種植體計算機輔助設計和制造導板精度的評價

劉洪 劉東旭 王克濤 王春玲 趙臻

（1.山東大學口腔醫(yī)學院 山東省口腔生物醫(yī)學重點實驗室；2.山東大學齊魯醫(yī)院 口腔頜面外科，山東 濟南 250012）

目前種植技術已經(jīng)成為常規(guī)的牙列缺失的治療手段。但由于解剖結構的限制和患者修復的主觀需要等因素的存在，臨床醫(yī)生要對種植患者進行明確的診斷、合理的設計以及精確的手術。在目前的診斷手段中，CT技術具有定位精確、非介入性和三維可視等優(yōu)點，在臨床應用中非常廣泛。隨著CT三維重建技術的不斷發(fā)展，臨床醫(yī)生可以借助CT三維可視化技術來明確患者的骨量和植入條件，并進行手術模擬和設計[1-2]?；贑T數(shù)據(jù)的計算機輔助設計和制造（computer aided design and computer aided manufacture，CAD/CAM）種植導板在國外已經(jīng)發(fā)展成熟，并廣泛應用于臨床。通過對患者的CT信息進行三維重建，可以有效地評價患者的骨量和重要組織（包括神經(jīng)）的位置[3]，虛擬放置種植體到最理想的位置，實現(xiàn)種植體的計算機模擬植入。利用反求技術設計種植體的種植位置和角度并轉移到植入導板的導向孔道中，可以實現(xiàn)種植體植入導板的計算機輔助設計（CAD）[4-5]；而借助于快速成型技術可以將數(shù)字信息制作實體化以形成實體導板（CAM）。在導板的設計和制作過程中，影響導板精度的因素很多，本研究的重點在于利用三維重建技術和模具加工軟件設計并制作種植導板，同時評價其植入后的精度。

1 材料和方法

1.1 材料和研究對象

1.1.1 軟件包 基礎軟件采用Mimics和Magics軟件包。

1.1.2 快速成型設備及材料 SPS600型快速成型設備（西安交通大學研制）；SOMOS 1112型光敏樹脂（DSM公司，美國）。

1.1.3 研究對象 干燥下頜骨標本4個，種植體14枚（Osstem公司，韓國）。種植體直徑4.5mm，長度13mm。

1.2 CAD/CAM種植導板的術前制作

首先對下頜骨標本取模，取模時要求邊緣盡量伸展，然后制作石膏模型，對模型的倒凹部分用石膏充填（圖1A、B）。利用熱壓膜技術對石膏模型做壓膜導板（圖1C），壓膜的厚度為1.5～2.0mm（可做2次壓膜）。對壓膜制作的導板進行修整，在咬合面形成3個窗口，以方便檢驗導板的就位情況；在壓膜導板的頰舌側鉆孔，將牙膠尖置入孔內(nèi)作為放射標記點（圖1C、D），放射導板制作完成。將放射導板戴入頜骨后行CT掃描，放射導板也單獨進行CT掃描（二次CT技術[6]）。所有CT數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲，利用Mimics軟件重建下頜骨三維模型（圖2A），并在相應位置虛擬放置種植體（圖2B）。利用放射標記點將放射導板的三維重建模型配準在下頜骨上（圖2C），并以放射導板為基礎，設計與虛擬種植體方向一致的導向孔道，設計好導向孔道的高度以控制植入的深度。利用反求技術和布爾運算將導向孔道添加到放射導板上，完成虛擬種植體的位置方向向導板的轉移（圖2D）。種植導板設計完成后的數(shù)據(jù)以STL格式導出，導入到快速成型設備中，對STL數(shù)據(jù)作修補和加支撐處理（快速成型前處理工序）后，紫外線分層固化樹脂完成導板的實體化制作。

1.3 種植體植入過程

本實驗利用植入導向管以改變導向孔道的內(nèi)徑從而保證植入精度。種植體的直徑為4.5mm，植入鉆的使用順序依次為2.0、3.0、3.8、4.1mm；植入導向管的內(nèi)徑依次為2.1、3.1、3.9、4.2mm，以配合導向鉆的直徑變化，并要求導向管外徑與導板導向孔內(nèi)徑相匹配。

種植導板制作完成并在下頜骨標本上試戴無誤后，通過咬合面窗口檢查導板是否就位，然后固定導板，按順序依次更換導向管和導向鉆，植入種植體后取下導板。本實驗中4個下頜骨標本共植入14枚種植體，植入?yún)^(qū)均為下頜骨后牙段。

1.4 植入精度評價

1.5 統(tǒng)計學分析

為了評價測量的可靠性，所有的配準測量在1周后重新測量1次。通過配對t檢驗，前后2次測量無統(tǒng)計學差異（P>0.05）。通過SPSS 11.5統(tǒng)計軟件分析獲得3個方向偏離值的均數(shù)和標準差，通過配伍組方差分析評價3個方向的偏離誤差，檢驗水準為雙側α=0.05。

2 結果

4個CAD/CAM導板戴入相應的下頜骨標本后穩(wěn)定且固位良好，14枚種植體在導板的輔助下順利植入，植入過程未出現(xiàn)問題。種植體植入后頭部偏差量為（0.47±0.12）mm，尾部偏差量為（0.19±0.07）mm，角度偏差為1.79°±0.68°。重新定義坐標后，測量三維方向（x、y、z）上的偏離值，種植體頭部的偏離值分別為（0.22±0.08）mm、（0.25±0.06）mm、（0.30±0.11）mm，尾部偏離值分別為（0.10±0.03）mm、（0.08±0.02）mm、（0.13±0.04）mm。角度偏離值只有x、y軸方向才有，分別為1.20°±0.38°和1.24°±0.30°。經(jīng)統(tǒng)計學檢驗，種植體頭部、尾部和角度在x、y軸方向（即頰舌向和近遠中向）的偏離值無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）；但種植體頭部和尾部在z軸方向（即垂直向）的偏離值較其他2個方向略大，其差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

3 討論

如何提高精度是種植導板研究的主要內(nèi)容[7-8]。利用計算機三維設計種植體的位置，可以保證種植體植入在最佳位置，尤其是在骨量不足、植入較為困難時，術前進行診斷和設計植入位置非常必要。虛擬的植入位置向實際植入位置的轉移就涉及到導板的精度問題。

目前CAD/CAM導板的應用日益廣泛，由于存在試驗對象和導板制作方法不同等原因，對導板精度的評價有所差異。Sarment等[7]報道，Simplant系統(tǒng)的偏離角度誤差為4.5°±2.0°，種植體頭部和尾部分別有（0.9±0.5）mm和（1.0±0.6）mm的偏離值。Brief等[8]對IGI的精度進行了評價，其偏離角度誤差為4.21°，種植體頭部和尾部的偏離值分別為0.65 mm和0.68mm。Assche等[9]研究證實，Nobel Guide系統(tǒng)的角度偏離值為2.0°±0.8°，種植體頭部和尾部的偏離值分別為（1.1±0.7）mm和（2.0±0.7）mm。

與上述研究相比，本研究的導板制作設計方法略有不同，實驗對象（人體下頜骨模型）也有所差異，實驗結果也有不同。造成導板誤差的原因較多，導板的設計、制作和使用過程中都有可能造成誤差，分析如下。

1）三維重建。在導板制作過程中，頜骨和放射導板在相應的閾值條件下分別重建。閾值是三維重建的關鍵[10]，閾值過高或過低都會造成三維重建模型失真，出現(xiàn)誤差。放射導板的三維重建模型是種植導板的基礎，因此放射導板三維重建的精度直接影響最終導板的精度。放射導板是利用熱壓膜技術加工制作的，三維重建的閾值約為-550 HU。最佳的三維重建閾值需通過對比測量光固化模型和不斷調整放射導板的厚度而得到。

2）配準技術。在整個導板的制作過程中，放射導板與頜骨的配準精度會直接影響導板的最終精度。在臨床導板的實際制作過程中，因為軟組織的閾值與放射導板接近，故應采用二次CT掃描技術，單獨掃描放射導板后進行三維重建，從而保證放射導板的精度。本實驗設計的是模擬臨床實際的放射導板，同樣采用二次CT掃描技術，以牙膠尖作為放射標記點，在配準時2次放射標記點以相同的閾值條件進行重建。利用放射標記點進行點配準后，再利用閾值選擇后每層CT片上的被選擇的興趣區(qū)域進行精確配準。植入前后的精度評價是基于植入前后CT數(shù)據(jù)的配準完成的，頜骨在相同的閾值條件下重建，利用表面的特征性骨標志點完成配準，借助軟件內(nèi)STL配準功能實現(xiàn)精細配準。配準在本實驗中是關鍵的技術部分，而利用點配準后再行STL配準校對有較高的精度，造成的誤差相對較小。

3）快速成型技術?？焖俪尚图夹g是由CAD系統(tǒng)對準備制造的零件進行三維實體造型設計，再由專門的計算機切片軟件將CAD系統(tǒng)的三維造型切割成若干薄層平面數(shù)據(jù)模型，根據(jù)各薄層平面的x-y運動指令，再結合提升設備沿z軸方向的間歇下降運動，形成整個零件的數(shù)控加工指令。將指令輸入快速成型系統(tǒng)進行加工。加工時，升降工作臺首先下降至液體容器的液面之下，對應CAD模型最下一層切片的厚度，根據(jù)該切片的x-y平面幾何數(shù)據(jù)，用紫外光照射可固化的液態(tài)樹脂（如環(huán)氧樹脂、乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂），第1層樹脂固化在工作臺上；然后工作臺下降至第2層切片厚度，由激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描液面，使新一層液態(tài)樹脂固化并緊緊粘貼在前一層已固化的樹脂上。如此反復“生長”，直至形成整個三維實體零件[11]?？焖俪尚偷木戎苯佑绊憣О宓木?，光敏樹脂則是精度的關鍵所在。本實驗采用美國DSM公司生產(chǎn)的SOMOS 1112型光敏樹脂。因為該材料的收縮等誤差因素較為明確，所以可在加工前對STL文件作預處理，調整尺寸以抵消快速成型系統(tǒng)的加工誤差，保證精度。Choi等[12]測量了快速成型的醫(yī)學模型的誤差，結果顯示誤差較小，為0.56%±0.39%。本實驗所用的快速成型設備的精度與Choi等[12]的研究接近，精度較高，對導板精度的影響相對較小。

4）導板的穩(wěn)定性。導板的植入精度直接影響導板在戴入就位后是否穩(wěn)定[8]，上述3個原因均可出現(xiàn)誤差，導致導板與頜骨的匹配欠佳。在三維方向上將種植體的偏離值分解測量，有助于分析誤差來源，不同方向的誤差的原因不同。在導板制作完畢后，在石膏模型上試戴，消除影響就位的部分，從而保證精度。導向管與導板的導向孔之間，以及與導向鉆之間都有0.1mm的余隙，導向孔道的高度為8mm，這樣會造成約0.7°的誤差。無論何種原因導致的就位欠佳，首先受到影響的是垂直向的深度控制，就位不完全時，種植體植入深度影響最大。因此本研究用三維測量評價偏離距離時，垂直向的偏離值較其他2個方向略大。

本研究在現(xiàn)有軟件和技術的基礎上設計并制作種植導板，利用頜骨標本模擬種植體植入，與臨床實際應用的導板略有不同。臨床導板在輔助植入時，需要先利用環(huán)切鉆切除黏膜。由于黏膜組織具有可讓性，會增加導板的動度而影響精度，因此導板就位后需要在頰側利用固位栓固位以保證導板的穩(wěn)定性。

本研究采用干燥的下頜骨標本，沒有黏膜覆蓋，制作和植入手術相對都比較簡單，因此本研究制作的放射導板無論配準還是精度控制都較臨床實際應用的精度高。對植入后誤差的三維分析有助于確定誤差來源。導板的前段就位欠佳時，種植體植入后近遠中向（選擇的植入部位均為后牙）的誤差會明顯增大；導板在下頜骨左右向就位欠佳時，種植體植入后頰舌向的誤差會較明顯；深度的控制是以擴孔鉆的標記點為參考的，導板就位欠佳時會導致植入深度不足。本研究中，導板的設計制作和精度評價主要基于配準技術和反求技術，植入精度較高，在臨床實際中的應用情況需作進一步研究。

由本研究結果可以看出，CAD/CAM種植導板具有較高的精度，在頜骨標本上可實現(xiàn)種植體植入的可靠控制，具有較高的臨床應用前景，尤其是對于復雜且植入要求較高的患者更有使用價值。但本實驗條件與實際臨床應用仍有較大差異，其臨床應用精度尚需進一步研究。

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