詳細分析 | 歯内療法における 3D 画像、3D プリント、3D 仮想化の応用

著者: 姚立平、陸志山

近年、3Dプリントなどのデジタル技術が口腔内で広く利用されるようになり、インプラント学、口腔外科、矯正歯科、歯周病学などの臨床教育や臨床症例の診断・治療に大きな影響を与えています。いくつかの補助ソフトウェアと機器を使用することで、教育管理や臨床診断および治療のさまざまな方法を改善できます。これらの補助ツールには、コーンビームコンピューター断層撮影 (CBCT)、3D プリントなどが含まれます。

CBCT は 3D 画像を作成し、歯と隣接する硬組織および軟組織との関係を評価します。歯内療法では、CBCT により従来の 2D 画像と比較して複雑な解剖学的構造の理解が向上します。したがって、治療計画やフォローアップを含む指導とケース管理が容易になります。歯内療法における CBCT の使用は世界中で急速に増加しており、症例選択において臨床医を支援し、安全な使用を促進するためのさまざまなガイドラインやポリシーが発行されています。これらには、米国歯内科学会 (AAE)、米国口腔顎顔面放射線学会 (AAOMR)、欧州放射線防護委員会ガイドライン 172、一般歯科診療における CBCT の選択に関する英国教員基準、および欧州歯内科学会 (ESE) の立場表明が含まれます。
背景
3D プリントは、歯と関連する骨組織の仮想 (コンピューター生成) レンダリングに基づく自動プロセスを通じてモデルを作成することです。自動化されたプロセスには、さまざまな 3D 印刷技術を利用してオブジェクトを作成する機器 (3D プリンター) が含まれます。触覚シミュレーターは、治療中に遭遇する可能性のあるさまざまな問題をシミュレートし、術中の多感覚フィードバックをリアルタイムで提供することで、歯と骨組織のインタラクティブな 3D 仮想シミュレーションを提供するコンピュータシステムです。 3D プリントの設計と製造、および触覚シミュレーターの操作は、3D イメージング、3D 仮想設計、および/または 3D プリント技術間のデジタル情報 (データ) の交換に依存します。

2D 放射線検査と比較した CBCT スキャンの利点と歯内治療におけるその応用については、いくつかの出版物で広範囲に検討され、議論されてきました。しかし、3D プリントと触覚シミュレーターの導入が比較的最近であるため、歯内療法に関する文献はほとんど出版されていません。 3D プリントナビゲーションの応用、3D プリントの実験的研究、触覚シミュレータの有効性について詳細に説明した事例報告はごくわずかです。したがって、この記事では、3D プリントおよび操作可能な触覚シミュレーターの設計と製造の技術を説明する関連文献を提供し、歯内療法における 3D プリントおよび触覚シミュレーターシステムの応用について説明します。
範囲が広いため、このレビューでは主に髄腔入口の準備と根尖手術に焦点を当てます。

2. 3Dプリントの設計と製造<br /> 安価なオープンソースソフトウェアの使用を含む情報技術の進歩により、3D イメージングデバイス、3D 仮想システム、3D プリンター間の相互運用性が向上し、3D プリントの設計と製造に最終的に使用するためのデータを効率的に作成、操作、処理できるようになりました。 CBCT スキャンの 3 次元画像データは、DICOM または独自の形式で存在します。 DICOM 形式は、異なるメーカーが製造し、異なるプラットフォームで動作するコンピューターデバイス間での医療画像および関連データの転送を容易にします。

3Dバーチャルナビゲーションシステムは、CBCTスキャンのボリュームデータ（DICOM形式）を取得し、専用ソフトウェアを使用してデータを標準STLファイル形式に変換します。 3D 仮想設計システムでは、口腔/石膏模型のスキャンの 3 次元画像データを STL 形式で取得することもできます。クラウンなどの解剖学的ランドマークを正確に比較し、専用のソフトウェアを使用して CBCT と対応する口腔/石膏モデルの STL データセットを一致させ、金属修復によって生じる縞模様や人工的な空洞を排除します。結果として得られた 3D 画像は、コンピュータ支援設計 (CAD) またはインプラント計画ソフトウェアを使用して編集され、3D プリント用の設計図が作成されます。最終デザインはデジタルでスライスされ、製造のために 3D プリンターにエクスポートされました。図 1 は、3D プリントの設計と製造における主要な手順をまとめたものです。

3. 歯内治療における3Dプリントの応用
歯科矯正、顎矯正手術、頭蓋顔面手術、口腔顎顔面手術の指導と治療における 3D プリントの利点は広く報告されています。同様に、3D プリントは、歯内治療の用途において、シンプルさ、最小限の侵襲性、高い精度、処置時間の短縮、患者の快適性の向上、オペレーターのスキル開発の促進など、同様の利点があります。

非外科的口腔内治療、石灰化、垂直歯根破折、発育異常、あるいは口腔内外科手術、重要な解剖学的構造に近い歯根尖、厚い皮質骨などの複雑な歯科治療は、患者のリスクを高め、治療効果に影響を与えます。これらのケースは、ほとんどのオペレーターにとって困難です。したがって、3D プリントされたモデルとガイドを学習および治療の補助として使用すると、治療結果が改善され、オペレーターのスキルの向上に役立つ可能性があります。以下では、歯内治療における 3D プリントモデルとナビゲーションの応用について説明します。

1. 3Dプリントモデル石膏模型は、学生や患者を教育するために使用できるほか、文書化、潜在的な手順上の困難の評価、カスタムナビゲーションや副木の製造にも使用できます。しかし、石膏模型は内部の解剖学的構造を表示せず、正確に複製したり、さまざまな色、質感、透明度で作成したりすることができないため、歯科処置のシミュレーションには信頼できません。さらに、専用の保管スペースが必要であり、石膏模型は標準化された破壊が必要です。

3D プリントモデルとデジタルプリントモデルは上記の制限を克服し、石膏モデルと同じ機能を備えています。
1. デジタルファイルは簡単にコピー、保存、電子的に変換できます。
2. 3D プリントのニーズに応じて、シミュレーションや消毒に適したさまざまな色、テクスチャ、透明度、および/または機械的特性を持つモデルを作成できます。

SLG、DLP、MJM、PBP を使用して作成された 3D プリントモデルの精度は石膏モデルと同等でした。さらに、これらのモデルは、後処理段階で染色したり、製造プロセス中に異なる色やテクスチャを追加したりして、組織の種類を区別するのに役立ちます (図 4)。したがって、3D プリントモデルは、学生が歯、歯根、根管の形態についての理解を深め、歯髄腔への進入と根管の準備をシミュレートするのに役立つ教材として使用できます。複製された 3D プリントモデルは、個々の生徒またはグループのスキルの進歩を評価するために、また標準化された公平なスキル評価に使用できます。

（ii）3Dプリントガイドプレート<br /> 根管が著しく狭くなっていたり石灰化していない場合は、非外科的歯内療法は比較的簡単に行うことができます。同様に、前歯の根尖手術は、前歯の病変が皮質骨を貫通している可能性があり、骨の除去部位を見つけやすくなるため、それほど困難ではありません。

根尖管閉塞（PCO）、異形成、合併症のある症例では、根管開口部の位置を特定し、歯根を除去するのが困難になります。また、主要な解剖学的構造への近さ、皮質骨の厚さ、歯の位置、根尖方向などの要因により、骨除去部位を正確に特定し、根尖切除の適切な程度を決定することも困難です。施術者のスキル、経験、患者の協力も異なる可能性があり、治療の結果に影響を及ぼします。インプラントナビゲーション手術と同様の原理に基づく 3D プリントナビゲーションまたは外科ナビゲーションは、これらの困難を克服し、困難な歯科症例を最適化するのに役立つ可能性があります。

CBCT とインプラントナビゲーションソフトウェアの応用により、インプラントナビゲーション手術における 3D プリント手術ガイドの開発と応用がサポートされます。 coDiagnostiX™ や Simplant® 歯科設計ソフトウェアなどのインプラント設計ソフトウェアは、CBCT とデジタル石膏模型のスキャンデータを照合してインプラントガイドを設計および作成するために使用されます。

3D プリントされた外科用ガイドの主な目的は、仮想治療計画を作成することで、インプラント手術とスリーブの配置を正確にガイドすることです。したがって、3D プリントされた外科用ガイドの設計では、骨、歯、または粘膜からのサポートが適切に一致し、インプラントの準備と特定の位置決めスリーブの配置をガイドする必要があります。スリーブは、CAD/CAM 装置を使用して製造された円筒形またはカスタムメイドの金属チューブで構成されています。キャリブレーションドリルは仮想ソフトウェア内の参照によって選択され、キャリブレーションドリルはマークされたドリルとともにスリーブに通され、骨を準備してドリリングプロセスをガイドします。図5はDentsply Sirona Simplant®ガイドの構成を示しています

粘膜または骨で支えられたガイドと比較して、歯で支えられた 3D プリントされた外科用ガイドは、インプラントの精度の偏差が最も少ないことが示されています。安定性、材料の剛性、スリーブまたはドリルの長さ、加工誤差、オペレーターと患者の要因も精度に影響します。したがって、術前の治療計画からの逸脱を考慮する必要があり、重要な解剖学的構造への損傷を避けるために 2 mm の安全距離が推奨されます。

ナビゲートインプラント手術の設計と製造原理に基づいた 3D プリントガイドは、非外科的および根尖外科的処置のナビゲートに使用されてきました。

（III）非外科的歯内療法のガイド<br /> 非外科的根管治療では、治療結果に重大な影響を及ぼす可能性のある側方浸透などの合併症のリスクが高いため、3D プリントされたガイドを使用して根管の位置を特定できます。最近、歯をサポートした 3D プリントナビゲーションを使用して前歯根管の位置特定に成功した症例報告があります。これらのレポートでは、CBCT スキャン、口腔内解剖の光学スキャン、または石膏模型が照合され、インプラント設計/CAD ソフトウェアを使用して仮想ナビゲーション方向が設計され、深さが調整されたインプラントドリル/ボアが選択されました。ガイドは複数の歯を含む歯でサポートされており、遠心方向に安定しています。 SLG または MJM から作られた 3D プリントされた方向ガイドと、プレファブリケーションまたは CAD/CAM の円筒形金属チューブがスリーブに挿入されます。

3D プリントされた方向性ガイドを使用して正確で最小限の侵襲性のアクセスホールを作成し、深さ調整されたインプラントドリル/ボアを使用して根管に入ることで、良好な治療結果を達成できます。さらに、この研究では、手術回数を減らし、歯の構造への損傷を回避し、側方穿孔のリスクを軽減できることも判明しました。

さらに、単一のバー/ドリルまたは 2 つのドリルビットを使用することで、穴あけおよびフライス加工のプロセス中の精度が保証されます。 Zehnder らによる in vitro 研究では、アクセスバーまたはドリルが 1 つしか使用されなかったため、3D プリントされた方向性ガイドを使用した歯髄アクセス手順の精度はインプラントよりも高かったことが示されました。設計と製造のプロセスにより、治療全体の時間が長くなり、コストが増加し、深さ調整されたドリル/バーを使用しても象牙質の亀裂が発生する可能性がありますが、保守的な歯髄処理と回避された合併症はこれらの欠点を上回ります。

したがって、3D プリントされたガイドは、異常な根管系の発達を伴う歯を安全、経済的、かつ効果的に治療するのに役立ちます。これらは、特に大学院生を対象に、治療上の困難を克服するスキルを養成するためのトレーニングにおける教材としても使用できます。しかし、深さ校正されたドリル/バーの使用に伴う象牙質亀裂の発生率と精度を判定し、ステップダウンや器具の分離などの他の治療法の臨床的実現可能性を評価するには、さらなる研究が必要です。臨床上の利便性も考慮する必要があります。表 1 はこれらのレポートをまとめたものであり (下の図を参照してください。これらの論文は以前にも研究されています)、図 6 は非外科的口腔内治療の主な原則を示しています。

3. 外科的歯内療法ナビゲーション

3D プリントされた手術ガイドは、複雑な症例における骨除去部位や根尖切除レベルなどの困難な根尖手術に使用できます。ナビゲーション歯根尖手術は他のナビゲーション手術と同じです。
1. いずれも、3D プリントされた手術ガイドの設計や、CBCT および光学スキャンデータと一致するインプラント設計ソフトウェアの使用など、詳細な治療計画に依存しています。
2. 治療中、皮質骨上のスリーブの位置は骨除去部位の特定に役立ちます。
3. 骨の除去に使用する深さ調整ドリルまたは圧電器具はスリーブと平行に保たれ、そのサイズは 4 mm に制限されます。
4. 必要に応じて、パイロットドリルを使用して、所定のレベルと角度で根尖切除を誘導することができます。

図 7 は、ガイドを使用して根尖手術の一般的な手順をまとめたものです。

Strbac らによる最近の症例報告では、根尖病変を伴う上顎後歯 (第一大臼歯と第二小臼歯) の計画的骨切り術と根尖切除術に対する 3D プリント手術ガイドの治療計画と適用について説明しました。外科用ガイドは、上顎洞を穿孔することなく、過剰充填材料を正確に除去できるように、過剰充填材料を配置するためにも使用されます。 1年後の追跡調査で、根尖病変の治癒がX線写真で確認されました。ナビゲート歯根尖手術の潜在的な利点としては、手術時間の短縮、精度の向上、術後の不快感の軽減などが挙げられます。

現時点では、根尖手術における 3D プリントガイドの使用に関する他の症例報告はありません。（それは正確ではありません。実際、国内の文献を含め、すでにかなりの数があります。）さらに、根尖歯科手術はあまり一般的ではないため、スキル経験を積んで複雑な症例の管理を容易にするために、3Dプリントされた手術ガイドが必要です。したがって、根尖手術におけるナビゲーション技術の潜在的な利点と歯科教育におけるその使用について、さらなる研究が必要です。

4.触覚シミュレーターを操作する
1. 基本情報仮想現実シミュレーションシステムは、外科医や医学生の訓練に使用されてきました。仮想現実シミュレーションシステムは、環境の視覚的および聴覚的なシミュレーションを生成し、触覚デバイスなどの特殊な周辺機器を介した対話を可能にします。

触覚デバイスは、仮想現実シミュレーションシステムと触覚シミュレータに接続されており、リアルタイムのロボットフィードバックシステムを通じて振動とフィードバックを生成し、感覚と触覚体験を刺激することができます。ほとんどの触覚デバイスは空間移動の自由度が 6 度であるのに対し、フォースフィードバックは自由度が 3 度であるため、現実感は制限されます。触覚デバイスは、(図 8) で表されます。それぞれ、Geomagic® Touch™ および Touch™ X (3D Systems Inc.、米国サウスカロライナ州ロックヒル) (旧称 PHANToM® Omni および PHANToM® Desktop)、および Virtuose™ 6D Desktop (Haption SA、フランス、ソウルジェシュルウエッテ)。

歯科における 3D 画像データと組み合わせた触覚および仮想現実技術の融合により、仮想口腔解剖を作成し、リアルタイムの視覚、触覚、聴覚フィードバックを通じて歯科治療プロセス (3D 仮想計画) をシミュレートできる歯科触覚シミュレーターが登場しました。したがって、これらのデバイスは主に口頭指導や 3D 仮想設計に使用されます。

触覚シミュレータの機器構成は、開発段階によって大きく異なります。現実感を再現するために、ほとんどの市販デバイスは、半透明の鏡にインタラクティブな 3D 仮想シミュレーションを投影し、鏡の下に触覚デバイスを設置して、視野角、患者の頭の位置、および操作者の手の向きを再現します。このようなデバイスは、付属のモニターを使用してコースウェアを表示したり、仮想歯科用ミラーを備えたその他の触覚デバイスを使用して間接視覚や両手操作への適応を改善したりすることもできます。代表的な触覚シミュレーターとしては、Simidont® Dental Trainer と Voxel-Man システムがあります (図 9 および 10 を参照)。

（II）歯内療法への応用<br /> 根管治療では、外科医は優れた解剖学的知識、放射線画像と CBCT の正しい解釈、強力な実践能力、優れた手と目の協調性、根管と手術器具の正しい取り扱い、治療プロセス中の視覚、聴覚、触覚のフィードバックに対する知識を備えている必要があります。したがって、歯内治療の指導において、触覚シミュレーターは、さまざまな非外科的および外科的治療手順の現実的なシミュレーションを提供するのに最適です。ただし、触覚シミュレーターは、根管への歯内アクセス、骨切除、および根尖切除用にのみ市販されています。 VirTeaSy Dental (HRV、Laval cedex、フランス) と Simodont® Dental Trainer が含まれます。

2つの実験的触覚シミュレーター、HVRSとVoxel-Manが、それぞれ非外科的口腔内治療と外科的口腔内治療のためにテストされました（表2）。これらの研究は、触覚シミュレーターが歯髄管形成、骨切除、根尖切除などの口腔内治療の指導ツールとして使用できることを示唆しています。しかし、これらの研究は参加者数が少なく、主観的であり、ランダム化比較試験が欠如しており、また、研究者の熟練度にばらつきがあったため、研究の質を向上させるには、より大きなサンプルとより厳密な実験設計が必要である。

V. 結論 3D イメージング、3D プリント、3D 仮想ナビゲーションが継続的に改善され、治療結果を最適化し、患者の快適性を向上させるスキル開発の必要性が増すにつれ、これらのテクノロジーを非外科的および根尖外科的処置の教育および臨床症例管理に使用することには潜在的な利点があります。

著者: ヤオ・リーピン、ルー・ジーシャン

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