зуботехнических лабораторий посвятили свои работы некоторые отечественные авторы [1-5]. Многие из них сошлись во мнении о том, что материально-техническое обеспечение лабораторий является ключевым аспектом в определении перспектив развития зуботехнического дела. О стандарте оснащения стоматологической (зуботехнической) лаборатории в медицинских организациях, оказывающих амбулаторную медицинскую помощь, говорится в приказе Минздравсоцразвития «Об утверждении Порядка оказания медицинской помощи взрослому населению при стоматологических заболеваниях от № 149бн от 07.12.2011»1. Стандарт оснащения ортодонтической зуботехнической лаборатории регламентирован приказом Минздрава России от 13.11.12 № 910н «Об утверждении Порядка оказания медицинской помощи детям со стоматологическими заболеваниями»2. В современных условиях с появлением новых технологий, материалов и оборудования к зуботехническим лабораториям стали предъявлять особые требования, связанные с качеством изготавливаемых конструкций, способами и сроками их производства. Решить проблему противоречия, возникающего вследствие попытки повышения качества и снижения затрат (временных и материальных) в процессе проектирования и производства сложных комплексов объектов, возможно только с помощью автоматизирования процессов. Согласно определению, приведенному в ГОСТе 34.00390, система автоматизированного проектирования (САПР) - это вид автоматизированной системы, реализующей информационную технологию выполнения функций проектирования2. Широкое распространение в качестве средства автоматизирования получили CAD/CAM-системы. Термин CAD/CAM представляет собой две аббревиатуры от английского Computer Aided Design и Computer Aided Manufacturing. Понятие CAD подразумевает проектирование объектов с помощью компьютерных технологий. Термином CAM обозна- Юб утверждении Порядка оказания медицинской помощи детям со стоматологическими заболеваниями: приказ Минздрава России от 13.11.2012 № 910н. Консультант плюс. - Available at: http://base.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc; base=LAW;n=184649;fld=134;dst=1 000000001,0;rnd=0.8524682270362973. 2 ГОСТ 34.003-90 Государственный стандарт Союза ССР. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения. Издательство стандартов. М., 1991: 105-127. чают автоматизированную систему технологической подготовки производства изделий. Первые разработки автоматизированных систем для стоматологии начались еще в 1970-х годах. Однако появление первых прототипов стоматологических CAD/CAM-систем пришлось на середину 1980-х годов [6]. На Международном конгрессе Французской ассоциации стоматологов в 1985 г F. Duret продемонстрировал свое изобретение, а уже в 1987 г был выпущен на рынок первый созданный им совместно с фирмой Hennson International стоматологический аппарат CAD/CAM под наименованием «Duret System» [7]. Наряду с F. Duret первооткрывателями в данной области по праву считают ученых M. Andersson (система РroCERA), W.H. Moermann и M. Brandestini (система CEREC), E.D. Rekow (система DentiCAD) [8]. Применение CAD/CAM-технологий в зуботехнических лабораториях дает возможность автоматизировать этапы производства, сокращая объемы трудоемких ручных манипуляций, что позволяет оптимизировать рабочее время и повысить производительность труда зубного техника [9]. По мнению Н.А. Цаликовой, автоматизированные системы «... дают возможность стандартизации и унифицирования производимых в зуботехнической лаборатории манипуляций и используемых конструкционных материалов» [10]. На начальном этапе лабораторной работы зубному технику необходимо получить информацию о клинической ситуации в полости рта пациента с целью изготовления диагностических и рабочих моделей для дальнейшего планирования и производства конструкции. Данную информацию можно получить несколькими способами. Традиционно отображение состояния твердых тканей зубов, пародонта и мягких тканей полости рта происходит путем снятия оттисков врачом-стоматологом на клиническом этапе лечения. Далее оттиск передается в лабораторию, где техником отливаются модели из гипса. Применение цифровых технологий в стоматологической практике позволяет изменить процедуру сбора информации из полости рта пациента, используя технологию сканирования. По способу использования стоматологические сканеры подразделяются на внутриротовые и внеротовые. Процедура внутриротового сканирования проводится врачом-стоматологом непосредственно в полости рта пациента. Появление первого внутриротового сканера связано с именами двух ученых из Швейцарии - врача-стоматолога W.H. Mormann и инженера-электрика M. Brandestini [11]. Внеротовая методика предполагает предварительное снятие оттисков и изготовление моделей, которые впоследствии сканируются. Таким образом информация, полученная на этапе сканирования, может использоваться специальными компьютерными программами для дальнейшего виртуального моделирования и проектирования конструкции. Для считывания информации о рельефе поверхности используют различные методы сканирования (оптические, механические). Об основных принципах механического трехмерного сканирования и о применении данного метода в стоматологии писал D.R. Mushabac в 1977 г. [12]. Считывание информации в данном случае осуществляется за счет контакта зонда с рельефом сканируемой поверхности, в результате чего определяются и фиксируются пространственные координаты всех точек контакта. Оптический метод сканирования в отличие от механического является бесконтактным. Оптические системы считывания данных в качестве источника излучения используют лазер и некогерентный свет. Еще в 1973 г. B.R. Altshuler, изучавший возможность применения лазерной голографии в стоматологии, начал разработку лазерных устройств для оптического сканирования данных [13]. В случаях использования в качестве источника оптического сканирования некогерентного («нормального») света речь заходит о фотографическом и видеоизображении. Так, E.D. Rekow в 1986 г описал процедуру стереофотограмметрии, позволявшую получить высокое линейное изображение [14]. Reviews Широкое распространение среди оптических систем сканирования приобрели измерители, основанные на технике триангуляции [15]. Об использовании лазерной триангуляции в качестве способа получения трехмерного изображения объекта писали в 1984 г. S. Lelandais и A. Clainchard [16]. Пространственные координаты предмета определяются следующим образом. Луч, подобно указателю, падает на объект сканирования и, преломляясь, отражается от его поверхности под определенным углом, образуя треугольник между источником излучения, объектом и улавливающим детектором. Таким способом можно вычислить расстояние до сканируемого объекта, фиксировать положение точек в пространстве и создать трехмерное изображение. Недостаток такого способа сканирования заключается в том, что световой поток при попадании на прозрачные объекты рассеивается, искажая данные при считывании. Для решения этой проблемы при получения трехмерного изображения некоторые системы сканирования стали использовать принцип конфокальной микроскопии. В 1957 г М. Мински получил первый патент на конфокальный микроскоп, однако первые коммерческие 3D-микроскопы появились только к концу 1980-х годов. [17]. Конфокальная микроскопия в сравнении с микроскопами классической схемы обладает значительным контрастом за счет использования специальной диафрагмы, способной фильтровать поток фонового рассеянного света. Источником света в современных приборах служат лазеры, обладающие высокой интенсивностью и монохроматичностью излучения [18]. Преимущества и недостатки внутриротовых и внеротовых способов сканирования, а также технические характеристики различных видов сканеров описаны во многих работах отечественных и зарубежных авторов [19-24]. Следующим лабораторным этапом изготовления конструкции является моделирование. Традиционно моделирование происходит вручную на гипсовой модели с использованием различного рода моделировочных материалов, таких как воск. CAD/CAM-технологии позволяют проектировать конструкции за счет компьютерной математической программы виртуального моделирования. Информационное обеспечение современных специализированных стоматологических CAD/CAM-систем позволяет использовать сведения об анатомической форме зубов, состоянии пародонта, окклюзионных соотношениях при движении нижней челюсти в процессе функционирования, совмещать данные, полученные от различных устройств переноса цифровой информации (виртуальный артикулятор, сканирование лица и т. д.) [25-28]. Такой способ виртуального моделирования открывает новые возможности и перспективы в области планирования и реализации комплексного стоматологического лечения [29, 30]. На этапе производства изделия выбор методики изготовления всегда определялся видом конструкционного материала. Так, для работы с металлическими сплавами традиционно используют литье, штамповку, а для соединения между собой отдельных металлических частей конструкции прибегают к паянию. Работа с керамикой предполагает послойное нанесение фарфоровой массы с поэтапным обжигом и глазурованием, а использование пластмассы в качестве конструкционного материала требует процедуры полимеризации. Применение современных стоматологических CAD/ CAM-систем на лабораторном этапе производства позволяет использовать новые технологии обработки конструкционных материалов, отходя от традиционных алгоритмов работы. Стоматологические CAD/CAM-системы также позволяют использовать ряд современных конструкционных материалов. Так, например, попытки улучшить прочностные и эстетические характеристики керамических изделий привели к появлению на рынке стеклокерамики на основе дисиликата лития, лейцитной керамики, алюмооксидной керамики и, наконец, диоксида циркония [31, 32]. Благодаря своим Обзор литературы прочностным и эстетическим свойствам диоксид циркония применяют для изготовления одиночных коронок, каркасов мостовидных протезов, телескопических коронок, вкладок, штифтовых конструкций, индивидуальных абатментов, имплантатов [33-35]. Широкое применение в стоматологии также нашли титановые конструкции. Сплавы титана используют для изготовления дентальных имплантатов, абатментов, каркасов коронок и мостовидных протезов, балочных конструкций и т. д. [36-38]. Данные виды конструкционных материалов требуют особой методики обработки, осуществляющейся посредством CAD/CAM-систем. Говоря об автоматизированных системах производства, можно выделить два основных метода - субтрактивный и аддитивный. Изготовление конструкций с помощью CAD/ CAM-систем в стоматологии долгое время происходило методом субтракции, подразумевающим удаление (отъем) лишнего материала с целью получения заданной формы изделия. Обработка конструкционного материала в зависимости от его вида может осуществляться различными способами. В стоматологии применяют такие субтрактивные методы, как шлифовка, фрезерование, искровая/ультразвуковая эрозия. Фрезерование является технологией высокоскоростной механической обработки материала. К. Соломоном было доказано, что тепловыделение при определенных скоростях резания начинает уменьшаться, что сопровождается уменьшением силы резания [39]. С возрастанием скорости резания коэффициент трения уменьшается за счет размягчения обрабатываемого материала в зоне разреза. Ученым была экспериментально определена область высокоскоростной обработки для различных материалов. Несомненным преимуществом использования данного метода в стоматологии является возможность обрабатывать разные материалы, такие как металл, керамика, пластмасса, композиты, воск. Фрезерование широко применяется в стоматологии для изготовления различных видов съемных, несъемных и комбинированных конструкций как временных, так и постоянных. Об использовании технологии фрезерования в зуботехнической лаборатории писали В.И. Шевченко, Л.С. Захарова, В.Д. Попов [40], Э. Штегер [41], Д. Вахтель [42]. Немецкий специалист Г. Рюбелинг в 1982 г. внедрил в зубную технику метод искровой эрозии - способ обработки электропроводящих металлических конструкций посредством управляемых электрических импульсов между электродом и заготовкой в присутствии диэлектрика [43, 44]. Поток искр, образующихся в результате этого процесса, направляется на поверхность заготовки, что вызывает эрозию металла. Данный способ позволяет легко обрабатывать стоматологические CrCoMo-сплавы, обладающие исключительной твердостью. В 1983 г. M. Andersson разработал технологию изготовления титановых каркасов индивидуальных ортопедических конструкций с помощью CAD/CAM-системы методом фрезерования и искроэрозионной обработки [45]. Для обработки керамики используют ультразвуковую эрозию. Керамический блок орошают суспензией твердых абразивных частиц, скорость которых активируется ультразвуковыми волнами, что способствует удалению материала с поверхности. Применение двух данных методов обработки ограничивается выбором материала. Аддитивное производство в отличие от субтрактивной методики подразумевает изготовление объекта путем послойного наращивания материала. В мировой практике наряду с понятием «аддитивные технологии» используют термины «3D- печать, быстрое прототипирование». Такие виды аддитивного производства, как селективное лазерное плавление (selective laser melting - SLM) и селективное лазерное спекание (selective laser sintering - SLS) нашли широкое применение в стоматологии. В основе технологии лежит воздействие лазерного луча высокой мощности на материал, представляющий собой мелкодисперсный металлический порошок, вследствие чего происходит плавление и спекание частичек. Производство конструкции происходит путем многократного нанесения слоев металлического порошка определенной толщины на платформу в соответствии с заданной программой CAD-геометрии с последующим плавлением его частиц лазером. Лазерная стереолитография является еще одним из способов быстрого прототипирования, использующимся в современной стоматологии. Термин «стереолитография» был придуман Чарльзом В. Халлом в 1986 г. Метод производства объектов основан на послойном нанесении фотополимерного материала (смолы) с поэтапной фотополимеризацией слоев лазерным излучением. В стоматологии стереолитография нашла свое применение в ортодонтии, имплантологии и челюстно-лицевой хирургии [46-48]. В зуботехнических лабораториях технологии 3D-печати используются для изготовления рабочих моделей [49]. Таким образом, говоря о применении автоматизированных систем в стоматологии, следует отметить, что совершенствование и повышение эффективности деятельности зуботехнических лабораторий в современных условиях немыслимо без внедрения CAD/CAM-технологий на различных этапах производства. Исследование не имело спонсорской поддержки. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.