ITC( 情報通信技術 ) を活用したものづくりの現状とこれから歯科用 3D-CAD/CAM システムの現状と今後について * Current Status and Future of Dental 3D-CAD/CAM Systems Key words 間瀬俊明藤原稔久 Tosh

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よしじろうあみおか
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ITC( 情報通信技術 ) を活用したものづくりの現状とこれから * Current Status and Future of Dental 3D-CAD/CAM Systems Key words 間瀬俊明藤原稔久 Toshiaki MASE and Toshihisa FUJIWARA digital dentistry, CAD/CAM, 3D scanner, milling

その一つとして医療機器産業への期待が高まっている. 一方で, 日本独自の国民皆保険制度や薬事法など, さまざまな制度や規制が新技術の製品への迅速な反映や新規参入を難しくしている. 厚労省はその是正に向け薬事法の改正に取り組み, 本年 11 月より医薬品医療機器等の品質, 有効性及び安全性の確保等に関する法律 ( 略称, 医療品医療機器等法 ) が施行された.

1 ITC( 情報通信技術 ) を活用したものづくりの現状とこれから * Current Status and Future of Dental 3D-CAD/CAM Systems Key words 間瀬俊明藤原稔久 Toshiaki MASE and Toshihisa FUJIWARA digital dentistry, CAD/CAM, 3D scanner, milling machine, prosthesis, prosthodontic, dental technician, dental lab., hybrid resin, medical insurance 1. はじめに産業空洞化と少子高齢化は, 日本経済の成長力低下の大きな要因となっている. 経産省を中心に再び活力ある社会を取り戻そうと, 日本再生戦略のなかで新産業創出の仕組み作りが検討されてきた. その一つとして医療機器産業への期待が高まっている. 一方で, 日本独自の国民皆保険制度や薬事法など, さまざまな制度や規制が新技術の製品への迅速な反映や新規参入を難しくしている. 厚労省はその是正に向け薬事法の改正に取り組み, 本年 11 月より医薬品医療機器等の品質, 有効性及び安全性の確保等に関する法律 ( 略称, 医療品医療機器等法 ) が施行された. そんななか筆者らは自動車産業で培った CAD/CAM/ CAE 技術や計測加工技術の歯科医療業界への応用をめざし取り組んできた. 本稿では歯科用 CAD/CAM システムを取り巻く医療環境や技術開発の現状, そして今後の方向について, 主に筆者らが開発した製品とそれを構成する技術を通して解説したい. 2. 歯科医療産業の現状平成 24 年度の医療費は 39 兆 2117 億円, 一人当たりの国民医療費は 30 万 7500 円となっている. 一方, 歯科診療費は 2 兆 7132 億円で医療費の 6.9%, 一人当たりでは 2 万 1300 円である 1), 2). これは先進国の中で最も低いレベルにあり, 総医療費は GDP 比で 16 位, 一人当たりでは 19 位である 3). 患者にとっては好ましいが, 先進医療の遅れや, グローバルな競争力の低下が心配される. 総医療費が低い理由として, 高齢化で患者が増加しても, 皆保険制度維持に必要な財源を保険料値上げに求めにくいことが挙げられる. 歯科に限ればその傾向はさらに強く, そのしわ寄せを受ける歯科技工士 ( 以下技工士 ) や歯科衛生士も含め, 歯科医療産業全般に関わる構造的な問題となっている. * 原稿受付平成 26 年 12 月 22 日デジタルプロセス株式会社 ( 神奈川県厚木市中町 2-9-6) 2.1 歯科技工に関する現状についてインレー, クラウン, ブリッジ, 義歯, インプラントなどの, いわゆる補綴物 ( 人工歯 ) の大半は, 国家資格をもつ技工士によって作られる. 技工士は現在約 3 万 5000 人で, 歯科技工所数は約 2 万である.1 技工所あたりでみると平均 1.7 人と, 零細事業所が大半である. 歯科技工は歯の修復だけでなく, 健康維持にとっても重要な役割を果たしているにもかかわらず, 技工士を取り巻く現状は極めて厳しい. 前述の構造的問題から長時間残業を余儀なくされ, しばしば 3K 職場といわれている. そのため若者の技工士離れと高齢化が急速に進んでおり, このままでは技工士がいなくなると大きな問題になっている 4). 2.2 歯科医療における CAD/CAM 化の意義歯科医療および歯科技工が抱える問題の解決には, 多岐にわたる施策が必要であるが, とりわけ生産性の向上が重要である. 現在, 技工における工程の大半が手作業のため,CAD/CAM 化は効率化の有力な手段となる. しかしほとんどが小規模技工所で, 高価な CAD/CAM 機を導入する余力に乏しく, 一部で自費診療用として使われるに留まっていた. そんななか本年 4 月, 新たにハイブリッドレジン ( 樹脂にガラスフィラーを混ぜ, 強度を増しつつ吸水率を下げた材料 ) の CAD/CAM 冠 ( 小臼歯 ) が保険適用になり, にわかに CAD/CAM が注目を浴びるようになった. 3. 歯科用 CAD/CAM 技術の現状 CAD/CAM システムの研究開発は 1960 年代から航空機産業や自動車産業で進められ,1970 年代以降, 新車開発から量産に至るさまざまなプロセスで実用化されてきた. 今では開発試作車を作らずいきなり量産試作に入ることが可能となり, 開発期間の大幅な短縮を実現している. 一方歯科用 CAD/CAM はそれよりかなり遅く,1988 年, シーメンス ( 現シロナ ) から発表された CEREC システムが実用化の始まりである. わが国では 1993 年に筆者らが所属するデジタルプロセス社が自動車用 CAD/CAM 技術を応用して開発した DECSY や, ジーシー社の GN-1 が先駆けとなった. その後, 先進的な技工所に CAD/ 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3,

図 1 歯科用計測器と CAD 画面 CAM 機器が導入されたが, 多くは性能面でまだ十分でなく, 途中で利用を諦めざるを得ないケースもあった. しかし近年,CAD/CAM および CAE 技術が歯科分野でも大きく進歩し, 特に形状創成や加工と密接な関係にある歯科技工分野で急速に実用化が進みつつある. 3.1 歯科治療の流れと CAD/CAM 歯科医療には大きく二つの役割がある.

技工士は, 歯科医が患者の口腔内で採取した印象を基に, 歯列および顎の石膏模型を作り, 金属やセラミックス, プラスチックなどの材料で患者に適した補綴物を製作する. 歯科用 CAD/CAM は主に技工士の作業の自動化効率化の道具として, 模型の計測, 補綴物の設計, そして各種材料の加工に威力を発揮する. 3.

2 図 1 歯科用計測器と CAD 画面 CAM 機器が導入されたが, 多くは性能面でまだ十分でなく, 途中で利用を諦めざるを得ないケースもあった. しかし近年,CAD/CAM および CAE 技術が歯科分野でも大きく進歩し, 特に形状創成や加工と密接な関係にある歯科技工分野で急速に実用化が進みつつある. 3.1 歯科治療の流れと CAD/CAM 歯科医療には大きく二つの役割がある. 一つは口腔疾患の治療であり, 患者の苦痛を軽減し, 病気を癒し, 予防することである. もう一つは欠けた歯の修復補綴である. 歯は再生しないので人口歯で機能形を修復しなければならない. しかし人口歯の製作には高い技能が求められ, 歯にかぶせるクラウンやブリッジ, 義歯などの製作は国家資格をもった技工士の役割として分業化されている. 技工士は, 歯科医が患者の口腔内で採取した印象を基に, 歯列および顎の石膏模型を作り, 金属やセラミックス, プラスチックなどの材料で患者に適した補綴物を製作する. 歯科用 CAD/CAM は主に技工士の作業の自動化効率化の道具として, 模型の計測, 補綴物の設計, そして各種材料の加工に威力を発揮する. 3.2 歯科用計測機自動車産業はデジタルデータで可能な限り本物に近いものを作ってしまうことで, 開発の効率化を実現した. 歯科の世界でも同様の考えを適用することで, 歯科医療や補綴物製作の効率化が可能である. 歯科技工のデジタル化は, 患者の歯列などの 3D 情報を収集することから始まる. 口腔内で採取した印象から石膏模型を作り, それを計測して 3D データを得るのが一般的で精度も高い. そのため石膏模型を迅速, 簡便に計測できるスキャナーが求められる. スキャナーは欧米製が主であるが, 高価で日本での普及が遅れている. 国内メーカーには, ガラパゴス化を避けつつ国内外のマーケットに受け入れられる, より安価な製品の開発を期待したい ( 図 1). 3 次元計測法は大別すると接触式と非接触式に分けられる. 非接触方式の一つ, 光学式計測法には, パッシブ法とアクティブ法があるが, パターン光を照射するアクティブ法の方が高い精度が得られる. さらにアクティブ法の中に図 2 位相シフトパターンの投光も光切断法, 空間コード化法, 位相シフト法などがある. 光切断法は, 精度は高いがワークあるいは計測ユニットをラインレーザーが横切るように移動させる必要があり, 計測に時間がかかる. 筆者らの開発した加工機 (DORA) は, その欠点をなくすため,LED 光源からの光を MEMS ( プロジェクター ) で位相情報を含む特殊なパターンに変換投影する位相シフト法を用いている ( 図 2).1 ショットで複数の面情報が得られ, それらを演算処理することで精度の高い 3D 計測データを得られる. また軸補正や測定時の使い勝手向上にソフトを活用し, 軽量, 安価で測定精度 25μm, 計測時間 55 秒 / 全顎模型という高性能を実現している. さらに計測した支台歯データを歯列データに重ね合わせたり, 咬合状態を再現したりすることも自動で行え, 優れた操作性を実現している 5). その他,3Shape, 3M,Dental Wings など, 多くの歯科用スキャナーがグローバルに提供されている. 3.3 歯科用 CAD 補綴物を設計するCAD は通常計測機と一体となっているが, 計測機メーカーの専用 CAD と, 独立したソフトハウス製を搭載する場合とがある. それぞれに長短あるが, いずれにしてもオープン思想の CAD が主流になっていくと思われる各種補綴物の設計支台歯などは, 患者の口腔内で歯科医が, エアタービンを用いて形成する. 手作業ゆえの曖昧さを技工士がカバーするのが腕の見せ所であり, それゆえ CAD 化は難しいとされてきた. しかし今日,UI が大幅に改良され, 技工士が解剖学上適切な歯牙の設計をすれば歯科医がほとんど調整することなく患者の口腔内に装着できるほどになっている. 設計は, 通常標準の歯牙 DB をもとに PC 画面上で行う. シロナ社の CEREC は, 口腔内計測器で計測したデータを基に, 咬合面を自動的に作り出し ( バイオジェネリック ), 天然歯に近い形状を作るとしている.DORA は独の exocad Dental CAD を採用している. 歯牙のトポロジ 226 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3, 2015

図 3 バーチャル咬合器図 5 カスタムアバットメントの設計図 6 DICOM ビューワの例図 4 クラウンの高精細レンダリングーを考慮したデータ構造をもち, 自在に変形できるだけでなく,

これは変形しても歯牙としての基本形状が確保されることを意味し,CAD 操作に失敗しても, 解剖学上不適切な形や強度不足にならないよう, 安全で実用的なシステムとなっている.

3.2 バーチャル咬合機能補綴物の設計は, 図 3のようなバーチャル咬合機能を使用して動的な咬合を確認しながら進める.

3.3 高精細レンダリング表示 CG の進歩は目覚ましく, セラミックスやハイブリッドレジンなどの透過性材料を忠実に再現でき, 材料や光源を変えたときの違いを視覚的に予測できる.

ブリッジを支える全てのアバットメントの挿入軸を揃えることもでき, 高品質の設計が可能である ( 図 5).

3.5 DICOM ビュワー DICOM データは医用画像情報の標準規格で, 例えば顎形状の CT 画像のDICOM データを CADデータと合わせて表示することで,

3 図 3 バーチャル咬合器図 5 カスタムアバットメントの設計図 6 DICOM ビューワの例図 4 クラウンの高精細レンダリングーを考慮したデータ構造をもち, 自在に変形できるだけでなく, 歯牙の特徴, 例えば任意の咬頭や辺縁隆線の移動変形などが容易にできる. これは変形しても歯牙としての基本形状が確保されることを意味し,CAD 操作に失敗しても, 解剖学上不適切な形や強度不足にならないよう, 安全で実用的なシステムとなっている. クラウン, コーピング, ブリッジ, インレー, 義歯などさまざまな補綴に対応できる.3Shape,Dental Wings,Tizian ほか, 多くの歯科用 CAD が提供されているバーチャル咬合機能補綴物の設計は, 図 3のようなバーチャル咬合機能を使用して動的な咬合を確認しながら進める. 高度な歯科用 CAD は幾つかの代表的な咬合器をシミュレーションでき, 症例にあった咬合器を使用できる高精細レンダリング表示 CG の進歩は目覚ましく, セラミックスやハイブリッドレジンなどの透過性材料を忠実に再現でき, 材料や光源を変えたときの違いを視覚的に予測できる. また患者に対する効果的な説明ツールにもなる ( 図 4) インプラントの設計カスタムアバットメントなどの設計が画面上で効率的にできる. ブリッジを支える全てのアバットメントの挿入軸を揃えることもでき, 高品質の設計が可能である ( 図 5). インプラントの設計は各インプラントメーカーの術式に従う必要があり, それらに対応できるライブラリーが添付されている DICOM ビュワー DICOM データは医用画像情報の標準規格で, 例えば顎形状の CT 画像のDICOM データを CADデータと合わせて表示することで, より正確なインプラントの計画が可能になる ( 図 6). 3.4 歯科用加工機と CAM 切削型加工機歯科用 CAD で設計されたデータから実際の補綴物あるいは鋳造用のロストワックス型を製作する. 切削加工の他に, 近年は 3D プリンタが注目を浴びている. 材料はさまざまで, 金属ではチタンやコバルトクロム合金, 非金属ではセラミックスやジルコニア, 樹脂ではコンポジットレジンやハイブリッドレジン, そして鋳造用のワックスなどがある. それら材料特性に合わせ, さまざまな加工機が提供されている. CAD/CAM 機は高価で保険診療では採算が取りにくく, 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3,

図 8 ハイブリッドレジン ( 円盤型 ) の加工の様子図 7 歯科用加工機とパラレルリンク機構主にセラミックスやジルコニアなどの自費診療向け材料の加工に用いられてきた. しかし技工物の 90% 以上が保険診療向けであり, 従来型の CAD/CAM 機では効果が限定的である.

1 非金属系材料に特化することでパラレルリンク機構のメリットを最大限に引き出せる. 2 構造がシンプルで, コスト低減がしやすい. 3 可動部が軽量のため, 高速加工が可能となる. リンクの関節の遊びやモーターのバックラッシュをなくす工夫で, 高速加工と所定の精度確保を成立させている.

加工機は, 材料によって求められる要件が異なることや, 大規模ミリングセンターと小規模技工所用では要求仕様が異なることから, 性能, 構造, 機械剛性, 切刃, CAM, サイズ, 価格, そして加工条件など, さまざまな図 9 ハイブリッドレジン ( ブロック型 ) の加工結果バリエーションがあり, 数多い加工機および CAM

歯科の場合は試作用ではなく直接臨床用の補綴物を作ることを狙いに導入される. 切削と違って数十個の異なる補綴物を一度に製作できることへの期待が大きい. 現在, 幾つかの技工所で導入されているが, 実用レベル, 範囲とも限定的といってよい. 理由は 3D プリンタに適した材料と補綴に適した材料の両立が難しいことにある.

4 図 8 ハイブリッドレジン ( 円盤型 ) の加工の様子図 7 歯科用加工機とパラレルリンク機構主にセラミックスやジルコニアなどの自費診療向け材料の加工に用いられてきた. しかし技工物の 90% 以上が保険診療向けであり, 従来型の CAD/CAM 機では効果が限定的である. 筆者らが開発した WAXY は, 保険診療向けを狙った加工機で, 特にワックスアップに威力を発揮しており, 狙い, 構造ともにユニークな機械である. 具体的には,3 軸制御に以下の理由で精密加工用には難しいとされていた図 7のパラレルリンク方式を採用している 6). 1 非金属系材料に特化することでパラレルリンク機構のメリットを最大限に引き出せる. 2 構造がシンプルで, コスト低減がしやすい. 3 可動部が軽量のため, 高速加工が可能となる. リンクの関節の遊びやモーターのバックラッシュをなくす工夫で, 高速加工と所定の精度確保を成立させている. その結果, ワックスクラウンを 4 8 分で加工できる. 保険適用されたハイブリッドレジンの加工も可能になっている ( 図 8,9). 歯科用加工機は 3.5 軸や 4 軸機に加え,5 軸制御も普及してきた. 計測器と同様に, 加工機と CAM を一体で提供しているものと, 独立系の CAM を搭載しているものとがある. 加工機は, 材料によって求められる要件が異なることや, 大規模ミリングセンターと小規模技工所用では要求仕様が異なることから, 性能, 構造, 機械剛性, 切刃, CAM, サイズ, 価格, そして加工条件など, さまざまな図 9 ハイブリッドレジン ( ブロック型 ) の加工結果バリエーションがあり, 数多い加工機および CAM ソフトがあるなか, 目的に合った適切な選択が重要となる D プリンタ 1988 年に 3D システムズ社が光造形によるラピッドプロトタイプ装置を市場に初めて投入した. その後 3 次元 CAD の普及で,3D データが容易に得られようになり, 試作品を短期間で製作できるため, 大きな関心を集めている. 歯科の場合は試作用ではなく直接臨床用の補綴物を作ることを狙いに導入される. 切削と違って数十個の異なる補綴物を一度に製作できることへの期待が大きい. 現在, 幾つかの技工所で導入されているが, 実用レベル, 範囲とも限定的といってよい. 理由は 3D プリンタに適した材料と補綴に適した材料の両立が難しいことにある. 現在は鋳造用の材料か金属冠の製作に留まっている. しかし 3D プリンタは急速な進歩を遂げており, 今後歯科のニーズに合った製品が市場に出てくるであろう. 3.5 その他の応用例と新技術 3D データの活用例を紹介する時系列データの保存と定量的比較歯列の石膏模型を 3Dデータ化することでさまざまな目的に活用できる. 例えばある症例について現在と過去のデータを重ねあわせて病変の様子を比較できる. また 3D デ 228 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3, 2015

ータの顎模型を用い, 咬合調整やオーバージェットの確認, 定量測定などが可能である. 3.5.2 矯正シミュレーション患者の顎模型を 3Dモデル化し, 専用ソフトで矯正に必要な基準データを取り出す. その後, シミュレーションソフトにより, 治療前の全顎模型から一つ一つの歯に自動切り出しを行い, 再配列のプロセスと最終配列の結果をシミュレーションできる. 3.6 口腔内計測技術歯科用計測器および CAD は通常, 技工士が使うことを前提に開発されている.

歯科用 CAD/CAM で 30 年の歴史をもつシロナ社ほか,3Shape 社, スリーエム社などが製品化している. 4. 歯科用 CAD/CAM の今後の動向天然歯が欠けたりなくなったりした場合, 歯や歯質を再生することは現在の医療技術では難しい. 今は人工的な材料で修復や補綴する以外に解がない.

5 ータの顎模型を用い, 咬合調整やオーバージェットの確認, 定量測定などが可能である矯正シミュレーション患者の顎模型を 3Dモデル化し, 専用ソフトで矯正に必要な基準データを取り出す. その後, シミュレーションソフトにより, 治療前の全顎模型から一つ一つの歯に自動切り出しを行い, 再配列のプロセスと最終配列の結果をシミュレーションできる. 3.6 口腔内計測技術歯科用計測器および CAD は通常, 技工士が使うことを前提に開発されている. しかしここ数年, 大きな歯ブラシ状の小型計測器を口腔内に入れ, 直接歯列を計測する口腔内計測技術が実用化されてきた. 印象採取時の患者への負担が軽減され, 技工所での作業も不要となる. また歯冠設計と加工を医院内で行うことで, 短時間で治療から補綴物の装着までが可能となる. 日本では歯科医や技工士の要求精度にはまだ十分に応えられない部分もあり, 国内での普及は欧米ほどではない. 歯科用 CAD/CAM で 30 年の歴史をもつシロナ社ほか,3Shape 社, スリーエム社などが製品化している. 4. 歯科用 CAD/CAM の今後の動向天然歯が欠けたりなくなったりした場合, 歯や歯質を再生することは現在の医療技術では難しい. 今は人工的な材料で修復や補綴する以外に解がない. そのため, 天然歯に近い人工歯を求めてさらなるCAD/CAM 技術の高度化や新材料の開発が進むであろう. また CAD/CAM 化が進めば, かなりの部分がコンピュータ化され, 技工士は定型的な仕事から解放され, 人にしかできない, 評価や複雑な義歯の設計など, 高度な業務に特化されていくと思われる. また, 口腔内計測と自動設計加工技術の向上で, 医院での日帰り補綴治療が一層普及するであろう. 将来, 簡単な補綴物は院内技工で, 難しいものは歯科技工所で作る, いわゆる二極化が進むと思われる. さらにビッグデータの活用による歯冠設計の完全自動化や, クラウドを活用した全国規模のネットワークをもつミリングセンターの実現, そしてクリーンで働きやすい作業環境の実現など, 歯科技工の産業革命と言っていいほどのさまざまな変革が起きるであろう. 5. 終わりに歯は形状がはっきりしている上に, 動きの面でも上下顎の動的干渉予測など,CAD/CAM やシミュレーションを適用することで大きな効果を期待できる分野である. 今後 CAD/CAM/CAE システムが, 重要ではあるが厳しい環境にある歯科技工業を, 近代的で夢のある産業に変革する担い手になるとともに, 新しい産業の一つとして大きく育っていくことを期待したい. 参考文献 1) 厚労省 : 医師歯科医師薬剤師調査の概況 ( 平成 24 年 ). 2) 日本歯科医師会 : 日歯総合政策検討プロジェクト報告書 ( 平成 24 年 ). 3) OECD HEALTH DATA ) 大阪府歯科保険医協会, 大阪歯科技工士連絡会 : 歯科技工士がいなくなる 10(2014). 5) 藤原稔久 :DORA & exocad によるデータ衝の実践, 日本デンタル歯科学会誌,4, 1(2014) 30. 6) 藤原稔久 :CAD/CAM によるワックスアップ, 日本歯科理工学会誌,33, 4(2014) 289. 間瀬俊明 1967 年京都大学機械工学科卒. 同年日産自動車 ( 株 ) 入社. 主に自動車用 CAD/CAM システムおよび部品表システムなどの開発に従事.1997 年日産デジタルプロセス社長.2003 年富士通常務理事. 現デジタルプロセス ( 株 ) 最高技術顧問. 藤原稔久 1975 年東京理科大学物理学科卒. 同年日産自動車 ( 株 ) 入社. 主に衝突解析システム等の開発に従事.1995 年日産デジタルプロセス ( 株 ) に異動. 世界初の自動型歯科用 CAD/CAM システム DECSY 他を開発. 現デジタルプロセス ( 株 ) デンタル事業室長. 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3,

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Microsoft PowerPoint - アークティカ資料（印刷配布用） KaVo ARCTICA CAD/CAM system 構成 KaVo ARCTICA Scan&Auto Scan - 計測 - KaVo multicad - 設計 - KaVo ARCTICA Elements - 材料 - KaVo ARCTICA Engine - 加工 - 販売名 : アークティカ CAD/CAM システム一般的名称 : 歯科技工室設置型コンピュータ支援設計製造ユニット

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ITC( 情報通信技術 ) を活用したものづくりの現状とこれから歯科用 3D-CAD/CAM システムの現状と今後について * Current Status and Future of Dental 3D-CAD/CAM Systems Key words 間瀬俊明藤原稔久 Tosh