口腔種植鉆孔過程中預警機制的研究與分析

潘 高，鐘朝發(fā)，劉 偉

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

1 背景

口腔種植術(shù)在當今越來越受醫(yī)療工作者的重視，同樣也受到牙列缺失患者的青睞，而種植義齒可以替代自然牙進行正常的咀嚼，并且具有一定的長期穩(wěn)定性[1-2]。但在種植過程中，由于受操作人員經(jīng)驗不足等因素的影響，極易發(fā)生鉆頭刺穿種植區(qū)域下頜神經(jīng)管壁的情況，導致種植義齒的失敗[3]。

隨著醫(yī)學領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷進展，在進行手術(shù)操作前，利用CT掃描獲得患者口腔斷層數(shù)據(jù)并運用逆向軟件建立起口腔三維模型，然后對該模型進行術(shù)前規(guī)劃，使之與操作醫(yī)生的經(jīng)驗相結(jié)合來提高種植成功率，受到越來越多學者的關(guān)注。

CAMPAS等[4]采用螺旋CT對下頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)組織進行掃描，然后用有限元方法對掃描數(shù)據(jù)進行分析，獲取各節(jié)點參數(shù)，并基于各節(jié)點參數(shù)建立了所需模型。CHAUVET等[5]采用CT掃描數(shù)據(jù)并結(jié)合三維建模軟件建立了人體顱面三維模型，將CT重建模型技術(shù)、逆向工程技術(shù)等結(jié)合并準確地建立下頜骨三維有限元模型，可為后續(xù)準確分析研究口腔種植生物力學提供保證。黃智光[6]采用CBCT掃描技術(shù)測量了大量正常青年人的下頜神經(jīng)管空間位置，得出下頜神經(jīng)管在進入頜孔后逐漸偏向頰側(cè)，而后又逐漸偏向舌側(cè)。但上述各學者所建的種植體三維有限元模型均有過度簡化的情形，如上、下頜骨被簡化成由厚度均勻的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成的規(guī)則形狀幾何體等。過度簡化模型會使有限元計算結(jié)果與實際結(jié)果相差甚大。且上述論文均只考慮鉆削過程中鉆頭與骨之間的受力關(guān)系，并未考慮在對人體頜骨進行種植鉆削時，鉆頭在深入鉆削的過程中是否會碰及下頜神經(jīng)管壁。

通過建立虛擬儀器實驗平臺，研究在磨牙區(qū)種植鉆孔過程中鉆削力與鉆頭進給深度的關(guān)系，得到鉆頭行至距神經(jīng)管壁2 mm時的臨界鉆削力值并發(fā)出警報，使操作者獲取可視化信息并提前規(guī)避不當操作。同時運用正交回歸試驗法，對下頜骨進行鉆削實驗，通過改變鉆頭直徑、旋轉(zhuǎn)速度以及鉆削速度對下頜骨進行鉆削實驗，測量不同因素水平下的鉆削力大小，然后根據(jù)測量結(jié)果運動正交回歸實驗法建立鉆削力與各因素之間的正交回歸預測模型，為臨床口腔種植手術(shù)的鉆孔過程提供較為準確的數(shù)據(jù)參考。

2 基于Labview的種植鉆孔實驗平臺的建立

本文構(gòu)建了一個種植鉆孔模擬系統(tǒng)，可對種植過程中鉆頭所受力的數(shù)據(jù)進行實時測量并提取，將信號輸出在系統(tǒng)的顯示界面上。使鉆頭行進至安全距離時，給出可視化報警信號。安全臨界距離如圖1所示。

圖1 安全臨界距離示意圖

2.1 鉆削數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

鉆削數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)的整體平臺包括具有醫(yī)用種植鉆孔各參數(shù)的鉆削系統(tǒng)、人體下頜骨實體3D模型及信號的采集處理設(shè)備等。信號采集模塊主要依靠力傳感器收集數(shù)據(jù)，信號處理模塊包括A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及電壓信號放大器等，數(shù)據(jù)存儲模塊主要處理數(shù)據(jù)采集卡與Labview軟件系統(tǒng)，并最終在PC上使有效信息可視化。系統(tǒng)整體平臺搭建如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體平臺搭建示意圖

在鉆孔過程中，需先通過力傳感器直接獲取轉(zhuǎn)換成的電壓信號，并通過電壓信號放大器將獲取的電壓信號進行放大，使得信號更加明顯，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)采集卡更好地收集到信號，并將信號通過PC接口端輸送到軟件的數(shù)據(jù)采集模塊中。

2.2 下頜骨三維數(shù)字化模型的建立

選取一名無牙列、其他各項功能正常的患者作為樣體，使用CBCT進行掃描，過程中保持掃描光束平面與樣體牙頜部位垂直，掃描后去掉冗余部分，共獲取了336張二維平面斷層圖像，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲并輸出。然后在Mimics軟件中打開DICOM格式的文件，對掃描獲取的336張斷層平面圖像進行逐層放樣，由于下頜神經(jīng)管的解剖結(jié)構(gòu)復雜不利于有限元的分析，在逐層放樣的過程中將下頜神經(jīng)管孔道區(qū)域填充，后續(xù)重新建立步驟，最后采用3D模型重建功能，重建出頜骨三維模型。頜骨三維模型如圖3所示。

圖3 頜骨三維模型

為便于獲取下頜骨三維模型，需先對整個頜骨模型進行精度處理，依次對頜骨模型使用“網(wǎng)格醫(yī)生”“去除特征”“空洞填充”“打磨”“快速光順”等命令進行處理，并對截取的下頜骨模型進行光順、去噪及打磨處理，用3-matic軟件，依據(jù)下頜神經(jīng)管的統(tǒng)計學數(shù)據(jù)[7]在下頜骨模型中重建一個簡化的下頜管模型。

2.3 下頜骨3D打印模型

本文根據(jù)人體口腔下頜骨的實際信息，采用逆向工程技術(shù)建立含下頜神經(jīng)管的下頜骨三維數(shù)字模型，并根據(jù)其實際硬度在3D打印機中將其快速成型，作為模擬種植鉆孔的實體模型。

在3D打印程序中，將人體骨骼真實硬度設(shè)置為下頜骨模型的硬度（HRC為15），并以ABS樹脂（吸水率為0.2%～0.4%，屈服強度為50 MPa）為材料對其進行打印，為在鉆削過程中更方便觀測下頜神經(jīng)管內(nèi)部情況，可在打印前將下頜管下壁往下方進行適當拉伸以擴大孔徑，從而不影響下頜管上壁與牙槽嵴上緣的距離。下頜骨實體模型如圖4所示。

圖4 下頜骨實體模型

因人體下頜骨表面輪廓復雜、不規(guī)則，在體外模擬鉆孔中，難以對其進行固定，因此需要根據(jù)下頜骨設(shè)計一個可與其表面輪廓相吻合的夾具，以保證信息獲取的精確性。

2.4 下頜骨夾具的設(shè)計

將下頜骨三維數(shù)字模型導入至3-matic正向工程軟件中，根據(jù)mark選取功能將模型輪廓的頰舌側(cè)部位選出，并根據(jù)表面分離功能，將選取的輪廓表面進行提取，并在表面進行拉伸切除，獲得可對下頜骨頰舌側(cè)輪廓進行固定的夾件模型。

2.5 鉆孔測量結(jié)果與分析

在體外模擬種植鉆孔中，選用與醫(yī)用鉆頭相似的參數(shù)，即直徑d為4 mm，螺旋角為26，鉆尖角為95的鉆頭，以1 200 r/min的鉆速、50 mm/min的進給速度進給[8]。本文中，對下頜骨第三磨牙區(qū)域、第二前磨牙區(qū)、尖牙區(qū)進行模擬種植鉆孔。

本文的研究目的是檢測鉆頭鉆至距離下頜神經(jīng)管壁上緣2 mm時的鉆削力，并將其作為信號燈報警閾值。根據(jù)鉆頭進給計算出進給距離，并以每隔1 s內(nèi)的力及扭矩值取均值，進行去噪處理，可得鉆削對應牙區(qū)的力及扭矩波形變化趨勢，在3-matic軟件中對所建的下頜骨三維模型進行測量，3個磨牙區(qū)的深度依次是14.55 mm、16.48 mm、17.20mm，在鉆頭距離下頜管壁上緣2 mm，即12.55 mm、14.48 mm、15.20 mm處時，可根據(jù)上述的鉆削力與H的坐標圖各坐標點，依據(jù)插值運算在Matlab軟件中算出臨界距離值時對應的F的大小為29.8 N、27.8 N、22.7 N。將上述鉆頭至臨界H值時的鉆削力F作為報警信號燈亮起的閾值，即當鉆削過程中，鉆削力達到該值時，報警燈亮起，操作人員可立即知道當時的鉆孔狀況，及時避開下頜神經(jīng)管道，避免種植鉆孔手術(shù)失敗。

鉆頭行至臨界距離時由信號燈報警情況可知，報警時的鉆削力值達到設(shè)定的閾值時信號燈亮起，此時鉆頭距離下頜神經(jīng)管壁上緣位置2 mm，實現(xiàn)了預期的目標，可成功向操作人員展示種植鉆孔的實時狀況，有效避免鉆頭在行至臨近距離后繼續(xù)進給，保證鉆孔手術(shù)成功。

3 結(jié)論

本文基于無牙列樣體的CBCT掃描數(shù)據(jù)，采用Mimics、Geomagic等逆向工程軟件建立了下頜骨三維數(shù)字模型，結(jié)合3-matic正向工程軟件的布爾運算功能建立含個性化下頜神經(jīng)管的下頜骨三維模型，將建立的下頜骨模型以STL格式導入型號為Objet350 Connex3的3D打印機程序內(nèi)，打印出下頜骨實體模型。同時通過搭建下位機硬件系統(tǒng)，研究了體外模擬種植鉆孔中鉆頭鉆削力的變化規(guī)律，并在Labview上位機程序中實時顯示出鉆削力的變化波形。以鉆頭進給至下頜神經(jīng)管壁上緣的安全距離時的鉆削力為閾值，發(fā)出警報信號，可對臨床口腔種植鉆孔提供極具實際意義的參考數(shù)據(jù)，有效避免種植鉆孔過程中，鉆頭刺穿下頜神經(jīng)管壁，提前規(guī)劃操作方案，避免損傷下頜骨內(nèi)的下頜神經(jīng)管壁，提高口腔種植鉆孔的成功率。