基于CBCT的種植牙模型定制醫(yī)用輔助系統(tǒng)

胡茂承，陳穎，葛云，王仁飛

1.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210023；2.杭州口腔醫(yī)院集團(tuán)有限公司，浙江杭州310002

前言

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在近些年取得了快速的發(fā)展，利用醫(yī)學(xué)影像的相關(guān)技術(shù)輔助醫(yī)生進(jìn)行醫(yī)療已是當(dāng)下必然的趨勢，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)現(xiàn)已滲透到醫(yī)療的各個(gè)領(lǐng)域。而在種植牙領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的加入不僅大大提高了醫(yī)生對種植牙的規(guī)格參數(shù)和種植方案評估的準(zhǔn)確率，而且降低了時(shí)間成本，這對于病人恢復(fù)健康都是至關(guān)重要的。

臨床醫(yī)師在給病人定制種植牙的時(shí)候，不同病人因?yàn)楣橇康牟煌?，使得種植牙的參數(shù)和規(guī)格差別較大，很難通過固定的模板來確定種植牙的規(guī)格和參數(shù)。因此本研究利用重建出來的三維（Three-dimensional,3D）圖像導(dǎo)入第三方軟件，然后通過觀察軟件中提供的一些參數(shù)，預(yù)覽種植牙的效果，從而大大提高手術(shù)的精準(zhǔn)完成程度。

傳統(tǒng)的二維圖像在通過重建算法后可以得到3D圖像，而錐形束CT（Cone Beam Computed Tomography,CBCT）的數(shù)據(jù)投影是二維的，可以直接用于來重建牙床結(jié)構(gòu)；利用CBCT，醫(yī)生也可以更準(zhǔn)確地評估下頜骨和下頜骨的種植。精確定制種植牙主要是通過醫(yī)學(xué)圖像處理并利用3D重建技術(shù)在計(jì)算機(jī)軟件中還原和重現(xiàn)出病人的牙床結(jié)構(gòu)，進(jìn)而幫助醫(yī)生可以通過軟件中的牙床結(jié)構(gòu)了解病人的骨量等信息，得到定制種植牙需要的全量的病人數(shù)據(jù)。

同時(shí)，在得到種植牙規(guī)格后，怎樣在患者的牙床結(jié)構(gòu)中放置種植牙也是手術(shù)中非常關(guān)鍵的一部分。一般來說，醫(yī)生需要確定種植牙的規(guī)格參數(shù)，為病人定制種植牙，然后選擇種植牙種植的角度和深度等，并且希望在手術(shù)之前就已經(jīng)將這些方案準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)好，而不希望術(shù)后再進(jìn)行修改和完善［1］。那么這就需要借助醫(yī)學(xué)影像的技術(shù)，將病人牙床結(jié)構(gòu)的CBCT導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行重現(xiàn)并且重建出3D體數(shù)據(jù)，讓醫(yī)生可以多個(gè)角度深入觀察病人的牙床結(jié)構(gòu)，然后定制一個(gè)適合病人實(shí)際情況的種植體。同時(shí)，我們需要將同等大小的種植體同步顯示在這個(gè)牙床結(jié)構(gòu)中，這樣醫(yī)生就可以非常方便地觀察種植體規(guī)格和擺放的效果是否合適，一旦發(fā)現(xiàn)不適，醫(yī)生可以在線及時(shí)做出修改，并觀察修改后的情況，直至得到一個(gè)滿意的種植體。這樣不僅方便了醫(yī)生的操作，并且大大節(jié)省了種植牙模型參數(shù)確認(rèn)的時(shí)間成本［2］。

現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)已經(jīng)在一定程度上解決了利用可視化技術(shù)做牙床結(jié)構(gòu)的三視圖和3D重建的顯示，但是種植牙模型類型少，無法做到根據(jù)病人所需而定制的程度。而且由于顯示上的不充足，醫(yī)生無法準(zhǔn)確判斷種植牙在病人牙床中的位置和深度，只能依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)來確定這些信息［3］。但是這樣的結(jié)果往往是種植牙的長久使用效果不盡如人意。傳統(tǒng)種植牙，種植體植入牙槽骨后，需要經(jīng)歷3～6個(gè)月無負(fù)荷的愈合期，才能戴上牙冠，這段期間，患者看起來仍是“缺牙”狀態(tài)，無法正常使用牙齒咀嚼、發(fā)音受阻，影響美觀，而且，進(jìn)行種植牙手術(shù)的患者在植體植入后36個(gè)月等待戴牙冠期間依然無法正常咀嚼，外形看上去也不美觀，對患者的飲食、發(fā)音和社交造成諸多困擾。造成這樣的原因是種植體的最初規(guī)格并不能完全適合病人的牙床結(jié)構(gòu)，醫(yī)生無法對種植牙的具體規(guī)格做出非常精確的判斷，并且不能很好地掌控種植牙的擺放位置和深度［4］。目前一些醫(yī)院使用的一些軟件功能相對專一，醫(yī)生首先從DICOM圖像處理軟件中根據(jù)CBCT圖像以及重建的3D圖像獲取相應(yīng)的信息，然后對種植牙模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)做出初步計(jì)算，再在專業(yè)的制圖軟件中完成種植牙模型的建模，然而這會導(dǎo)致試錯(cuò)時(shí)間成本高。此外，還有一些其他的的軟件例如SimplantPro是Materialise Dental公司開發(fā)的一種可用于口腔種植修復(fù)術(shù)前測量及手術(shù)方案設(shè)計(jì)及術(shù)后效果預(yù)測的軟件［5］。目前的種植牙軟件市場競爭是非常激烈的，國外比較有名的有Anatomage Invivo、Nobel Guide On Demand3D 等。Simplant作為老牌的軟件，優(yōu)勢是國內(nèi)知名度高、種植庫齊全、軟件智能度高。這些軟件中也可以提供一些種植牙模型的同步顯示，但是種植牙模型類型少，無法做到根據(jù)病人所需而定制的程度［6-7］。

本研究介紹的系統(tǒng)是基于C++、Qt、VTK、CTK進(jìn)行開發(fā)，完成DICOM格式數(shù)據(jù)的讀入和實(shí)現(xiàn)牙床結(jié)構(gòu)的3D重建與顯示。在用戶界面上具有人機(jī)交互、操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。醫(yī)生可以方便地對牙床結(jié)構(gòu)的3D模型和二維切面進(jìn)行平移、縮放操作，并且可以調(diào)整渲染配色以及亮度和透明度。該軟件還可以實(shí)時(shí)更改種植體的數(shù)據(jù)并刷新顯示，同時(shí)將切面投影的輪廓清晰地渲染出來，在交互方面支持在二維和3D顯示框中同步顯示種植體模型的移動(dòng)，便于醫(yī)生觀察模型的大小以及契合度。在種植體大小確定后，本軟件可以導(dǎo)出相應(yīng)大小且符合STL格式的種植體數(shù)據(jù)文件用于3D打印。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)可分為DICOM解讀及圖像載入、圖像顯示與3D重建、種植牙模型定制、種植牙與牙床結(jié)構(gòu)融合顯示與STL格式種植牙文件導(dǎo)出這5個(gè)模塊。系統(tǒng)首先讀取CBCT醫(yī)學(xué)影像并進(jìn)行顯示，醫(yī)師可在圖像上觀察并計(jì)算所需數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)會生成相應(yīng)的種植牙模型，并融合顯示在CBCT重建出的牙床結(jié)構(gòu)的環(huán)境中。醫(yī)生可以通過一定的交互，觀察生成后的種植牙的實(shí)際效果，在需要時(shí)可以做出一定的修改。最終將確定的種植牙模型按照STL文件格式導(dǎo)出。基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件主界面圖像如圖2所示，主要渲染了CBCT圖像和牙床重建圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

圖2 CBCT和牙床重建圖Fig.2 CBCT and gum reconstruction image

基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本研究開發(fā)的軟件主要包含以下功能和流程：（1）基于DICOM格式數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)牙床結(jié)構(gòu)的3D重建與顯示。軟件運(yùn)行后，用戶可以點(diǎn)擊導(dǎo)入圖像按鈕選擇想要導(dǎo)入的DICOM序列圖像所在文件的位置，確定后，軟件會自動(dòng)幫助用戶完成圖像的導(dǎo)入和顯示以及3D模型的重建與顯示。（2）符合STL格式的種植牙數(shù)據(jù)的生成與顯示。DICOM圖像導(dǎo)入后，用戶可以在左側(cè)種植體定制界面中，填寫所需的骨寬度、骨高度、牙齦厚度、牙近遠(yuǎn)中間距離、咬合空間數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊確認(rèn)后，軟件自動(dòng)完成STL數(shù)據(jù)種植牙數(shù)據(jù)的生成和顯示。（3）對基臺高度、頸部高度與角度、體部長度與直徑進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整并刷新顯示調(diào)整后的種植牙3D結(jié)構(gòu)。STL格式種植牙數(shù)據(jù)生成后，用戶可以將左側(cè)界面切換至種植體修改界面，點(diǎn)擊想要操作的種植體標(biāo)簽，下方會顯示種植體的基臺高度、頸部高度、體部長度與直徑，通過修改其中的數(shù)字然后點(diǎn)擊修改按鈕可以完成數(shù)據(jù)的修改，軟件會根據(jù)新的數(shù)據(jù)重新生成新的種植牙模型覆蓋原來的數(shù)據(jù)，同時(shí)更新顯示且保持位置和角度不變。（4）導(dǎo)出符合STL格式的種植牙數(shù)據(jù)。種植牙數(shù)據(jù)確定無誤后，用戶可以選擇導(dǎo)出選中的種植牙模型，軟件會在用戶選擇的位置生成一個(gè)STL格式的種植牙文件。

種植牙的設(shè)計(jì)和顯示成為了系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)和完成的主要問題。

2 種植牙技術(shù)

種植牙技術(shù)是一種以植入骨組織內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來支持、固位上部牙修復(fù)體的缺牙修復(fù)方式，包括下部的支持種植體和上部的牙修復(fù)體［8］。種植牙技術(shù)采用人工材料制成種植體，經(jīng)手術(shù)方法植入組織內(nèi)并獲得骨組織牢固的固位支持，并通過特殊的裝置和方式連接支持上部的牙修復(fù)體。種植牙可以獲得與天然牙功能、結(jié)構(gòu)以及美觀效果十分相似的修復(fù)效果，現(xiàn)已成為越來越多缺牙患者的首選修復(fù)方式。本研究涉及的種植牙模型如圖3所示。模型分為3個(gè)部分，從上到下分別是基臺、頸部、體部。醫(yī)生會根據(jù)軟件中CBCT重現(xiàn)的牙床結(jié)構(gòu)，確定骨寬度、骨高度、牙齦厚度、牙近遠(yuǎn)中間距離、咬合空間信息，然后根據(jù)這些信息初步計(jì)算出種植體的基臺高度、頸部高度、頸部高度、體部直徑、體部高度。本研究根據(jù)杭州口腔醫(yī)院的需求，設(shè)計(jì)了個(gè)性化的種植牙模型。其對應(yīng)關(guān)系見下述。

圖3 種植牙模型Fig.3 Dental implant model

（1）骨寬度（直徑）及高度（長度）對應(yīng)種植體（直徑×長度）如表1所示。

表1 種植牙直徑和長度參數(shù)表（mm）Tab.1 Diameters and lengths of dental implants(mm)

（2）骨質(zhì)密度分級與螺紋形態(tài)如表2所示。

表2 種植體螺紋對應(yīng)表Tab.2 Correspondent threads of dental implants

（3）牙齦厚度H與穿齦部位基臺高度h的關(guān)系見式（1）：

（4）牙近遠(yuǎn)中間距離W與穿齦基臺頸部近遠(yuǎn)中寬度w1的關(guān)系見式（2）：

（5）牙位與穿齦基臺頸部頰舌向?qū)挾葁2的對應(yīng)關(guān)系見表3。

（6）修復(fù)基臺錐度為4°。

（7）咬合空間與修復(fù)基臺高度的對應(yīng)關(guān)系見表4［9］。

表3 種植體基臺參數(shù)表Tab.3 Abutment parameters of dental implants

表4 種植體修復(fù)基臺參數(shù)（mm）Tab.4 Restoration abutment parameters of dental implants(mm)

3 牙床結(jié)構(gòu)重建與種植牙融合顯示

醫(yī)生根據(jù)CBCT重現(xiàn)的牙床結(jié)構(gòu)，確定骨寬度、骨高度、牙齦厚度、牙近遠(yuǎn)中間距離、咬合空間信息，并根據(jù)這些信息初步計(jì)算出種植體的基臺高度、頸部高度、頸部角度、體部直徑、體部高度［10］。生成的模型將顯示在軟件中，并可以完成二維切面投影顯示和3D立體顯示（圖4）。醫(yī)生可以根據(jù)顯示情況對種植牙模型參數(shù)做出調(diào)整，實(shí)時(shí)顯示種植牙更新后效果，這樣不僅方便了醫(yī)生的操作，并且大大節(jié)省了種植牙模型參數(shù)確認(rèn)的時(shí)間成本［11］。

4 結(jié)論

圖4 牙床結(jié)構(gòu)重建與種植牙融合顯示Fig.4 Gum reconstruction and dental implant fusion display

現(xiàn)有的一些軟件功能相對專一，醫(yī)生根據(jù)CBCT圖像以及重建3D圖像獲取相應(yīng)的信息，并對種植牙模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)做出初步計(jì)算，然后再完成種植牙模型的建模，然而這樣的試錯(cuò)時(shí)間成本較高。已有的一些DICOM圖像處理的軟件中可以提供一些種植牙模型的同步顯示，但是種植牙模型類型少，無法做到根據(jù)病人所需而定制的程度［12］。

本研究主要搭建了數(shù)字化種植牙定制系統(tǒng)平臺。利用Qt和VTK等可視化醫(yī)學(xué)影像框架共同完成開發(fā)。Qt為操作系統(tǒng)級別的人機(jī)交互提供了技術(shù)支持，同時(shí)在界面布局和事件響應(yīng)上具有方便開發(fā)和管理的特點(diǎn)［13-16］；VTK提供了DICOM圖像的讀入和顯示以及3D重建的支持，同時(shí)底層對于STL格式的文件是支持解析和顯示的。系統(tǒng)對技術(shù)和算法模塊進(jìn)行了高度的集成和封裝，從而為醫(yī)生提供了便捷的交互手段［17-20］。該軟件可以根據(jù)醫(yī)生的要求，定制出適合病人的STL格式的種植體，具有人機(jī)交互、操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。此外，本研究根據(jù)杭州口腔醫(yī)院的需求，設(shè)計(jì)了個(gè)性化的種植牙模型，同時(shí)該模型的不同組件可以支持合理范圍內(nèi)的修改，具有精度高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)為醫(yī)生提供了參數(shù)化制作的接口，醫(yī)生只需填寫必須的參數(shù)即可完成種植牙的制作，具有制作方式靈活的特點(diǎn)；醫(yī)生也可以在系統(tǒng)中充分地觀察到病人的牙床結(jié)構(gòu)的體數(shù)據(jù)和切面三視圖，生成后的種植體可以在同樣的場景下得到渲染，方便醫(yī)生觀察種植體的實(shí)際效果。