CAD/CAM歯科

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）を使用して歯科修復物の設計と作成を改善する歯科および補綴学の分野です。^{[1] [2]}特に歯科補綴物には、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が含まれます。CAD/CAM技術により、患者にぴったりフィットし、審美的で耐久性のある補綴物を提供できます。^[3] CAD/CAMは、設計と作成の速度を向上させる、設計、作成、および挿入プロセスの利便性または簡素化を向上させる、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って、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。その他の目標には、単位コストを削減し、他の方法では法外に高価だった修復物と器具を手頃な価格にすることが含まれます。しかし、これまでのところ、チェアサイド CAD/CAM は歯科医の余分な時間を必要とすることが多く、料金はラボ サービスを使用した従来の修復治療よりも少なくとも 2 倍高く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 ミリングなど）^{[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大まかに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による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が通常同じ意味に使われていたためです。しかし、この大まかで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。なぜなら、「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を除いて、製造方法を指定しないため、^[5]今日では、積層法と減算法の両方が広く使用されているからです。

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技術を使用した補綴物の従来の製作プロセスの代替手段です。次に、これはラボに運ばれ、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ワックス（ワックスアップと呼ばれる）を使用して最終デザインの模倣が作成されます。次に、ワックスはインベストメントモールドに封入され、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プリント）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です。

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]

• 研究モデル
• 矯正器具
• 咬頭被覆修復
• 固定式歯科補綴物
• ベニア
• 取り外し可能な義歯フレーム
• インプラントの計画と製作

CAD/CAM歯科は1980年代半ばに使用されていましたが、初期の取り組みは扱いにくい新奇なものとみなされ、実用的な製品を生み出すのに途方もない時間が必要でした。この非効率性により、歯科医院内での使用は妨げられ、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、材料が改善されるにつれて、CAD/CAMのチェアサイドでの使用（歯科医院/手術内での使用）が増加しました。^[9]たとえば、SironaによるCerecの商品化により、以前はCAD/CAMを使用する手段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。このプロセスにはいくつかのステップがあります。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、修復物をコンピューターで設計できます。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、これは歯科で必要な精度、材料、コンピューター機能が不足していたためか、広くは使用されませんでした。^[12] CADCAMの第2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準備しました。

さまざまなデジタイザーが開発され、位置感知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が開発されました。より洗練された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を製造できるようになりました。^[12]

モーマンと同僚は後にCERECというCADCAMシステムを開発し、インレーと呼ばれるタイプの歯科修復物を製作した。インレーの準備は口腔内カメラでスキャンされる。椅子の横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た。^[12]このシステムの主な利点は、椅子の横で同じ日に修復物を製作できることだった。^[13]しかし、この技術は輪郭形成や咬合パターンには使用できないという制限があった。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る。^[12]

プロセラ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を使用して複合ベニアを開発しました。プロセラシステムは後に、世界中の衛星デジタイザーに接続された処理センターとして開発され、オールセラミックフレームワークを生産しました。このシステムは現在、世界中で使用されています。^[13]

チェアサイドCAD/CAM修復では、通常、その日のうちに義歯を作成し接着します。クラウンなどの従来の義歯では、歯科技工所または院内歯科技工所が修復物を作成する間、1週間から数週間仮歯を装着します。[ ^14]患者は後日戻ってきて仮歯を取り外し、技工所で作製したクラウンをセメントで固定または接着します。院内CAD/CAMシステムにより、歯科医は1時間ほどで完成したインレーを作成できます。^[15] CAD/CAMシステムは、光学カメラを使用して3D画像を作成し、仮想印象を採取します。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、コンピューターで生成されたキャストが作成され、それに基づいて修復物が設計されます。^[16]

接着ベニア CAD/CAM 修復は、歯の準備においてより慎重です。接着は歯のエナメル質に対してその下の象牙質よりも効果的であるため、エナメル質層を除去しないように注意します。1 日で完了するサービスは、チェアサイド CAD/CAM サービスを提供する歯科医が通常主張する利点ですが、歯科医の時間は 2 倍になるのが普通であり、したがって料金も 2 倍になります。

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、主要な段階は大まかに次のように要約できます。

• 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造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]

単一ユニットの補綴物の場合、歯科医が歯の虫歯や破損部分を矯正した後、矯正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、専用のソフトウェアによってデジタル モデルに変換され、その中で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、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追加して、修復物の単色外観を修正することができます。その後、修復物は患者の口の中で調整され、所定の位置に接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円錐ビームコンピューター断層撮影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の配置をデジタルで計画し、その計画を正確に実行するための外科ガイドを作成することもできます。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、術中のあらゆる種類のミスに対する安全性とセキュリティが向上します。

歯科補綴物を設計・製造するには、口腔内の補綴物が置き換わ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、次に、使用しているCADソフトウェアシステムで読み取ることができるファイル拡張子に変換する必要があります。^[13]    

デジタル化されると、口内の構造が3D画像として表示されます。CADソフトウェアを使用すると、修復物のサイズと形状を仮想的に変更できるため、従来のアプローチで必要となる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]}  

デジタル印象は、スキャナーを使用して患者の歯の構造の形状を記録する手段です。CAD/CAMの初期には、研究モデルまたは歯の印象（患者の歯列の間接的な表現）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]これらのデバイス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、物体の輪郭に沿って移動し、物体に接触するスタイラス形状測定器を使用します。物体に対するスタイラスの接触は、座標（点群）のセットとしてデジタル的に表現され、オンボードの数学的アルゴリズムによって分析され、物体の3D画像（メッシュ）を構築します。^{[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の構造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対象物に当たり、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ーに反射します。^[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対象の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倍にもなるため、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、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せず、患者の歯列を口の中で直接デジタル化できるため、人気が高まっています。これにより、歯科補綴物の製造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。古いスキャナーでは、スキャンするすべての構造に造影剤パウダーを置く必要がありますが、新しい製品ではそのような手順は必要ありません。^[17]  

口腔内スキャナーは反射光を解釈し、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
• 光コヒーレント断層撮影  
• アコーディオン干渉計
• 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一連の連結された三角形として記録および記述します。三角形の密度は、「データを作成するために使用された解像度と数学的アルゴリズム」に依存します。^{[17]市販されているほとんどのスキャナーは}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ソフトウェアは、口腔外または口腔内スキャナーで撮影したデジタル印象を視覚化し、さまざまな設計ツールを提供します。人気のある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。
• 歯の形は、クラウンなどの歯科補綴物に合わせるために、スキャンの前に歯科用バーを使用して調整されることがよくあります。これは準備と呼ばれ、その端はマージンと呼ばれます。補綴物が歯の残りの部分と面一になるようにマージンを区切って、補綴物の下に歯垢が蓄積する可能性を減らす必要があります。通常は技術者が目視で区切る必要があるマージンを自動的に検出できます。手動で調整することもできます。
• 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収まるように移動する方向を決定します。  
• デジタルモデル上の点間の測定が可能で、これにより技術者は、歯に補綴物を装着するために修正が必要かどうかを判断できます。材料は十分な強度を提供できるほど厚くなければなりませんが、修復した歯が歯列内の他のすべての歯よりも先に反対側の歯に接触するほど厚くてはいけません。そうすると、患者の口が開いたままになり、正常に噛めなくなります。

CAD/CAMは急速に進化している分野であるため、使用される材料は常に変化しています。CADCAM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、多孔性を低減するためにその後の焼結が必要であり、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多孔性を低減します。^[21] CADCAMで製造された材料の利点は、大量生産時の修復物の品質が一定であることです。

CoCrやチタンなどの金属はCADCAMソフトウェアを使用して製造できます。貴金属は費用などのさまざまな理由から機械加工できません。焼結済みのCoCrブロックが利用可能であり、所望の機械的特性を得るためには焼結が必要です。この方法は、より伝統的なロストワックス法に代わるものです。^[22]

長石質および白りゅう質強化セラミックスの微細構造は、結晶負荷を伴うガラス質マトリックスである。曲げ強度が低く、光学特性が非常に優れ、接着性に優れている。主な利点は、さまざまな色合いと高い透明性を備え、見た目が美しいことである。しかし、脆い材料であり、咬合力によって損傷を受けやすい。^[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持っています。これらは高い曲げ強度、優れた光学特性、接着能力を備えています。高い機械的強度だけでなく、さまざまな色合いで非常に審美的な修復物を生み出すのにも役立ちます。^[22]

ジルコニアは多結晶構造で、曲げ強度に優れています。しかし、光学特性と接着性はともに弱いです。主な利点は機械的強度です。^{[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ます。優れた機械的特性により、ロングスパンのブリッジに使用でき、コアをより薄い層で製造でき、後方}固定部分義歯に使用できます。^[21]しかし、ジルコニア修復物の審美性は他の種類のセラミックほど良くありません。

樹脂材料には、樹脂複合材、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、樹脂複合材は、樹脂マトリックス内の無機充填剤で構成されています。同様に、ナノセラミックは、樹脂マトリックスに埋め込まれたナノ粒子です。3つの材料はすべて、曲げ強度が弱く、光学特性が不利です。しかし、接着力は非常に効果的です。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ことで、直接複合材の修理に最適です。ただし、これらの材料の美観品質により、実用性が制限されます。^[21]

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、新しい材料を高い精度で扱う機会が増えました。^[5]

CAD/CAMは大きな技術的進歩ですが、歯科医の技術がCAD/CAMミリングに適していることが重要です。これには、連続した準備マージン（面取りなどの形でスキャナーで認識可能）を備えた正しい歯の準備、肩のない準備や平行壁の使用の回避、丸みを帯びた切歯と咬合端の使用などがあり、緊張の集中を防ぎます。^[5]

クラウンやブリッジは、歯の支台や歯根に正確にフィットする必要があります。フィットの精度は、使用するCAD/CADシステムやユーザーによって異なります。一部のシステム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、ユーザーによっては他のユーザーよりも熟練している人もいます。2014年時点で^{[アップデート]}、2020年までに20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、磁気、伸縮システムなど）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が従来の歯科技工所や診療室主導の技術と比較して提供する利点は、1) 歯科技工所では入手できない材料を使用できる、2) 従来の材料と比較して安価な代替品を提供できる、3) 歯科技工士の労働コストと時間を削減できる、4) 修復物の品質を標準化できる、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歯科補綴物を作るには、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する必要があります。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、歯科補綴物を作るのに必要な技術者の入力時間はわずか5〜6分であると報告されています。 ^[13]このように、人件費が低いため、製造コストが削減されます。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ミリングするため、従来の技術と比較して歯科医院やラボのコストが削減されます。^[13]これらのブロックは、従来の製造では除去するのが難しい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、セラミックが焼結中に加熱される際に生じる収縮を減らすという点でも大きなメリットがあることがわかっています。焼結は、セラミック修復物が口内で問題なく使用できるように十分な強度を与えるために必要なプロセスです。従来の技術では、歯科技工所でこの現象を説明することは困難です。^[13] CAM は、2 つの異なる方法で収縮を減らすことができます。1 つ目は、希望のサイズよりわずかに大きい義歯を作ることです。つまり、焼成すると、義歯は当初の目的のサイズまで収縮します。^[13] 2 つ目は、すでに完全に焼結されたブロックから義歯をフライス加工することです。これにより収縮はなくなりますが、ブロックは部分的に焼結されたときよりも強度があるため、切削工具の摩耗が増加します。^[13]

口腔内スキャナの登場は、特に歯科医にとって、従来の物理的なワークフローと比較してさらなる利点をもたらします。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、印象に基づく研究モデル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、スキャンしたものを迅速にデジタル化するため、日付の歪み/損傷のリスクがなくなります。^[25]さらに、歯型は患者にとって不快感を与えることが多く、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は不快感があります。^[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、印象を消毒して歯科技工所に物理的に輸送する必要があり、これはより長いプロセスです。^[25]

• 学習曲線: 新しい技術には、急な学習曲線があります。時間と経験を積むにつれて、オペレーターは CAD/CAM 技術に使用される機器とソフトウェアの操作方法を理解する必要があります。オペレーターが歯科で長年使用してきたプロセスに慣れている場合、最初は新しいデジタル ワークフローを導入するのが難しい場合があります。これは、スタッフが CAD/CAM システムを使いこなせるようにトレーニングする必要があることも意味します。 
• コスト：デジタル歯科治療には、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器具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]  
• 咬合評価の誤り：総義歯を製作する従来の技術と比較すると、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しない。義歯の歯は咬合器の助けを借りて義歯床にセットされないため、咬合バランスを達成することが困難である。したがって、人間による評価は依然として必要であり、咬合バランスを達成するには臨床的に歯を再装着する必要がある。^[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]

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でしょう。^{[30] [31]}