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：
- 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。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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。
- 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。
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：
- 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。
- 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。
- 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。
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。
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。
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 由 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.
– Adjunct Attending physician of Taipei Veterans General Hospital Prosthetic Dentistry Department
– Member of The Academy of Prosthetic Dentistry, ROC TAIWAN
– Specialist of Taiwan Academy of Digital Dentistry
– Lecturer at CEREC Asia Training Facility