[徹底分析] 歯科インプラントにおける3Dプリントの応用

歯科は、非生物学的 3D プリントの最も有望な分野の 1 つです。歯科修復における 3D プリント技術の応用には、主に取り外し可能な義歯、矯正器具、歯科インプラントが含まれます。歯科は現在、3D プリント技術の大規模な応用にとって最も有望な医療分野です。Smartech 市場調査レポートの予測によると、2020 年までに歯科業界の 3D プリントの市場規模は 23 億米ドルを超えると予想されています。

1. はじめに
3Dプリンティング技術は「付加製造技術」とも呼ばれ、ラピッドプロトタイピング技術から生まれました[1]。 1980 年代には、物体を層ごとに構築するというアイデアである積層製造 (AM) の登場により、世界初の 3D 印刷システムが開発されました。 1986年、アメリカのチャールズ・ハルがステレオリソグラフィー方式の3Dプリンター装置を開発し、3D Systems社を設立しました。現在、3D プリントにはさまざまな技術とプロセスがあります。最も初期のものはステレオリソグラフィー装置 (SLA) でした。その後、ストラタシスの創設者であるクランプ氏が熱溶解積層法 (FDM) を発明しました。その後、テキサス大学オースティン校のダーク博士が選択的レーザー焼結法 (SLS) を発明し、これを基に選択的レーザー溶融法 (SLM) などが開発されました。 3D プリント技術は医学と歯科に新たな道を切り開いています。

デジタル医療 3D プリンティングでは、さまざまな 3D プリンティング技術を使用して、医療画像データから得られた人体解剖学のコンピュータモデルから人体の正確な物理モデルを印刷および製造します。歯科における 3D プリントの用途には、教育、視覚化、術前計画、手順のリハーサル、シミュレーション、カスタム医療インプラントの設計、組織工学などがあります。この記事では主に、歯科ガイド分析と外科手術シミュレーションを通じて口腔修復における 3D プリントの応用について説明します。

2. 口腔インプラント
1960年代にはスウェーデンのブラーネマルク教授が創始した骨結合理論が今日の口腔インプラント学の生物学的基礎を築き、1965年にはチタンインプラントを用いた世界初の口腔インプラント手術を完成させました。 1980 年代には、口腔インプラント学の発展により、口腔科学の分野で最も注目される新興分野となりました。従来の修復方法と比較して、インプラント義歯修復には、隣接する歯に損傷を与えないこと、審美性と機能の両方を考慮していること、長期的な効果が信頼できることなど、多くの利点があります。しかし、口腔インプラント手術では、インプラントが理想的な位置に配置され、手術のリスクと合併症が軽減されるようにすることが臨床医にとって課題となっています。

インプラント手術を行う前に、臨床医は次のような要素を考慮する必要があります。①インプラント周囲に十分な歯槽骨があること。②インプラント手術によって重要な解剖学的構造が損傷されないこと。③インプラントの位置、方向、角度、深さが修復および審美の要件を満たしていること。

骨量が不十分な患者の場合、手術では、重要な解剖学的構造を損傷しないようにインプラントの位置、方向、角度などの正確性を確保しながら、残っている骨を最大限に活用する必要があります。これらは、臨床医、特に経験の浅い医師にとって間違いなく大きな課題です。

上記の問題を解決するために、Edge は 1987 年に取り外し可能な部分入れ歯の設計を適用し、模型のマーキングに従って自己硬化プラスチックを使用した最初のインプラントガイドを作成しました (図 1)。それ以来、ガイドプレートはインプラントの分野で使用されるようになりました。

図1 エッジインプラントガイド (a) ダイキャストガイドの顎顔面の外観 (b) ダイキャストガイドを使用したインプラントの配置と方向の設計

3. 口腔インプラントガイドのデジタル 3D プリント<br /> 従来の口腔インプラント技術では、手術前にX線撮影を行うだけなので、インプラント部位の3次元構造を表示することはできません。このような二次元画像で表現される情報は限られており、医師が得る術前情報は不完全であるため、術中の不確実性が増し、手術時間が長くなり、治療効果の予測が困難になるなどの問題が生じることがよくあります。インプラント修復の精度は保証されず、その適用には一定の制限があります。

コンピュータ断層撮影（CT）[5]の登場により、医師はCT画像を使用して、手術前に患者に関するより包括的な情報を得ることができます。CT画像は従来の2次元データよりも詳細で、周囲の組織構造との関係がより正確です。3次元画像を表示できるだけでなく、正確な測定も実行できます。骨の実際の解剖学的構造と形態を表示できるため、臨床医は手術前に重要な解剖学的構造を分析し、骨量と三次元構造を評価することができます（図2）。しかし、インプラント手術の実際の操作は、依然として医師の経験に依存しています。しかし、どんなに経験豊富な医師でも、CT画像だけに基づいて、術前に設計されたインプラントの位置、方向、角度などを患者の口内に正確に伝達することはできず、実際のインプラントの位置が予想位置から外れることは避けられず、ひどい場合には重要な解剖学的構造に損傷を与えることさえあります。

図2 さまざまな解剖学的構造を示す3次元CT画像

1990年代以降、CTの精度は継続的に向上し、コンピューター支援インプラント設計ソフトウェアと3Dプリント装置の開発も継続的に改善され、デジタル歯科技術はより成熟し、術前のインプラント計画を患者の口の中に正確に転送できるようになりました。口腔インプラントでは、ますます多くの臨床医が術前計画に3次元デジタル手法を使用し、CTスキャン画像を通じて骨量と骨構造を評価し、コンピュータ支援設計ソフトウェアを使用して術前の仮想設計を行い、インプラント配置の位置、方向、モデルを決定し、3Dプリント技術を使用してインプラントガイドを作成し、設計プログラム内の仮想インプラント計画を患者の口に正確に転送しています。デジタル 3D プリントガイドの誕生により、医師のインプラントの精度と成功率が大幅に向上し、医師がインプラントの最も理想的で正確な 3 次元位置と方向を得るために正確なインプラントを実行できるようになりました。手術のリスクが大幅に軽減され、臨床現場で広く歓迎されています。

口腔インプラント手術用のデジタル 3D プリントガイドテンプレートは、3D プリントインプラント手術ガイド、または略して「ガイド」とも呼ばれ、術前に仮想設計されたインプラント計画を患者の口に正確に転送するパーソナライズされた手術補助ツールです (図 3)。これにより、臨床医は手術中にインプラントの位置、方向、角度、さらには深さを正確に制御し、医師のインプラント配置を支援し、最終的なインプラント修復を理想的な術前設計計画と一致させることができます。

図3 デジタル3Dプリントインプラントガイド

3D プリントされたインプラント手術ガイドは、サポートの形式に応じて 3 つのタイプに分けられます (図 4)。

① 歯支持型ガイドプレート：このタイプのガイドプレートは、歯のない領域の隣接歯に直接固定できます。主に、1本または少数の歯が欠損している患者に適しています。インプラントは、低侵襲のフラップフリーインプラント手術で完了できます。 ②粘膜支持型ガイドプレート：事前に骨量や粘膜の状態を把握し、無歯顎部の歯槽頂粘膜にガイドプレートを直接固定する必要があり、連続した複数歯の喪失患者に適しています。
③ 骨支持型ガイドプレート：無歯顎部の顎骨表面にガイドプレートを直接固定します。歯の欠損が多い場合や骨欠損、不確実性がある場合は、従来のフラップ手術も必要です。

これらのガイドプレートは、主にステレオリソグラフィー（SLA）印刷を使用して作成されており、印刷精度が高く、医療用感光性樹脂材料を使用しているため、比較的安全です。成形されたガイドプレートは滅菌されており、患者の口に直接配置できます。さらに、FDM 印刷を使用して製造することもできます。このソリューションは、単一の欠損歯の設計と製造プロセスが比較的簡単で、処理時間が短いため、広く推進され、使用されています。

手術中、医師はガイドプレートを歯に固定し、ガイドプレートのガイド穴に沿ってドリルで穴を開けてインプラントの正確な位置と方向を決定し、最後にインプラントを移植します。ガイドプレートの助けを借りて、医師は手術時間と術後の反応を減らすことができ、フラップインプラント手術の必要がありません。

(ア)

（ロ）

図4 (a) 粘膜支持型ガイドプレート (b) 歯支持型ガイドプレート

ガイドプレートの配置方法によって、半範囲ナビゲーションガイドプレートと全範囲ナビゲーションガイドプレートに分けられます。半距離ナビゲーションガイドは、操作中に位置決めドリルの位置決めをガイドするだけであり、位置決めが完了するとガイドは削除されます。図5は、半距離ガイドプレートと位置決めドリルを示しています。フルコースナビゲーションガイドとガイドと組み合わせて使用される圧力プレートは、医師が最後のドリルを完了するまで、多段階リーミングドリルをガイドします。図 6 は、完全なガイドプレートと対応するドリルを示しています。

図5 半距離ガイドプレートと位置決めドリル

図6 フルコースナビゲーションボードとフルコースナビゲーションボックス

4. 3Dプリント口腔インプラントガイドの利点<br /> 近年、口腔インプラント技術は急速に発展し、適応範囲がますます広がっていますが、インプラントの合併症も増加しており、追加手術の種類も増加しています。

顎骨にインプラントを埋め込む際に、臨床インプラント外科医がインプラントの方向と深さを正確に決定できない場合、重要な解剖学的構造を損傷し、術中および術後に深刻な合併症を引き起こす可能性があります[13]。したがって、インプラントの配置方向と位置を正確に制御し、重要な解剖学的構造を避けることが特に重要です。

臨床実践により、インプラント手術の成功の鍵は、手術前に正確で合理的な治療計画を立てるだけでなく、計画を正確に実行するための保証と手段を提供すること、つまり、設計された手術計画を臨床手術に正確に転送し、インプラントの場所、方向、角度が術前計画と一致していることを保証し、インプラント計画を患者の口内に正確に実行できることにあることがわかっています。現在、手術計画の転送を実現する主な方法は 2 つあります。1 つはリアルタイムナビゲーション、もう 1 つは静的デジタルインプラント手術ガイドです。

リアルタイムナビゲーション手術では、手術の進行に応じて、画像システムが顎の実際の状態に関するリアルタイムのフィードバックを提供します。医師はナビゲーション情報に従っていつでもインプラントの位置、方向、角度を調整し、最適なインプラントの配置を実現できます。理論的には、リアルタイムナビゲーションはインプラント手術の要件に合致していますが、研究によると、ナビゲーションシステムはトラッキングエラーや垂直偏差が発生しやすく、表示された状態と実際の状態の間に不一致が生じ、手術時間が長くなることがわかっています。また、術前設計と修復設計によって導かれる最適なインプラント位置を達成することは不可能です。この技術はまだ成熟しておらず、現在世界で主流の技術ではありません。デジタルインプラントガイド技術は、手術前に患者の3次元顎情報に基づいてインプラントの埋入部位、角度、方向、長さを設計し、重要な解剖学的構造や病変部を避けたり、患者固有の構造上の利点を最大限に活用して手術リスクを最小限に抑えたりすることができます。また、事前に設計された修復情報をインプラント設計に統合し、修復志向のインプラント設計と実装を真に実現することもできます。デジタルガイドの精密な設計により、手術による外傷や患者へのリスクを軽減できるだけでなく、手術時間を短縮し、術前の修復設計計画を実現し、治療の効率と品質を向上させ、医師の手術管理を強化し、複雑な手術を簡素化することができます。

一般的に使用されている従来のプレスフィルム手術ガイドは、診断モデルの粘膜レベルでのみ作成されます。骨組織の情報がないため、重要な解剖学的構造の位置と形態を決定できず、インプラント領域の顎骨と隣接歯の3次元情報を取得できません。そのため、インプラントの最終的なインプラント位置は、依然として主に医師のスキルと経験に依存します。

従来のインプラント技術と比較して、3D プリントされたデジタルガイドを使用するインプラント技術には、次のような利点があります。

① 術前計画を臨床手術に正確に転送できるため、インプラントの配置位置、方向、角度の正確性を完全に保証でき、インプラント手術のリスクを大幅に軽減し、重要な解剖学的構造への損傷を回避できます。
② 残存骨量を十分に活用できるため、追加手術の必要性が減り、手術による外傷も最小限に抑えられます。
③十分な骨量がある患者様の場合は、皮弁を開く必要がなく、低侵襲手術でインプラント手術が完了するため、患者様の痛みが軽減されます。
④デジタル3Dプリントインプラントガイドにより、術前のインプラント設計計画を正確に伝達することが可能となり、術前に計画通り仮歯を作製できるため、術後すぐに修復することが可能となります。
⑤ 修復志向のインプラント設計を実現し、修復後の審美的・機能的効果の予測可能性を向上させ、医療・技術コミュニケーションをより直感的かつスムーズにします。
⑥手術前に3次元情報を用いて手術計画や術後の効果を患者に直感的に示すことができ、医師と患者間のコミュニケーションが円滑になり、紛争の発生が軽減されます。

5. デジタル3Dプリントインプラントガイドの開発動向<br /> Edge は 1980 年代に最初のインプラントガイドを製造しました。それ以来、インプラントの分野でガイドプレートの応用はますます一般的になってきました。従来のインプラント手術ガイドは、平面X線画像の情報に基づいており、インプラントポイントは石膏模型上に設定され、自己硬化プラスチックを使用するか、真空ラミネーターで熱圧されます。このタイプの従来のシンプルなガイドは、作成が簡単で安価であり、手術中にインプラントの位置と方向をある程度ガイドします。しかし、このタイプのガイドは、石膏模型上でインプラントの設置場所と方向を特定するために使用されます。顎の解剖学的構造の3次元画像情報をガイドの設計と手術プロセスに正確に転送することは困難です。精度と正確性は低く、手術は依然として主に臨床医の経験に依存しており、予測不可能でリスクがあります。

デジタル情報技術の継続的な発展とデジタル機器の普及に伴い、情報技術と医療技術の交差点である「デジタル医療」は、理論的研究、臨床応用実践、技術開発の面で急速に発展する新しい分野となっています。口腔インプラントの分野では、インプラント計画の設計からインプラント手術の実施、修復物の加工・設計まで、デジタル医療が欠かせません。

デジタルインプラント技術では、まず臨床医が患者のデジタル情報を取得する必要があります。従来の画像化方法は、歯科用フィルム、曲面フィルム、バイトウィングフィルム、根尖フィルムなどのフィルムベースの平面画像です。これらの平面画像では、手術部位の歯槽骨の形態、上顎洞底の空間形態、隣接歯の根の方向などのデジタル 3 次元空間情報を提供することはできません。口腔外科領域におけるコンピュータ断層撮影（CT）の応用により、この技術はインプラント部位の骨質や骨量の評価やインプラント手術計画の立案に使用され始めています。しかし、当時使用されていたスパイラルCT装置は高価で、占有面積が大きく、大量のX線を消費するなどの欠点があったため、口腔インプラント分野におけるCT技術の応用は大きく制限されていました。 1998年にMozzoらは口腔領域に初めてコーンビームCT（CBCT）を適用し（図7）、CT技術の口腔領域への応用を促進し、口腔医学における重要な画像検査法の1つとなりました。従来のスパイラルCTと比較すると、CBCT装置は小型で、比較的安価で、スキャン時間が短く、放射線量も少なく、全口歯科X線よりも低くなっています。解像度が高く、位置決めが正確で、歯と顎の組織を鮮明に表示できます。現在、CBCT は口腔インプラントの術前検査の日常的な手段となっています。

図7 コーンビームCTスキャナ

3Dプリンティング技術は、機械工学、CAD/CAM[21]、数値制御技術、レーザー技術、材料技術の成果を統合した積層造形技術であり、20世紀の製造技術分野における大きな進歩である。 3Dプリント技術の医療分野への活用は1990年代初頭に始まり、CTやMRIなどの3次元検出技術の発達とともに急速に発展してきました。つまり、CT または MRI スキャンによって層ごとに確立された 3 次元情報がコンピューターソフトウェアを介して変換され、CNC 加工コマンドが得られ、その後、3 次元モデルが層ごとに製造されます。過去10年間、口腔専用の3次元画像技術CBCTとラピッドプロトタイピング技術の継続的な進歩により、デジタルインプラント技術が登場し、発展してきました。その中でも、デジタルインプラント手術ガイド技術の発展は特に急速でした。コンピュータ支援設計ソフトウェアの支援により、コンピュータ断層撮影から得られた 3 次元データ情報と、修復指向の設計コンセプトおよびラピッドプロトタイピング技術を組み合わせて、臨床手術に必要なデジタルインプラント手術ガイドを作成します。デジタルインプラント手術ガイドの主な目的は、診断、手術、修復の精度を向上させ、外傷と手術時間を減らし、術前の設計を患者の口に正確に転送することです。

3Dプリント技術の発展に伴い、口腔インプラントの分野でのデジタル医療用3Dプリントの応用がますます一般的になり、複雑な症例の口腔インプラント手術の時間が大幅に短縮され、リスクが大幅に軽減され、手術結果と長期的な修復効果が大幅に向上しました。しかし、インプラントガイドは口腔インプラント手術の補助ツールにすぎないことを認識する必要があります。最終的には、患者の手術を成功させるには、臨床医の合理的な設計と豊富な経験に依存します。この技術は拡張できますが、ガイドの役割を盲目的に誇張したり拡大したりすべきではありません。国内の科学研究者と歯科医師の共同の努力により、国内の手術ガイド技術はますます発展していくと信じています。

著者: 陳紀敏、張成宇、北京理工大学、北京デジタル医療 3D プリント工学技術研究センター

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