CAD/CAM歯科

WorkNC Dental CAD/CAMを使用して製造されたブリッジとクラウンを備えたクロムコバルトディスク

CAD/CAM 歯科は、CAD/CAM (コンピュータ支援設計およびコンピュータ支援製造) を使用して歯科および補綴学の分野であり、歯の修復物の設計と作成を改善します。[ 1 ] [ 2 ]特に、クラウン、クラウン レイ、ベニア、インレーおよびオンレー、固定式歯科補綴物 (ブリッジ)、歯科インプラント支持修復物、義歯(取り外し可能または固定)、および歯列矯正器具を含む歯科補綴物を対象としています。CAD/CAM 技術により、患者に適合性が高く、審美的で耐久性のある補綴物の提供が可能になります。[ 3 ] CAD/CAM は、設計と作成の速度の向上、設計、作成、および挿入プロセスの利便性または簡素化の向上、他の方法では実現不可能だった修復物と器具を可能にするなど、さまざまな組み合わせにより、これらの目的で使用されていた以前の技術を補完します。その他の目標としては、単位コストを削減し、そうでなければ法外な費用がかかっていたであろう修復物や器具を手頃な価格にすることなどが挙げられます。しかしながら、現状では、チェアサイドCAD/CAMは歯科医師の負担を増大させることが多く、費用は従来のラボサービスを用いた修復治療の2倍以上になることがよくあります。

他のCAD/CAM分野と同様に、CAD/CAM歯科では、減算プロセス（ CNCフライス加工など）[ 4 ]と加法プロセス（ 3Dプリントなど）を使用して、 3Dモデルから物理的なインスタンスを作成します。

歯科技術における「CAD/CAM」と「ミリング技術」に関する言及の中には、これら2つの用語が互換性があるかのように緩く扱われているものがあります。これは主に、2010年代以前は、CAD/CAMを使用した製造のほとんどが積層造形ではなくCNC切削であったため、CAD/CAMとCNCが通常同じ意味であったためです。しかし、この緩く不正確な使用法はかつてはある程度正確でしたが、もはや正確ではありません。「CAD/CAM」という用語は、使用される方法がCAD/CAMから入力されること以外、製造方法を特定しないため、[ 5 ]今日では、積層方法と減算方法の両方が広く使用されています。

歯科におけるCAD/CAMの応用

コンピュータ支援設計（CAD）とコンピュータ支援製造（CAM）は、非デジタルデータを取得し、デジタル形式に変換し、必要に応じて編集し、その後、通常は3Dプリントまたはフライス加工によって、デジタル設計プロセス中に指定された正確な寸法と材料で物理的な形状に戻すプロセスです。[ 6 ]この一連の段階は「デジタルワークフロー」として知られています。[ 7 ]

CAD/CAM は、歯の修復または置換に使用される歯科補綴物を機械主導で製作する手段を提供するために使用できます。これは、歯科医が修復する部位の印象を作成する物理的な手法を使用した補綴物製作の従来のプロセスの代替手段です。次に、この印象はラボに運ばれ、そこで研究模型が作られます。その模型上で、完成した歯科補綴物のサイズと形状を表す最終デザインの模倣がワックスを使用して作成されます。これはワックスアップと呼ばれ、ワックスが埋没型に入れられ、焼き尽くされて、ロストワックス鋳造の一部として目的の材料と置き換えられます。 [ 8 ] CAD/CAM では、印象がデジタルで記録され、器具の製造が付加的 ( 3D 印刷) または減算的 (ミリング) 手段 を伴うため、このような手順は不要になります。

このシステムを使用して製造できる歯科補綴物の例としては、以下のものがある[ 8 ]。

歴史

CAD/CAM歯科治療は1980年代半ばに導入されましたが、初期の取り組みは煩雑な新奇なものとみなされ、実用的な製品の開発に膨大な時間を要しました。この非効率性により、歯科医院内での使用は阻まれ、ラボサイド（つまり、歯科技工所内での使用）に限定されていました。補助技術、ソフトウェア、材料の改良に伴い、CAD/CAMのチェアサイド（歯科医院／診療所内での使用）での使用が増加しました。[ 9 ]例えば、シロナ社によるセレックの商品化により、これまでCAD/CAMを利用する機会がなかった歯科医もCAD/CAMを利用できるようになりました。

歯科で使用された最初のCAD/CAMシステムは、1970年代にフランソワ・デュレ教授[ 10 ] [ 11 ]と同僚によって開発されました。このプロセスは多くのステップで構成されています。まず、口腔内デジタイザーでスキャンして、口腔内アバットメントの光学印象を取得します。デジタル化された情報はモニターに転送され、3Dグラフィックデザインが作成されます。次に、コンピュータ上で修復物を設計できます。最終的な修復物は、ブロックからミリングされます。デュレ教授と同僚はその後、「sophaシステム」を開発しましたが、これは広くは使用されませんでした。おそらく、歯科で必要な精度、材料、コンピュータの機能が不足していたためです。[ 12 ] CADCAMの第二世代では、このシステムをさらに開発しようとしましたが、口腔内スキャナーを使用して咬合形態を取得するのに苦労したため、モデルをデジタル化する前にまず石膏模型を作成しました。

その後、様々なデジタイザーが開発されました。位置感度検出器センサーを備えたレーザービーム、接触プローブ、電荷結合素子カメラを備えたレーザーなどです。より高度なCAD/CAMシステムの開発により、金属とセラミックの両方の修復物が製作できるようになりました。[ 12 ]

モーマンとその同僚は後にCERECというCADCAMシステムを開発し、インレーと呼ばれる歯科修復物を製作しました。インレーの準備は口腔内カメラでスキャンされます。チェアサイドで使用するコンパクトな機械で、セラミックブロックから修復物を設計することができました。[ 12 ]このシステムの主な利点は、チェアサイドで行えるため、即日で修復物を製作できることでした。[ 13 ]しかし、この技術には輪郭形成や咬合パターンの作製には使用できないという限界がありました。CERECシステムは世界中で広く使用されており、研究では長期的な臨床的成功が示されています。[ 12 ]

Proceraシステムは、アンダーソンとその同僚によって開発されました。彼らはCADCAMを用いてコンポジットベニアを開発しました。Proceraシステムは後に、世界中の衛星デジタイザーに接続された処理センターへと発展し、オールセラミックフレームワークを製造できるようになりました。このシステムは現在、世界中で使用されています。[ 13 ]

従来の修復との違い

チェアサイドCAD/CAM修復では、通常、補綴物は当日中に製作され、接着されます。クラウンなどの従来の補綴物は、歯科技工所または院内歯科技工所で修復物が製作される間、1週間から数週間仮歯を装着します。 [ 14 ]患者は後日、仮歯を外し、歯科技工所で製作されたクラウンをセメントまたはボンディングで固定するために来院します。院内CAD/CAMシステムでは、歯科医は最短1時間でインレーを完成させることができます。[ 15 ] CAD/CAMシステムは、光学カメラを使用して仮想印象を採取し、3D画像を作成します。この3D画像はソフトウェアプログラムにインポートされ、コンピューター生成の鋳型が作成され、その鋳型に基づいて修復物が設計されます。[ 16 ]

ボンドベニアを用いたCAD/CAM修復は、歯の形成においてより慎重な処置となります。ボンディングは象牙質よりもエナメル質に効果的であるため、エナメル質を削らないよう注意が必要です。チェアサイドCAD/CAMサービスを提供する歯科医は、通常、1日で完了するメリットを謳っていますが、歯科医の作業時間は2倍になることが多く、そのため料金も2倍になります。

プロセス

すべての CAD/CAM システムは、コンピュータ支援設計 (CAD) 段階とコンピュータ支援製造 (CAM) 段階で構成されており、主要な段階は次のように大まかにまとめることができます。

  • 患者の口腔内または口腔外の状態を捉える光学/接触スキャン。
  • 撮影した画像をデジタル モデルに変換し、それに基づいて歯科補綴物を設計して製作の準備ができるソフトウェアの使用。
  • 使用されるCAD/CAMシステムに応じて、3Dプリントやフライス加工によって設計を製品に変換することを容易にする装置の説明。[ 5 ]
CEREC CAD システムのスクリーンショット（2006 年）

ユニット補綴物の場合、歯科医師が虫歯や破損した歯を矯正した後、作製した歯と周囲の歯の光学印象を採取します。これらの画像は専用ソフトウェアによってデジタルモデルに変換され、補綴物が仮想的に作成されます。ソフトウェアはこのデータをミリングマシンに送信し、そこで補綴物がミリングされます。ミリングされたセラミッククラウンまたはブリッジの表面にステインやグレーズを塗布することで、修復物の単色的な外観を修正することができます。その後、修復物は患者の口腔内で調整され、合着または接着されます。

インプラントソフトウェア内で光学スキャンデータとコーンビームCTデータセットを統合することで、外科チームはインプラント埋入計画をデジタル化し、その計画を正確に実行するためのサージカルガイドを作成することができます。CAD/CAMソフトウェアと3Dイメージングシステムの3D画像を組み合わせることで、術中のあらゆるミスに対する安全性とセキュリティが向上します。

コンピュータ支援設計（CAD）

歯科補綴物を設計・製造するには、口腔内の補綴物が置換する物理的な空間をデジタル形式に変換する必要があります。そのためには、デジタル印象を採取する必要があります。これにより、空間がデジタル画像に変換され、さらに、使用するCADソフトウェアシステムで読み取れるファイル拡張子に変換されます。[ 13 ]    

デジタル化されると、口腔内の構造が3D画像として表示されます。CADソフトウェアを使用することで、修復物のサイズと形状を仮想的に変更することができ、従来のワックスアップの段階を置き換えることができます。[ 12 ] [ 17 ]  

デジタルインプレッション

デジタル印象は、スキャナーを用いて患者の歯牙構造の形状を記録する手段です。CAD/CAMが黎明期にあった頃は、研究模型や歯型（患者の歯列を間接的に再現したもの）をデジタル化するデスクトップスキャナーが使用されていました。[ 18 ]これらの装置は口腔外スキャナーとも呼ばれ、接触型と非接触型のものがあります。[ 17 ]

接触型スキャナは、スタイラス形状測定器を用いて物体の輪郭に沿って移動させます。スタイラスと物体の接触は、座標系（点群）としてデジタル的に表現され、搭載された数学アルゴリズムによって解析され、物体の3D画像（メッシュ）が構築されます。[ 7 ] [ 19 ]  

非接触型スキャナは、発光ダイオードなどの光学系を使用して歯組織の形状をキャプチャします。スキャナから放射された光は物体に当たり、その後、通常は電荷結合素子（CCD）または位置検出検出器（PSD）であるオンボードセンサで反射します。[ 12 ]これらの反射により、スキャナは接触型スキャナと同様に物体の3D画像を構築できます。[ 7 ]  口腔外非接触型スキャナは、構造化光、レーザー光、共焦点顕微鏡など、さまざまな手段でこの情報を取得できます。[ 17 ]  接触型スキャナは非接触型スキャナよりも正確ですが、速度が遅く、画像が歯科補綴物の成功に求められるものの10倍にも及ぶ不必要な詳細さのため、現在ではほとんど使用されていません。[ 17 ]

口腔内スキャナーは非接触型スキャナーの一種で、患者の歯列を口腔内で直接デジタル化できるため、口腔外スキャナーのように物理的な印象や石膏模型を必要としないことから、人気が高まっています。これにより、歯科補綴物の製作を最初の段階から完全にデジタル化することができます。旧式のスキャナーでは、スキャンするすべての構造に造影剤を塗布する必要がありましたが、新しい製品ではそのような手順は不要です。[ 17 ]  

口腔内スキャナーは反射光を解釈して患者の歯を表す3D画像を生成する。これには以下のシステムが含まれる。[ 20 ]

  • 共焦点レーザースキャナ顕微鏡
  • 三角測量
  • 光干渉断層撮影  
  • アコーディオン干渉縞
  • アクティブ波面サンプリング 

CADソフトウェアで最もよく認識されるファイル拡張子はSTLファイルです。このファイル形式は、オブジェクトの形状を連結された三角形の集合として記録・記述します。三角形の密度は「解像度とデータ作成に使用された数学的アルゴリズム」に依存します。[ 17 ]ほとんどの市販のスキャナーはSTLファイルを生成しますが、一部のスキャナーは特定のCADソフトウェアでしか解釈できない独自のファイル形式を生成します。[ 17 ] [ 20 ]

CADソフトウェア

CADソフトウェアは、口腔外スキャナーまたは口腔内スキャナーで取得したデジタル印象を視覚化し、様々な設計ツールを提供します。一般的なソフトウェアパッケージには、Dental System、DentalCAD、CERECなどがあります。[ 17 ]仮想歯科補綴物を編集する最も一般的な方法は次のとおりです。  

  • 修復物のサイズと形状は調整可能です。
  • 歯冠などの歯科補綴物を装着するため、スキャン前に歯科用バーを用いて歯の形状を調整することがよくあります。これはプレパレーションと呼ばれ、その端はマージンと呼ばれます。マージンを画定することで、歯科補綴物が歯の残りの部分と面一になり、補綴物の下にプラークが蓄積する可能性を低減する必要があります。通常は技工士が目視でマージンを画定する必要がありますが、マージンを自動検出できます。また、手動で調整することも可能です。
  • 挿入軸の経路は自動的に決定され、歯科補綴物が歯や口の中にフィットするために移動する必要がある方向を指示します。  
  • デジタル模型上の点間の計測が可能で、これにより技工士は歯の補綴物を装着するために歯の修正が必要かどうかを判断するのに役立ちます。材料は十分な強度を確保できる厚さが必要ですが、修復歯が他の歯よりも先に対合歯に接触してしまうほど厚くてはいけません。接触してしまうと、患者の口が開いたままになり、正常に噛むことができなくなります。

コンピュータ支援製造で使用される材料

CAD/CAMは急速に進化する分野であるため、使用される材料は常に変化しています。CAD/CAMソフトウェアを使用して製造できる材料には、現在、金属、磁器、二ケイ酸リチウム、ジルコニア、樹脂材料などがあります。CAD/CAM修復物は、セラミックまたは複合樹脂の固体ブロックから加工されます。予備焼結セラミックインゴットを使用する場合は、気孔率を低減するために続いて焼結を行う必要があり、CAD-CAM技術では、このプロセス中の鋳造収縮を考慮する必要があります。ガラスベースの修復物もCAD-CAMを使用して製造できます。セラミックと同様に、ガラスインゴットの加工が行われ、溶融ガラスの浸透によって気孔率が低下します。[ 21 ] CADCAMで製造された材料の利点は、大量生産時に修復物の品質が安定していることです。

金属

CoCrやチタンなどの金属は、CAD/CAMソフトウェアを用いて製造できます。貴金属は、費用面など様々な理由から機械加工ができません。焼結済みのCoCrブロックは入手可能ですが、所望の機械的特性を得るには焼結が必要です。この方法は、従来のロストワックス法に代わるものです。[ 22 ]

陶芸

長石およびリューサイト強化セラミックス

長石質およびリューサイト強化セラミックスの微細構造は、結晶性荷重を伴うガラス質マトリックスです。曲げ強度が低く、光学特性が非常に良好で、接着性に優れています。大きな利点は、審美性に優れ、多様な色合いと高い透光性を備えていることです。しかしながら、脆い材料であり、咬合力による損傷を受けやすいという欠点があります。[ 22 ]

二ケイ酸リチウム、酸化ジルコニウム、ケイ酸リチウムセラミック

二ケイ酸リチウム、酸化ジルコニウム、ケイ酸リチウムセラミックスも、ガラスマトリックス中に結晶粒子が分散した二相構造を有しています。これらは高い曲げ強度、良好な光学特性、そして接着性を有しています。高い機械的強度に加え、様々な色合いで審美性の高い修復物を作ることができます。[ 22 ]

ジルコニア

ジルコニアは多結晶構造を有し、高い曲げ強度を有する。しかし、光学特性と接着性はともに低い。主な利点は機械的強度である。[ 21 ] CAD-CAM処理により、多結晶ジルコニアはコーピングやフレームワークに利用できる。優れた機械的特性により、ロングスパンブリッジに使用でき、コアをより薄い層で製造でき、臼歯の固定部分義歯にも利用できる。[ 21 ]しかし、ジルコニア修復物の審美性は他のセラミックほど高くない。

樹脂材料

樹脂材料には、レジンコンポジット、PMMA、ナノセラミックスの3種類があります。PMMAは充填剤を含まないポリメチルメタクリレートポリマーでできています。一方、レジンコンポジットは樹脂マトリックスに無機充填剤が充填されています。同様に、ナノセラミックは樹脂マトリックスにナノ粒子が埋め込まれています。これら3つの材料はいずれも曲げ強度が弱く、光学特性も劣っています。しかし、接着力は非常に優れています。これらの材料の利点は、高速フライス加工により迅速に製造できるため、直接コンポジット修復に最適です。しかし、審美性が低いため、実用性には限界があります。[ 21 ]

利点と欠点

CAD/CAMは歯科における補綴物の品質を向上させ、製造プロセスを標準化しました。生産性が向上し、新しい材料を高精度に扱う機会も増えました。[ 5 ]

CAD/CAMは大きな技術的進歩ですが、歯科医師の技術がCAD/CAMミリングに適していることが重要です。これには、連続した形成マージン（例えば面取りの形でスキャナーで認識可能）を備えた正しい歯の形成、肩のない形成や平行壁の使用を避けること、そして張力の集中を防ぐため切歯と咬合面を丸くすることが含まれます。 [ 5 ]

クラウンやブリッジは、歯の支台歯や歯根に正確にフィットする必要があります。フィット精度は、使用するCAD/CADシステムやユーザーによって異なります。システムによっては、他のシステムよりも高い精度基準を達成するように設計されており、また、ユーザーの熟練度も異なります。2014年の時点では、2020年までに20種類の新しいシステムが利用可能になると予想されていました。[ 23 ]

オーバーデンチャーをインプラントに取り付けるオプションとして、CAD/CAM技術を他のアタッチメントシステム（ボール式、磁気式、伸縮式システムなど）と比較して評価するには、さらなる研究が必要です。[ 24 ]

CAD/CAMの利点

CAD/CAMが従来の技工所やチェアサイドで行う技術と比較して提供する利点は、1) 技工所では入手できない材料の使用が可能になること、2) 従来の材料に比べて安価な代替品が提供される、3) 歯科技工士の人件費と時間が削減される、4) 修復物の品質が標準化される、などである。[ 8 ] [ 13 ]

特にセラミック材料は、作業に非常に時間がかかります。手作業でセラミック製の歯科補綴物を製作するには、技術者が磁器の粉末を細心の注意を払って積み上げ、コーピングの表面に焼結させる必要があります。CAD/CAM を使用すると、労働時間が大幅に短縮され、CAD システムのレビューによると、歯科補綴物を製作するのに技術者の入力はわずか 5～6 分で済むと報告されています。[ 13 ]このように、人件費が低いため、生産コストも削減されます。さらに、CAD/CAM システムは、大量生産される材料のブロックから補綴物を加工するため、従来の技術と比較して歯科医院や技工所のコストも削減されます。[ 13 ]これらのブロックは、従来の製作方法では除去が困難な内部の気孔が除去されるように作られています。 [ 13 ]

CAD/CAMは、セラミックの焼結（口腔内での使用に十分な強度を持たせるために必要な工程）中にセラミックを加熱する際に生じる収縮の低減にも大きな効果があることが分かっています。従来の技術を用いた歯科技工所では、この現象を考慮に入れることは困難です。[ 13 ] CAMは2つの異なる方法で収縮を低減できます。1つ目は、希望のサイズよりわずかに大きい補綴物を作ることです。これは、焼成時に補綴物が当初の予定のサイズまで収縮することを意味します。[ 13 ] 2つ目は、すでに完全に焼結したブロックから補綴物をフライス加工することです。この方法では収縮は発生しませんが、ブロックが部分的に焼結された状態よりも強度が高いため、切削工具の摩耗が増加します。[ 13 ]

口腔内スキャンの利点

口腔内スキャナの登場は、特に歯科医師にとって、従来の物理的なワークフローに比べてさらなる利点をもたらしました。従来の方法では、歯型を取る必要があり、これを促進するために使用される材料は時間の経過とともに歪みやすく、最終的な歯科補綴物の精度が低下する可能性があります。これらの不正確さは、歯型に基づく研究模型の製作などの後続のステップによってさらに悪化します。口腔内スキャナはスキャンした内容を迅速にデジタル化するため、日付の歪みや損傷のリスクがありません。[ 25 ]さらに、歯型は患者、特に患者の歯列全体をキャプチャするために必要な材料が大量であるため嘔吐反射が強い患者にとって不快感を与えることがよくあります。[ 25 ]口腔内スキャナは、この要素を軽減します。

口腔内スキャンでは、従来の歯科印象と比較して、後処理にかなりの時間を節約できます。これは、3Dモデルを即座に歯科技工所に電子メールで送信できるためです。一方、従来の技術では、印象を消毒し、物理的に歯科技工所に輸送する必要があり、より長いプロセスになります。[ 25 ]

CAD/CAMの欠点

  • 学習曲線：どんな新しい技術にも、学習曲線は急峻です。時間と経験を積むことで、技工士はCAD/CAM技術で使用される機器やソフトウェアの使い方を理解する必要があります。歯科医療において長年培ってきたプロセスに慣れている場合、新しいデジタルワークフローを導入するのは最初は難しいかもしれません。これは、スタッフがCAD/CAMシステムを使いこなせるようになるためのトレーニングも必要になることを意味します。 
  • 費用：デジタル歯科には、機器の購入と維持、ソフトウェアのアップデートなど、多額の資金投資が必要です。[ 26 ]しかし、長期的には、ラボ費用や使い捨て印象材などの費用を節約できるため、投資は報われるでしょう。[ 27 ]  
  • 咬合評価におけるエラー：従来の総義歯製作技術と比較して、CAD/CAMにはいくつかの欠点がある。[ 28 ]このシステムは、咬合バランスの要素を正確に評価できない。義歯床に義歯歯を装着する際に咬合器の補助がないため、咬合バランスの達成が困難である。そのため、依然として人間による評価が必要であり、咬合バランスを達成するためには臨床的に義歯の再装着が必要となる。[ 29 ]
  • 環境への影響：粉砕工程で樹脂粒子が生成され、プラスチック汚染の原因となる。[ 27 ]

将来の展望

デジタル歯科は急速に成長しており、CAD/CAMシステムは今後も進化と改善を続けていくだろう。[ 30 ] [ 31 ]

参考文献

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