ЭВОЛЮЦИЯ CAD/CAM ТЕХНОЛОГИЙ В ОРТОПЕДИЧЕСКОЙ СТОМАТОЛОГИИ

Аннотация: Прогресс в сфере компьютерных технологий, и их интенсивная интеграция с различными областями науки и техники способствует значительному расширению возможностей для пространственно-объемного моделирования, проектирования и создания готового изделия. На сегодняшний день современное оборудование и новейшее программное обеспечение, функционирующее по принципу искусственного интеллекта, применяется не только для высокоточного создания трехмерных моделей предметов, но и для изготовления изделия по созданному макету. Новым словом в отечественной стоматологии стало внедрение в практику цифровых технологий. Статья рассматривает основные этапы адаптации CAD/CAM технологий под специальные технологические требования, которые предъявляются к оборудованию, используемому в ортопедической стоматологии. Описанные в работе тематические исследования представляют собой уникальный опыт специалистов по созданию первой отечественной системы автоматизированного проектирования CAD/СAM «Dental», позволяющей с цифровой точностью воссоздавать объекты реконструкции и эффективно решать комплексные клинические задачи.

Ключевые слова: CAD/CAM системы, стоматология, реставрация, протезирование, компьютерное проектирование, оптический оттиск, фотограмметрия, интраоральный зонд, рвотный рефлекс.

Одним из достижений современной науки в области программного обеспечения являются автоматизированные компьютерные системы, которые довольно успешно внедряются в аэрокосмической отрасли и многих других видах сверхточного производства. Система автоматизированного проектирования (САПР) на сегодняшний день активно применяется в различных сферах экономической деятельности. Развитие медицинской науки в целом, а в частности – стоматологии, на сегодняшний день характеризуются процессом взаимоинтеграции с техническими инновациями с целью повышения точности, эффективности лечебно-диагностического процесса, а также оптимизации работы системы здравоохранения . Впервые открывшиеся благодаря данной тенденции возможности, по сути, заложили основу для появления нового направления ортопедической стоматологии, результатом чего в отечественной практике стало увеличение продуктивности и качества работы врачей и зубных техников .

Начальные поиски в этом направлении относятся к проекту компании Hensson Internetional 1971 года, который был посвящен созданию автоматизированного комплекса моделирования и изготовления искусственных коронок с применением методики голографического сканирования полости рта с целью получения визуальной информации для дальнейшей разработки протеза. Главным специалистом-разработчиком в данном исследовании стал доктор Франсуа Дюре . Всесторонний анализ результатов практического внедрения данной технологии заложил основу для новых тематических исследований и усовершенствований, указывая на пути повышения оптимизации и производительности процесса. Это заняло немало времени. Так, лишь к 1983 году был создан первый промышленный образец работоспособной системы, а первый опыт установки изготовленной с ее использованием коронки реальному пациенту состоялся уже в 1985 году. Это послужило стимулом для последующего промышленного применения системы CAD/CAM в практической стоматологии во Франции. Спустя два года опыт был заимствован для внедрения на специализированном рынке в США и Канаде.

Оборудование CAD/CAM предоставляет специалистам широкий выбор материалов для изготовления ортопедических конструкций . Применение данной системы предусматривает работу с титаном, диоксидом циркония и кобальтохромовыми сплавами, а также фрезерование каркасов метало-керамических коронок из пластмассы . Укомплектованность стоматологической клиники описанным оборудованием, безусловно, открывает новые практические возможности для зубных техников и специалистов-ортопедов. К основным технологическим преимуществам работы с CAD/CAM можно отнести повышение точности изготовляемых реставраций (отклонение в пределах 15-20 мкм в сравнении с погрешностью при литье в 50-70 мкм), чистоту и эргономичность рабочего процесса, малые габариты оборудования, а также несомненно более высокую производительность.

Еще одной немаловажной особенностью доступных на современном рынке моделей систем CAD/CAM является их универсальность в отношении выбора конструкционных материалов . Технологические возможности аппаратуры предусматривают не только моделирование проекта изделия, но и непосредственное выполнение образца, что обеспечивает, в частности, спортивную травматологию необходимым ресурсом при создании защитных шин для спортсменов с учетом персональных анатомо-физиологических особенностей строения лицевого черепа .

Оборудование CAD/CAM способствует максимальной индивидуализации процесса ортопедического лечения пациента, адаптации к наличествующим клиническим условиям. Данные технические инновации в современной стоматологии эффективно используются при:  конструировании и создании вкладок, коронок, мостовидных протезов и виниров;  моделировании реставраций на основе широкой базы моделей зубов;  проектировании и изготовлении протяженных конструкций (до 16 зубов);  создании базы данных, содержащей информацию о состоянии пациента, для последующего гибкого реагирования на возникшие изменения в клинической картине.

Технологии CAD/CAM помогают в восстановлении необходимых контактных пунктов, воссоздании анатомической формы жевательных поверхностей коронок с учетом строения зубов-антагонистов, идентификации оптимальной толщины будущей реставрации .

Основополагающим принципом подготовительного этапа качественной дентальной имплантации является сбор максимально точной и детализированной информации о параметрах рельефных структур полости рта. В современной практике он реализуется в большинстве случаев с привлечением цифровых технологий. Так, виртуальное моделирование реставрации на супраструктурах осуществляется посредством анализа и обработки системой сведений, полученных при выполнении интраоральных снимков абатмента с захватом окружающих тканей. Высоко результативным применение данной методики оказывается, например, для бескаркасной реставрации керамическими материалами .

Первые результаты по созданию высокоточных цифровых моделей зубов в отечественной стоматологической практике при поддержке технологий CAD/СAM были получены в 1994 году, в рамках проекта Центрального НИИ стоматологии. Возглавили процесс разработки комплекса Ряховский А.Н. и Юмашев А. В. Основной целью, которой было посвящено исследование, стала оценка функциональных возможностей систем CAD/CAM относительно воссоздания максимально корректной формы зуба при моделировании искусственной коронки и общую состоятельность применения указанного оборудования на этапах планирования и проведения ортопедического лечения. В результате совместных трудов с ОАО «ЭНИМС» и в соавторстве с Кагановским И.П. отечественная стоматология получила рабочую модель оптического зонда (интраоральной камеры) для получения оптического оттиска.

В дальнейшем рабочая продуктивность графических станций в технологическом контакте с электронными видеокамерами подтверждалась многочисленными исследованиями и практическими испытаниями. Согласно плану создателей, на основании полученных графических данных станки с ЧПУ должны были выполнить механическую работу по изготовлению реставраций .

Результатом сотрудничества с СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, в соавторстве с Дегтяревым В.М., стала разработка автоматизированной системы протезирования зубов «DENTAL». Первоначально для снимков был выбран формат BMP, предусматривающий получение черно-белых инвертированных негативов изображения в двух проекциях: по горизонтали и вертикали. Вскоре практика показала, что при относительно большом объеме занимаемой памяти и малом разрешении (640х442 пикселей) различные манипуляции, приближение камеры к объекту, приводили к существенной потере качества изображения и значительному возрастанию случаев искажений по его периферии .

На основании анализа данной ситуации, с целью устранения технологических недостатков и повышения качества снимков было предложено соблюдать расстояние 28 мм между объективом камеры и поверхностью исследуемого зуба. В результате качество полученного изображения размером 50х50 мм при том же разрешении (640х442 пикселей) существенно улучшилось. Размер выходных снимков после обработки в системе составляет 125х114 пикселей при погрешности не более 0,08 мм. Реальная погрешность, установленная на практике, несколько превысила данное значение ввиду влияния сторонних факторов (отражающая способность поверхности зубов, неравномерность освещения, положение объектива камеры).

Результаты применения автоматизированной системы проектирования «DENTAL», полученные в 1995, году позволили выделить ряд актуальных теоретико-практических вопросов для профессиональных дискуссий. Основные проблемы в разработке, вынесенные на обсуждение среди специалистов, сводились к следующим положениям:  имеющиеся искажения исключают возможность получения реальной картины состояния зуба и окружающих тканей;  для получения более высокой точности необходимо применять 20-ти кратное увеличение;  оборудование камеры источником света мешает получению объективного изображения, поскольку световое искажение крайне негативно отражается на качестве последующего моделирования зуба.

Одновременно с работой над получением снимков объекта осуществлялся выбор пространственной модели. Имеющиеся изображения позволили сформулировать четкие требования, предъявляемые к создаваемой модели, и создать образец, соответствующий естественному зубу. Функциональная ограниченность автоматизированной системы «DENTAL» проявилась на этапе трансформации данной модели в практическую основу при переходе от привычных описаний к 3-х мерным геометрическим данным и далее, к обработке математических данных для объекта, в соответствии с параметрами программного обеспечения. Точечная 3-х мерная геометрическая модель формируется системой координат множества точек, лежащих на поверхности исследуемого объекта, с присвоенными им определенными векторами, которые введены для упрощения расчетов по освещению и визуализации исследуемой области. Согласно содержанию программного обеспечения, каждая точка характеризовалась шестью параметрами: положением по осям Х, Y и Z, значением единичного вектора по осям Х, Y и Z. Данное контекстное содержание значительно облегчает визуализацию готовой модели .

Отечественные усовершенствования системы программного обеспечения были направлены на создание информационной поддержки для последующего проектирования лечебных манипуляций и реконструктивного моделирования. На стадии обработки данных по созданию пространственной модели нашими специалистами были сделаны практические попытки получить визуализацию модели на экране монитора для создания траектории движения рабочего инструмента . Точечное описание участков зуба имеет приоритет в сравнении с математическими данными, которыми описывается поверхность объекта. Разработанная программа позволила задавать требуемое положение камеры, а в конечном итоге - создавать пространственную модель при помощи серии цифровых разноплановых изображений исследуемого объекта, насчитывающей не менее 4-х снимков.

Помимо выявления технических недостатков, первичные результаты применения отечественной системы CAD/СAM «Dental» способствовали проведению дальнейшего совершенствования всех ее составных элементов с учетом наиболее современных цифровых и компьютерных достижений. Глобальная модернизация системы была осуществлена уже в 1998 году тем же составом сотрудников ЦНИИС, с привлечением ведущих специалистов ГОСНИИ Авиационных систем Желтова С.Ю. и Князя В.А. Особое внимание при обновлении уделялось механизму получения и обработки визуальной информации о трехмерном изображении рабочей области, которые осуществлялись с применением технологии искусственного интеллекта. Новое программное обеспечение в сочетании с усовершенствованным оборудованием расширило функциональную состоятельность модернизированного комплекса, соответствующего по своим практическим возможностям системам машинного видения (СМВ) .

Этап практической апробации реализовывался с использованием комплекса короткобазисной фотограмметрии, эндоскопа и разработанного программного обеспечения. Практическая работа по восстановлению объемной формы исследуемого объекта осуществляется тремя методами: эпиполярным, корреляционным и профильным . Путем анализа достоинств и недостатков каждого подхода для создания цифровой модели зуба был выбран профильный метод. Проведенные исследования и прецизионные измерения показали, что благодаря новой технологии специалист получает точные цифровые данные о геометрии исследуемых объектов .