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CAD/CAM in Dentistry, 1988
A past vision of the future.

Dr. Francois Duret,又被稱為「牙科 CAD/CAM 之父」,自 1970 年起至今的 40 幾年間,都致力於將最新的科技導入牙科的臨床應用。他擁有 50 多個專利,但最廣為人知的還是他在光學取像 (optical imprint) 上的論文與實踐。

本文是 Dr. Francois Duret 於 1988 年刊登在 JADA 的文章,在當時的年代,已經有幾間廠商與大學開始從事數位牙科相關研發,Procera system 也已經開始在 indirect digital workflow 嶄露頭角。就讓我們跟隨 Dr. Duret 的介紹,回到當初那個年代,看看在那 Apple 剛發表圖形化介面 (GUI) 沒多久、微軟還在 MS-DOS 的時代中,醫師們是怎麼使用 direct digital workflow 的 。


引言

製作一個固定義齒有一連串的步驟:在 prep 完成後,醫師需要使用彈性印模材來印模、倒模翻成石膏模型、製做固定義齒臘型、耐火材包埋臘型、最終脫蠟鑄造完成最後的贋復物。這是一個運行了 300 多年的優良技術,但從最初的印模材到最終成品歷經了多次的材料轉換,每次的轉換不但都會造成誤差之外,這樣的技術也無法善加利用現代進步的電腦與機器人 (robotics) 科技。基於上述原因,我們從 1971 年就開始試著導入 CAD/CAM 到牙科領域裡。

早期的研究多著重在理論的建立,這些研究固然傑出,但我們更迫切需要的是臨床的運用。1979 年 Heitlinger 與 Rodder、1980 年 Moermann 與 Brandestini(CEREC 的創始者)開始分享他們的研究成果,前者研磨出石膏模型來給技師製作贋復物;後者則是單純使用取像,來研磨 inlay 的內面。

接下來的五年,CAD/CAM 又銷聲匿跡了。直到 1983 年,我在法國的 Garanciere Conference 發表第一個牙科用的 CAD/CAM 原型機 (prototype) ,接著在 1985 年,全世界第一個未經任何傳統製程加工的 crown 公開被研磨且安裝到真人的口內。這年雖然是數位牙科 (computer-aided dentistry) 極具決定性的一年,但其實還有很長的路要走。上述這個系統的示範,是由好幾位工程師歷時 2 個小時左右完成的,但無論如何,這驗證了 14 年前在 French Congress 所建立的理論。

最近,兩個新的名字誕生了,日本的 Aoki 團隊與 Minnesota 大學的 Diane Rekow,Rekow 醫師使用攝影測量法 (photogrammetric) 獲取立體的牙齒資料庫 (theoretical tooth) 來用在他的第二、第三步驟,就像我們早期建立的一樣。順帶一提,Alabama 大學的 Reggie Caudill 也開始一個類似的專案。

在這篇文章,我們將介紹一個已經可以在診間使用的系統「Duret System」,是由洛杉磯的 Hennson International 公司在我們的指導下所開發完成的。

 


診間需要的設備

CAD/CAM 系統由 3D 探測系統 (probe system)、表面模型化軟體 (surface modeling)、顯示螢幕以及自動研磨機 (automatic milling machine) 組成:

  1. 我們使用光電 (electro-optical) 的理論來得到「印模」,這個方法運用了全像術 (holography) 跟莫瑞效應 (Moire Pattern),使用鏡頭數位化並將數據資料傳到電腦儲存,但牙醫師無法看這些數據操作,所以他們必須被「視覺化 (visualization) 」。從這裡我們可以看出來,「測量」和「重現一個模型」是兩回事。
  2. CAD 系統運用電腦編碼讓操作者可以在顯示器上「看到模型」進而設計贋復物,這步驟和傳統製程在石膏模型上製作蠟型是一樣的。
  3. 最後一個步驟,傳統的脫蠟鑄造被研磨材料方塊取代。雖然能運用傳統的材料製作料塊,但這個新方式能鼓勵更多新材料的研發。

 

CAD/CAM 系統包含了這三個部分,這對應了過程的三個基本步驟:

  1. 取像裝置輸入牙齒外型:這個裝置包含了雷射光源(二極體),投射光到想取像的區域,接著由裝置內的相機接收,數位化取得的資訊。
  2. CAD 系統:包含了硬體與軟體,讓操作者建立一個數位模型,在顯示器上觀看,並用來設計,這個系統會連接到一個專有的咬合器,叫做 access articulator,提供動態的下顎運動數據。
  3. CAM 系統:包含了一台四軸數位控制車床 (numerically controlled machine),來自動研磨材料。
圖一、診間用 CAD/CAM 系統。 Source: Francois Duret, CAD-CAM in dentistry, J Am Dent Assoc. 1988 Nov;117(6):715-20.

 

這三個部分可以用很多種方式連結,以下是三種可能的模式:

  1. 在診間內有一個完整的系統,光學取像裝置要接近診療椅,CAD 與 CAM 的部分可以在另外的房間,這個配置可以在病人麻藥還沒退的時候就直接作出贋復物,如果很多個醫師分享這套設備可以減少花費。也可以安裝在一個特定區域,就像 X 光室一樣。
  2. 每個診間有各自的光學取像裝置,然後共用一套 CAD/CAM 系統,雖然一定會比較貴,但可以減少患者移動到設備附近的需要,或是排隊等候使用。甚至可以增加 CAD/CAM 設備的數量,當天能完成的贋復物總數將能大大提升。
  3. 有光學取像裝置的醫師能連線到遠端的 CAD/CAM 設備,經由電話線搭配數據機,或是寄送一個磁片 (floppy disk) 到有設備的地方,例如技工所,技工所可能配備數套 CAD/CAM 設備。

在所有的狀況下,牙醫師可以藉由短短幾天的訓練,就能操作所有儀器。如果是有很多台儀器的診所,聘請專人特別操作後端 CAD/CAM 部分是比較可行的。

圖二、三種設備配置:(1) 一個診所擁有一套設備、(2) 一個診所擁有多台取像設備、(3) 醫師傳檔案到技工室,技工室擁有多套設備。 Source: Francois Duret, CAD-CAM in dentistry, J Am Dent Assoc. 1988 Nov;117(6):715-20.

 

圖三、有整套系統的診所配置。 Source: Francois Duret, CAD-CAM in dentistry, J Am Dent Assoc. 1988 Nov;117(6):715-20.

 


製作贋復物流程

用 CAD/CAM 系統製作固定義齒,有一連串簡單且精細的步驟,可分作七個步驟,有些是臨床,有些是理論:

1. Prepare 牙齒
要製作 CAD/CAM 義齒的修磨原則與傳統並無不同。當鄰牙很接近時,避免 proximal 的表面過度垂直是明智的;咬合面如果有太深的溝,會導致陰影投射到感應器;為了要得到一個清晰的 margin,有些操作者喜歡使用 chamfer 或是 shoulder margin。

2. 準備印模區域
為了要清楚看到 sulcus,取像區域要清除所有殘渣、水、血液或唾液,就像傳統印模一樣(即便光學印模理論上能穿透液體)。再來,乾燥與排齦還是必要的,尤其是 margin 在牙齦下超過 1 mm 的狀況,排齦才能比較好的看到 sulcus,入射光與牙齒要有足夠的角度才能正確取像。薄薄的噴上一層白色、無毒的物質在牙齒上能提升取像品質,如果牙齒表面有比較反光的部位,會讓相機瞎掉 (blind the camera),我們會比較希望牙齒表面呈現一個朗伯特散射 (lambertian scattering) 的狀態。最後在牙齒夾上特殊的 clamp (類似一般的橡皮障夾),讓電腦可以比較好辨識並縫合每個取像。

3. 取像
操作者以握持手機的方式拿著光學取像裝置,在 abutment 上以多個角度取像:頰側 1 張、舌側 1 張、鄰接區域 2 張、對咬牙的咬合面 1 張。操作者能在顯示器上看到自己光學取像裝置擺放的位置,確定擺放好後,用腳踏板觸發取像。最後取一個希望用來製作的咬合位置,當然不需要這個取像也能製作,但有紀錄這個位置將能減少誤差,這個位置也會是動態咬合設計的起點。這整個步驟花費大概 2 – 3 分鐘。

4. 數位模型上的製作
所有的取像都存在電腦的記憶體,製作前會先產生每個取像的立體外型,接著再根據其相對關係重合堆疊起來。完成後會顯示在高解析度的顯示器上,再使用滑鼠或平板 (tablet) 辨認出解剖結構(如 contact area、cusp、groove … 等),其中最有趣的操作是標示 margin,在 abutment 的顯示頁面,醫師將決定一連串 margin 上的點。完成這個步驟後,電腦會自動運算並建立這系列取像的立體模型,並傳到 CAD 系統。

圖四、取像裝置整合治療椅、在軟體上標記 margin。 Source: Francois Duret, CAD-CAM in dentistry, J Am Dent Assoc. 1988 Nov;117(6):715-20.

 

5. 設計牙冠
在 CAD 系統上設計牙冠是一個很有趣的步驟,它明顯的表現了 CAD/CAM 的優勢。在牙科,最後的成品(贋復物)跟一開始的物件(支臺齒)是有很大差異的,能過走過這些步驟是因為贋復物的規則能整合進軟體裡,這種創造力,或稱為人工智慧 (artificial intelligence),在 1970 年就已經在牙科軟體裡存在,牙冠的設計分為四個步驟:

a. 設計內冠
數位模型是很大量的小點所構成,這些點再結合成表面,這個模型可以從很多的角度觀看,操作者也能隨時叫出鄰牙或對咬牙,儘管這些東西在這個步驟並沒有用處。這個系統建立了一個選單,選單的順序是單向但嚴格執行的,無法跳過任何步驟。操作者先檢查模型與 margin 是否正確,確認正確後可以輸入 cement space 的值,牙冠的內面就會從 margin 以上自動產生,margin 附近是不會有 cement space 的。

b. 設計頰、舌、鄰接面
電腦會先從資料庫 (bank of theoretical teeth) 中取出初步設計。特殊的程式會先將選定的基本設計根據前後牙的情況,自動調整頰舌側曲度、central groove 和 cusp 的排列與 contact area 的位置,接著操作者可以再次進行額外的調整,使用牙齒資料庫的優點是軟體能辨識解剖位置,操作者也可以直接調整特定解剖構造。

c. 建立咬合面
用建立 (build-up) 這個詞,是要強調在這個步驟中, CAD 設計很類似傳統的 wax-up。咬合面會先根據對咬牙的 cusp 及 groove 粗略的排列,操作者再於對咬牙上調整與選擇 cusp 理想的咬點位置,這個位置可以自由移動到 cusp-to-fossa 或 cusp-to-marginal ridge,另外也可以選擇功能性 (functional) 或是咬合性 (gnathologic) 的設計,分別代表著有 tripodic blockage 或 centric freedom。CAD 系統不會強加設計觀念,而是讓操作者能有選擇。當上述的調整都完成了,軟體根據 Lundeen’s technique 自動生成 cusp 跟 groove 對應到對咬牙的型態。

d. 調整牙冠外型
如果不滿意外型,操作者可以藉由移動點或拉動線調整,也可以拉高 cusp 或是創造 diastema。為了這個操作,這裡設計了特別的互動程序,讓不會用電腦的人也能輕鬆上手,鄰牙和對咬牙也可以同時出現來協助設計。

圖五、軟體設計頁面。 Source: Francois Duret, CAD-CAM in dentistry, J Am Dent Assoc. 1988 Nov;117(6):715-20.
圖六、軟體設計頁面。 Source: Francois Duret, CAD-CAM in dentistry, J Am Dent Assoc. 1988 Nov;117(6):715-20.

 

 

6. 研磨贋復物
贋復物的研磨是經由機器人來完成,這個機器人是一台小的四軸研磨機(28 x 20 x 20 英吋),有冷卻劑、自動更換鑽針功能,一共有八種鑽針。研磨程式在開始研磨前,會先自動檢查鑽針,檢查完畢後置入料塊,整個過程都是全自動的,研磨完成後就會有一個等待打亮與上色的成品。這個操作包含了兩個部分,計算鑽針路徑與執行研磨。

a. 計算鑽針路徑
每支鑽針基本上都是圓柱型或是球體,逐步的切削材料來完成內冠以及外冠。軟體會計算每個鑽針所需路徑、轉速以及研磨流程,來達到一個最平順且有效率的操作。但軟體不只控制鑽針移動,冷卻劑的使用、換鑽針或是檢查磨耗程度都是要計算在內,軟體給的指示會被轉換成電脈衝來控制整個過程。

b. 執行研磨
當計算完成後,就會開始進行研磨,首先料塊會以較大的範圍粗略切割,再組合幾種鑽針來達到精細的咬合面發育溝。咬合面完成後,料塊會翻轉並開始研磨內冠,一開始會先在確保有最多材料的狀態研磨 margin 減少破損,剩餘的部位後續才研磨,最後會換更精細的鑽針來完成 margin。以上步驟完成後,再移除多餘的材料到剩下兩支 attachment(傳統流程中稱之為 sprue),接著操作者再將成品從機器中取出。

7. 上色
CAD/CAM 牙冠的最後步驟是快速打亮及上色。上色的方式在 20 年前就已經建立了,最近 Dentsply 有新推出一種用於他們 Dicor 牙冠的上色方式,要保留這些顏色,贋復物必須再進爐 200 度燒製。為了讓顏色能更有預測性,專用的光譜儀 (Bertin) 也可以整合進 CAD/CAM 系統。儘管 CAD/CAM 可以使用任何傳統材料,最近有一種新的陶瓷,成分內含纖維結構,是特別為 CAD/CAM 設計的。

 


討論

CAD/CAM 技術運用了最先進的科技,可以為牙科帶來很大的進展,但有一些現實的問題還是需要解答,例如精準度或使用難度。

數位模型的表面點數量可以從 50000 (Moermann) 到 16000000 (Rekow),但臨床的觀點跟工業還是不同的,越多的點並不代表越高的精準度,整體的精準度會在影像疊合時下降,尤其在很高解析度下看一個小物件的時候會更加明顯。但也有能彌補這個限制的方式,經過增加不同角度的取像(假設疊合是正確的),來達到更好的精準度。在一般的狀況,贋復物的精準度並不需要小於 40 µm。另外,使用 CAD/CAM 精細度無法達到 5 µm 以下,因為軟體上曲線的平滑度與研磨時鑽針的位置限制。因此要小心不要把精準度 (precision) 跟解析度 (resolution) 這兩個詞搞混了,然後要理解到要達到 10 µm 以下精準度在技術上是可行的,但在人力、材料以及金錢的投資是否值得這樣做?

操作者跟整個系統的互動要越簡單越好,要到像麥金塔 (Macintosh) 電腦一樣的簡單,讓使用者能在一週內學會。

 


結論

CAD/CAM 在牙科的運用會影響到臨床以及研究的方向,結論都必須要非常小心的檢視;但在工業上,這個科技爆發性的發展,讓我們確信這個科技可以很快的在牙科專業領域採用,考慮到它的許多可能性,它的未來發展性是非常可觀的。


本文所描述系統的影片介紹:


François Duret_1987.Beyonf Australia vduret1


後記

看完後大家是不是也發現了,假設不論一些用詞的差異,這篇文章把年代遮掉後似乎也能套用到現在的數位牙科。是 Dr. Francois Duret 的眼光放得很遠,精準的預測到了 30 年後的今天;還是其實我們人類的步伐一直都在繞圈圈呢?

思索這個問題的同時,又不禁令人好奇,Dr. Francois Duret 看到了 30 年後,他畢生的夢想終於好像要實現的今天,他心裡又是什麼感覺呢?


Reference

1.Francois Duret, CAD-CAM in dentistry, J Am Dent Assoc. 1988 Nov;117(6):715-20.
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