Aktuelle CAD/CAM-Systeme zur Herstellung von keramischem Zahnersatz. Einleitung von R. Luthardt, H. Rudolph, O. Sandkuhl und M.

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1 Aktuelle CAD/CAM-Systeme zur Herstellung von keramischem Zahnersatz Einleitung von R. Luthardt, H. Rudolph, O. Sandkuhl und M. Walter, Dresden Die vorliegende Artikelserie soll einen Überblick über die Entwicklung des derzeitig schnell expandierenden, zahnmedizinisch/zahntechnischen CAD/CAM-Marktes (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) zur Fertigung keramischen Zahnersatzes geben. Während im ersten Teil Systeme vorgestellt werden, die industriell präfabrizierte Materialien bearbeiten, ohne dass im Anschluss eine weitere Sinterung des keramischen Ausgangsmaterials erfolgt (Cerec, DCS-Precident, Dental CAD/CAM GN-I, Decim/Cad.esthetics, Digident, Pro 50, sowie das Kopierschleifverfahren Celay), wird sich der zweite Teil mit Systemen beschäftigen, die andere Formen der Materialbe- bzw. -verarbeitung anwenden (Cicero, Everest, Lava, Procera, Cercon smart ceramics, WOL-Ceram). Einleitung und Ziel Qualitative und ökonomische Aspekte der CAD/CAM-Technologie (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) zur Herstellung von festsitzendem Zahnersatz sind seit einigen Jahren Gegenstand intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit [1-3, 7, 9, 11-13, 15]. Während in der Anfangszeit die Bearbeitung von Titan im Vordergrund stand (DCS-Precident, Procera), fokussieren aktuelle Entwicklungen auf die Herstellung keramischen Zahnersatzes. So wurden auf der diesjährigen IDS in Köln eine Vielzahl neuer CAD/CAM-Systeme sowie Verbesserungen und Erweiterungen bereits eingeführter Systeme vorgestellt. Vor allem die Einführung der in anderen medizinischen Bereichen bewährten Zirkonoxid-Keramik eröffnet die Möglichkeit, den Indikationsbereich für vollkeramischen Zahnersatz auf Seitenzahnbrücken und Brücken mit mehreren Brückengliedern zu erweitern (Abb. 1) [14]. Abb. 1 Zirkonoxid-Seitenzahnbrückengerüst (Digident-System, Girrbach Dental) Datenerfassung (Digitalisierung) Grundlage der CAD/CAM-Bearbeitung ist die Datenerfassung, deren Umfang je nach Art der Restauration differiert. Für einzelne Kronengerüste oder Inlays müssen mindestens die Oberflächendaten des präparierten Zahns digitalisiert werden. Über Kronengerüste hinausgehende Versorgungen erfordern restaurationsabhängig Daten der Nachbarzähne, der Relation mehrerer Stümpfe zueinander oder der antagonistischen Zahnreihe. Die verschiedenen Möglichkeiten der intra- oder extraoralen Datenerfassung 1

2 sind in Tabelle 1 aufgeführt. Generell unterscheidet man zwischen taktilen und berührungsfrei-optischen Digitalisierverfahren. Taktile Verfahren verwenden einen Taster, der die Form des Objekts zeilenweise oder umrissgeführt erfasst. Form und Größe des Tasters sind entscheidend für die Erfassung feiner Strukturen. Berührungsfrei-optische Digitalisierverfahren, die in der zahnmedizinischen CAD/ CAM-Technologie Anwendung finden, basieren auf einer Projektor- und einer Detektoreinheit, die in einen bekannten Winkel zueinander angeordnet sind. Projiziert werden Laserpunkte oder -linien bzw. strukturiertes (Weiß-)Licht. Als Detektor dienen CCD-Kameras (Charged Coupled Devices = Ladungsgekoppelte Bauelemente). Die Bestimmung der Punktkoordinaten erfolgt nach dem Triangulationsprinzip. Bearbeitung der Datensätze Von der Qualität der Punktewolke (Abb. 2) und deren weiteren Bearbeitung (Filtern von messbedingtem Rauschen und Streupunkten, Auffinden der Präparationsgrenze, des Äquators und dem Erkennen von Unterschnitten, Abb. 3) wird die Passgenauigkeit der zu erstellenden Restauration entscheidend beeinflusst. Hierbei ist eine Aussage über die Anzahl der Messpunkte kein Kriterium für die Qualität des Datensatzes. Ausschlaggebend ist hierbei vielmehr die Messunsicherheit (Genauigkeit). 2

3 Abb. 2 Unbearbeitete Punktewolke Abb. 3 Bearbeitete Punktewolke CAD Für die Bearbeitung mit einer CNC-Fräsmaschine (Computer Numeric Control) muss eine NC-gerechte Aufbereitung der Punktewolke erfolgen (Ordnung der Punktewolke, Triangulation, Generierung von Flächenmodellen). Eine entsprechende Software ermöglicht das computergestützte Design der Restauration (Abb. 4). 3

4 Abb. 4 CAD-Konstruktion einer dreigliedrigen Brücke In der zahnmedizinisch/zahntechnischen Anwendung wird echtes Computer-Aided-Design der mathematisch schwer fassbaren Formen von Restaurationen zur Wiederherstellung der Kauflächen daher weitgehend durch das Zurückgreifen auf Bibliothekszähne, die Digitalisierung der klinischen Situation vor der Präparation, der provisorischen Rekonstruktion bzw. eines Situationsmodells, das Scannen der konventionell in Wachs angefertigten Restauration umgangen. Bei der Erstellung von Kronen- und Brückengerüsten entfällt die Berücksichtigung der okklusalen und approximalen Relation, da die Rekonstruktion nicht am Computer, sondern konventionell mittels der Keramikverblendung des Zahntechnikers entsteht. Im Falle von Brückenkonstruktionen muss die Grundform eines oder mehrerer Brückenglieder und Lage, Form und Größe der Verbinderquerschnitte festgelegt werden. Sofern eine computergestützte Konstruktion der Restauration erfolgt, basieren aktuelle CAD/CAM-Systeme in der Regel auf interaktiver Software. CAM Industriell präfabrizierte Rohmaterialien, die unter konstanten, optimalen und reproduzierbaren Bedingungen hergestellt wurden, erfüllen höchste Ansprüche an Reinheit, Homogenität und Qualität des Materials. Es kann somit das gesamte Potenzial eines Werkstoffes bezüglich seiner Materialeigenschaften ausgeschöpft werden. Glaskeramiken weisen eine ästhetische vorteilhafte Transluzenz und Farbanpassung sowie eine einfache Bearbeitbarkeit auf, sind aber hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften limitiert. Infiltrationskeramik (Vita Inceram Alumina bzw. Zirconia) lässt sich günstig bearbeiten, muss aber zur Erlangung einer ausreichenden Bruchfestigkeit im Anschluss an die Bearbeitung glasinfiltriert werden. Dichtgesinterte Aluminiumoxid- oder Zirkonoxidkeramik erfordern lange Bearbeitungszeiten und bedingen einen hohen Werkzeugverschleiß. Um diese Problematik zu umgehen, wird von mehreren neueren Systemen ebenfalls vorgefertigtes, jedoch teilgesintertes, etwa kreidehartes Material verwendet, wodurch Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleiß reduziert werden. Vergleichende Untersuchungen, die diese Materialien mit dichtgesinterten Materialien bezüglich der Homogenität und Bruchfestigkeit sowie der Auswirkungen der Sinterschrumpfung auf die Passgenauigkeit untersuchen, liegen derzeit noch nicht vor. Ziel dieser Artikelserie ist es, einen Überblick über Möglichkeiten, Indikationen und Limitationen, sowie Investitionsbzw. Fertigungskosten aktueller CAD/CAM-Systeme zur Herstellung keramischen Zahnersatzes zu geben, wobei keramische Restaurationen im Vordergrund stehen. Hauptteil Der Anwendungsbereich CAD/ CAM-gefertigter Restaurationen wird durch technische Vorgaben der 4

5 Systeme bestimmt und reicht vom Inlay bis zu mehrgliedrigen Brücken für den Front- und Seitenzahnbereich. Während die Mehrzahl der Systeme mehr als 4-gliedrigen Brücken noch experimentellen Charakter zuschreibt, bietet das DCS-Precident-System (Abb. 5) bereits heute die Anfertigung von bis zu 14-gliedrigen Brücken an. In Tabelle 2 sind die Anwendungsbereiche und die verarbeitbaren Materialien für die CAD/CAM-Systeme aufgeführt. Aufgrund des breiten Anwendungsbereiches, der von adhäsiv zu befestigenden Veneers und Inlays bis zu konventionell zementierten mehrgliedrigen Brücken reicht, differieren die klinischen Anforderungen an die Präparation stark. Die Vorgaben bezüglich der Präparationsanforderungen sind für das Cerec-System (Abb. 6), sicherlich auch vor dem Hintergrund der langjährigen Anwendungserfahrung, sehr konkret. Die Hersteller der anderen hier vorgestellten Systeme geben, über die allgemein bekannten Präparationsregeln hinaus, keine weiteren Vorgaben. Der Substanzabtrag soll dem einer konventionellen metallkeramischen Restauration entsprechen. Aus der Funktionsweise der CAD/CAM-Systeme ergibt sich jedoch für alle gemeinsam, dass insbesondere bei der Fertigung keramischer Restaurationen hohe Anforderungen an die Qualität der Präparation (Präparationsgrenze, Vermeidung von parallelen oder untersichgehenden Anteilen sowie scharfen Kanten) gestellt werden. 5

6 Abb. 5 DCS-Precident, DCS Abb. 6 Cerec 3, Sirona 6

7 Die Methodik der Datenerfassung bestimmt entscheidend den Anwendungsbereich des CAD/CAM-Systems. Die intraorale Digitalisierung ermöglicht den Verzicht auf die konventionelle Abformung, ist aber auf Einzelzahnversorgungen beschränkt, die eine intraorale Datenerfassung (Lage der Präparationsgrenze, Trockenlegung) ermöglichen (Cerec 3). Alle anderen CAD/ CAM-Systeme beschreiten den Weg der Fertigung von Zahnersatz nach konventioneller Abformung und Modellerstellung mit extraoralen Digitalisierverfahren (Cerec inlab, DCS-Precident, GN-I, DECIM, Digident, Pro 50). Technisch können die Digitalisier-Systeme nach der Anzahl der Richtungen, aus denen gemessen wird, und nach dem Messprinzip unterschieden werden. Die Messfehler der Digitalisier-Systeme werden mit ± 10 µm für Digident (Abb. 7), ± 11 µm für DCS Preciscan [6], ± 20 µm für GN-I (Abb. 8) und ± 30 µm für Decim angegeben. Nichtquantifizierbare Angaben der Hersteller wurden an dieser Stelle nicht berücksichtigt. Eine Messung dauert zwischen 15 s je Einheit beim Pro 50-System bis zu neun Minuten für einen Scan eines gesamten Modells mit hoher Datendichte mit dem Digident-System. Im Mittel dauert eine Messung pro Einheit ca. 3-5 Minuten. Abb. 7 Digident, Girrbach Dental-Systeme 7

8 Abb. 8 Dental CAD/CAM GN-I, GC Eine Sonderstellung unter den hier vorgestellten Systemen nimmt das seit zehn Jahren eingeführte Kopierschleifverfahren Celay (Abb. 9) von der Firma Mikrona ein, bei dem es sicht nicht um ein CAD/CAM-System handelt. Die mechanische Abtastung eines Gerüsts aus speziellem Kunststoff erfolgt zeitgleich mit der Bearbeitung eines Keramik-Blocks (aus Glas- bzw. Infiltrationskeramik). Eine Digitalisierung des Stumpfes bzw. der Stümpfe und die Gestaltung der Restauration mit Hilfe eines Computers entfallen bei diesem Verfahren somit. 8

9 Abb. 9 Celay, Mikrona Die minimale Anforderung an die CAD-Software der Systeme ist das Auffinden der Präparationsgrenze und die Variation der Schichtstärke des Kronen- oder Brückengerüsts. Bei Brückengerüsten müssen zudem Form und Lage der Brückenglieder, sowie Stärke, Form und Lage der Verbinder eingestellt werden können. Die Veränderung der Größe des Zementspaltes dient der Modifikation der Passgenauigkeit. Erfolgt die okklusale und approximale Gestaltung eines Gerüsts durch konventionelle Keramikverblendung, reduziert sich der notwendige Umfang der Datenerfassung. Die Restaurationsart (Kronengerüst, Brücke, Restaurationen mit funktioneller Kaufläche) bestimmt daher den Aufwand an computergestütztem Design (Tabelle 2). Im Bereich der Software-Entwicklung setzen sich zunehmend anwenderfreundliche, auf Windows-Technologie basierende Programme durch. Trotzdem führen zunehmende Interaktionsmöglichkeiten dabei zu komplexer CAD-Software, die nicht mehr intuitiv vom ungeübten Anwender nutzbar ist; es entstehen Expertensysteme mit hohem Schulungsaufwand. Die automatische Präparationsgrenzenerfassung ist heute Stand der Technik, wobei alle Systeme eine manuelle Korrektur durch den Anwender ermöglichen. Für die älteren Cerec 2 und DCS Modelle ist mit den entsprechenden Softwarekomponenten eine Aufrüstung auf den jeweils aktuellen Entwicklungsstand möglich. Für die derzeitigen Systeme stehen unterschiedliche CAD-Varianten zur Wahl, die sich auch durch den Grad der notwendigen Interaktion unterscheiden: der entsprechende Zahn der gegenüberliegenden Kieferhälfte, bzw. seine Scan-Daten, wird gespiegelt, der zu behandelnde Zahn oder ein Situationsmodell wird vor der Präparation bei ausreichender okklusaler Gestaltung erfasst, eine intra- oder extraorale Rekonstruktion (Composite, Wachsmodellation), ein Wachs-Quetschbiss oder ein FGP (Functionally Generated Path) wird gescannt (Cerec) oder aus einer Bibliothek verschiedener Zahnformen (z.b. GN-I, Digident, Pro 50) wird eine entsprechende Form gewählt. Von den in Tabelle 1 aufgelisteten CAD/CAM-Systemen werden unterschiedliche Verfahren genutzt, um Informationen der antagonistischen Bezahnung zu erfassen. Beim GN-I-System wird zusätzlich zum Sägemodell ein Registrat aus speziellem CAD-Silikon gescannt, Pro 50 digitalisiert ein abgepudertes Registrat, den oder die Einzelstümpfe und den Gegenkiefer. Das Digident-System ermöglicht es, einartikulierte Modelle des Ober- und Unterkiefers in korrekter räumlicher Lagebeziehung zu scannen bzw. in einem zweistufigen Digitalisierprozess zunächst ein auf die präparierten Zähne aufgesetztes Registrat und in einem zweiten Schritt die präparierten Zähne zu digitalisieren. Aktuelle Forschungsarbeiten zielen auf die Simulation von statischer und dynamischer Okklusion am Bildschirm, die wiederum die Grundlage der Konstruktion funktioneller Kauflächen darstellen. Ausgangspunkt sind dabei sowohl Registrate in statischer Okklusion, FGP-Registrate bzw. Daten elektronischer Gelenkbahnregistrier-Systeme (GN-I, Digident). Auf die CNC-Bahn-Generierung und verschiedene Bearbeitungsstrategien für unterschiedliche (glas-) keramischen Materialien soll in der Fortsetzung dieses Artikels eingegangen werden. Je nach System unterscheiden sich die Empfehlungen für die Befestigung der Restaurationen deutlich (vgl. Tabelle 2). Während beim Cerec-System für glaskeramische Restaurationen die adhäsive Befestigung eindeutig bevorzugt wird, gibt DCS der Eingliederung mit Phosphat- oder Glasionomerzement gegenüber der möglichen adhäsiven Befestigung den Vorzug. Vita Celay Glaskeramik muss adhäsiv befestigt werden, die Infiltrationskeramiken können konventionell befestigt werden. Entsprechend den Vita Produktinformationen sind alle Arten der Befestigung möglich. GN-I wertet Glasionomerzement- oder adhäsive Befestigung neutral. Ähnlich ist hier das Decim-System, welches Phosphatzement- oder adhäsive Befestigung als gleichwertige Alternativen anbietet. Für das Digident-System wird die konventionelle Befestigung (und der entfallende Mehraufwand gegenüber der Adhäsivtechnik) in den Vordergrund gestellt. Schlussfolgerung Die Literatur zu CAD/CAM-gefertigten Restaurationen ist naturgemäß bei den seit zehn und mehr Jahren 9

10 eingeführten Systemen (Cerec, Celay) umfangreich, während die Ergebnisse jüngerer Systeme bisher nicht oder kaum untersucht werden konnten (GN-I, Decim, Digident, Pro 50). In-vitro-Untersuchungen basieren zumeist auf idealisierten Präparationsformen, die nicht uneingeschränkt auf die Klinik übertragbar sind. Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Präzision einer CAD/ CAM-gefertigten Restauration immer die Summe aller Fehler jedes Einzelschrittes der Prozesskette widerspiegelt. Fehler bei der Datenerfassung entstehen in Abhängigkeit von der Auflösung der CCD-Kamera, der Anzahl der Achsen des Messsystems und der Projektionsart des strukturierten Lichts. Die Filterung der Daten ist nicht geeignet, diese Fehler zu eliminieren. Fehler des Anwenders, die aus notwendigen Interaktionen mit dem CAD/ CAM-System heraus entstehen, bleiben für die Gesamtpräzision eines Systems eine schwer fassbare Größe. Die technische Entwicklung minimiert diese Fehler zunehmend, klinische Fehler bleiben bei dieser Betrachtung aber naturgemäß unberücksichtigt. Aktuelle in-vivo-studien betrachteten vor allem den Randspalt einer Restauration und deren klinische Überlebensrate. Die Ergebnisse zeigten, dass die Randspaltbreite einer Restauration innerhalb einer gewissen Bandbreite (bis zu ca. 200 µm) v.a. bei adhäsiv befestigten Restaurationen keinen unmittelbaren Rückschluss auf die zu erwartende klinische Überlebensrate zulässt [5, 8]. Die bisherigen Erfahrungen mit Einzelzahnversorgungen aus Vita InCeram-Material (Cerec, Celay) zeigen die klinische Bewährung dieser Versorgungsform [4, 10]. Klinische Studien mit adäquatem Design zu Überlebensraten von vier- und mehrgliedrigen Zirkonoxid-Brücken fehlen bislang. Eine klinische Studie für das GN-I-System wird derzeit an der Universität Leuven (Belgien) durchgeführt. Die Kosten der CAD/CAM-Systeme (siehe Tabelle 3) betragen zwischen DM ,- (Cerec inlab) bzw. DM ,- bis ,- (Cerec 3 je nach Ausstattung) und DM ,- bis ,- (Digident je nach Scanner-Typ). Aufgrund der hohen Kosten erfolgt beim Decim- und Pro 50-System die Fertigung ausschließlich zentralisiert. Die Bildung von Fräs- oder auch Scan-Zentren ist bei DCS, Digident und GN-I wirtschaftlich sicherlich sinnvoll und auch mit dem Cerec inlab-system (Abb. 10) und Celay möglich (Tabelle 3). Vergleichsweise gering sind die Investitionskosten von DM ,- für das Kopierschleifverfahren Celay. Für das Pro 50-System waren keine Informationen über die Kosten der Restaurationen und die Belieferung des deutschen Marktes zu erhalten. Erste Systeme von Decim/Cad.esthetics sind in Schweden seit Oktober 2000 in Funktion. Die Lieferung erfolgt voraussichtlich ab dem 4. Quartal 2001; über die Preisgestaltung liegen noch keine Informationen vor. Durch die Möglichkeit, das in anderen medizinischen Bereichen (wie z.b. dem Gelenkersatz) bewährte Zirkonoxid auch für zahnmedizinische Restaurationen zu nutzen, erweitert 10

11 sich der Indikationsbereich für vollkeramische Restaurationen auf den Seitenzahnbereich. Insgesamt zielt die Anwendung von CAD/CAM-Technologie auf die wirtschaftliche Herstellung von hochpräzisen zahnmedizinischen Restaurationen gleichbleibender Qualität. Der zweite Teil des Artikels wird eine Einführung in die weiteren Schritte der CAD/CAM-Prozesskette, die CNC-Bahngenerierung und fertigungstechnische Anforderungen an CAD/CAM-Systeme in Abhängigkeit vom bearbeiteten Material geben. Es sollen Systeme vorgestellt werden, bei denen im Anschluss an die Bearbeitung eine (weitere) Sinterung des keramischen Ausgangsmaterials erfolgt. Die vorliegenden Untersuchungen sind Bestandteil des von der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. (Projektträger des BMWi) geförderten Projektes "Erarbeitung einer Reverse-Engineering-CAM-Prozesskette für den Bereich der Konstruktion und Fertigung zahnärztlich-prothetischer Restaurationen". Weiterhin möchten wir uns bei den Firmen DCS, Decim/Ivoclar Vivadent, GC, Girrbach, Mikrona und Sirona für die Unterstützung und das zur Verfügung gestellte Bildmaterial bedanken. Weitere Informationen zum Thema CAD/CAM in der Zahnheilkunde erhalten Sie im Internet unter Abb. 10 Cerec inlab, Sirona Current CAD/CAM-systems for the production of dental ceramic restorations. Part 1: Systems without final sintering of the original ceramic material Authors: R. Luthardt, H. Rudolph, O. Sandkuhl, M. Walter Summary: This article series is intended to give an overview about the development of todays rapidly expanding dental/dental-technical CAD/CAM-market (computer aided design/computer aided manufacturing) for the production of dental ceramic restorations. The first part will introduce those systems which manufacture industrial prefabricated materials without final sintering of the original ceramic material (Cerec, DCS-Precident, Dental CAD/CAM GN-I, Decim/Cad.esthetics, Digident, Pro 50, as well as the Celay copygrinding system). The second part will describe systems which use different ways of milling ceramic materials (Cicero, Everest, Lava, Procera, Cercon smart ceramics, WOL-Ceram). 11

12 Key words: CAD/CAM, crowns, FPDs, digitising, ceramics, advanced ceramics Korrespondenzadresse: OA Dr. Ralph Luthardt Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik Fetscherstraße 74 D Dresden Literatur 12