椅旁CAD/CAM技术在口腔修复中的应用

2019-10-7 17:10  来源:口腔医学
作者:林惠欢 唐亮 阅读量:1557

    CAD/CAM(computer-aided design and computer aided manufacturing)是指口腔修复体的计算机辅助设计与计算机辅助制作。椅旁CAD/CAM技术使得患者在一次就诊中就能完成修复体的设计和制作。相较传统的修复方式,CAD/CAM技术被认为是一种快速、准确、高效的修复方法,目前已被广泛用于口腔修复领域。

    1.CAD/CAM的发展历史

    口腔修复CAD/CAM技术起步于20世纪七八十年代。1971年,Duret采用光学印模技术在口内取模,并用数控铣床制作全冠,开始了CAD/CAM技术在牙科中的应用。1985年Mormann研发出口腔科第一台椅旁CAD/CAM系统,并于1986年市场化。20世纪90年代中后期,随着计算机技术、设备及材料等迅速发展,已产生成熟的口腔修复CAD/CAM技术。目前,口腔数字化技术已成为口腔医学发展中的三大核心技术之一。

    2.CAD/CAM系统的组成

    CAD/CAM系统由数字化印模、计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制作(CAM)三部分组成。数字化印模是口腔修复CAD/CAM的首要环节,主要包括三维扫描、数据处理、三维重建、纹理渲染4个步骤,是利用三维扫描仪对口内组织或其制取的印模、石膏模型表面进行扫描,获得其表面的几何坐标数据,然后运用算法对数据进行平滑、滤波等处理,再将处理后的数据进行数学建模,重建出单一颜色的数字化模型,最后通过纹理渲染生成彩色的三维模型。

    计算机辅助设计是利用计算机的计算能力和图文处理功能辅助口腔医师和技师进行修复规划、修复体设计和数据管理的过程。根据面向人群的不同,可分为技工室CAD软件和椅旁CAD软件。技工室CAD软件可设计各种临床上常用的修复体;椅旁CAD软件只能设计简单的贴面、嵌体、冠桥、种植基台等修复体。

    计算机辅助制作是指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,目前以数控铣床、磨床为主。可分为技工CAM、椅旁CAM和3D打印。

    3.椅旁CAD/CAM系统

    目前临床应用的椅旁CAD/CAM系统有德国的瓷睿刻系统(CEREC),美国的E4D系统(E4D Technologie sLLC)和美国的锐珂系统(Carestream Dental Ltd.)。

    3.1CEREC系统

    1985年,Mormann和Brandestini研发的CEREC系统是口腔科第一台椅旁CAD/CAM系统。此后,CEREC共经历了CEREC1、CEREC2、CEREC3、CERECin-Lab和CERECAC等的更新与发展。CEREC系统大致分为取像系统、CAD系统、CAM系统(即研磨组件)三部分。CEREC的取像系统目前主要有CERECBluecam系统和CERECOmnicam系统。CERECBluecam系统应用三角测量和共聚焦显微的原理,采用高分辨率的蓝色发光二级管LED光源,与以往的光学扫描系统相比有更好的清晰度,操作时需要在扫描面上喷一薄层反光粉末用以优化蓝光成像水平,具有自动取像功能,可在1min内获取一个象限的口内数字模型,在几秒钟内可得出咬合信息。

    CERECOmnicam系统则无需喷粉,采用连续立体摄影的方式获取图像。CERECCAD系统生成修复体解剖形态的方法有3种:①标准牙数据库,即在软件内置一系列标准牙冠的数据,在设计时根据预备牙体的形态自动或手动选择合适的标准牙冠;②生物再造技术(biogeneric technique),即根据基牙邻牙及对颌牙的位置和形态自动生成符合临床要求的修复体;③相关设计技术(correlationdesigntechnique),即复制基牙预备前的形态或对侧同名牙的形态以生成修复体。

    CERECCAD系统以两种方式进行咬合关联,一种是分别扫描上下颌牙列,再扫描患者闭口正中位时得到的上下颌颊侧图像,根据得到的数据对上下颌模型进行关联;另一种是扫描预备后基牙和对颌牙的咬合记录,利用反向成像技术进行关联,该方法无需扫描对颌牙列及颊侧。CERECCAM系统包括CEREC3和CERECMCXL。CEREC3具有价格低的特点,适用于单颗牙的修复;CERECMCXL适用于单颗牙修复体或固定桥制作。

    3.2E4D系统

    Planmeca Plan Scan系统是E4D系统配备的扫描系统,以光学相干断层扫描和共焦显微成像为原理工作。这种无粉末扫描仪采用蓝光,具有实时激光视频流技术,可生成彩色图像。Planmeca Plan Scan是一种开放式系统,能将所获得的专有文件转换成所有CAD系统可读的.STL文件。Plan Scan可以通过USB端口连接到笔记本电脑。

    PlanCAD系统是E4D系统配备的设计系统,配合Plan Scan系统即可完成整个的修复体设计工作。该系统可以自动定位基牙及选择牙齿模板的外形,以匹配邻牙的中央沟、牙尖高度以及边缘嵴,从而为每位患者设计出个性化的修复体外形。Planmeca Plan Mill 40系统是E4D系统的研磨组件,是一个双轴自动研磨组件。有多家厂商可以为E4D系统提供配套的修复材料,包括IPSe.max、LavaUltimate、ZirluxFCZirconia、TelioCAD等非金属材料。目前,该系统可制作贴面、嵌体和冠桥。

    3.3Carestream Dental系统

    Carestream Dental椅旁CAD/CAM系统的扫描系统包括CS3600和CS3500。CS3600是Carestream在CS3500的基础上进行改进的扫描系统,两者均为无粉末口腔内扫描仪,可以获得彩色3D图像。CS3500的工作原理为单次图像采集,扫描时间较长。CS3600则采用连续成像技术,扫描时间较短。与PlanScan一样,CS3600和CS3500均可通过USB与笔记本电脑连接,是开放式系统。CSRestore是配备的CAD系统。CS3000是配备的研磨组件,适用于单牙的修复体制作,其研磨精度达到25μm,可用于加工全瓷、混合陶瓷、树脂等材料制作嵌体和全冠。

    4.修复材料

    目前,椅旁CAD/CAM可加工的材料包括陶瓷、纳米陶瓷及树脂等,此类材料具有美观、易切削等特点,使修复体的处理和完成更加容易。陶瓷因其良好的物理性能及生物相容性而越来越得到医生及患者的青睐。椅旁系统常用的材料主要有如下几种。

    4.1长石质陶瓷

    目前用的长石质陶瓷产品主要有1991年推出的VitaMarkⅡ(Vita)和2007年推出的CERECBlocs(Sirona)。VitaMarkⅡ是单色瓷块但有多个颜色,其更新的产品VitablocsTriLuxe、TriluxeForte和RealLifeblocks是多重色瓷块,适用于前牙美容修复,可根据天然牙的结构模拟其从牙颈部到切缘的颜色变化。CERECBlocs结构与VitablocsMarkⅡ相似。VitaMarkⅡ的挠曲强度约为100~160MPa,可用于制作贴面、嵌体及单冠。

    4.2玻璃陶瓷

    玻璃陶瓷主要有云母基玻璃陶瓷、白榴石基玻璃陶瓷和硅酸锂基玻璃陶瓷。其中云母基玻璃陶瓷主要产品有Dicor(Dentsply),但现已退出市场。白榴石基玻璃陶瓷的主要产品有1998年推出的ProCad(Ivoclar-Vivadent)、2006年推出的EmpressCAD(Ivoclar-Vivadent)和ParadigmC(3MESPE)。ProCad是最早使用的白榴石基玻璃陶瓷,如今逐渐被EmpressCAD所替代。相比ProCad,EmpressCAD优化了产品生产过程,含有45%的白榴石晶体,颗粒大小在1~5μm,其抗弯强度可达160MPa,可用于各类单颗牙齿修复体,包括前牙贴面、嵌体和单冠。

    硅酸锂基玻璃陶瓷的主要产品有2006年推出的IPSe.maxCAD(Ivoclar-Vivadent),瓷块中含有0.2~1.0μm的二硅酸锂(LS2)晶体,抗弯强度可以达到约350~450MPa,可用于制作贴面、嵌体、部分冠、全冠、三单位固定桥和种植体上部结构。

    4.3氧化锆增强硅酸锂玻璃陶瓷

    氧化锆增强硅基锂玻璃陶瓷的瓷块材料成分中,除了二氧化硅、氧化锂之外,还含有约10%的二氧化锆均匀分散于玻璃相中。临床上的主要产品有2013年推出的VitaSuprinity(Vita)和CeltraDuo(Densply)。相较于传统的硅酸锂基玻璃陶瓷,此类玻璃陶瓷拥有更高的抗弯强度和负载能力,同时具有更高的美观性。可用于制作贴面、嵌体和单冠。

    4.4混合陶瓷

    混合陶瓷是将陶瓷和树脂两种材料结合,以期获得传统玻璃陶瓷的机械强度和美学性能、同时具有树脂的高韧性的新型复合材料。2012年推出的LavaUltimate(3MESPEAG)纳米树脂陶瓷,由复合树脂基质和纳米陶瓷填料组成,后者约占80%,具有高韧性和可切削性,可用于制作超薄修复体。2013年推出的VitaEnamic(Vita)由86%的长石瓷和14%的树脂组成的树脂复合陶瓷,与传统陶瓷相比有更高的抗折强度及更佳的可切削性。VitaEnamic瓷块具有与VitaMarkⅡ瓷块相似的断裂强度,在厚度大于2.5mm时,VitaEnamic瓷块表现出更为优越的机械性能。

    4.5氧化锆陶瓷

    氧化锆陶瓷修复体在切削后需要较长时间的结晶过程,且透光性不佳、需要饰面瓷的构建,因此全部过程完成所需时间比较长,难以满足椅旁修复的需要。目前已有氧化锆快速烧结炉以及可以实现椅旁快速结晶的氧化锆材料,如2016年推出的CERECZirconia(Sirorna),可用于制作三单位以内的冠桥修复体。

    4.6树脂材料

    常用的树脂材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂和复合树脂,多用于制作临时修复体。2000年推出的ParadigmMZl00(3MESPEAG)是具有美观、耐磨、X线阻射特点的复合树脂材料。Magne等发现ParadigmMZ100比EmpressCAD和E-maxCAD陶瓷具有更高的抗疲劳强度。2009年推出的TelioCAD(IvoclarVivadentAG)为预先聚合的胶连PMMA树脂块,无聚合收缩,可用于制作临时冠、桥体与临时基台。

    5.椅旁CAD/CAM技术的适应证及临床应用研究

    目前,椅旁CAD/CAM技术在修复中主要用于:①牙体缺损的固定修复,包括贴面、嵌体及全冠修复。②牙列缺损的固定修复。③种植修复。可摘局部义齿及全口义齿修复均可实现部分数字化,但未见椅旁CAD/CAM技术应用的相关研究。

    5.1牙体缺损的固定修复

    王林虎等观察CEREC3系统制作的38例全瓷贴面,按照改良的美国公共健康协会(USPHS)标准,3年后达到A标准的,边缘适合性达94%,外形达97%,表面质地达94%,颜色匹配达91%。Otto等追踪1989—1991年间用CEREC1制作的200例长石质瓷嵌体和高嵌体的临床效果,27年的成功率达到87.5%。李蓉等观察用CEREC2系统制作的59例嵌体及高嵌体,3~4年的生存率为93%。程为等研究发现椅旁CAD/CAM系统与技工室制作的全锆冠在外观形态、边缘密合度、牙龈情况和颜色匹配方面统计学上均无明显差异。

    Fages等考察用CEREC3系统及VitaMarkⅡ长石瓷制作的212例全冠和235例嵌体冠的临床效果,7年的成功率达98.66%。Otto等观察用CEREC3系统及VitaMarkⅡ长石瓷制作的25例嵌体冠及40例全冠的临床效果,其中全冠12年的成功率磨牙为95%,前磨牙为94.7%,嵌体冠12年的成功率磨牙为90.5%,前磨牙为75%。Fasbinder等用CEREC3系统制作的62例IPSe.maxCAD全瓷冠,两年内没有出现修复体折裂。Mostafa等对比研究椅旁CAD/CAM制作的全冠、数字化印模与传统热压铸瓷工艺制作的全冠及传统印模与传统热压铸瓷工艺制作的全冠边缘密合性,认为椅旁CAD/CAM制作的密合性最高。

    5.2固定桥修复

    由于椅旁快速结晶氧化锆材料的出现,可以应用椅旁CAD/CAM系统进行固定桥修复,但一般只能制作三单位以内的固定桥而不宜做长桥。柳正明等观察用CEREC系统制作了53例全瓷固定桥6~12个月,发现所有修复体边缘密合,未出现崩瓷或折裂现象,患者对修复体的外形与颜色满意。

    5.3种植修复

    目前,应用锥形束计算机断层扫描(cone beam computer tomography,CBCT)结合椅旁CAD/CAM系统,可实现种植治疗的全程数字化,包括术前诊断、种植手术设计、外科导板、个性化基台以及最终种植修复体的设计制作。其中,椅旁CAD/CAM系统的应用主要为个性化基台及种植修复体的设计制作。Joda等研究发现,在单颗后牙的种植修复中,数字化流程比传统方法制作上部修复体所用时间短、效率更高、制作成本更低。

    Nejatidanesh等研究经口内扫描模型上的基台并通过CAD/CAM技术制作的修复体精度,表明可满足临床要求,且精度较传统方法制作的更高。但Basaki等在一项体外研究中对比发现口内数字化印模较传统硅橡胶印模所制作的种植支持式修复体的精度低。曹怡雯等比较采用传统方式(85例)和采用椅旁CAD/CAM系统(42例)制作的前牙种植修复体,认为椅旁CAD/CAM修复系统在美学效果、操作时间、患者参与性和操作便利性等方面均有明显优势。

    6.存在的问题

    首先是口内数字化印模技术的局限性,口内扫描是基于不同原理的光学扫描技术,现今的光学扫描技术仍不能很好地解决半透明、高反光、大视场情况下的高精度测量问题,并且在口内,牙釉质的半透明性、唾液湿润下牙釉质呈现高反光的特点均会影响扫描精度。其次是口内扫描过程中,患者的下颌会出现不自主的运动,手持的扫描仪没有稳定的位置关系,在动态扫描过程中,扫描的速度和精度均会有所影响。

    研究表明,口内扫描精度可以满足固定义齿的扫描精度,然而随着扫描牙弓长度的延长,数字化印模精度会下降,其原因是扫描区域跨度大,多次扫描的顺序和移动轨迹存在的差别会导致更大偏差,另外,相比部分有牙颌,对于缺少明显解剖特征的无牙颌的数字印模精度低。

    目前,椅旁CAD/CAM技术应用于牙列缺损的固定修复时仍局限于3~4单位的修复体制作,尚不能进行多牙连续缺失及无牙颌的种植修复、可摘局部义齿和全口义齿修复。此外,椅旁CAD/CAM系统设备成本及维护价格的高昂,对新技术的未知与恐惧,需要额外的培训等问题都对椅旁CAD/CAM技术的推广起到了消极的作用。

    7.展望

    椅旁CAD/CAM技术已广泛应用于口腔修复领域。多款椅旁CAD/CAM系统将各种陶瓷及树脂材料制作成贴面、嵌体、全冠、固定桥及种植修复体,在精度、美观、舒适度及生存率等方面均不逊于甚至优于传统方法制作的修复体,为患者提供了高效、舒适及高质的修复治疗。对活动义齿及全口义齿的修复仍在探索中,多单位固定修复及种植修复仍为椅旁CAD/CAM修复技术的难题,是今后应重点解决的问题。

编辑: 陆美凤

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