歯科医院における3Dプリント技術の応用

3D プリント技術はラピッドプロトタイピング技術の 1 つで、1980 年代にエンジニアリング分野で初めて使用されました。再構築された 3 次元デジタルモデルを使用し、それをレイヤーに分割し、レイヤーごとに積み重ねてソリッドモデルを作成します。 3Dプリント技術が医療分野で初めて応用されたのは1990年で、開発者がこの技術を使用して、CTスキャンから得られた頭蓋骨の解剖学的データを頭蓋骨の解剖学的モデルに複製することに成功しました[ ]。 20 年以上の開発を経て、口腔インプラント、脳神経外科、整形外科、顎顔面補綴物の製造に広く使用されるようになりました。この記事では、3D プリント技術の原理と、口腔科学のさまざまな臨床部門におけるその応用に焦点を当てています。
1 3Dプリントの原理
1.1 データ収集 3次元データの収集はモデル作成において重要なステップです。現在、一般的に使用されている方法は、ソフトウェア設計、光学スキャン、機械スキャン、放射線スキャンの 4 つです。設計ソフトウェア（SolidWorks や Catia シリーズソフトウェアなど）を使用して設計されたモデルは、実際のオブジェクトの寸法に制限される必要がなく、計算、分析、変更、編集に便利です。光学スキャンでは、3次元レーザースキャン、投影格子測定、モアレ縞法、ステレオ写真などの方法がよく使用されます。これらの方法はスキャン速度が速く、精度も優れていますが、形状が複雑なためスキャン時に死角が生じ、スキャンデータにエラーが発生します。機械式スキャンは、機械式プローブの自由度が増すため、スキャンの死角領域を減らすことができますが、スキャン速度が低く、価格コストが高くなります。医療分野では、コンピュータ断層撮影や磁気共鳴画像技術の発達により、放射線診断はより低侵襲かつ正確になり、高解像度の3次元画像データを数秒以内に取得できるため、3次元データを取得する理想的な手段となっています。

1.2 データ処理取得したデータは 3D 再構成ソフトウェアにインポートされ、通常は専用の高性能コンピュータを使用して処理されます。 CT スキャンから取得したデータを例にとると、CT スキャンの DICOM 形式のデータは、Mimics または Geomagic、Imageware 11.0 ソフトウェアにインポートされます。これらのソフトウェアは、DICOM 形式のデータを読み取り、異なる密度の組織のしきい値を設定し、形態学的表面を構築し、3 次元モデルを再構築できます。データは STL 形式で保存されます。この 3D 再構成グラフィックスは、ほぼ三角形の「フラグメント」で構成されています。3D 再構成モデルでは、三角形の「フラグメント」の数が多いほど、つまり三角形の「フラグメント」が小さいほど、再構成モデルは洗練され、グラフィックスは滑らかになります。 STL形式のデータは3Dプリンターによって認識され、最終的に3Dプリンターがモデルを印刷します。

1.3 3D プリント3D プリントは、3 次元データを使用してソリッドモデルを製造する方法であり、ラピッドプロトタイピング技術です。製造方法の種類に応じて、次のように分類できます。
①光硬化成形は、フォトポリマーを使用し、紫外線レーザー照射により硬化させます。

②選択的レーザー焼結法とは、高出力レーザー（EOSGMBH、ミュンヘン、ドイツなど）を使用して、熱可塑性材料（ナイロンなどのポリマー、青銅合金やチタン合金などの金属、セラミック、ガラスなど）の粉末の小さな粒子を融合するプロセスです。
③溶融堆積成形とは、溶融した熱可塑性材料または共晶金属粉末を噴出させ、直ちに固化させる成形方法です。
④積層造形とは、接着剤を使って紙やプラスチックフィルムを貼り合わせ、レーザーで形を整える方法です。
⑤インクジェット印刷技術は、さまざまな種類の微細粉末を印刷し、接着剤を塗布してから次の層を印刷します。インクジェット印刷技術では、生きた細胞と生体材料を同時に印刷することで、さまざまな組織や生きた臓器を含む 3 次元の生物学的足場を構築することもできます。

2 口腔科学における3Dプリント技術の応用
2.1 口腔外科および顎顔面外科における 3D プリント技術の応用により、外科手術は従来の純粋に経験的な方法からデジタルかつ精密なものへと進化することができました。顎顔面の外傷や腫瘍は、顎顔面の骨折や骨欠損を引き起こす可能性があります。顎顔面領域の正常な解剖学的形態を回復し、良好な咬合関係と言語機能を維持することは、生活の質を向上させる上で非常に重要です。しかし、顎顔面領域の解剖学は複雑であり、脳などの重要な臓器が隣接しているため、個人差があり、診断や治療が困難になります。従来の顎顔面外科手術では、診断と計画の際に 2 次元 X 線を使用していましたが、正確な解剖学的情報を提供することができませんでした。コーンビーム CT の普及により、3 次元の顎顔面解剖を再構築できるようになり、診断と治療の質が大幅に向上しました。

1990年代には、海外の学者たちが3Dプリント技術を頭蓋顎顔面手術の術前評価、手術計画、シミュレーションに応用しようと試み始めました。一部の学者による研究によると、3Dプリント技術の応用により、診断精度は29.60%、手術精度は36.23%向上し、手術時間は17.63%短縮されたことが示されています。 21 世紀に入り、3D プリント技術は、顎矯正手術の測定と評価、広範囲の顎顔面欠損の再建と修復、複雑な骨折の術前診断、評価、手術計画に広く使用されるようになりました。中国の曹川氏は、コンピューターソフトウェアを使用して充填モデルを再構築および製造し、最終的に充填モデルに従ってインプラントを彫刻し、下顎の非対称変形を正常に修正しました。 Sun Yuhua らは、複雑な頬骨骨折の患者に対して正確な術前評価を実施し、手術アプローチと整復方向を設計しました。

2012年、ベルギーのハッセルト大学生物医学研究所は、3Dプリント技術を使用して、83歳の患者のためにチタン合金製の下顎骨を作製しました。患者は手術の翌日に発話機能と嚥下機能を回復しました。 Ciocca らは、CAD/CAM 技術を使用して、腓骨皮弁移植による下顎部分切除の修復モデルを作成し、そのモデルを使用して下顎切除の位置をガイドするデバイスと腓骨皮弁固定用のチタンプレートを作成しました。チタンプレートは現在固定に使用されており、将来的には骨欠損の修復のための再生足場を直接作ることができるかもしれないと研究者らは考えている。

2.2 口腔インプラント学1980 年代、インプラント技術はまだ開発の初期段階にあり、手術中に粘膜骨膜フラップを開いた後、局所の骨組織の状態に基づいてインプラントの設置角度と位置を決定する必要がありました。インプラントの位置異常などの悪影響のリスクが比較的高かったのです。その後、歯科医は、手術前に修復物の位置を決定することによってインプラントの位置を誘導し、修復物によって患者の良好な機能と美観を回復するという新しい概念を提案しました。

3D プリント技術を使用すると、手術前にインプラント領域の解剖学的構造を分析し、手術前のインプラント設計位置を手術患者のインプラント領域に転送するためのインプラントガイドを作成できます。インプラントソフトウェアは、インプラント領域の骨量を評価したり、上顎洞や下歯槽神経管などの重要な解剖学的構造までの距離に関する詳細なデータを測定したり、インプラントの種類、サイズ、最適な位置や方向を設計したりすることもできます。同時に、上記のパラメータに基づいてインプラントガイドが設計され、3Dプリント技術を使用して製造されました。これは主に、インプラントが重要な解剖学的構造を避ける必要がある患者、複数のインプラントで一貫したインプラント角度を得る必要がある患者、即時の義歯修復を完了する必要がある患者、骨量が不十分で骨移植を受け入れない患者に適しており、インプラント義歯の適応が増加しています。

2.3 補綴学<br /> 国内の修復医学は、3Dプリント技術を長い間応用してきました。2003年には、金樹人らが口腔修復物の技術的ルートを模索していました。彼はCNCレーザースキャンシステムを使用してフルクラウンのワックスモデルをスキャンし、リバースエンジニアリングソフトウェアを使用してフルクラウンのデジタルモデルを形成しました。最後に、SPS250レーザーラピッドプロトタイピングマシンを使用して、樹脂フルクラウンの製造に成功しました。数年にわたる開発を経て、スキャン精度とモデリング効率が大きく進歩しました。

既存の技術では、レーザーを使用して純チタンクラウンを正確かつ迅速に製造できるだけでなく、リバースエンジニアリングと 3D プリント技術を使用して、パーソナライズされたポストとコアを製造することもできます。現在、ドイツのBEGO社が開発した選択的レーザー焼結技術を用いたクラウンやブリッジの3Dプリント技術は中国で商品化され、日常的な臨床修復方法となっている。 3Dプリント技術はクラウンやブリッジの製造に使用できるだけでなく、Lu Peijunの研究チームは独自に開発した設計ソフトウェアを使用して、デジタルモデルの観察と取り外し可能な部分義歯フレームワークの設計と製造も行っています。この技術は、便利で高速かつ高精度な製造の利点があるだけでなく、原材料の無駄など、従来の加工方法の欠点を効果的に回避します。

趙一民氏の研究グループは、早い段階から義肢製作に着手した。彼らはレーザーで患者の欠損部の石膏模型をスキャンし、ソフトウェアを使って欠損部の画像をリバースエンジニアリングし、模型を再構築した。その後、選択的レーザー焼結技術を使って複合ワックス粉末を焼結し、鼻の欠損部のワックス模型を製作し、さらに鼻用のシリコンゴム義肢を製作した。この技術を利用することで、患者の欠損部分の画像を正確かつリアルに再現できるため、医師の作業負荷が軽減されます。同時に、義歯に劣化の兆候が見られる場合、データを直接取得してワックスモデルやシリコンゴム義歯を作成することができます。

2.4 歯科医学<br /> 根管治療を完璧に行うための前提条件は、歯髄腔と根管系の解剖学的特徴に精通していることです。伝統的に、根管系の研究には、スライス切断、透明歯模型法、X 線法が一般的に使用されています。画像技術の発展に伴い、3次元画像再構成技術が根管形態の研究に応用され始めています。再構成された画像を使用して、根管の形態をさまざまな角度から観察し、根管系の解剖学的特徴と変化を理解して要約するために、根管の形態を総合的に測定および分析することができます。再構成されたモデルは、3Dプリント技術によって具体化され、複雑な臨床根管の口腔指導や術前診断、シミュレーション手術にも広く利用できるようになります。 Kferらは、複雑なクラスIIIの歯の陥入を伴う患者に遭遇しました。歯髄の生命力を保護するために、CTで歯の根管の解剖学的構造を取得し、樹脂モデルを作成し、樹脂モデルに基づいて手術計画を策定して手術をシミュレーションしました。最終的に、歯髄腔を破壊することなく陥入腔を充填することに成功しました。

2.5 矯正歯科<br /> 歯列矯正治療の過程では、写真と石膏模型が治療過程の監視と記録のゴールドスタンダードとなります。模型は、歯の位置や大きさなど、患者の元の記録を正確に提供することができます。しかし、臨床現場で石膏模型を使用するには、保管の負担、損傷や破損のリスク、重量の重さ、同僚の専門家や患者とのコミュニケーションの不便さなど、多くの困難があります。 3Dプリントに基づくデジタルモデルの登場により、これらの問題は大幅に解決されました。石膏モデルと比較して、デジタルモデルのデータ測定も非常に正確です。 Leifert らは、デジタルモデルと石膏モデルの平均測定差は 0.5 mm 未満であることを発見しました。

Whatten らは、デジタルモデルと石膏モデルを比較して、デジタルモデルは計画に必要なすべての術前データを完全に提供でき、石膏モデルの代わりとして機能できると考えました。それだけでなく、必要に応じてデジタルモデルを物理モデルにすることもできます。 Kasparova らは、INEOS スキャナーで石膏模型をスキャンしてデジタルモデルを取得し、3D プリンターを使用して 3D プリントモデルを製作しました。いくつかのポイントを選択して 2 つの精度を比較した結果、最終的に、 3D プリントモデルは、速度、精度、価格面で有利であるため、従来の石膏模型に取って代わることができるという結論に達しました。臨床現場では、デジタルモデルが光学的に取得され、関連ソフトウェアで分析されます。これにより、従来の型取り方法によって患者に生じる不快感が解消されるだけでなく、必要に応じてモデルを印刷できるため、データの保存と検索が容易になります。現在、ブラケットレスの目に見えない歯列矯正技術は急速な発展段階にあり、3Dプリント技術もその中で重要な役割を果たしています。そのコアテクノロジーには、次の 3 つの部分が含まれます。

まず、歯列顎のデジタルモデルを3次元で再構築しました。
次に、コンピューター支援診断と設計を使用して歯の移動をシミュレートします。計画が決定された後、シミュレートされた歯の模型が 3D 印刷技術を使用して印刷されます。
最後に、ホットプレスフィルム形成技術を使用して目に見えない矯正器具が作られます。 3Dプリント技術の成熟により、より正確な歯科模型を製作できるようになり、生産コストも削減され、目に見えない歯列矯正技術の普及に大きな効果をもたらします。

３展望 現在、3Dプリントをサポートする材料は比較的限られており、主に液体樹脂、ワックス、金属粉末などですが、口腔のデジタル化の一般的な傾向の下で、口腔の3次元画像化技術、3Dプリントされた組織工学スキャフォールド、クラウンとブリッジ、パーソナライズされたブラケットなどのさらなる研究は、私たちの概念に革命をもたらすだけでなく、口腔臨床実践に破壊的な発展をもたらすと予測できます。

編集者: Antarctic Bear 著者: Sun Cheng、Yu Jinhua (南京医科大学口腔科学研究所)

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