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数字化口腔种植导航的精确性评价

2020-1-3 13:01  来源:临床口腔医学杂志
编辑:汪饶开卷 吕平 姚洋 阅读量:6230

    种植义齿如今已广泛应用于临床,而数字化技术的不断发展使其在种植修复治疗的每一环节中都有所结合与应用,这不仅是对传统诊疗模式的突破,也是对结合安全、舒适、疗效的种植诊疗新模式的更深入探索。“以修复为导向”的种植理念提出后,对种植义齿的评价从早期侧重的存活率已逐渐转移至功能恢复及美观效果上。为确保种植体理想植入,在进行种植手术的前期及手术过程中,对患者骨密度、牙槽骨高度和宽度、下牙槽神经血管束及牙槽脊顶与上颌窦底距离的考虑是必要的。因此种植路径的精准度是口腔种植技术的关键。

    传统牙种植手术中,医生常需凭借临床经验分析并确定种植体植入的路径,这种“开放-观察”式的种植手术方式在很大程度上容易造成种植体植入效果欠佳、牙槽骨侧壁或上颌窦穿孔等术后并发症。而目前虽已广泛应用于临床,一定的局限性仍不可避免地存在于数字化种植导板的应用中,如冷却障碍、视野受限、精确度有待提升、不支撑实时调整设计等。

    数字化导航技术与种植手术的结合,能够在不影响冷却的同时,实现术中实时展示钻针与重要剖解结构的位置关系以监控其方向、深度和角度,灵活把握植入设计,使手术时间缩减、脱离高风险、创伤范围缩小,术者操作简便且患者术中、术后舒适度提高,对于局部剖解条件复杂、种植部位深在的种植修复病例尤其适合。

    1.数字化种植导航概况

    二十世纪80年代,计算机辅助导航系统(术前规划App+定位探针)最初被用于神经外科手术,经过发展如今在神经外科、耳鼻喉外科、骨科等中广泛使用。而此技术在口腔种植中的应用及发展始于1995年Ploder等尝试使用电磁定位跟踪系统在口腔种植手术中进行导航,1999年Wittwer等对前者进行了改进。后由于不断的技术发展,数字化种植导航被开发并成功应用于口腔医学中。

    数字化种植导航是由计算机辅助导航技术(computer-aided navigation,CAN)衍生应用于口腔种植手术的一种辅助精准植入种植体的数字化技术,以CT三维成像对精细的颌骨剖解结构进行扫描和重建作为基础,通过定位系统实时追踪和呈现患者口腔和手术器械的空间位置,并利用计算机配准技术将术中口腔空间和术前设计虚拟模型相匹配。

    首先,基于锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)对缺牙区结构的高精度数据再现与重建,导航可通过对各种信息的采集、综合分析识别并标记相关重要剖解结构,同时应用交互式2D和3D种植设计模拟种植体的摆放,保证精确的术前规划、避免不利的机械负荷。

    其次,定位系统的实时追踪、检测及导向指示功能可实现术中精确追踪导航,及时调整植入设计,且直视下操作可不改变种植医生的习惯。另外,导航对于手术过程及术后效果的直观模拟,在起到“虚拟手术培训”作用的同时便于术者之间、术者与患者之间的交流沟通,减少了术后并发症。

    由于以上优势,数字化种植导航同样适合于局部剖解条件复杂、种植部位深在、要求手术微创的病例中。近十几年来,国外对数字化种植导航的应用显著大于国内,而目前国内使用以种植导板为主。

    2.数字化种植导航的分类及构成

    数字化种植导航根据定位方式不同可分为超声波定位、电磁波定位、机械定位、光学定位等,其中光学定位又分为红外光式与可见光式两种。目前临床应用最广泛的是光学定位,具有定位精确性高(误差为0.1~0.4mm)及无需与手术区域接触、不影响冷却、直视操作等优势。数字化种植导航由导航系统、定位装置(Tracker)、电脑主机构成。

    导航系统根据CT扫描数据并利用迭代最近点算法(interactive closest point,ICP)进行配准,可实现术前模拟及规划、术中实时导航及监测。其中,配准系统分为基于标记点的配准(marker-based)和无标记点的配准(marker-free)。对于定位装置,应用较普遍的光学追踪定位中包括主动追踪与被动追踪两种方式。

    定位装置类似汽车全球定位系统(global positioning system,GPS)中的定位卫星,影像数据如同GPS中的地图;与GPS在地图中定位汽车的原理一样,导航App会对手术区域进行检测并与所设计的虚拟影像进行点对点的匹配,实现手术过程中精确导向、缩短时间、提高安全性且允许术中对种植体规划的调整。

    3.数字化种植导航的使用流程及常用导航系统

    3.1基本使用流程

    数字化种植导航的基本使用流程分为4步:佩戴U型管→拍摄CBCT→术前设计及模拟→术中实时导航或临时调整。U型管为厂家制作生产,佩戴在患者缺牙区,其大小及形状可根据佩戴位置及牙槽骨实际情况进行选择,具有对CT扫描及虚拟设计的引导作用。

    CBCT扫描获得的二维数据可重建牙颌三维影像数据后以DICOM格式输入导航系统中,系统中的设计App则会通过对影像数据进行一系列处理,在重建的三维影像上选择最佳植入途径并模拟植入过程,具有辅助术前诊断及优化设计的功能。在手术过程中,导航系统利用导航探针及器械标定对手术器械精确跟踪定位并与术前设计匹配,直接显示重要剖解结构并可在必要时发出警报以实现实时监测和导航,其可视化及直视下操作也给术者提供了便捷。

    3.2国内外常用导航系统

    由于口腔种植手术对数字化种植导航越发广泛的使用需求,国内外已有多个厂家研发出相关系统及设备。国外较常用导航系统有维也纳大学VISIT系统、Medtronic企业Treon系统、Denx企业IGI系统及Robodent、Voxim等。有研究显示,Treon系统误差为0.90mm和0.60mm,IGI系统为0.39mm和0.50mm,Robodent系统为0.35mm和0.47mm,VISIT系统为0.72mm和0.99mm。不同导航系统相较于无导航的“自由手”操作均能有效减小种植体植入误差。国内种植导航的研发与使用仍处于起步阶段。

    陈晓军等采用VisualC++及VTK研发了IGOIS导航系统,陈松龄等将CT与三维可视化技术相结合完成虚拟牙种植导航系统的研发。近年来,迪凯尔企业研发和生产的“阿波罗种植牙手术导航机”开始在全国范围推广使用,且经实验测定其植入精确度可达到0.8mm,在很大程度上给予患者足够的信任感与安全感。

    4.数字化种植导航的精确性

    数字化种植导航(动态导航)的研发与使用标志着不同于种植导板(静态导航)的另一种数字化种植技术的出现,且随着其在临床的广泛应用,国内外学者对导航的精确性进行了一系列实验研究,主要可归纳为模型实验和临床实验两种方式。模型实验主要制作颌骨模型或采用人类尸体标本使用导航模拟种植手术并对误差进行测量。临床实验对精确性的测量则是通过使用导航植入的种植体CT影像与术前设计模型的偏差来完成。

    有文献报告显示,数字化种植导航的临床实验误差:种植体颊侧顶端介于0.6~1.44mm,基底端介于0.55~1.0mm;舌侧顶端介于0.7~1.36mm,基底端介于0.49~1.2mm;角度歪斜<6.4°。Wanschitz等对导航的临床实验发现,分别是1.00mm、1.30mm和6.4°的种植体起、止点误差和角度误差;相较前者,模型实验则误差稍低,分别是0.58mm、0.79mm和3.55°的起、止点误差和角度误差。

    Randelzhofer等在模型实验的基础上对头、尾部分别为0.03mm和0.02mm的种植体误差进行了报道。维也纳大学也对其自主研发的VISIT系统在离体头颅上进行实验后确认精度为(0.96±0.72)mm。Widmann等通过在尸体颌骨的种植体植入实验显示,种植体肩部平均侧向误差为(0.7±0.5)mm(最大为2.0mm),顶部平均侧向误差为(0.9±0.7)mm(最大为3.1mm),角向误差为(2.8±2.2)°(最大为9.2°)。Chiu等、Kramer等、Brief等和Casap等对数字化种植导航的实验研究分析得出,种植体植入位置的误差达到0.4mm,角度误差达到4°。

    国内研究中,王卓等在仿真模型上通过195组数据的测量对导航系统的实验显示,种植体植入深度和角度的精度分别为(0.77±0.24)mm和(0.55±0.23)°。与传统手术方式对比,数字化种植导航的应用的确使种植体植入准确性得到了有效提高。

    5.数字化种植导航精确性的影响因素

    目前数字化种植导航的应用仍处于起步阶段,临床应用中存在诸多影响种植体植入精度的因素,其精确性有待进一步提升,包括以下几种主要影响因素:

    ①CT扫描:CBCT的扫描厚度、体素大小、图像导入及分辨率高低都将对测量描绘及重建结构的准确性产生影响。另外,若扫描时扫描部位的移动或存在金属的干扰(如金属修复体)均可使获取及重建的图像变形或无效。

    ②定位装置:定位装置制作的每一步骤及其放置位置、方式等将影响其在术中的定位效果,从而对种植体植入的精确性产生影响。其次,定位装置中动态参考架的摆放、倾斜度及稳定性,光学跟踪系统的尺寸与距离问题,导航探针对目标点的精确定位及其松动程度的测定同样也是影响因素。

    ③配准:数字化种植导航需要通过术前设计方案与术中目标组织高精度的点对点配准来保证植入种植体的精确性,因此配准方式也组成了误差来源,可造成定位标志(FLE)、配准标志(FRE)和目标(TRE)等配准误差的出现。

    ④导航系统:如前所述,不同导航系统的精确性可导致种植体植入精确性的不同,但其误差范围均在临床可接受范围以内,相较于传统手术方式仍使精确性有所提高。

    ⑤其他因素:人为因素是整个手术过程中产生误差的最大来源。其中操作误差可能出现在CT扫描、定位装置制作及放置、配准、实时导航等过程中。另外,术者手部的颤动和感觉不可避免地会影响术中钻针的准确植入。并且因数字化种植导航在种植手术中的应用仍是术者起主导作用,术者临床操作的熟练程度也对手术成功与否有着巨大影响。

    6.数字化种植导航与数字化种植导板的比较

    数字化技术在种植手术中的应用包括数字化种植导航和数字化种植导板两种形式。Jung等比较数字化种植导航与导板的研究显示差异不具有临床意义,但就精度、操作、冷却、受限条件及适应证等二者仍存在不同程度的差异。数字化种植导板(digital implant surgery template)是利用CAD/CAM技术在术前依据患者缺牙区剖解条件及种植体设计并利用快速成型技术(RP)制作的辅助导板。数字化种植导板可分为牙支撑式、黏膜支撑式、骨支撑式及混合支撑式,且目前其辅助种植体植入已达到颈部、尖端平均误差为1.12mm、1.39mm的水平。

    有研究证明,使用导板后的并发症发生率高达36.4%,事实证明种植导板对医生的操作技术要求并不低于传统种植手术,其成功使用仍依赖于术前合理的设计及术中丰富的操作经验而不能弥补专业技术的不足。与种植导航对比,种植导板主要存在精确度有待提升、术者视野受限、影响冷却、术中无法实时调整、无法解决特殊病例等局限。数字化口腔种植导航则能够辅助术前诊断与设计,精确追踪并控制术中植入操作,可直视下操作而不受手术视野限制,不影响冷却,术中实时追踪监测并显示与重要剖解结构的关系,且允许术中及时调整植入设计方案,不改变种植医生的习惯等,与前者相比具有提高种植体植入的精确性、高效性和安全性等优势。因此,数字化种植导航主要适用于局部剖解形态复杂、手术区域深在或特殊、操作困难的病例。

    同样,数字化种植导航也存在其缺陷:术前配准及调试耗时耗力;导航系统很少但仍会有引起种植体植入明显偏移的情况,值得临床医生重视;导航仪器及工具价格昂贵、体积笨重,使其推广受限。值得关注的是,近年来基于3D打印技术制作的新型金属镂空式种植导板的研究又给大家提供了新思路。莫晖等通过此种种植导板的临床实验对其精确性和临床效果进行评价,结果显示52枚植入种植体中仅4枚颈部出现偏移,偏移平均距离为(1.08±0.24)mm(最大为2mm)。新型金属镂空式种植导板具有能够有效改善冷却问题,获得更好手术视野,拥有更广泛适应证及制作周期短、与多系统兼容等优势。

    7.小结与展望

    数字化种植导航所具有的优势使种植手术从传统的“经验”形式向直观可视、准确可控、系统科学的方向发展。因其具有直视下操作的特点,允许直接利用导航屏幕呈现画面及匹配来引导深在部位种植的同时,使种植医生的手术姿势得到改善从而减小对医生的创伤。另外,数字化种植导航在颧骨种植术中能够给予精确性较高的引导,可有效减少术中并发症。

    数字化种植导航目前尚存在一定局限。数字化种植导航具有较大灵活性,术前的巧妙设计及丰富的操作经验是最大限度发挥其优势的关键。种植系统偶尔出现的明显偏移不易引起重视,这就要求临床医生不盲目相信导航的精密度而必须谨记原则、灵活把握。另外,对数字化种植导航操作的学习及熟练使用存在一个可变的学习曲线,这要求临床医生前期投入大量时间、改变传统手术方式的习惯、拥有默契的团队合作且可能需要15~125个病例的经验。

    综上所述,数字化种植导航在口腔种植手术中的应用领域日益广泛,这也给研发人员及临床医生带来了相应挑战。其未来的发展也将是多样的,不仅会通过开发更为精准的配准方式及算法以进一步提高导航的准确性及导航系统的反应性,同时还有望通过互联网传输数据实现交互式远程咨询或远程会诊,甚至可采用远程医疗的方式引导和实行整个种植手术规划过程。未来随着数字化种植技术的不断革新,大家最终将能实现安全、精准、高效、舒适、个性化的临床疗效。

编辑: 陆美凤

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