種植手術中動態(tài)導航精確性的影響因素

林愉快，焦嵐 綜述 王遠勤 審校

暨南大學口腔醫(yī)學院，廣東 廣州 510632

近年來，隨著口腔種植技術的不斷發(fā)展，對傳統(tǒng)局部義齒及全口義齒修復方式不滿意的患者可以選擇種植技術進行治療，種植修復方式具有優(yōu)越的生物力學性能及良好的美學效果，因此受到醫(yī)生和患者的青睞[1]。在以修復為導向的理念指導下，種植體適當的位置、角度和方向成為種植修復成功的重要因素[2]。然而，傳統(tǒng)種植手術主要依靠術者臨床經驗，無法精準判斷種植體植入時的方向，容易損傷一些鄰近重要解剖結構如上頜竇、頦孔、下頜神經管等，增加了手術風險，降低了臨床修復效果[3]。因此臨床上逐漸將動態(tài)導航技術(dynamic navigation technology)應用于種植手術之中，該技術將種植手術器械、醫(yī)學影像設備、跟蹤定位與術前設計軟件集于一體，術前運用醫(yī)學影像數據進行種植位置的設計，同時結合跟蹤定位系統(tǒng)進行術中實時校準，監(jiān)測種植體植入方向，指導術者依照術前設計的位置、方向、角度植入種植體，提高種植體植入的精確性，避免損傷重要解剖結構，減輕患者術后不適[4]，從而實現安全、精準、微創(chuàng)、美學的種植理念[5-6]。

動態(tài)導航(dynamic navigation，DN)在口腔種植中精確度的測量方法是將種植體術后的錐形束CT數據與運用軟件設計的種植體術前錐形束CT數據進行比對分析，比較種植體長軸頸部、末端及角度偏差來分析動態(tài)導航的精確性[7]。種植體植入的精確性至關重要，尤其是在缺牙間隙過小、即刻修復、避免損傷重要解剖結構等狀況時[8-9]。影響動態(tài)導航系統(tǒng)進行種植手術時的精確性因素有很多，本文將對動態(tài)導航系統(tǒng)應用于口腔種植手術時影響精確性的因素進行歸納總結，期望有助于其在口腔種植外科手術及修復領域的臨床應用。

動態(tài)導航系統(tǒng)工作原理主要可分為三個部分：①將具有放射阻射標記的術前定位模板固定于缺牙區(qū)附近，并獲取CBCT數據載入導航設備，進行術前設計及臨床風險評估等；②將術中用于定位的模板(localizing template)的標記點和導航設備內術前在導航系統(tǒng)軟件內設計的CBCT 數據進行擬合匹配；③術中運用光學定位追蹤系統(tǒng)，在三維影像空間中進行植入方向的實時校準。因此研究動態(tài)導航精確性的影響因素也主要圍繞以上幾點進行分析。

1 CBCT影像因素

20 世紀70 年代，Hounsfield 研發(fā)了計算機斷層掃描CT并應用于醫(yī)學，隨后錐形束CT(CBCT)開始應用于口腔種植領域。相比于傳統(tǒng)CT，CBCT顯著降低了輻射量，減少了金屬偽影，而且具有更高的分辨率，使得術者可以在三維空間中將術區(qū)重要解剖結構可視化，大大提高種植體的精確性與安全性。動態(tài)導航輔助的種植手術主要使用CBCT進行術前診斷設計與術后精確度評估，因此高質量的CBCT 掃描是動態(tài)導航技術應用于種植手術中的基本前提[10]。

然而，圖像偽像、曝光劑量、視野大小、成像時間、患者移動、切片厚度、體素水平等多種因素均會導致CBCT 數據誤差。例如，影像形成過程主要包括三個階段：采集與重建，最后是圖像顯示[11-12]。圖像偽像是在數字化影像采集與重建數據過程中的可視化結構(visual structure)，該結構在人體正常組織中并不存在。偽像會通過降低相鄰物體之間的對比度顯著影響CBCT影像的質量，從而引起錯誤的診斷[13]，降低臨床上種植手術中使用DN的精確性。因為影像質量和輻射劑量之間的密切關系，CBCT 成像的有效劑量可以在10～1 000 μSv 的范圍內變化，曝光劑量基本上是與FOV(field of view)的橫向面積(高度和寬度的乘積)成正比，且較小的FOV可以減少散射光線并提高影像的清晰度。然而當劑量水平較低時，同樣也不利于成像質量，不利于診斷。因此OENNING等[14]認為，臨床上應當遵循診斷上可接受、以適應證為導向且以患者為中心的原則，尋找符合圖像質量要求的輻射劑量平衡點，否則將不利于CBCT 影像的準確呈現。此外，HALPERIN-STERNFELD 等[15]指出，輻照時間應盡可能短，以防止因患者移動而導致偽影，但是建議時間在10～20 s之間為宜。此外，獲取3D影像時，應盡可能獲得醫(yī)學數字化格式(dicom)中的CBCT影像，即連續(xù)的軸位DICOM (digital imaging and communication in medicine)圖像數據，該類型圖像數據需要大容量內存。為了節(jié)省存儲空間，DICOM 通常在文件導出過程中將DICOM 圖像壓縮，通常有損壓縮會導致圖像質量下降[16]。因此建議使用原始數據或無損壓縮算法壓縮影像數據，并且進一步研究量化DICOM 導出過程中丟失的信息量，從而將術前三維影像的標記點與術區(qū)周圍的標記點進行精確配準。

動態(tài)導航系統(tǒng)引導種植手術的誤差是積少成多、不斷擴大的一個過程，它不僅源于計算機設計軟件的正確運用以及種植手術引導工具的合理制作，更與CBCT 圖像(采集、重建與顯示)的可靠性密不可分[17]。因此，為了減少動態(tài)導航技術引導種植手術的誤差，術者應結合CBCT 可能產生誤差的因素，嚴格把控CBCT 影像的采集與重建過程，選擇適宜的分辨率生成圖像數據，設置最佳的采集參數和后處理步驟。囑患者在拍攝CBCT影像時術區(qū)位置平行于地面且勿移動，選擇合適的視野，使其能夠包括術區(qū)全部位置和所有配準點，掃描期間時刻保持張口狀態(tài)或者在上下頜牙列與頬部軟組織放置X射線透射材料，以此分離軟組織，獲取術區(qū)的游離齦等軟組織邊界。參照使用MSCT 掃描協(xié)議，每一個斷層厚度約1.5 mm，影像分辨率0.1～0.4 mm。進而獲得精確三維影像數據，提高動態(tài)導航系統(tǒng)用于種植手術的精確度。

2 配準因素

WIDMANN 等[18]指出，配準是指術前CBCT 影像中的定位點與術中患者實際定位點之間的結合，并且配準已被證明是動態(tài)導航手術準確性中最有影響力的因素。配準方式(registration method)主要分為無需置于患者組織內部的非侵入性(noninvasive)和需要置于患者組織內部的侵入性(invasive)方法。其中骨內侵入式標記是評價準確性與否的金標準，但需要在CBCT 數據采集前進行外科手術放置。相比之下，配準夾、外部配準框架、鄰近解剖標志配準等是非侵入式的方式，需要手術期間對其進行重新定位，影像配準模板的穩(wěn)定性，從而導致動態(tài)導航系統(tǒng)用于種植手術中的誤差。

研究表明，配準產生的誤差來源主要有：①基準定位誤差(FLE)：定位基準點時的錯誤；②配準時相應基準點誤差(FRE)：配準時在操作過程中相應的基準點(fiducial points)之間的誤差；③目標配準誤差(TRE)：配準后基準點以外的對應點之間的誤差，例如在動態(tài)導航引導的種植手術中，導航手術器械的實際位置與手術區(qū)域的相應具體位置(TRE與其他因素)之間的不匹配[19]。配準基準點數量的增加與TRE的降低無關，并且特定數量的配準標志物可以降低手術部位的TRE，例如將配準標記點的數量從三個增加到五個不會顯著提高準確度，然而四個或八個則具有了較高的精確性，因此確定在不同手術部位觀測到最小TRE的圖像配準標記的最小數量非常重要，還應排除單個錯誤率較高的基準點，如此則可以明顯提高配準精度[20]。

因此，術前掃描CBCT 時固定于患者口內的配準夾應確保無移位搖擺，在術中盡可能減少術中配準夾的移動，若條件允許，則建議使用侵入式標記方式。PANCHAL等[21]認為，在牙列缺損的患者中，使用特殊材料將術中使用的配準夾固定于術區(qū)鄰近至少三顆牙齒上，并且使其能夠可重復的進入相同位置，還應放置在適當的位置，最大程度地減少對光及種植手術器械的干擾；在牙列缺失的無牙頜患者中，建議使用微型種植釘將無牙頜的配準夾固定在頜骨中，方便于CBCT掃描中進行配準。

3 追蹤定位系統(tǒng)

目前動態(tài)導航技術主要使用光學與電磁兩種跟蹤定位系統(tǒng)，其中光學定位追蹤系統(tǒng)(OTS)精度可達0.1～0.4 mm，較于其他系統(tǒng)，OTS具有更高的準確性[22]，所以應用也較為普遍。

3.1 光學追蹤定位系統(tǒng) 光學三角跟蹤的動態(tài) 導 航 系 統(tǒng)(X-Navide?，X-Nav Technologies，LLC等)，在手術過程中動態(tài)跟蹤元件安裝于兩個區(qū)域，其中一個是患者術區(qū)鄰近解剖結構的動態(tài)參考系(DRF)，另一個則為醫(yī)生的手術工具，在以上兩個區(qū)域安裝的有源(發(fā)光二極管)或無源(反射)跟蹤元件，該元件可被立體攝像頭所檢測，系統(tǒng)獲得跟蹤數據信息，并且使該信息實時顯示，實時引導醫(yī)生將鉆頭及種植體精確地進入預定位置[23]。根據運行原理，光學跟蹤系統(tǒng)具有主動及被動兩種類型，主動跟蹤系統(tǒng)中二極管發(fā)射的紅外光線被立體攝像頭實時捕獲，而在被動跟蹤系統(tǒng)中利用反射球將矩陣紅外線實時反射進入立體攝像頭。因此，跟蹤定位系統(tǒng)的誤差主要來源有以下幾點：①DRF 與立體攝像頭之間未能形成直射關系，STRONG 等[24]認為手術過程中，兩個動態(tài)參考系與立體攝像頭之間全程無遮擋是保證手術精確性的重要前提；②DRF是識別虛擬和真實之間的穩(wěn)定標記，若在術中DRF未能穩(wěn)定，將會引起種植手術器械在患者口腔內實際位置與導航系統(tǒng)顯示位置存在差異[25]；③隨著DRF 標記數量以及DRF 上各標記點之間的距離減小，OTS 精度大大降低；④STATES 等[26]研究表明，DRF 標記相對于傳感器平面的方向及角度會影響到OTS 的可靠性；⑤立體像頭儀器是否預熱也具有重要影響，因為它可能會影響儀器的固有參數并最終影響系統(tǒng)準確性。除此之外，DRF 標記時常會被系統(tǒng)錯誤識別，錯誤識別的標記投影與正常標記的投影之間會形成標記重影，標記的重影出現常導致OTS 追蹤定位失敗[27]。

3.2 電磁導航系統(tǒng) 電磁導航系統(tǒng)(EMTS)是基于磁場發(fā)生器探測電磁傳感器中線圈的磁場變化，再通過控制系統(tǒng)進行空間坐標實時定位調整的原理。相比于OTS，EMTS 最大的優(yōu)勢是不受紅外光線直射與否的限制，但是EMTS對于工作環(huán)境的要求較高，例如磁鐵及金屬的靠近會使磁場扭曲失真，嚴重影響EMST 系統(tǒng)的精確性[28]。因而WIDMANN 等[29]認為，臨床醫(yī)生應充分了解追蹤定位系統(tǒng)的運行原理以及誤差來源，檢查手術器械及DRF上的跟蹤元件的位置和功能，保證其處于合理的空間和數量；仔細校準手術工具上的跟蹤元件和與立體相機相關的DRF 的角度與范圍，光學立體攝像頭與跟蹤元件之間的直線和通過跟蹤元件的平面垂直的矢量所形成的角度應為50°；提前啟動立體攝像頭儀器預熱15～30 min，將會明顯減少立體攝像頭儀器所帶來的誤差；檢查EMTS 磁場發(fā)生器和電磁傳感器的距離是否合理，使用非金屬及非磁鐵的器械，排除金屬及磁鐵對EMTS 的干擾也至關重要。

4 人為因素

人為因素主要包括醫(yī)生和患者兩個方面，其貫穿導航手術的全過程。例如，圖像掃描過程中患者的移動，術前檢測、校對以及術中配準時的失誤，未能正確使用導航系統(tǒng)的應用，醫(yī)生的熟練程度以及心理素質等。其中手術醫(yī)生的因素是最主要的，術者具有一定的臨床經驗，熟練流暢地使用復雜的導航系統(tǒng)，掌握正確的手術方法以及獲得良好的手感等，均可有效縮短手術時間，降低手術誤差。SáNCHEZ-GARCéS等[30]認為，雖然種植手術是口腔治療中常見手術，但是無種植經驗的牙科學生也不具有足夠臨床能力來進行種植手術，通常動態(tài)導航引導的種植手術程序很復雜，技術敏感性較高，這要求臨床術者需要具有一定的種植手術經驗。BLOCK 等[31]研究表明，為了取得最佳手術效果，術者接受一定的手術及操作培訓是很有必要的，根據動態(tài)導航種植手術的學習曲線顯示，對于同樣沒有使用導航系統(tǒng)經驗的種植手術專家與初學者，種植專家動態(tài)導航手術的準確性明顯更高，但是學習曲線也更為平坦，初學者通過臨床操作動態(tài)導航系統(tǒng)20次后亦可有效提高種植體精度，甚至能將種植體深度誤差降低至0.96 mm，角度誤差降至3.63°。SUN 等[32]指出，在動態(tài)導航系統(tǒng)中，跟蹤定位元件位于患者術區(qū)附近以及手術器械上，由于患者牙列的寬度及張口度有限，追蹤定位元件有時會遮擋術者視線以及阻礙術者操作，這使得術者與導航系統(tǒng)之間缺乏協(xié)調互動，增加了手術的難度；術者在術中必須實時準確地判斷手機在屏幕上圖像位置與實際位置，但是臨床上有時圖像位置與實際位置的方向差異，術者手眼難以協(xié)調，影像手術結果。

為了減少人為因素的影響，影像掃描時保證患者不移動，提高患者配合程度，根據學習曲線，術者應接受相關臨床實踐培訓，提高臨床操作技能，培養(yǎng)操作手感，加強心理素質。使屏幕上顯示的方向與牙醫(yī)所使用的常見的頰側、舌側和近中側方向一致，以有效降低在種植牙導航系統(tǒng)使用過程中醫(yī)生眼手協(xié)調的困難[32]。

5 種植區(qū)域

通常認為后牙區(qū)較短的頜間距離以及軟組織對術者視線的遮擋，術者難以將手術器械以及種植體放置在預定位置，常使得后牙區(qū)種植手術難度相對較高，但是研究中發(fā)現，使用實時導航系統(tǒng)在上頜和下頜分別進行種植手術，其準確性不具有顯著差異[33]。然而，SCHNITMAN等[34]研究指出，無牙頜主要可以分為6 個區(qū)域：上頜前牙區(qū)、上頜右后牙區(qū)、上頜左后牙區(qū)、下頜前牙區(qū)、下頜右后牙區(qū)和下頜左后牙區(qū)，在進行種植體植入時，植入的位置很容易受到術者手部不同位置的影響，不同種植區(qū)域及不同骨量會影響種植體效果，其中下頜前牙區(qū)種植成功率最高，其次是下頜后牙區(qū)域，上頜后牙區(qū)成功率最低，表明不同種植區(qū)域之間的種植導航系統(tǒng)的性能精確性存在差異。

因此，在使用動態(tài)導航系統(tǒng)時，術者應充分考慮到每個區(qū)域的骨量差異會影響種植體最終的效果，也要考慮不同種植區(qū)域對精度的影響，為了提高種植體成功率，需要將種植體植入合適的區(qū)域，關注跟蹤定位系統(tǒng)的局限性，盡量減少手術誤差。

6 小結

在動態(tài)導航引導種植手術中，對其精確性的影響因素都不是單一存在的，所有影響因素都是綜合性的，主要包括CBCT 影像、跟蹤定位系統(tǒng)、配準和人為等因素，每一個因素引起的誤差都是積少成多、不斷擴大的一個過程，術者應盡可能考慮到引起誤差的每一個因素，提高手術準確性，避免誤差帶來的影響。其中CBCT影像的獲取準確與否，取決于圖像偽像、曝光劑量、視野大小、成像時間、患者移動、切片厚度、體素水平等。電磁導航系統(tǒng)磁場容易受到金屬物質影響，對手術精確性產生較大影響。因此，較為穩(wěn)定的光學導航系統(tǒng)則應成為臨床首要選擇，光學導航系統(tǒng)使用過程中，應當選擇穩(wěn)定合適的TRE，確保手術器械、導航軟件與患者解剖結構的準確性。配準一般被認為是影響導航系統(tǒng)精確性的最重要因素，因此，術中建議排除錯誤率較高的單個配準點標記，盡量選擇骨性標記點，確保DRF和每一個基準點無任何松動和偏移。人為因素可以放大導航手術過程中任何一個影響精確性的因素，所以應該實施系統(tǒng)化的誤差管理，以保證正確執(zhí)行整個手術過程中的每一個程序，最大程度地減少機器和人為誤差。因此，臨床上使用動態(tài)導航引導種植手術時，認識影響精確性的因素不僅有助于臨床醫(yī)生正確使用動態(tài)導航系統(tǒng)，更有利于提高種植手術的精確性。