Прогресс метода КТ стал важной предпосылкой внедрения методов автоматизированного проектирования в клиническую практику.
Эти методы являются основой современного производства в машино- и приборостроении, аэрокосмической области, энергетике, ювелирной промышленности и т.д. и основываются на применении так называемых CAD / CAM / CAE-систем.
Аббревиатуру CAD (Computer-Aided Design) используют для обозначения автоматизированных систем проектирования с использованием компьютерных технологий. Как правило, CAD-системы применяют для двух- или трехмерного геометрического моделирования и дизайна инженерных изделий, а также оформления проектной документации в программной среде.
САМ (Computer-Aided Manufacturing) — обозначает системы автоматизации производства с помощью компьютера. CAM-системы реализуют автоматизацию решения геометрических задач в технологических процессах, передаче информации и управления оборудыванием и приборами, необходимыми для изготовления детали.
CAE (Computer Aided Engineering) — системы инженерного анализа для проведения численных расчетов с помощью компьютерной техники, что, как правило, основывается на использовании метода конечных элементов.
Все эти процессы дополняют друг друга и, как правило, реализуются в интегрированных CAD / CAM или СAD / САМ / САЕ-системах, которые являются инновационными, максимально наукоемкими продуктами, которые используются во многих научных дисциплинах, в частности в медицине.
Применение CAD / CAM / CAE-систем позволяет сократить затраты времени и средств на проектирование, планирование и изготовление сложных инженерных деталей, повышает качество и технический уровень результатов проектирования, уменьшает затраты на натурное моделирование и испытания.
CAD / CAM / CAE-система предполагает наличие ряда компонентов, в частности технического обеспечения (электронно-вычислительная техника, системы телекоммуникаций, оборудования для изготовления детали с числовым программным управлением – 3D-принтеры, фрезерные станки и т.п.), программного обеспечения (комплекс программ, которые дают возможность проводить геометрическое моделирование и инженерные расчеты, сохранять и передавать информацию на устройства, обеспечивающие изготовление деталей), определенных классов задач) и др.
В медицине CAD-системы используют в целях:
- Создания компьютерных моделей биологических объектов для диагностики и планирования хирургических вмешательств;
- Воспроизведения хирургического вмешательства на виртуальной модели и прогнозирования его анатомических последствий;
- Создания моделей дентальных и челюстно-лицевых имплантатов и лечебных устройств, выбор оптимального их расположения с учетом топографо-анатомических соотношений на участке хирургического вмешательства.
CAM-системы применяют для изготовления:
- 3D печатных биологических объектов, которые могут быть использованы для предоперационных измерений и проведения «холодной хирургии» на модели;
- Индивидуальных имплантатов, эндопротезов, лечебных устройств из различных материалов;
Рисунок 1. Анатомическая модель опухоли в челюсти, созданная методом 3D печати.
- Направляющих шаблонов для установки дентальных имплантатов и проведения операций на челюстно-лицевой области;
- Вкладок, коронок, мостовидных протезов, каркасов для бюгельных протезов, окклюзионных шин и кап и тому подобное.
Рисунок 2. Отфрезерованный каркас из титана на 5-ти осевом фрезерном станке.
CAE-системы позволяют изучать механическое поведение биологических систем в различных условиях нагрузки, в частности прогнозировать функциональные последствия хирургических вмешательств, в том числе при установлении различных имплантатов, протезов, лечебных устройств.
Рисунок 3. Анализ напряжений методом конечных элементов при вкручивании импланта в кость.
Теоретические основы автоматизированного проектирования и производства были заложены в 60-70-х годах XX в. В стоматологии применение CAD / CAM-систем началось в 80-х годах XX в. в области ортопедической стоматологии (С.И. Вольвач, 2002; С.В. Чиканов, 2002). В основе первых стоматологических CAD / CAM-систем лежала технология производства каркасов зубных протезов с помощью компьютерного моделирования и фрезерования на станках с числовым программным обеспечением. Впервые такие системы были предложены независимыми группами американских и швейцарских ученых. R.W. Anderson в 1983 разработал систему ProCERA. W.H. Moermann и М. Brandestini в 1985 году. в университете Цюриха разработали систему CEREC, в 1987 было представлено систему DentiCAD.
Суть предложенных методик состояла в том, что изготовление протеза или его частей осуществлялось автоматически при помощи фрезерных станков с числовым программным управлением на основе предварительно созданной виртуальной компьютерной модели. Процесс моделирования в свою очередь происходил на основе данных о геометрии протезного ложа и окклюзионной поверхности зубов-антагонистов, полученных в процессе трехмерного сканирования поверхности.
Дальнейшее развитие и совершенствование CAD / CAM-технологий в области производства зубных протезов способствовали появлению большого количества программных продуктов и технологических средств. На сегодняшний день количество CAD / CAM-систем, применяемых в стоматологии, преувеличивает 70. Среди 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) и др. Одни из них позволяют изготовлять протезную конструкцию в пределах одной клиники, иногда даже непосредственно в стоматологическом кабинете в присутствии пациента (CEREC 3, Sirona Dental Systems GmbH, Germany), а другие предполагают наличие одного высокотехнологического центра, способного изготовить большой ассортимент конструкций для целой сети удаленных от него стоматологических клиник (ProCERA, Nobel Biocare, Sweden). Вся необходимая информация передается от клинициста в производственный центр с помощью информационных и телекоммуникационных систем.
При помощи CAD / CAM-систем на сегодняшний день можно изготавливать вкладки, единичные коронки, мостовидные протезы различных размеров, телескопические коронки, индивидуальные абатменты для дентальных имплантатов, временные коронки, каркасы съемных протезов и т.д.
CAD / CAM-технологии по сравнению с традиционными методами изготовления зубных протезов имеет ряд преимуществ, основным из которых является высокая точность, которая обеспечивает максимальное соответствие протетической конструкции и поверхности протезного ложа и зубов-антагонистов. Фрезерования на станках с числовым программным управлением проводиться из фабричных заготовок, изготовленных серийно из высококачественного материала, что обеспечивает необходимую прочность и твердость протеза во всех случаях, а высокое качество полировки поверхности при этом создает совершенную эстетику. СAD / CAM-технологии обеспечивают значительную экономию времени зубного техника (более чем в 5 раз) при высоком уровне автоматизации труда и увеличения работоспособности. Их применение стало предпосылкой широкого внедрения протезов из оксида циркония, поскольку традиционные зуботехнические методики для обработки этого материала непригодны.
При внедрении СAD / CAM-технологии меняется философия взаимоотношений в системе пациент-ортопед-стоматолог-зубной техник. Возрастает роль информационных и телекоммуникационных технологий, в частности сети Интернет в процессе обмена информацией между лабораторией (фрезерным центром) и клиникой, которые могут быть территориально удаленными друг от друга, располагаясь в разных городах или даже странах. Пациент получает возможность увидеть виртуальную модель своего протеза еще на этапе планирования. Благодаря этому он лучше понимает план лечения и его ожидаемые результаты, может принимать активное участие в процессе принятия клинических решений.
Все это позволяет утверждать, что стоматологические системы CAD / CAM со снижением их стоимости и увеличением доступности будут иметь неоспоримые клинические и экономические преимущества перед традиционными системами.
Вместе с тем следует отметить, что в историческом аспекте развитие CAD / CAM-технологий в рамках ортопедической стоматологии не имели существенного влияния на другие стоматологические области, хирургическую стоматологию и челюстно-лицевую хирургию. Достижения стоматологических систем автоматизированного проектирования находили ограниченное применение в сфере зубного протезирования и не могли быть использованы для решения других клинических задач. Это было связано с тем, что в качестве входных данных все предложенные системы использовали оптическое или механическое сканирование поверхности объекта исследования. Оптические или механические сканеры за небольшим исключением не позволяли проводить сканирование поверхности в полости рта пациента и были ориентированы на исследование жестко-закрепленных гипсовых моделей. Такой подход оказался непригодным для хирургической практики. Существенный прогресс в этой области был связан с усовершенствованием томографических методов, обеспечив возможность получения информации, необходимой для трехмерного моделирования внутренних структур организма и методов лазерной стериолитографии (техники быстрого прототипирования «Rapid prototyping», 3D-принтеры и т.д.).
Был создан ряд программных продуктов, которые обеспечили внедрение CAD / САМ / САЕ-технологий в практику челюстно-лицевой хирургии ортопедии и травматологии, кардиохирургии, нейрохирургии и т.д.