2021年2月雜誌專題3D列印

CAD/CAM 在數位牙科的應用: 淺談掃描、設計、製造與平臺

■英特崴/ 白植全 總經理 & 林彥昆經理

 

前言

傳統製作固定義齒的方式是牙醫師在欲治療的牙齒做適當的修型後,使用彈性印模材印模、灌模翻成石膏模型、固定義齒臘型製作、包埋與脫蠟鑄造完成最後的贋復物。上述一連串的步驟在1970 年代由Dr.Duret 是第一個嘗試導入電腦輔助設計與製造(Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing,CAD/CAM) 到牙科領域,他也是第一個透過掃描、設計與雕刻機來加工固定義齒。然而當時的Dr. Duret也承認要製作單顆義齒需要多位工程師協助,且耗時才能完成。事實上,當年在推廣上還是有很大的障礙,特別是精確度、設備價格與操作難度,在最近10 年相關技術有很大的突破,諸如掃描與加工精確度的提升、相關設備軟體操作介面友善化與軟硬體價格逐漸合理化。特別是費用也較初期易於被牙醫師與牙技師接受。

同時,醫療技術的進步與人民生活品質的提升,大家也開始意識到牙齒保健重要,不健康的牙齒除影響日常飲食外,更重要是將影響個人顏面美觀。常見的治療包含假牙保健、植牙與齒科矯正治療,治療不當會造成齲齒、牙周病外,還會影響咀嚼導致腸胃受損及臉型不對稱、歪臉等,也會導致發音不正確,有些人甚至引發自卑心理,造成人際關係低落等社交問題。

龐大醫療需求也帶來龐大市場商機,據Marketsand-Markets Research 分析報告指出,全球牙科醫材市場2019 產值達279~340 億美元,並預測2024 產值可達387 億美元,年均複合成長率達6.8%,其中贋復最為大宗,其次為矯正與植牙。此外,數位牙科更是上述相關治療的最大推手,可從MarketsandMarketsResearch 與Allied Market Research 分析報告中得知口內掃描機與數位牙科醫學影像分別在2024 與2025預計可達5.5 億與41 億,個別年均複合成長率分別為達10.7% 跟9%,此數據足以顯示未來幾年數位牙科的需求將有爆炸性成長。

另一方面,贋復具有最大的市場規模,特別是在亞洲與南美洲區域,這得歸功為數位科技的進步與人口增長的因素,其中數位科技包括CAD/CAM 與積層技術。然而在這個市場中的數位科技採購卻有一些改變,例如TechNavio Analysis 分析報告中,2014-2019 全球牙科數位設備採購在技工所從45.6% 降到32.6%,診所椅旁則從51.3% 成長到67.4%,這樣的現象也讓我們可以從產品週期中了解到目前的技工所製造服務邁入了成熟期的末端,而椅旁製造則進入成長期。因此英特崴數位醫療研發團隊積極研發精密加工設備與醫療整合技術,把過去強調大量掃描與生產數位牙科的CAD/CAM 與積層技術轉換成適合診所輕量與快速生產設備為主的解決方案,其中又以軟體可以提供贋復、植牙與矯正的客製化設計、規劃為主,並節省患者的來訪率來達到即刻給牙與臨床美學的目標。

 

口腔掃描機& 臉部掃描機

現今牙科數位化的潮流盛行,口掃機幾乎已是每間牙科診所必備的數位設備之一,除了可以減少傳統印模材的使用,也可以透過數位掃描3D 模型,結合其他數位軟硬體的應用,來輔助醫師提供患者更精準、更具有說服力的牙科治療方案,數位微笑設計(DigitalSmile Design,簡稱DSD) 就是一個很好的例子,當醫師得到患者的微笑2D 照片與3D 掃描模型後,為了在與患者說明治療規劃時可以具體地視覺化其治療方案,讓患者可以更容易瞭解自己術前、術後的整體視覺感官,應運而生的臉部掃描機可以幫助醫師達到這個效果,透過臉部掃描機取得患者的3D 微笑資料,與口掃機的3D 牙齒模型疊合後,醫師即可提供患者術前預覽3D 數位微笑設計的成果。英特崴的軟體與雲端即提供相關數位服務,讓醫師輕鬆整合、擁有一套完整的一站式數位牙科設備,運用上述兩套硬體,將3D 檔案(包含臉部3D 資料與3D 牙齒模型)導入雲端EZSmile 進行數位微笑設計,後續的產出透過假牙設計軟體EZCAD 做客製化細節調整,並導出到列印機或是牙雕機進行製作,完善的系統與服務將協助醫師規劃治療方案效益最大化。

 

3D 列印

3D 列印, 亦稱為積層製造(Additive Manufacturing),從2012 年成為全球產業的熱門話題以來,各國政府與各行業希望找到可以發揮積層製造長處的產品運用。經過這幾年的發展,積層製造技術的運用呈現兩極化,不是技術層次太低,如熔融沉積法(Fused deposition modeling, FDM),製做出來的物品沒有工業化價值;就是技術層次太高,如選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS),機臺太貴,無法普及。

圖1:數位牙科資料融合

 

光固化立體造型(Stereolithography Apparatus, SLA)在各式積層製造技術中,機臺屬於中價位。Gartner的報告中,這項技術被歸類在「桶裝光樹酯固化機」(Vat Photopolymerization) 中, 是該類的代表性技術,市場占有率僅次於第一名的「物質擠出成型機」。SLA 技術的一大特色是,其製作成品的機械性能可依需求調整,因此其運用面也最為廣泛。光固化立體造型法的成功關鍵是數位模型正確角度擺放、適當支撐型態、密度與位置、模型切層影像像素補償與材料收縮補償,英特崴數位牙科解決方案串接設計軟體與切層軟體,可以無縫接軌上述成功的關鍵,讓列印的模型在有效率的時間下符合臨床精確度的需求。

 

數位牙科軟體

假牙

傳統假牙製作是使用石膏模型,如今可透過口內掃描機取得患者口內資料,透過雲端傳送到牙體技術所(數位設計中心)進行設計,如牙冠、內冠或牙橋,也可解決即刻給牙與一日植牙等需求,並使用牙雕機與3D 列印生產出牙齒。英特崴運用AI 技術,以人工智慧運算模擬牙冠型態,自動生成內冠及牙冠,並提供簡單易用的設計流程,使用者可在最短時間內快速精確的完成假牙設計,並輸出設計檔進行後續加工。

植牙

植牙在近五十年已成為治療缺牙的一種成功選擇,主要的原因在於骨整合是一種可預期的治療方式,但是當植體植入點位置不理想時,會出現各式各樣的併發症,也影響贋復體的成功與預期效果。因此術前牙醫師透過英特崴解決方案來整合臉部掃描機、牙科電腦斷層掃描、口內掃描與數位規劃軟體進行符合美學且精確植體的位置、角度與深度的模擬與導版設計,最後利用3D 列印成型手術導版。

圖3:數位假牙設計軟體

矯正

齒列矯正概分為兩大技術領域。傳統的方法是「類比式」的技術,矯正師使用鋼線(fixed appliances),依賴其「經驗與手藝」調整鋼線的相對張力,以進行齒列矯正。新的方法是「數位式」,牙醫師獲得病患的齒列資訊之後,透過排牙軟體規劃出每顆牙齒位移的過程,然後製作出一系列相對應的隱形牙套(clear aligners),交付給病患自行配戴以達到矯正目的。英特崴開發的技術與產品屬於後者,提供美觀、使用方便的隱形牙套及其服務網路。

隱形牙套具備有美觀、彈性等治療優勢,因此快速的在美國青少年間風行。隱形牙套的矯正原理乃是藉由使用電腦技術規劃出牙齒每一個步驟的微量位移,再做出透明的壓克力套,透過擠壓原理讓牙齒移動。其缺點是僅適合輕微的矯正案例治療,特別適用於青少年的齒顎治療。然而全球數位矯正市場仍是處於一個起步的階段,每年市場仍然有10% 以上的成長。

英特崴自主研發數位隱形牙套製作與齒列矯正系統及其服務平臺之建立,其內容包含整合彩色口內掃描機、矯正專科醫師針對臨床經驗操作矯正規劃軟體、3D 列印數位模型,最後在熱壓成型最後的隱形牙套。另外可藉由數位雲端平臺,透過遠距集中數位設計,再透過網路直接推廣至牙醫診所來簡化醫師的負擔。

 

美學設計

現在人們對於微笑時的門面要求越來越高,一些媒體與公眾人物也一直強調牙齒美觀的重要,許多人到牙醫診所看診並非是為疾病,而是為美觀才來,市場也因為越來越多需求而出現與眾不同的產品。其中又以美白貼片為美學大宗,其概念為在牙齒的表面黏上一層貼片,常見的有陶瓷貼片與樹脂貼片,像是牙齒顏色、牙齒型態和大小都可以依照患者本身牙齒條件和顏色去做調整,可製作出每個患者客製化的樣貌。傳統製作流程為牙醫師先拍患者口內原始牙齒照片與利用口內掃描機掃描患者牙齒,依照患者提供的主述,請牙技師利用數位工具的方式模擬最適合患者的牙齒形狀,再請牙醫師與患者進行溝通討論,以製作出最適合患者的齒型與顏色。如今數位流程,牙醫師在資料取得後,即刻在患者面前使用軟體設計,待患者滿意設計的結果與模擬後,牙醫師可以選擇在院內直接製作或是寄出數位設計給牙技師製作。傳統製作方式為切削加工,現在則可透過3D 列印技術,可以直接列印出樹脂貼片做為臨床使用。

圖4:美學植牙規劃

其他(口罩壓條)

2020 年疫情肆虐全球,為了有效控製疫情,口罩成為人人必備的外出裝備之一。對於口罩的使用是民眾最關心的議題之一,不外乎口罩的貼合度問題,由於目前市面上除了N95 醫療用口罩可以緊密服貼於臉上之外,現今一般醫療用口罩仍有無法滿足人人都能適用、貼合於臉上的缺點,對此議題,英特崴也因應研發出相對應模組,結合臉部掃描機,讓臉部掃描機不僅可以運用於數位微笑設計,更可以發揮其特點並用來製作口罩壓條,改善一般醫療用口罩不服貼的缺點。只要透過臉部掃描機、快速1 秒拍照,即可取得個人的3D 臉部模型,此筆3D 檔案也因而紀錄了個人的鼻型和雙頰特徵。當3D 臉部模型匯入英特崴設計軟體後,便可以快速製作個人專屬且服貼於個人臉部的客製化口罩壓條,設計完成的口罩壓條即可使用3D 列印機列印出來,並套於口罩外,令口罩不僅可以按照個人的鼻型貼合、兩頰的口罩也更加緊密貼合於皮膚上,達到更佳的防疫效果。

圖5:隱形矯正規劃與雲端溝通平臺 圖6:3D 列印美白樹脂貼片 圖7:3D 列印口罩壓條

結論

數位牙科發展至今近50 年,最早概念的發想是為減少傳統固定義齒複雜的製作流程,也減少患者看診次數,提供更好的醫療品質。透過掃描、設計與製造技術來達到上述的目的,贋復類是最早被使用,其中包括固定義齒與嵌體產品,透過上述相關技術發展,確實也為牙科帶來極大發展。但當時在推廣上還是有很大的障礙,特別是精確度、設備價格與操作難度,在近10 年相關技術有極大突破,如掃描與加工精確度的提升、相關設備軟體操作介面友善化與軟硬體價格逐漸合理化。特別是費用也較初期易於被牙醫師與牙技師接受,故相關的研究與應用也延伸到植牙類的客製化支台齒與手術導版、矯正類的隱形矯正與美學。

未來可能發展的項目預期在口掃與臉掃可以取代電子面弓的資料收集方式;3D 列印會往高速連續列印方式與金屬列印發展;贋復類可以結合咬合力分析與虛擬咬合器來製作更貼近患者口內情況,甚至可以結合陶瓷列印技術,直接列印出牙冠與美白貼片;植牙規劃可以透過智慧植體擺放來簡化設計的流程;數位矯正規劃除了透過智慧排牙與貼片設計來簡化設計流程之外,更可結合患者電腦斷層的牙根與顎骨資料。除了上述各個品項技術改良的方向之外,透過雲端平臺,可以發展遠距數位設計中心。■

 

SMARTMolding編輯部

《ACMT 模具與成型智慧工廠雜誌》(ACMT SMART Molding Magazine),將擴大報導,如「先進成型技術」、「3D 列印」、「模具製造」、「智慧工廠」、「數位化轉型」、「自動化」等領域,為讀者帶來更多全新內容。內容上未來也將對業界的企業進行一連串的採訪報導,報導範圍不會僅限於臺灣,同時預計也推出對華東、華南,以及東南亞等地區的各家企業進行採訪報導,帶各位讀者領略這些企業的崛起過程與成功經驗。

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