數(shù)字化牙種植導(dǎo)航技術(shù)及其精確性影響因素的研究進(jìn)展

陳越，何東寧，高雯，徐林坤，田國(guó)兵，秦嬈，吳東潮

山西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)院 口腔疾病防治與新材料山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030000

牙種植已廣泛應(yīng)用于臨床，即通過(guò)將金屬鈦及鈦合金等金屬材料植入牙槽骨內(nèi)作人工牙根，在其上方制作基臺(tái)及人造冠，改善牙齒美觀，恢復(fù)咀嚼功能［1］。但就既往臨床常用的植入手術(shù)而言，醫(yī)生通常需要根據(jù)個(gè)人臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定通過(guò)何種方向植入植體，這使得種植體植入效果存在一定偏差［2］。傳統(tǒng)的口腔種植術(shù)前對(duì)軟硬組織的評(píng)估及種植設(shè)計(jì)僅參照外科醫(yī)生的既往閱歷，通過(guò)視診對(duì)患者缺牙區(qū)受植牙槽骨及牙周黏膜情況進(jìn)行了解，依據(jù)主觀觸診感知牙槽嵴寬度、倒凹情況［3］。X 線的發(fā)現(xiàn)為醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但它的局限性在于只能顯示二維的平面圖像［4-5］。錐形束CT 技術(shù)廣泛應(yīng)用于種植學(xué)領(lǐng)域［6］，使醫(yī)師不僅能在術(shù)前對(duì)上頜竇底三維形態(tài)進(jìn)行了解，還能準(zhǔn)確定位下牙槽神經(jīng)管的位置，精確測(cè)量骨的厚度和高度，最大程度降低了手術(shù)誤差，提高了種植的精確性［7-8］。但即使通過(guò)各種醫(yī)學(xué)圖像及相應(yīng)軟件完成種植體位置和角度的獲取，對(duì)于種植設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移，仍需要更好的方法進(jìn)行引導(dǎo)。計(jì)算機(jī)影像實(shí)時(shí)導(dǎo)航最早在20 世紀(jì)80 年代被較多地應(yīng)用于神經(jīng)外科手術(shù)，通過(guò)術(shù)前軟件規(guī)劃和定位的方式使得神經(jīng)外科修復(fù)手術(shù)更好地開展，數(shù)十年的發(fā)展使得這種技術(shù)在耳鼻喉外科、骨科等手術(shù)中廣泛使用［9-10］。PLODER 等［11］于1995 年將電磁定位跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用于口腔種植手術(shù)中進(jìn)行導(dǎo)航，為計(jì)算機(jī)影像實(shí)時(shí)導(dǎo)航在牙種植手術(shù)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。WITTWER 等［12］又于1999年對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，數(shù)字化牙種植導(dǎo)航技術(shù)開始逐步在臨床上應(yīng)用推廣。數(shù)字化導(dǎo)航技術(shù)能使術(shù)前虛擬設(shè)計(jì)與種植手術(shù)實(shí)時(shí)結(jié)合，讓手術(shù)位置與計(jì)算機(jī)虛擬位置相對(duì)應(yīng)，并通過(guò)屏幕實(shí)時(shí)顯示術(shù)中器械位置和植入路徑最大程度上降低操作風(fēng)險(xiǎn)，將精度誤差控制在1 mm 以下，但由于其所依托的手術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜昂貴，因而在國(guó)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用推廣較少［13］。臨床醫(yī)師在對(duì)牙列缺失患者進(jìn)行義齒種植時(shí)根據(jù)數(shù)字化導(dǎo)航技術(shù)所顯示的種植區(qū)域定位，進(jìn)行虛擬植入規(guī)劃，從而提高種植的精度及成功率，降低種植難度［14-15］。然而目前有關(guān)導(dǎo)航技術(shù)及其精確度和準(zhǔn)確性的研究較少，還需要參考國(guó)內(nèi)外臨床應(yīng)用情況對(duì)其進(jìn)行總結(jié)。本文就數(shù)字化牙種植導(dǎo)航技術(shù)及其準(zhǔn)確性、影響因素進(jìn)行綜述，以期為臨床提供參考。

1 數(shù)字化牙種植導(dǎo)航技術(shù)

1.1 分類 數(shù)字化牙種植導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)其表現(xiàn)形式可分為外科導(dǎo)板系統(tǒng)和實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)。外科導(dǎo)板系統(tǒng)是以數(shù)字化導(dǎo)向模板作為一種載體，將術(shù)前完善的種植方案精準(zhǔn)無(wú)誤的實(shí)施到種植手術(shù)操作當(dāng)中［16］。其根據(jù)導(dǎo)板引導(dǎo)程度可分為先鋒鉆導(dǎo)板、半程導(dǎo)板和全程導(dǎo)板。依據(jù)支持方式分類可以分為以下三種。①骨支持式的手術(shù)導(dǎo)板：需翻開全厚瓣后的骨面支撐，適用于骨缺損的病例、如需行骨增量的術(shù)區(qū)。②黏膜支持式的手術(shù)導(dǎo)板：主要適用于無(wú)牙頜的患者，導(dǎo)板直接放置于牙槽嵴黏膜上，無(wú)需翻開黏骨膜瓣，降低術(shù)后腫脹疼痛并顯著減少手術(shù)時(shí)間。③牙支持式的手術(shù)導(dǎo)板：由于剩余的牙可提供額外的固位，所以牙支持式可提供更高的精度［17］。

實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)是指實(shí)時(shí)導(dǎo)航整個(gè)操作過(guò)程，在運(yùn)行中可以隨時(shí)比較術(shù)前設(shè)計(jì)方案與實(shí)際操作的差異，并做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。其根據(jù)定位原理的不同大致可分為光學(xué)原理、電磁原理，其中光學(xué)原理又可分為紅外光式、可見光式及藍(lán)光式，目前在臨床上應(yīng)用最多的為紅外光學(xué)定位。相對(duì)于外科導(dǎo)板系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)更為靈活便捷，外科導(dǎo)板系統(tǒng)需要患者具備足夠的張口度，配套適用的工具盒，同時(shí)就對(duì)于術(shù)者而言，外科導(dǎo)板影響了手術(shù)術(shù)野，若術(shù)中想修改種植方案只能將之棄用。外科導(dǎo)板的放置同樣影響術(shù)區(qū)的冷卻，提高了術(shù)后的并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。而實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)中可如同自由手一般直視術(shù)區(qū)，充分冷卻，實(shí)時(shí)調(diào)整手術(shù)方案［18］。

1.2 規(guī)范使用流程 數(shù)字化導(dǎo)航系統(tǒng)包括：①種植導(dǎo)航儀，含有定位裝置及電腦控制系統(tǒng)；②U 型管，佩戴于患者口內(nèi)用于拍攝CBCT，可根據(jù)缺牙部位及種植區(qū)域位置不同分為四類；③導(dǎo)航種植手機(jī)，手機(jī)兩端為紅外光學(xué)定位儀；④參考板，包括定位用位點(diǎn)及光學(xué)定位器；⑤固定裝置，術(shù)中用于固定在缺牙區(qū)同頜對(duì)側(cè)牙上與金屬桿連接；⑥連接金屬桿，用于連接參考板及配準(zhǔn)裝置，1、2、3、4 數(shù)字表示其對(duì)應(yīng)的象限，AU/AL 表示可放置在上頜/下頜前牙區(qū)；⑦調(diào)整扳手，用于調(diào)整手機(jī)上的光學(xué)定位裝置；⑧長(zhǎng)短球鉆，用于標(biāo)定配準(zhǔn)。數(shù)字化導(dǎo)航輔助軟件通過(guò)識(shí)別分析術(shù)區(qū)將術(shù)前設(shè)計(jì)方案和術(shù)中目標(biāo)組織高精度的進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的配準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)過(guò)程中精準(zhǔn)導(dǎo)向，縮短手術(shù)間隔、直視術(shù)野、提高安全性等［18］。

應(yīng)用數(shù)字化牙種植導(dǎo)航的技術(shù)流程主要包括三個(gè)部分。①佩戴標(biāo)定裝置U 型管，根據(jù)患者佩戴位置和口內(nèi)缺牙實(shí)際情況對(duì)U型管大小和形狀進(jìn)行調(diào)整，其目的是幫助CT 掃描進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，完成U 型管的佩戴后即可通過(guò)CBCT 掃描以獲得連續(xù)的斷層平面圖像，再進(jìn)行頭顱三維影像重建，獲得數(shù)字化立體模型；②將CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)出為醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通訊（DICOM）文件格式，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件設(shè)計(jì)，對(duì)擬受植區(qū)域進(jìn)行骨量高度及寬度測(cè)量、重要解剖結(jié)構(gòu)分析、種植體方向與位置的可視化路徑規(guī)劃、模擬修復(fù)體基臺(tái)和修復(fù)體等，即在缺牙區(qū)域確定牙冠外形及位置、種植體型號(hào)及三維空間；③術(shù)中通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)將種植手機(jī)和參考板標(biāo)定，使得患者口腔空間和虛擬影像相匹配，一旦手機(jī)鉆頭接近植體軸線，屏幕顯示“十字線”視圖，在直視術(shù)野的情況下引導(dǎo)鉆針定位，把控植入深度、頰舌向等［19-20］。

目前相關(guān)報(bào)道表明，國(guó)外已經(jīng)研發(fā)出比較完善的專業(yè)商用軟件，比較常見的包括Sirona dental system、Noble Guide、Simplant、IGI、Medicim 等，其中以比利時(shí)Materialise 公司的SimPlant 和瑞典Nobel Biocare 公司的Nobel Guide 計(jì)算機(jī)輔助種植手術(shù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛［19］。其中Nobel Guide 系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)窗口的同步顯示及多方位視圖間的精確定位導(dǎo)航可以全方位模擬真實(shí)的口腔種植手術(shù)環(huán)境，醫(yī)師再通過(guò)人機(jī)交互方式對(duì)手術(shù)所需各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，在軟件輔助下生成最佳的種植手術(shù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)多個(gè)牙體缺失患者還能自動(dòng)引導(dǎo)植體平行植入，對(duì)于口腔種植修復(fù)的最終成功具有重要意義。而國(guó)內(nèi)口腔種植導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展較晚，主要為蘇州迪凱爾公司研發(fā)的易植美種植導(dǎo)航系統(tǒng)。

2 數(shù)字化種植導(dǎo)航技術(shù)的精確性及其影響因素

2.1 精確性 數(shù)字化種植導(dǎo)航的研發(fā)和使用在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展主要經(jīng)歷體外模型測(cè)試和臨床試驗(yàn)兩個(gè)進(jìn)程，其中體外模型測(cè)試主要將頜骨模型或人類尸體標(biāo)本作為載體，應(yīng)用導(dǎo)航進(jìn)行模擬種植手術(shù)來(lái)計(jì)算誤差。臨床試驗(yàn)則是在CT影像的輔助下，通過(guò)應(yīng)用導(dǎo)航在人體口腔植入種植體與術(shù)前虛擬規(guī)劃方案進(jìn)行對(duì)比。目前，大多數(shù)研究認(rèn)為應(yīng)用數(shù)字化導(dǎo)航技術(shù)能夠提高種植精度［21-23］。

歐洲第四屆骨結(jié)合協(xié)會(huì)提出數(shù)字化導(dǎo)板輔助手術(shù)能顯著提高種植的精確度［24］。VAN ASSCHE 等［25］對(duì)10種數(shù)字化外科導(dǎo)板輔助手術(shù)進(jìn)行了精度統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明種植體頸部平均誤差為0.99 mm，根部平均誤差為1.24 mm，角度平均誤差為3.81°。EDELMANN等［26］進(jìn)行的一項(xiàng)前瞻性研究探討了動(dòng)態(tài)導(dǎo)航在種植手術(shù)中的精確性，對(duì)20例患者植入20顆植體進(jìn)，植體頸部平均誤差1.83（1.34～2.33）mm，植體根端平均誤差為1.95（1.39～2.50）mm，平均角度偏差為2.7°（2.2°～3.3°）。而STEFANELLI等［27］的前瞻性隊(duì)列研究也表明，數(shù)字化外科導(dǎo)航下種植體植入的根端平均偏差、肩臺(tái)平均偏差分別為1.0、0.71 mm。此外，WIDMANN 等［28］對(duì)收集的人類尸體標(biāo)本進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)檢測(cè)，認(rèn)為數(shù)字化技術(shù)輔助下種植體植入尸體頜骨時(shí)，肩部平均側(cè)向誤差為（0.7±0.5）mm，頂部平均側(cè)向誤差為（0.9 ± 0.7）mm，角度誤差為（2.8 ± 2.2）°，相對(duì)傳統(tǒng)CT 等影像學(xué)引導(dǎo)下手術(shù)具有較低的誤差性。以上研究表明數(shù)字化導(dǎo)航可以顯著提高種植手術(shù)的精度。

2.2 影響因素

2.2.1 CBCT 掃描結(jié)果 由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)等原因，國(guó)內(nèi)CBCT 設(shè)備的完善存在較大差異，而CBCT 投射層數(shù)、掃描層厚、體素大小、非自主動(dòng)度、分辨率高低、修復(fù)體或充填體中金屬材料產(chǎn)生的噪點(diǎn)、計(jì)算機(jī)處理能力和計(jì)算方法等都會(huì)對(duì)受植區(qū)各項(xiàng)數(shù)值的測(cè)量及重建結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)度造成影響［29］。CBCT 作為一種新興的影像學(xué)技術(shù)，雖然與傳統(tǒng)CT相比減少了圖形層厚、層距對(duì)圖像真實(shí)性的影響，但其對(duì)軟組織顯影不佳，需要配合光學(xué)掃描軟組織形態(tài)，而且對(duì)金屬也會(huì)產(chǎn)生一定程度的偽影，過(guò)高或過(guò)低的閾值還會(huì)對(duì)掃描圖像的分割及重建產(chǎn)生誤差，引起三維模型重建的失真，因而CBCT 掃描的準(zhǔn)確性是目前增強(qiáng)數(shù)字化牙種植導(dǎo)航精確性的可控因素。

2.2.2 種植體長(zhǎng)度 種植體作為患者牙缺失時(shí)需要被植入骨內(nèi)的部分，其長(zhǎng)度的增加可提升種植體-骨界面的表面積，進(jìn)而增強(qiáng)種植體初期穩(wěn)定性，增強(qiáng)側(cè)向抵抗力。同時(shí)種植體長(zhǎng)度的增加也會(huì)對(duì)種植體的偏移產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。種植體長(zhǎng)度影響其植入精確性的不利因素大致包含兩方面原因，一方面在種植窩洞預(yù)備時(shí)長(zhǎng)鉆孔更易受到口腔條件的限制，植入位點(diǎn)靠后、患者張口受限都會(huì)干擾植體的植入路徑，形成與已確認(rèn)植入點(diǎn)的角度差異；另一方面當(dāng)誤差角度一致時(shí)，長(zhǎng)種植體根部的偏差距離大于短種植體根部的偏差距離，因此醫(yī)生在選擇種植體長(zhǎng)度時(shí)需要綜合多方面的因素進(jìn)行考慮，選擇最合適的長(zhǎng)度，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，確保操作的安全。

2.2.3 配準(zhǔn)誤差 臨床應(yīng)用中，口內(nèi)掃描儀獲取口腔內(nèi)軟組織和牙齒的形態(tài)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)與CBCT 圖像配準(zhǔn)結(jié)合，通過(guò)相互疊加和設(shè)計(jì)軟件的使用，將軟組織和硬組織匹配后可呈現(xiàn)出完整的三維形態(tài)，設(shè)計(jì)出術(shù)前種植方案。術(shù)中將目標(biāo)組織與種植方案通過(guò)高精度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配準(zhǔn)來(lái)確保植體植入的準(zhǔn)確性，因此配準(zhǔn)方式及軟件操作構(gòu)成了系統(tǒng)誤差［30］。除此之外，術(shù)中患者發(fā)生體位移動(dòng)，可導(dǎo)致導(dǎo)航虛擬畫面與口腔解剖結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)偏差，甚至需要重新配準(zhǔn)參考板。

2.2.4 術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn) 數(shù)字化種植導(dǎo)航技術(shù)的推廣使得手術(shù)步驟得到簡(jiǎn)化，縮短了醫(yī)師學(xué)習(xí)曲線，提高種植精確性，但其種植精確性仍受到手術(shù)醫(yī)師操作的影響。種植體植入位點(diǎn)及患者張口度均會(huì)影響外科醫(yī)師手術(shù)操作舒適度、準(zhǔn)確度，如右利手者對(duì)于左上后牙植入時(shí)會(huì)因?yàn)轶w位關(guān)系導(dǎo)致不便，影響手術(shù)視野。臨床研究也表明，手術(shù)操作者手部顫動(dòng)和感覺(jué)會(huì)不可避免的影響術(shù)中鉆孔的準(zhǔn)確植入，因而術(shù)者有良好的操作手感以及20 次以上的臨床操作經(jīng)驗(yàn)、熟練的掌握導(dǎo)航系統(tǒng)均可以顯著提高精確度［31-35］。

2.2.5 骨密度 骨密度作為臨床一項(xiàng)不可控因素，為實(shí)現(xiàn)初期穩(wěn)定性的最重要因素，對(duì)數(shù)字化種植導(dǎo)航應(yīng)用的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響［36］。BAYARCHIMEG等［37］最新的體內(nèi)研究表明，模擬各種臨床應(yīng)用情況，扭矩和種植體穩(wěn)定系數(shù)（ISQ）與骨密度密切相關(guān)，骨皮質(zhì)越厚，植體越穩(wěn)固；骨密度越高，植體獲得的初期穩(wěn)定性越好。同一植入位點(diǎn)可能因?yàn)槊苜|(zhì)骨和松質(zhì)骨比例不同導(dǎo)致骨阻力不同進(jìn)而使得鉆針向阻力低的一端偏離。術(shù)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)CBCT 測(cè)量到的缺牙區(qū)骨密度選擇合適的植入位點(diǎn)，以增加種植手術(shù)的準(zhǔn)確性。

數(shù)字化導(dǎo)航種植手術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)種植手術(shù)而言具有直觀可視、實(shí)時(shí)操作、科學(xué)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠較大程度上減少種植術(shù)中可能引起的誤差，具有較高的價(jià)值。現(xiàn)階段數(shù)字化種植導(dǎo)航技術(shù)存在一定局限，一方面受到影像技術(shù)及軟件系統(tǒng)限制，目前在我國(guó)尚未完全普及，另一方面其操作的準(zhǔn)確性還會(huì)受到CBCT 掃描結(jié)果、種植體長(zhǎng)度、手術(shù)操作者臨床經(jīng)驗(yàn)等可控因素及骨密度這項(xiàng)不可控因素影響。未來(lái)隨著軟件設(shè)備智能化、大數(shù)據(jù)資料庫(kù)的發(fā)展有助于數(shù)字化治療的普及，以便實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的數(shù)字化治療。