Представьте себе компанию, будничный рабочий процесс которой включает лазерные резаки, трехмерные принтеры и трехмерные сканеры, рентгеновские томографы, CAD, композитные материалы, автоматические станки с ЧПУ, оптическую и биохимическую лабораторию и даже собственную сборку специализированных железячных девайсов. Здесь широко реализуется поточная обработка данных в реальном масштабе времени, используется 3D печать, занимаются биоинжинерией и программируют FPGA, есть сети хранящие терабайты данных, датамайнинг и даже немножко искусственного интеллекта. Представили? А теперь попробуйте угадать чем эта компания может заниматься. Сразу скажу, что это не космос, не авиация и даже не автомобилестроение.




Компания «Align Technology» занимается обыкновенным лечением зубов. Как это ни удивительно, но современные технологии лечения зубов прекрасно переносятся на цифровой стек и идеально сочетаются с трехмерным сканированием зубов, проектированием их лечения и печатью зубных протезов и приспособлений для их лечения. Практическая же реализация этого стека естественным образом постепенно тянет за собой весь описанный выше перечень технологий. Вообще, поработав в нашей компании, начинаешь особенно остро осознавать, насколько сильно меняется мир, в котором мы живем: зубы пришедшего в США к врачу-ортодонту пациента сегодня уже часто рутинно сканирует врач или медсестра, полученный цифровой слепок улетает по Сети в расположенный в другой стране центр обработки данных, где в полуавтоматическом режиме создается модель его челюсти, и по инструкциям и под наблюдением врача по шагам проектируется будущее лечение. Получившиеся «чертежи» улетают по Сети в третью страну, где на специальном заводе робот изготавливает необходимый девайс для лечения, и этот девайс пересылается почтой обратно врачу и устанавливается во рту пришедшего на повторный прием пациента. Правда быт обычных стоматологов-терапевтов, с которыми мы чаще всего сталкивается пока изменился не сильно: автоматизировать бормашину все еще непросто :), но изготовление зубных коронок, имплантов и брекетов для исправления положения зубов стремительно переходит на «цифру».



К сожалению, Россию пока этот процесс практически не затронул и когда мы упоминаем на собеседованиях о том, что наша компания занимается медицинским оборудованием и сервисами для лечения зубов, то наши собеседуемые нередко удивленно морщатся, очевидно полагая, что ничего интереснее ведения электронных карточек пациентов в подобном бизнесе быть не может. Поэтому для привлечения интереса к нашей тематике мы решили немного рассказать о том насколько далеко ушли здесь цифровые технологии и насколько интересными вещами нам благодаря этому приходится заниматься.


В основном работу в нашей компании можно условно разделить на пять направлений:

1. Сканирование зубов и прикуса (собственный 3D-сканер или сканирование обычных ортодонтических слепков на томографе)
2. Моделирование челюсти человека, поиск и исправление ортодонтических проблем, проектирование лечения для формирования красивой улыбки и исправления прикуса
3. Изготовление уникальных девайсов для лечения под каждого конкретного пациента
4. Датамайнинг и научные исследования, позволяющие отслеживать насколько эффективно работают наши устройства и улучшать их
5. Инфраструктура, поддерживающая всю эту систему — единая сеть, хранящая данные пациентов, пересылающие их между станциями, отвечающая за почтовую доставку, выписку счетов и т.д.

Алайнеры

Флагманский продукт компании – это так называемые «алайнеры». Вообще говоря, в терминах отечественной медицины это изделие следовало бы называть «ортодонтическая капа», но англоязычное «алайнер» на мой взгляд звучит проще и лучше. Капа – это специальное приспособление, надеваемое на зубы подобно чехлу (мне встречался емкий термин «назубник»).



В доцифровой ортодонтии капы изготавливали из силикона или пластика по гипсовым моделям зубов и использовали для нанесения на зубы лекарств, защиты зубов в спорте, и для того чтобы зафиксировать зубы в определенном положении после ортодонтического лечения. Алайн же придумал «силовую» капу, которая не просто фиксирует зубы в одном положении, а двигает их в желаемую сторону. Для достижения этой цели строится цифровая модель зубов и челюсти, определяется желаемое финальное положение зубов и по нему для каждого зуба рассчитывается траектория его движения. На выходе получается серия из очень маленьких подвижек зубов, которая начинается с текущего положения зубов, а заканчивается идеальным. По этой серии изготавливаются капы из специального прозрачного композитного материала, каждый из которых соответствует одному маленькому шажку в передвижении зубов. Каждая капа изготавливается из прозрачного эластичного композитного материала и соответствует не текущему, а следующему положению, которое должны занять зубы. Поскольку оно не слишком отличается от текущего, то подобную капу все еще можно надеть, но она при этом растягивается и начинает давить на зубы, пока они не передвинутся и займут нужное положение. Это, собственно, и есть алайнер.



«Старинная» альтернатива алайнерам состояла в том, чтобы приклеивать к зубам изогнутую стальную проволоку через специальные замочки – хорошо знакомые некоторым брекеты. Принцип действия там схожий, только в виде эластичного элемента выступает не отформованный по форме зубов пластик, а приклеенная через специальный крепеж изогнутая стальная проволока. По сравнению с современными брекетами алайнеры работают несколько медленнее (сталь способна развивать большее усилие чем пластик, даже композитный), но зато являются на порядок более комфортным вариантом лечения:

• Во рту не ощущаются посторонние предметы упирающиеся в щеку или язык
• Надетые на зубы алайнеры невидимы, их практически невозможно разглядеть даже в упор (что обыграли и в торговой марке)
• Их можно в любой момент снять и надеть обратно, что здорово облегчает прием пищи и чистку зубов

Вдобавок никуда не исчезают и традиционные области применения кап – защита зубов (тогда как брекеты в разы увеличивают шанс появления кариеса) и возможность попутной обработки зубов лекарствами (некоторые, например, совмещают лечение алайнерами с отбеливанием зубов). Так что Invisalign является сейчас в США основательно раскрученным и хорошо известным брендом, и хотя брекет-системы тоже не стоят на месте (там идет развитие в сторону большей скорости лечения и полупрозрачных или расположенных со сторона языка брекетов), Алайн уже не первый год весьма успешно откусывает все большую и большую долю рынка ортодонтических услуг. На мой взгляд, в конечном итоге со временем алайнеры станут наиболее массовой системой исправления положения зубов в мире (сейчас это не так), поскольку у них есть еще одно фундаментально важное достоинство: в отличие от брекет-систем их могут применять (относительные) непрофессионалы. Крепление и коррекция брекетов является своеобразным видом искусства требующим специальной подготовки и знаний, и по крайней мере на Западе, владеющие этим искусством люди немногочисленны и образуют своеобразную элиту в зубоврачебной индустрии. А там где элита – там и соответствующие зарплаты, лечение у специалиста-ортодонта сегодня в США стоит гораздо дороже, чем аналогичный (по времени) объем услуг у стоматолога-терапевта. Лечение же алайнерами теоретически позволяет всю эту мудрость «аутсорсить» нашей компании – доктору будет достаточно прислать нам снимки зубов пациента, а все лечение спроектируем мы уже сами. Пациенту останется лишь получить свои индивидуальные и пронумерованные по датам алайнеры по почте и начать их носить. Пока что это в полной мере еще невозможно, но мы работаем над этим :).



Где же тут хайтек, спросите Вы? А хайтек вот в этой маленькой фразе про необходимость моделирования зубов пациента и расчете траектории их движения. Сегодня для решения этой задачи у нас есть целый специальный завод, расположенный в Коста-Рике, где в огромном помещении размером со стадион несколько сотен специальных техников работает в разработанной нами CAM-системе. На заре становления компании наш софт здорово напоминал обыкновенные пакеты для 3D-моделирования, а техники вручную очищали присланные нам модели от «мусора», «нарезали» в них зубы и проектировали движение через знакомые многим по 3D-анимации кейфреймы. И проектирование лечения для одного человека тогда спокойно могло занять целый день. Или два, поскольку ортодонт не всегда соглашается с предложенным ему вариантом лечения и техникам нередко приходится модифицировать план лечения несколько раз, пока он полностью не устроит специалиста. Но с тех пор прошло много лет и «обычная» 3D система уже давно эволюционировала в очень специализированный пакет, работающий на порядок быстрее, и обладающий богатой функциональностью для разнообразных «специальных случаев». Неподалеку от разработчиков CAM-системы сидит и специальный отдел биомеханики, исследующий механику взаимодействия зубов с алайнерами и пытающийся придумать способы как это взаимодействие (к примеру, путем добавления к каппе внутренних выступов или напротив, зацепов на зубах) улучшить. Когда-то мы умели лечить только простые случаи, сегодня – уже почти любые.



Немного особняком от CAM-системы стоит физическое производство алайнеров. Процесс превращения рассчитанную в CAM-системе модели в поставляемый пациенту пластик является на редкость высокотехнологическим процессом и начинается с 3D-печати уникальной пресс-формы по технологии стереолитографии. Сегодня 3D-печатью уже никого не удивишь, но 15 лет назад когда компания только начиналась, Алайн пришлось создавать одно из крупнейших и наиболее продвинутых производств подобного рода в мире. Для каждого пациента нам требуется произвести от пяти-шести до нескольких десятков уникальных пресс-форм, по одному экземпляру на каждую из стадий лечения. Ежедневное производство превышает 50 тысяч пресс-форм в день, и каждую из них приходится снабжать машиночитаемой QR-меткой чтобы их между собою не путать. Произведенные пресс-формы отправляются на автоматическую линию где роботы отпечатывают с каждой формы алайнер из специального композитного материала, обрезают его края на станке с ЧПУ или (в развертываемой новой системе) промышленным лазером и шлифуют поверхность.



Получившиеся изделия автоматически сортируются, упаковываются в индивидуальные коробочки, понятным для пациента образом подписываются и собираются в комплекты готовые к отправке по почте. А функционирование всего этого процесса обеспечивает целый ряд специализированных программных продуктов. Один из подобных продуктов занимается формированием входных моделей для промышленных 3D-принтеров и оптимизирует их для печати, плотно упаковывая на одном крупном поддоне сотню разных моделей. Другой – управляет лазерным резаком, который обрезает края у отпечатанного по пресс-форме алайнера. Третий через QR-коды отслеживает произведенные десятки тысяч алайнеров и сортирует их для упаковки и отправки по почте заказчику.
Впрочем – все это заслуживает отдельного рассказа. А сейчас я бы хотел коротко сказать про

Сканирование

Когда-то давно, когда мы только начинали, единственным вариантом «сканирования» зубов у доктора было снятие с этих зубов слепка. Традиционный ортодонтический процесс подразумевал что в специальную форму заливался специальный пластилин, форма плотно надевалась на зубы, после чего полученный отпечаток заливался гипсом. Дальше по этой «физической» модели можно было, например, слепить из воска модель будущей зубной коронки, снять получившуюся восковую модельку с гипсовой формы, поместить её в песок и залить металлом, затем разбить форму, обработать отлитую детальку напильником, нанести на неё слой керамики, обжечь в специальной печи и раскрасить вручную специальными красками и кисточками. Именно подобным образом производят до сих пор коронки из металлокерамики в большинстве российских зубных клиник. Это потрясающий и очень художественный процесс, и при этом полностью, вплоть до самого распоследнего шага ручной. Но для производства алайнеров в 99-м требовалась трехмерная цифровая модель и притом высокоточная – погрешность даже в 1/5 мм могла серьезно испортить лечение. К счастью, изобретать велосипед не потребовалось – с подобной задачей, как оказалось, отлично справляются рентеновские томографы. Специальная установка с вращающейся платформой делает «на просвет» несколько сотен рентеновских снимков с разных ракурсов, а специальный софт затем восстанавливает по этим снимкам 3D-модель. Со временем мы перешли на собственный софт для томографии, и сегодня, к примеру, для сканирования подобного отпечатка не требуется заливать в него гипс – сканер сканирует непосредственно исходный отпечаток и автоматически вычисляет из него модель.



Интересно, кстати, что тогда это был далеко не единственный возможный способ высокоточной оцифровки – к примеру наши коллеги из компании Cadent Technologies, которая позднее стала частью Алайна, в примерно те же годы помещали модель отлитую из белого пластика в форму из черного, послойно срезали получившийся «кирпичик», фотографировали каждый слой и реконструировали модель из полученной стопки снимков. Но рентгеновская томография в итоге прижилась лучше и продолжает хорошо масштабироваться до сих пор. Но по всей видимости довольно скоро в небытие уйдет и она, и причина тому – появление специальных цифровых 3D сканеров для зубов.



Что такое современный 3D-сканер? Обычно при этих словах все представляют себе одну из недорогих систем на основе структурированного освещения и триангуляции: специальный проектор или лазер проецирует на объект полоски, сеточку или точку, а компьютер создает модель по тому как одна или несколько камер видит эту проекцию на объекте. Но человеческие зубы нельзя поместить на вращающуюся подставку, да и с местом для размещения сканера во рту, прямо скажем, негусто. Прибавьте к этому еще два веселых обстоятельства: во рту у человека очень влажно (слюной залито почти все), а человеческие зубы, хотя это на первый взгляд неочевидно, еще и полупрозрачны. А теперь попробуйте создать сканер, работающий в подобных условиях и выдающий на выходе модель зубов с точностью до 0.02 мм локально и до 0.25 мм – в масштабах всей челюсти. Впервые это удалось сделать примерно 7 лет назад израильской компании Cadent, пять лет назад назад мы купили её, и последние три года сканеры iTero – это плод совместной работы израильской и московской команд Алайна. Сегодня компания занимается полным циклом разработки сканера. Здесь есть оптическая лаборатория, где была придумана уникальная схема сканирования, специалисты занимающиеся проектированием «железа», специальная «чистая комната» для его сборки и, конечно, десятки программистов пишущих код от firmware и драйверов до прикладного софта, который в реальном времени превращает «сырые» данные в 3D-модель, очищает ее от «мусора» и позволяет тут же отредактировать. На сегодняшний день подобный сканер – это самая сложная и высокопроизводительная система над которой мне когда-либо доводилось работать, и я не думаю что совру, если скажу, что наш сканер по-прежнему прочно удерживает позиции лидера на ставшим в последние годы весьма насыщенном конкурентами рынке.



Я уже говорил выше, что алайнеры – это технология, которая революционизирует лечение прикуса? Аналогичным образом зубные сканеры – это технология, которая революционизирует, наверное, добрую половину зубоврачебных практик, причем происходить это будет буквально на глазах у нас с вами. Первое поколение 3D-сканеров сильно проигрывало традиционным «отпечаткам» по времени, поскольку слепок с зубов можно легко снять за 5-10 минут, а на сканирование того же пациента сканерами уходило 10-30 минут, а порой даже больше. Но сегодня на рынок выходит второе поколение зубных 3D-сканеров, и оно уже работает достаточно быстро чтобы спокойно укладываться в 5-10 и даже 3-5 минут. Упали и цены: если вчера сканеры стоили по 40 тысяч долларов и выше, то сегодня они стоят по 20, а некоторые простые модели даже по 10 тысяч. При этом цифровые слепки

• Намного точнее – если в старой технологии коронку приходилось «допиливать напильником» по месту установки, то коронки изготовленные с цифровых моделей идеально встают с первого раза (и, добавлю, как следствие дольше служат – стык коронки и зубов получается более плотным и там реже возникает кариес)
• Намного удобнее в хранении и поиске (в некоторых случаях слепки обязывает хранить закон и под них выделяются целые шкафы)
• Позволяют организовать удобную «историю болезни» — показывать как изнашиваются и изменяются зубы пациента со временем
• Обеспечивают мгновенную пересылку данных между врачами (или, к примеру, нам для изготовления алайнеров)
• Комфортнее для пациента (ну, по крайней мере наш сканер :) )
• Служат отличной визуализацией (на экране можно детально рассмотреть увеличенную в сотни раз модель зуба с разных сторон что способствует повышению качества его обработки)

Ну и из плюсов, конечно, уменьшение количества расходных материалов. Стоимость материалов для одного отпечатка в США сегодня составляет около 30$ тогда как стоимость цифрового скана может быть практически бесплатной. Правда в нашем iTero полностью устранять расходники мы не стали исходя из чисто гигиенических причин: перед каждым сканированием на сканер надевается специальная одноразовая стерильная накладка.



Интересно что многие клиники сегодня успешно совмещают использование ультрасовременных зубных сканеров со старым добрым ручным процессом изготовления зубных коронок по гипсовой модели. Только пластиковую модель зубов в этом случае производят не 3D печатью (аддитивным методом), а выпиливают из заготовок роботами — станками с ЧПУ. Процесс этот более долгий и энергоемкий чем 3D-печать, требует больших затрат на обслуживание (скажем ту же замену фрез), однако отказаться от него пока не получается из-за более высоких требований к точности модели. Пластиковый алайнер может на доли миллиметра деформироваться при надевании на зубы, а вот металлическая коронка должна прилегать идеально. Однако по всей видимости даже с «цифровым» процессом старым добрым «зуботехническим лабораториям» жить осталось недолго, поскольку с ничуть не меньшим успехом станки с ЧПУ сегодня вытачивают не модели зубов, а сразу предназначенные для них зубные коронки из специального циркониевого материала. Поскольку зубные коронки невелики, то роботы «заточенные» под производство коронок по цифровым моделям сегодня по размерам напоминают обыкновенные офисные МФУ и легко умещаются прямо в стоматологическом кабинете. Традиционные пара дней ожидания коронки в оснащенных подобным оборудованием клиниках сокращаются всего до 15-20 минут. Единственным сдерживающим фактором здесь пока остается высокая цена подобных устройств которая стартует с 40-60 тысяч долларов, однако во вновь появляющихся клиниках она отчасти уравновешивается отсутствием необходимости в приобретении оборудования и помещения для традиционной зуботехнической лаборатории. Но преимущества «цифры» настолько очевидны, что скорее всего очень скоро это оборудование, как и зубные сканеры, станет мейнстримом.

Однако, в силу разросшегося объема статьи, подобнее о сканерах и печати – тоже в другой раз. Подписывайтесь на наш хаб, и мы расскажем много всего интересного и даже поделимся кое-какими производственными секретами :).