口腔種植導(dǎo)板的數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印

張永弟 張子昂 楊光 張潤(rùn)生

摘要：為了提高牙齒種植位置和方向的準(zhǔn)確性，降低手術(shù)難度，縮短手術(shù)時(shí)間，降低患者術(shù)后不適感和并發(fā)癥等， 對(duì)承載著種植體理想植入方位信息的種植導(dǎo)板進(jìn)行了研究。 在沒(méi)有專(zhuān)用牙齒種植軟件的情況下， 利用CT圖像和三維光學(xué)掃描數(shù)據(jù)重建牙頜模型，使用通用的 Mimics，Geomagic和Magics等軟件進(jìn)行種植手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)板設(shè)計(jì)，并采用FDM和SL兩種3D打印工藝對(duì)導(dǎo)板進(jìn)行制作，通過(guò)導(dǎo)板與牙模佩戴測(cè)試，給出了設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于牙齒種植的數(shù)字化和精準(zhǔn)化。提出的導(dǎo)板設(shè)計(jì)與制作工藝可以作為參考，以幫助醫(yī)生和工程師在沒(méi)有專(zhuān)用的種植軟件的情況下，進(jìn)行數(shù)字化導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與制作，提高種植的精準(zhǔn)度和成功率。

關(guān)鍵詞：口腔頜面外科學(xué)；口腔種植； 種植手術(shù)導(dǎo)板； 數(shù)字化設(shè)計(jì)； 3D打印

中圖分類(lèi)號(hào)：R782.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx04010

以修復(fù)體為指導(dǎo)的種植技術(shù)（prosthetically guided implantology）是依據(jù)最終修復(fù)體的設(shè)計(jì)來(lái)確定種植體位置[1]，從而保證修復(fù)效果，獲得最佳的功能和美觀。在傳統(tǒng)的種植牙手術(shù)中，種植體植入的角度和位置依靠醫(yī)生在術(shù)中翻開(kāi)患者黏骨膜瓣后，根據(jù)骨組織情況進(jìn)行確定，即便術(shù)前借助了影像技術(shù)，但術(shù)中仍在很大程度上依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)年輕醫(yī)生來(lái)說(shuō)存在著很大挑戰(zhàn)，影響了種植技術(shù)的普及和推廣。傳統(tǒng)種植手術(shù)對(duì)于種植體植入位置、角度以及深度存在著相對(duì)不可預(yù)見(jiàn)性，如果種植體植入位置和方向偏差較大，不僅會(huì)影響最終修復(fù)體的效果，還可能造成周?chē)匾馄式Y(jié)構(gòu)的損傷[2]，甚至?xí)鹬T多并發(fā)癥，如牙槽骨開(kāi)裂、神經(jīng)損傷等[3]。

第4期張永弟，等：口腔種植導(dǎo)板的數(shù)字化設(shè)計(jì)與3D打印河北工業(yè)科技第35卷種植導(dǎo)板是一種承載著種植入體理想位置、方向、角度等信息的手術(shù)輔助裝置，是連通術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)中操作的橋梁[2]，有助于在手術(shù)操作中準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化術(shù)前設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的種植導(dǎo)板多是在石膏牙模上利用熱壓膜技術(shù)制得[4-6]或采用光聚合托盤(pán)材料制得[7]。雖能保證牙冠部分的美觀，但還是無(wú)法精準(zhǔn)控制種植體的三維位置。

目前，國(guó)外一些公司研發(fā)出專(zhuān)用的牙齒種植軟件用來(lái)進(jìn)行導(dǎo)板設(shè)計(jì)，已經(jīng)商品化的有比利時(shí)Materialise Dental公司的SimPlant Pro軟件[8]、加拿大 Anatomage公司的Invivo 軟件、瑞典N(xiāo)obel Biocare公司的ProceraTM軟件[9]、韓國(guó) Cybermed 公司的OnDemand3DTM軟件、丹麥3Shape公司的Implant StudioTM軟件、美國(guó)Media Lab Inc公司的Implant 3D軟件、意大利的3D SENTCAD系統(tǒng)等，但受限于其昂貴的價(jià)格而始終未在中國(guó)大范圍推廣。中國(guó)的種植軟件有杭州六維齒科的6D dental軟件等。種植軟件通常附帶種植體庫(kù)，方便醫(yī)生選擇種植體型號(hào)，但目前除了Implant StudioTM軟件設(shè)計(jì)的導(dǎo)板允許第三方加工外，以上其他公司設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)均需要發(fā)回原公司制作導(dǎo)板，用時(shí)較長(zhǎng)。目前，在中國(guó)應(yīng)用區(qū)域范圍還比較小，報(bào)道僅見(jiàn)于一些規(guī)模較大、級(jí)別較高的醫(yī)院，絕大多數(shù)的種植手術(shù)還僅憑術(shù)者經(jīng)驗(yàn)或僅依靠傳統(tǒng)簡(jiǎn)易種植導(dǎo)板引導(dǎo)手術(shù)，因此有必要進(jìn)一步推動(dòng)導(dǎo)板設(shè)計(jì)的數(shù)字化，提高導(dǎo)板的制作精確性。

近年來(lái)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用逐年增多，主要用來(lái)制作輔助手術(shù)的解剖模型、手術(shù)導(dǎo)板和植入物。3D打印手術(shù)導(dǎo)板可以縮短手術(shù)時(shí)間，提高精度，減少輻射，臨床效果好，雖然花費(fèi)稍多一些，但總體成本效益良好[10]。利用3D打印技術(shù)，結(jié)合3D圖像生成及編輯處理軟件、逆向三維設(shè)計(jì)軟件等的應(yīng)用，使得自行設(shè)計(jì)制作種植導(dǎo)板成為可能。本文主要研究在沒(méi)有專(zhuān)門(mén)牙齒種植軟件的情況下，如何利用CT圖像、光學(xué)掃描、逆向設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)與制作個(gè)性化的種植導(dǎo)板，用來(lái)輔助醫(yī)生提高種植的精準(zhǔn)度，減少對(duì)個(gè)人臨床經(jīng)驗(yàn)的依賴，從而助力于種植技術(shù)的普及和推廣。

1種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)

種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足一些原則，如準(zhǔn)確地定位和定向、術(shù)中固位和穩(wěn)定性以及不會(huì)對(duì)周?chē)M織造成不良影響等，但具體設(shè)計(jì)也要受到患者個(gè)體特征以及術(shù)中使用的器械等因素的限制。手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計(jì)和制作需要醫(yī)生和工程師之間的緊密協(xié)作，以將治療需求正確地轉(zhuǎn)移到技術(shù)規(guī)范中。手術(shù)導(dǎo)板有牙齒支撐、黏膜支撐、骨支撐、牙齒與黏膜聯(lián)合支撐等類(lèi)型[11-13]。以某患者（下頜31，41牙齒缺失）為例敘述種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1.1數(shù)據(jù)采集

獲取患者的牙頜石膏模型和CT數(shù)據(jù)（440幅圖像，層間距0.3 mm）。本著美觀和功能兼顧的原則在石膏模型上設(shè)計(jì)制作診斷蠟型，以對(duì)修復(fù)效果進(jìn)行直觀表達(dá)。對(duì)于修復(fù)前后的下頜模型進(jìn)行光學(xué)掃描（3shape D500，精度10 μm），得到下頜STL格式的三維數(shù)字模型（如圖1所示）。雖然CT圖像相對(duì)于光學(xué)掃描精度低，但其可以顯示牙槽骨及牙根信息，這對(duì)種植體植入的準(zhǔn)確性和導(dǎo)板設(shè)計(jì)的合理性是十分重要的。但CT圖像對(duì)牙齦軟組織不敏感，因此CT圖像與光學(xué)掃描兩種測(cè)量方式結(jié)合起來(lái)進(jìn)行導(dǎo)板的設(shè)計(jì)，可使設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)。

1.2CT圖像三維建模

根據(jù)患者上下頜形態(tài)，篩選了其中250幅CT數(shù)據(jù)圖像，導(dǎo)入醫(yī)學(xué)建模Mimics 10.01軟件（Materialise公司，比利時(shí)）中，利用Tools和Segmentation模塊，對(duì)牙頜模型進(jìn)行重建（如圖2所示），建模過(guò)程中需要注意閾值的選擇，這影響到建模質(zhì)量，可先粗選后細(xì)調(diào)，以獲得最佳閾值。

1.3手術(shù)規(guī)劃與導(dǎo)板設(shè)計(jì)

使用Mimics對(duì)重建的牙頜模型進(jìn)行必要的測(cè)量，如缺齒間隙（如圖3所示）、牙槽骨寬度、深度等，制定手術(shù)方案，選擇合適的種植體型號(hào)規(guī)格，確保種植體與鄰牙的距離不小于1.5 mm，以避免造成鄰牙損傷 。利用MedCAD模塊，根據(jù)選擇的種植體和患者牙槽骨特征，設(shè)計(jì)植入位置和方向（如圖4所示），導(dǎo)出帶有植入體位置和方向的牙頜模型（如圖5所示）STL文件。

本文病例中需要種植2顆下切牙，為了盡量減少導(dǎo)板在口腔中占據(jù)的空間，減輕患者手術(shù)過(guò)程中的不適感，導(dǎo)板設(shè)計(jì)時(shí)選擇部分牙齒（左右各3顆鄰牙）和黏膜作為聯(lián)合固位支撐，即術(shù)中導(dǎo)板是固定在牙冠、覆蓋在牙齦上的。

在Geomagic Wrap（3D Systems公司，美國(guó)）軟件中導(dǎo)入牙頜光學(xué)掃描模型，提取固位牙頜的表面信息，然后與圖5所示的模型利用N點(diǎn)對(duì)齊法進(jìn)行模型匹配（如圖6所示），可獲得導(dǎo)板的初始模型（如圖7所示），這個(gè)初始模型包含植入體的位置和方向信息，但沒(méi)有厚度。然后把初始模型導(dǎo)入Magics（Materialise公司，比利時(shí)）軟件中進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，確定導(dǎo)板的壁厚、導(dǎo)向距離等，尤其要注意牙冠頂部往往比牙冠根部寬，需要人工個(gè)性化設(shè)計(jì)，以保證導(dǎo)板能比較貼合地戴到牙冠上，最終設(shè)計(jì)的導(dǎo)板外形如圖8所示。

2導(dǎo)板3D打印與測(cè)試

種植導(dǎo)板應(yīng)該具有較好的穩(wěn)定性、剛性、精度，便于操作，可消毒滅菌等特點(diǎn)[1]。研究中選用了3D打印工藝中成本較便宜的熔融沉積制造（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）工藝（UP BOX+，北京太爾時(shí)代）和精度較高的光固化（Stereolithography， SL）工藝[6]（SPS450打印機(jī)， 陜西恒通智能設(shè)備有限公司）分別進(jìn)行導(dǎo)板的制作。為避免3D打印成型過(guò)程中的臺(tái)階效應(yīng)，保證導(dǎo)向孔的精度，導(dǎo)向孔軸線應(yīng)平行于Z軸方向，進(jìn)行切片處理及3D打印。為了對(duì)導(dǎo)板與牙頜模型的佩戴效果進(jìn)行測(cè)試，對(duì)導(dǎo)板數(shù)字模型進(jìn)行適當(dāng)修改，分別預(yù)留了0，0.1，0.2和0.3 mm 4種間隙。佩戴測(cè)試實(shí)驗(yàn)如表1所示。

采用FDM工藝聚乳酸（PLA）材料打印的導(dǎo)板均能戴在牙頜模型上，但預(yù)留0.2 mm間隙的導(dǎo)板松緊度最佳，能比較貼合地戴在需要種植的牙頜模型上（深色的為導(dǎo)板），如圖9所示；采用光固化工藝打印的導(dǎo)板模型（如圖10所示）預(yù)留0，0.1 mm間隙的導(dǎo)板佩戴實(shí)驗(yàn)失敗，其余兩種實(shí)驗(yàn)成功，預(yù)留03 mm間隙的比0.2 mm的貼合度較好。PLA材料的韌性比樹(shù)脂好，是造成佩戴結(jié)果的重要因素，但對(duì)于在手術(shù)過(guò)程中起到位置定位和方向?qū)虻膶?dǎo)板來(lái)說(shuō)，導(dǎo)板的變形會(huì)影響定位和導(dǎo)向精度，進(jìn)而影響牙齒種植精度，這是術(shù)中所不希望的。

導(dǎo)板最終的誤差是不同階段誤差的累積，有數(shù)據(jù)獲取階段、數(shù)據(jù)處理階段、打印階段等[14]。實(shí)驗(yàn)中用兩種方法制作的導(dǎo)板佩戴效果不一致，是3D打印工藝不同、原材料不同、PLA材料在凝固過(guò)程中和光敏樹(shù)脂在光聚合固化過(guò)程中的收縮率不同、機(jī)器精度不同等因素。因此，在導(dǎo)板的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)制作導(dǎo)板的工藝及材料等因素進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，以保證佩戴效果。通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用導(dǎo)板能明顯縮短臨床手術(shù)時(shí)間。從成本上考慮，采用 SL工藝要比FDM工藝（PLA材料）高一些，但導(dǎo)板定位導(dǎo)向精度高、變形小，有利于手術(shù)操作的穩(wěn)定性，尤其是采用SL工藝制作透明導(dǎo)板更有利于醫(yī)生在術(shù)中的操作。

3結(jié)語(yǔ)

論述了如何利用CT圖像和光學(xué)掃描數(shù)據(jù)，使用 Mimics，Geomagic和Magics軟件進(jìn)行牙齒種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)過(guò)程，比較了FDM和SL兩種3D打印工藝制作導(dǎo)板的效果。3D打印種植導(dǎo)板是針對(duì)患者定制的具有定位、定向結(jié)構(gòu)的手術(shù)輔助裝置，具有縮短手術(shù)時(shí)間、降低手術(shù)操作難度、提高種植精度等優(yōu)點(diǎn)，是醫(yī)生的“好幫手”，并能兼顧功能與美容，具有很好的應(yīng)用前景。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，選擇的3D打印材料不同、打印工藝不同、打印機(jī)精度等因素都會(huì)影響導(dǎo)板制作的精度，需要在導(dǎo)板設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。本文給出的導(dǎo)板設(shè)計(jì)與制作工藝可以作為參考，以幫助醫(yī)生和工程師在沒(méi)有專(zhuān)用的種植軟件的情況下，進(jìn)行數(shù)字化導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與制作，提高種植的精準(zhǔn)度和成功率。

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