CAD/CAM系统在口腔修复领域的应用现状
程义诚 高 勃 发表于2010年6月
【摘 要】 随着科学和技术的飞速发展，计算机辅助设计和计算机辅助制作（CAD/CAM）技术在口腔医学领域中的应用也越来越广泛深入。该技术以其高效、美观、便捷和多媒体的特征向传统口腔医学注入新的活力，使传统的口腔医学正逐步迈入计算机信息化时代。本文就CAD/CAM系统在口腔修复领域的应用现状作一综述。
【关键词】 计算机辅助设计 计算机辅助制作 口腔修复体
计算机辅助设计（Computer aided design, CAD）与计算机辅助制作（Computer aided manufacture,CAM）技术，融合了数学、光学、电子学、计算机图像识别与处理、自动控制与自动化加工等多学科的知识与技术，在20世纪70年代被广泛应用于工业自动化和航空航天领域。1983年，法国Duret研制的第一台牙科CAD/CAM系统样机问世[1]；1985年在法国国际牙医学术会议上Duret教授利用该设备制作出首个后牙瓷全冠体并成功地用于患者口腔[2]，使得CAD/CAM用于口腔医学领域成为现实。在进入90年代后，随着现代光电子技术、计算机技术图像分析处理技术等进一步发展，越来越多的牙科CAD/CAM系统问世。目前，已有10余种CAD/CAM系统问世，可制作嵌体、贴面、全冠、部分冠、固定桥等[3]。而在可摘局部义齿及全口义齿仍处于研究阶段，并没有成熟的系统。口腔CAD/CAM系统通常由数据采集(数字化印模)、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制作（CAM）三部分子系统组成。一门新兴的口腔修复技术开始形成，CAD/CAM系统使口腔修复学跨入了现代高科技领域。
1． 主要CAD/CAM系统
目前商业化的口腔CAD/CAM系统中，数控铣床是重要的组成部分之一。修复体加工采用数控铣削方式，用切削工具切除多余材料，以获得符合形状、尺寸和表面粗糙度要求的修复体。该技术本质上属于去材制作范畴，即“减法”。
1.1 Cerec系统
Cerec系统由德国西门子公司（SIEMENS）牙科部，即现在的德国西诺德（SIRONA）牙科设备有限公司开发完善。Cerec系统能够进行口内照相，因而快捷、简便、技术含量高。Cerec系统使用可切削陶瓷制作修复体，目前已经成为应用最为广泛的CAD/CAM系统，其产品系列包括有CerecⅠ、CerecⅡ和CerecⅢ以及Cerec in Lab[4]。
1.1.1 CerecⅠ：1986年由Mo¨rmann和Brandetini共同研制的CerecⅠ系统在瑞士苏黎士首次展出，其内置液压装置驱动单个金刚石磨盘进行切削，只能切削长石质瓷制作简单的嵌体与前牙贴面[5]。
1.1.2 CerecⅡ：1994年CerecⅡ系统装备了更快的微处理器和更高分辨率的摄像头，切削系统也增加了切削车针，经过之后3年软件的发展，使CERECⅡ可以切削强化白榴石玻璃陶瓷制作全瓷基底冠和牙合面形态完整的全瓷冠[6]。
1.1.3 CerecⅢ：2000年诞生的CerecⅢ系统基于Windows平台，切削系统与图象采集系统各自独立工作，软件系统也有了极大的提高使得CerecⅢ系统可以制作嵌体、高嵌体、贴面、部分冠和全冠。但是CerecⅢ软件系统也只能在平面上进行设计，很难显示修复体的整体形态。2003年3月在美国亚特兰大的Hinman牙科大会上Cerec 3D系统首次展出，它在设计修复体时可引入了多维视角[7]，可以从3维的角度直观修复体以及基牙的形态。Cerec 3D软件系统加入了FrameWor等3D设计软件，实现了全瓷固定桥的修复。
1.1.4 Cerec in Lab：2002年Sirona公司推出了Cerec in Lab系统，是专门为技工室所设计的，它使用激光扫描系统收集牙颌数据。和前3种系统相比其扫描范围更大，修复体制作速度更快，适用范围更广，并且可以使用更高强度的二氧化铝、二氧化锆陶瓷材料[8]。
1.2 Celay系统
Celay系统由苏黎世牙学院设计并于1990年在慕尼黑第一次展出，现由瑞士Mikroma公司生产。该系统不是完全意义上CAD/CAM系统，其原理类似于一个小型钥匙复制机，由两部分组成，接触式传感器和微型铣床，传感头“读”出在口内或代型上制作的具有一定硬度的蜡或树脂修复体表面外形数据，并将数据同时传递到铣床上，同步加工出瓷修复体。该系统组成简单，自动化程度很低。工作时，必须先在口内或者代型上制作一个临时修复体，作为获取数据的信息源。Celay系统主要利用二氧化铝可切削陶瓷加工具有牙合面形态的嵌体或高嵌体，还可以加工全冠或固定桥的基底冠[9]。
1.3 Procera系统
Procera系统为瑞典系统，由Nobel Biocare公司于1993年推向市场[10]。起初该系统只是一个复制系统，其工作原理是利用描记针读取代型表面数据，利用电火花蚀刻，机床磨削和焊接等方法来加工冠桥的钛底层冠[11]。随着科技的发展Procera系统加入了CAD设计软件，可以对冠桥等进行设计，主要用于Procera全瓷冠桥的制作。该系统利用Procera Piccolo或者更加先进的Procera Forte扫描仪收集牙颌模型上数据，医师通过Procera Lofrwore 2.0软件对修复体进行设计，完毕后将数据通过互联网传送至Procera系统指定的4个生产中心（Stockholm, Sweden；Fair Lawn, NJ, USA；Karlskoga, Sweden；Tokyo,Japan）进行修复体的加工。加工中心可根据医师要求直接加工成最终的氧化锆、氧化铝全瓷冠桥，也可只加工成氧化锆、氧化铝基底待邮回后再进行表面饰瓷。Procera系统除可以用于制作天然牙牙冠外，还可以用于种植领域。Procera系统可以制作纯钛或氧化锆的单牙基台，其可以对基台的高度、角度和边缘线的形态外形进行个性化设计；Procera系统还可以制作纯钛或氧化锆的种植桥，其最多可以提供14个单位的种植桥，拥有极好的生物相容性、卓越的强度和美学效果。
1.4 Cercon系统
Cercon 系统由美国Dentsply公司于2001年推出，初期该系统没有CAD部分，需要先在代型上完成蜡型的制作后通过激光扫描系统收集蜡型表面数据，传递到数控铣床上同步制作修复体。近年来Cercon系统加入了CAD部分，其通过Cercon Eye Scanner 3维激光扫描牙颌模型上数据，传输给Cercon Art CAD部分对修复体进行设计，然后将设计好的信息传递给Cercon Brain部分对修复体进行切削加工或者将信息通过互联网传递到位于York的制作中心对修复体进行加工制作。因此对于一些小型牙科诊所或者技工中心可以仅购买Cercon系统的Cercon Art CAD部分（已经包含了Cercon Eye Scanner扫描仪），从而降低成本。Cercon Art CAD可以对修复体边缘、合面进行精细的设计。Cercon系统以二氧化锆结构陶瓷为加工对象，可制作桩核、种植体基台、全冠和固定桥[12]。
1.5 Lava系统
Lava系统由美国3M公司于2001年推出，新一代的Lava系统由Lava C.O.S.临床口内扫描仪、Lava Scan ST技工室扫描仪、Lava CNC500 切削机、Lava Furnace200烧结炉等部分组成。牙医可利用Lava C.O.S.临床口内扫描仪收集口腔数据，技师可利用Lava Scan ST技工室扫描仪收集模型数据，然后运用Lava Design 5.0软件进行修复体全冠设计，完成后首先通过切削预烧结的二氧化锆瓷块获得基底冠，平均每单位牙冠需要20分钟。切削完成后对牙冠基底冠进行完全烧结，Lava二氧化锆基底冠有8种颜色选择，前牙基底冠厚度可以切至0.3mm。饰面瓷部分可以选用传统的上瓷步骤，也可以选择全冠设计软件设计的自动切削饰面瓷。该饰面瓷瓷块有4种颜色选择，用于粘接基底冠和自动切削饰面瓷的熔合瓷有10种颜色，选色可参照Vita比色系统。Lava系统制作的修复体拥有最接近天然牙的色泽和透光性，该系统可用于制作单冠、嵌体、连桥以及种植体基台。
1.6 Everest系统
Everest系统统由德国Kavo公司于2002年推向市场。该系统由Everest scan，Everest engine，Everest therm，Everest elements四个构件组成。首先由Everest scan数据扫描系统（使用CCD相机）采集牙颌模型上数据，操作者利用ENERGY CAD软件对修复体进行3维设计，然后CAM部分在X、Y、Z、A、B五个轴上进行切削加工修复体。因此Everest系统制作的修复体具有良好的加工精度以及清晰的解剖结构。Everest系统可加工的材料非常广泛，包括氧化锆、氧化铝、纯钛、玻璃陶瓷、金、树脂等，可制作种植体、贴面、嵌体、高嵌体、单冠和固定桥[12]。
1.7 开放式系统
开放式系统是近年来市场上出现的“组装”型CAD/CAM系统，其数据采集系统、CAD系统、CAM系统可由不同的公司制作后组装形成。目前市场上比较成熟的开放式系统有两种方案：1）3Shape牙科专用扫描仪+CAD软件+德国研磨仪，其可以加工所有品牌的氧化锆、塑料，不受品牌的限制；2）3Shape牙科专用扫描仪+CAD软件+美国3D system蜡型机，在制作完蜡型后可以包埋铸造金属也可以进行全瓷冠的制作。和其他CAD/CAM系统相比，开放式系统的优点在于：能加工的材料更加广泛，制作成本也更加低廉。
2． 增材制造的CAD/CAM系统
无法切削具有复杂结构（如带有中空结构）的修复体以及切削过程中造成材料的浪费等成为口腔修复先进制造技术中急需解决的关键问题[13]。快速成型技术，简称RP或RPM技术（Rapid Prototyping / Rapid Prototyping Manufacturing），是20世纪80年代末发展起来的一项先进制造技术。该技术将计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），计算机数字控制（CNC），精密伺服驱动，激光和材料科学等先进科学集于一体，采取离散-叠层堆积的思想，基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成。但RP技术不能直接制作金属修复体以满足口腔修复的需要。20世纪90年代末由RP技术和激光涂覆技术相结合建立的快速制造技术(Rapid Manufacturing，RM)采用预置铺粉或者同步送粉的方式由激光将粉末材料逐层熔覆堆积得到三维实体零件。其制作的成形件具有优秀理化性能，且不受复杂结构的限制。RP技术和RM技术从本质上说均属于增材制作，即“加法”。
2.1 在固定修复中的应用
2004年Bennett采用基于SLM技术的MCP Realizer设备分别制作了钴铬合金和不锈钢材料的基底冠、固定冠和固定桥，制作后的牙冠外型良好[14]。2005年，法国学者Nadine应用自己研发的Phenix SLM系统设计并制作了镍铬合金的基底冠，制成的基底冠外形、精度均良好，熔覆烤瓷后，制作的烤瓷牙冠具有非常好的颜色匹配性和边缘适合性[15]。
2.2 在可摘局部义齿中的应用
2006年Williams等通过CAD/CAM技术在SLM Realizer 2机器上制作了可摘局部义齿的金属支架[16]。国内吴琳等初步实现了对肯氏Ⅱ类牙列缺损模型的计算机辅助设计，并用激光快速成形机加工出可摘局部义齿支架的树脂铸型[17]。2009年诸森阳等对肯氏Ⅰ类牙列缺损可摘局部义齿支架进行了计算机辅助设计与制作[18]。
2.3 在全口义齿中的应用
全口义齿形态复杂，且组成义齿的材料多样，全口义齿CAD/CAM研究相对滞后。高勃等通过Surfacer软件，设计出上颌半口金属基托义齿，并利用激光立体成形技术初步加工出上半口基托[19]。2008年高勃等通过RM技术制作了上颌半口纯钛基板，并对其适合性进行了研究[20]。
3． CAD/CAM在临床应用中的思考
CAD/CAM技术在口腔领域的应用大大提高了修复效率，缩短了患者治疗周期，减少了患者的痛苦并且降低了技师的劳动强度，使得口腔修复学取得了革命性的发展[21]。但在临床应用过程中还存在以下问题：
3.1 目前CAD/CAM系统主要应用于固定修复领域，而在可摘局部义齿以及全口义齿中应用较少的原因主要为CAD系统的局限性。需不断研发软件系统以扩充CAD系统对复杂义齿的设计能力。
3.2 目前CAD/CAM系统多以切削为主，这不单造成材料的浪费，也使得制作的修复体种类单一。而发展的方向是增材制造，这样既节约材料，也拓宽了CAD/CAM系统的应用范围。
3.3 目前CAD/CAM系统不能在临床广泛推广的一个重要原因是价格昂贵。如何降低成本成为CAD/CAM系统发展的一个重要环节，随着开放式系统的出现以及更加低廉材料的应用其成本会有所降低。
4． 结束语
牙科CAD/CAM系统应用现代计算机技术取代了近百年来传统的口腔修复体手工制作过程，因而被国内外的口腔专家认为该技术是一项划时代的里程碑，是牙科技术未来的发展方向。可以相信，随着现代科技的发展和系统自身的完善，牙科CAD/CAM技术一定会更加贴近生活，为保障人类的口腔健康做出应有的贡献。总之，口腔修复追求的最终目标是：美观、高效、简便地为患者设计、制作各类修复体，而随着CAD/CAM技术的不断发展这一目标终将实现。
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