Прогрес методу КТ став важливою передумовою впровадження методів автоматизованого проектування в клінічну практику.
Ці методи є основою сучасного виробництва в машино- і приладобудуванні, аерокосмічній галузі, енергетиці, ювелірній промисловості і т.д. і ґрунтуються на застосуванні так званих CAD / CAM / CAE-систем.
Абревіатуру CAD (Computer-Aided Design) використовують для позначення автоматизованих систем проектування з використанням комп’ютерних технологій. Як правило, CAD-системи застосовують для дво- або тривимірного геометричного моделювання та дизайну інженерних виробів, а також оформлення проектної документації в програмному середовищі.
САМ (Computer-Aided Manufacturing) – це системи автоматизації виробництва за допомогою комп’ютера. CAM-системи реалізують автоматизацію рішення геометричних задач в технологічних процесах, передачі інформації і управління обладнанням та приладами, необхідними для виготовлення деталі.
CAE (Computer Aided Engineering) – системи інженерного аналізу для проведення чисельних розрахунків за допомогою комп’ютерної техніки, що, як правило, ґрунтуються на використанні методу кінцевих елементів.
Всі ці процеси доповнюють один одного і, як правило, реалізуються в інтегрованих CAD / CAM або СAD / САМ / САЕ-системах, які є інноваційними, максимально наукомісткими продуктами, які використовуються в багатьох наукових дисциплінах, зокрема в медицині.
Застосування CAD / CAM / CAE-систем дозволяє скоротити витрати часу і коштів на проектування, планування і виготовлення складних інженерних деталей, підвищує якість і технічний рівень результатів проектування, зменшує витрати на натурне моделювання та випробування.
CAD / CAM / CAE-система передбачає наявність ряду компонентів, зокрема технічного забезпечення (електронно-обчислювальна техніка, системи телекомунікацій, обладнання для виготовлення деталі з числовим програмним управлінням – 3D-принтери, фрезерні верстати і т.п.), програмного забезпечення ( комплекс програм, які дають можливість проводити геометричне моделювання та інженерні розрахунки, зберігання та передавання інформації на пристрій, що забезпечують виготовлення деталей), певних класів завдань) і ін.
У медицині CAD-системи використовують в цілях:
- Створення комп’ютерних моделей біологічних об’єктів для діагностики та планування хірургічних втручань;
- Відтворення хірургічного втручання на віртуальній моделі і прогнозування його анатомічних наслідків;
- Створення моделей дентальних та щелепно-лицевих імплантатів і лікувальних пристроїв, вибір оптимального їх розташування з урахуванням топографо-анатомічних співвідношень на ділянці хірургічного втручання.
CAM-системи застосовують для виготовлення:
- 3D друкованих біологічних об’єктів, які можуть бути використані для передопераційних вимірювань і проведення «холодної хірургії» на моделі;
- Індивідуальних імплантатів, ендопротезів, лікувальних пристроїв з різних матеріалів;
Малюнок 1. Анатомічна модель пухлини в щелепі, створена методом 3D друку.
- Напрямних шаблонів для встановлення дентальних імплантатів та проведення операцій на щелепно-лицевій ділянці;
- Вкладок, коронок, мостовидних протезів, каркасів для бюгельних протезів, оклюзійних шин і кап тощо.
Малюнок 2. Відфрезерований каркас з титану на 5-ти осьовому фрезерному верстатові.
CAE-системи дозволяють вивчати механічну поведінку біологічних систем в різних умовах навантаження, зокрема прогнозувати функціональні наслідки хірургічних втручань, в тому числі при встановленні різних імплантатів, протезів, лікувальних пристроїв.
Малюнок 3. Аналіз напружень методом кінцевих елементів при вкручуванні імпланта в кістку.
Теоретичні основи автоматизованого проектування і виробництва були закладені в 60-70-х роках XX ст. У стоматології застосування CAD / CAM-систем почалося в 80-х роках XX ст. в області ортопедичної стоматології (С.І. Вольвач, 2002; С.В. Чиканов, 2002). В основі перших стоматологічних CAD / CAM-систем лежала технологія виробництва каркасів зубних протезів за допомогою комп’ютерного моделювання і фрезерування на верстатах з числовим програмним забезпеченням. Вперше такі системи були запропоновані незалежними групами американських і швейцарських вчених. R.W. Anderson в 1983 розробив систему ProCERA. W.H. Moermann і М. Brandestini в 1985 році в університеті Цюріха розробили систему CEREC, а в 1987 було представлено систему DentiCAD.
Суть запропонованих методик полягала в тому, що виготовлення протеза або його частин здійснювалося автоматично за допомогою фрезерних верстатів з числовим програмним управлінням на основі попередньо створеної віртуальної комп’ютерної моделі. Процес моделювання в свою чергу відбувався на основі даних про геометрію протезного ложа і оклюзійної поверхні зубів-антагоністів, отриманих в процесі тривимірного сканування поверхні.
Подальший розвиток і вдосконалення CAD / CAM-технологій в області виробництва зубних протезів сприяли появі великої кількості програмних продуктів і технологічних засобів. На сьогоднішній день кількість CAD / CAM-систем, що застосовуються в стоматології, більше 70. Серед них Hint-Els (Hint-Els, GmbH), Organical (R + K CAD / CAM), Katana (Noritake), Procera (Nobel Biocare) , Zeno TEC (Wieland dental), CEREC inLab (Sirona), ARTIKON (Dental design group), KaVo Everest (KaVo), Lava (ЗМ) та ін. Одні з них дозволяють виготовляти протезну конструкцію в межах однієї клініки, іноді навіть безпосередньо в стоматологічному кабінеті в присутності пацієнта (CEREC 3, Sirona Dental Systems GmbH, Germany), а інші припускають наявність одного високотехнологічного центру, здатного виготовити великий асортимент конструкцій для цілої мережі, віддалених від нього стоматологічних клінік (ProCERA, Nobel Biocare, Sweden). Вся необхідна інформація передається від клініциста в виробничий центр за допомогою інформаційних і телекомунікаційних систем.
За допомогою CAD / CAM-систем на сьогоднішній день можна виготовляти вкладки, поодинокі коронки, мостоподібні протези різних розмірів, телескопічні коронки, індивідуальні абатменти для дентальних імплантатів, тимчасові коронки, каркаси знімних протезів і т.д.
CAD / CAM-технології, в порівнянні з традиційними методами виготовлення зубних протезів, має ряд переваг, основним з яких є висока точність, яка забезпечує максимальну відповідність протетичної конструкції і поверхні протезного ложа і зубів-антагоністів. Фрезерування на верстатах з числовим програмним управлінням проводитися з фабричних заготівок, виготовлених серійно з високоякісного матеріалу, що забезпечує необхідну міцність і твердість протеза у всіх випадках, а висока якість полірування поверхні при цьому створює досконалу естетику. СAD / CAM-технології забезпечують значну економію часу зубного техніка (більш ніж в 5 разів) при високому рівні автоматизації праці і збільшення працездатності. Їх застосування стало передумовою широкого впровадження протезів з оксиду цирконію, оскільки традиційні зуботехнічні методики для обробки цього матеріалу непридатні.
При впровадженні СAD / CAM-технології, змінюється філософія взаємин в системі пацієнт-ортопед-стоматолог-зубний технік. Зростає роль інформаційних і телекомунікаційних технологій, зокрема мережі Інтернет в процесі обміну інформацією між лабораторією (фрезерним центром) і клінікою, які можуть бути територіально віддаленими одна від одної, розташовуючись в різних містах або навіть країнах. Пацієнт отримує можливість побачити віртуальну модель свого протеза ще на етапі планування. Завдяки цьому він краще розуміє план лікування і його очікувані результати, може брати активну участь в процесі прийняття клінічних рішень.
Все це дає підстави стверджувати, що стоматологічні системи CAD / CAM зі зниженням їх вартості і збільшенням доступності матимуть незаперечні клінічні та економічні переваги перед традиційними системами.
Разом з тим, слід зазначити, що в історичному аспекті розвиток CAD / CAM-технологій в рамках ортопедичної стоматології не мали істотного впливу на інші стоматологічні сфери, хірургічну стоматологію і щелепно-лицьову хірургію. Досягнення стоматологічних систем автоматизованого проектування знаходили обмежене застосування в сфері зубного протезування і не могли бути використані для вирішення інших клінічних завдань. Це було пов’язано з тим, що в якості вхідних даних всі запропоновані системи використовували оптичне або механічне сканування поверхні об’єкта дослідження. Оптичні або механічні сканери за невеликим винятком не дозволяли проводити сканування поверхні в порожнині рота пацієнта і були спрямовані на вивчення жорстко-закріплених гіпсових моделей. Такий підхід виявився непридатним для хірургічної практики. Істотний прогрес в цій області був пов’язаний з удосконаленням томографічних методів, забезпечивши можливість отримання інформації, необхідної для тривимірного моделювання внутрішніх структур організму і методів лазерної стеріолітографіі (техніки швидкого прототипування «Rapid prototyping», 3D-принтери і т.д.).
Було створено ряд програмних продуктів, які забезпечили впровадження CAD / САМ / САЕ-технологій в практику щелепно-лицевої хірургії ортопедії і травматології, кардіохірургії, нейрохірургії і т.д