数字化口腔种植治疗现状与研究进展

2017-2-3 16:02  来源:中国实用口腔科杂志
作者:耿威 阅读量:271

    伴随着现代计算机技术的不断发展和进步,数字化技术已经逐步应用于口腔种植治疗的整个过程,不仅体现在口腔种植治疗的诊断评估程序,在种植外科阶段和上部结构的设计制作过程也越来越多地开始应用数字化技术。本文主要介绍牙种植中的计算机辅助设计与制造(computer aideddesign and computer aided manufacturing,CAD/CAM)技术,阐述其在口腔种植治疗的诊断评估程序及其在种植外科阶段和上部结构设计制作过程中的应用。

    1.数字化影像与诊断评估

    探讨CAD/CAM在口腔种植中的应用,首先需要讨论口腔数字化影像。口腔种植手术涉及到种植体的合理设计与放置、种植体与上额窦及下牙槽神经管之间的距离检测、颌骨缺损骨量评估以及种植体与未来修复体的位置关系等。在计算机断层扫描(computerized tomography,CT)技术迅速发展和广泛普及之前,传统口腔种植治疗的放射线检查技术主要为X线平片检查和体层摄影检查(曲面体层摄影片)。

    传统的口腔放射线技术给出的图像是结构重叠的二维影像,不包含颊舌向信息;而且密度分辨率低,骨小梁影像不清晰,不能用来判断骨密度;X线平片和曲面体层片还存在因放大率和拍摄角度不同引起的图像变形、手动定位和设置误差(setting error)等问题。CT是20世纪70年代初放射诊断的一项重大突破。CT 的多平面重组(multi-planar reformatting,MPR)和三维(3D)重组技术可将轴向、冠向和矢状面断层数据重组,进行多层横截面断层重建全景图像,因而成为目前口腔种植最理想的放射线检查技术。最初的CT技术所需的放射线剂量很大,金属会产生散射伪影,通常需要第三方软件才能实现数据的导出和导入,仪器价格昂贵,必须要有经过特殊培训的专业人员才能操作。锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)是20世纪90 年代末发展起来的一种三维成像技术,1998年首次报道了口腔颌面CBCT。

    CBCT用三维锥形束X线扫描代替扇形束的螺旋CT扫描,获得的直接数据是二维数据,重建后得到三维图像,因此金属伪影小、重组数据的精确度高。CBCT的出现彻底改变了传统口腔颌面放射学设备仅能提供二维图像的历史,可以三维显示病变结构,大大提高了诊断能力。

    CBCT已广泛应用于口腔种植术前诊断与设计、牙体牙髓病、牙周疾病、颞下颌关节疾病、口腔颌面部骨折和肿瘤等领域,在三维测量、诊断分析方面已经取代了传统的放射线检查技术。然而,CBCT用三维锥形束X线扫描重建后得到直观的三维图像数据,如何导入种植体的3D立体数据,并能够将虚拟的种植体3D数据导入其中进行直接测量与设计,成为口腔种植辅助规划设计软件亟待解决的问题。CAD/CAM是20世纪60年代迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术,是以计算机作为主要技术手段,处理各种数字信息与图形信息,辅助完成产品设计和制造中的各项活动。

    自1983 年世界上第一个CAD/CAM 制作的牙冠问世,CAD/CAM系统已经被广泛应用于制作各种固定修复体,如嵌体、高嵌体、贴面和牙冠。近期研究的热点开始集中于将CAD/CAM技术应用于种植治疗中外科导板的制作、个性化基台和上部结构的加工。

    2.口腔种植辅助规划设计软件与数字化种植外科导板

    计算机辅助手术是计算机科学、医学、机械学、图形图像学等多学科交叉的又一个新的研究领域。20世纪80年代末首先应用于神经外科手术,随后逐渐推广应用于其他领域。计算机辅助手术是指以CT等医学图像信息为基础,通过建立人体三维和几何或物理模型模拟患者位置信息,在手术前利用计算机模拟或规划,在手术进行过程中利用高精度定位装置引导医生的操作,从而确保术前规划方案顺利实施的一种方法。

    2.1.数字化种植外科导板的概念

    牙种植外科之前,利用CT扫描技术获取颌骨影像数字信息、理想状态修复体(诊断导板)影像信息以及影像重组的信息;通过三维重建与可视化处理清楚显示种植区颌骨的牙槽骨高度和宽度、骨质密度、颏孔位置、下牙槽神经管走向、鼻腔底和上颌窦底的位置和形态等;然后利用口腔种植设计软件进行三维计算机辅助手术规划,利用这些软件仿真手术模拟放置种植体,检查植入方向、未来义齿修复体的修复空间及其与对牙和邻牙的关系;将缺牙区拟植入种植体的部位、数量以及植入的方向角度和深度等信息参数转化为STL文件格式,通过数控机床或用快速原型方法加工,最终完成数字化外科导板的制作。外科导板作为最终信息的载体,将种植医生的设计思路通过手术导板的精确定位和引导赋予实现。

    2.2.口腔种植辅助规划设计软件的特点及优越性

    如何将以修复为导向的种植设计理念精确地物化为可用于临床操作的种植外科导板。针对这一问题的探索,带动了一系列计算机辅助设计(CAD)软件的发展。自1990年起,就有学者研究如何通过计算机辅助设备进行种植外科的术前设计,并相继涌现出大量计算机辅助设计的软、硬件。

    美国Columbia Scientific公司早在1988年就已推出一种3D牙科软件,可用于标准的螺旋CT扫描;在此基础上,于1990 年通过增添名为Imagemaster101TM 的附加软件,第一次实现了CT扫描数据和虚拟种植体数据的整合;1993年,该公司的第一款商业化计算机辅助设计种植体软件SIMPLANTTM 被应用于临床,临床医生可直接在CT扫描得到的数据上摆放设计种植体,查看最终修复效果。1998年,比利时Verstreken等在尝试将修复体/放射线模板与颌骨模型整合时,首次提出了双扫描技术(double scanning procedure),其通过前后两次CT扫描,第一次使患者佩戴放射线模板进行CT扫描,可获得患者口腔硬组织信息及放射线模板阻射性标记物信息;第二次扫描,只扫描放射线模板,获得义齿信息;将两次扫描的信息通过放射线标记物,在计算机辅助设计软件下进行吻合,即得到带有树脂义齿(诊断模板)的口腔软、硬组织信息的全信息模型。至此,计算机辅助设计种植技术,已能够将所有信息通过CAD软件整合为一体,借助CAD软件实现以修复为导向的种植设计。

    理想的口腔种植辅助规划设计软件应具备以下特点:(1)可重建三维立体模型,能将患者的解剖结构信息、修复体信息真实完整地再现于计算机中,构建全方位的种植手术模拟环境;(2)可精确测量种植部位的可用骨高度和宽度,以及与重要解剖结构的位置关系(如种植体与下颌神经管或上颌窦底的距离),以确定种植体放置的空间角度;(3)可提供世界上临床普遍应用的种植体系统库,包含种植体和基台的真实外形和尺寸,以供临床医生选择合适的种植体直径和长度,使设计方案与临床方案完全一致;(4)利用这些软件仿真手术模拟放置种植体、模拟规划种植手术;(5)手术规划完成之后,种植体的部位、数量、方向、角度和深度等信息参数数据可以被导出,并能够被数控机床设备读取,并通过数控机床最终完成个性化导板的制作。

    采用基于CT的计算机辅助牙种植手术规划,医生可以设计不同的手术方案,比较几种手术方法的优劣,然后进行仿真手术的模拟,放置所需的种植体,观察其植入方向、未来义齿修复空间及与对颌牙和邻牙的关系,以达到对患者个性化的最佳修复效果;治疗小组的每位医生可以共同分享信息,协调手术的设计方案;手术方案思路可以通过规划系统来向患者及其家属展示,建立与患者良好的沟通,获得其最大的理解与配合。

    2.3.数字化外科导板的制作

    数字化外科导板多采用快速成型(rapid prototyping,RP)技术制作完成。RP技术是一门综合性、交叉性前沿技术,是CAD/CAM技术、数控技术、激光技术以及材料科学与工程技术的集成。它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型。较成熟的RP技术有7种:立体光刻成型(stereo⁃lithograhpyapparatus,SLA)、选域激光烧结(select⁃ed laser sintering,SLS)、熔融沉积制模(fused depo⁃sition modeling,FDM)、层合实体制造(laminatedobject manufacturing,LOM)、三维喷涂黏结(threedimensional printing and gluing,3DPG)、焊接成型(welding forming)和数码累积造型(digital-bricklaying)。

    其中,SLA技术是目前最常用的数字化外科导板制作方法。1991年,SLA技术在维也纳首次被引入口腔颌面外科的临床应用。SLA技术是以液态光敏树脂为原料,采用计算机控制下的紫外激光束,以原型各分层截面轮廓为轨迹逐点扫描,使被扫描区域内的树脂薄层发生光聚合反应后固化,从而形成制件的一个薄层截面。当一层固化完毕后,向上(或向下)移动工作台,在刚刚固化的树脂表面铺放一层新的液态树脂以便进行循环扫描、固化。这样,通过连续分层聚合的方式,将3D数字化信息转化为立体的树脂模型。数字化外科导板需要将设计好的手术方案连同模板信息一起导出,在此基础上用SLA技术制作立体光刻外科导板(stereolithographyic surgical tem⁃plate)。

    2.4.数字化外科导板的精度研究

    数字化外科导板的制作,通常要经过诊断导板、放射线导板、CBCT扫描、三维激光扫描、计算机辅助设计和计算机辅助制作等环节,任何一个环节的误差最后都会累积成为最终外科导板的误差。在文献中评估外科导板精确度时,所讨论的影响因素包括导板的支持方式(牙、黏膜、骨)、是否应用固位钉、颌骨状况、导板制作方式以及所选择的导航系统等。Van Assche等通过对19篇有关种植数字化外科导板精度的文献进行Meta分析,结果显示:种植体肩部的平均误差为0.99 mm(0 ~ 6.5 mm),根尖部的平均误差为1.24 mm(0 ~ 6.9 mm),平均角度偏差为3.81°(0 ~ 24.9°),垂直向平均偏差为0.46 mm(-2.33 ~ 4.20 mm);使用导板的精确度要优于不使用导板者,使用全程导航的外科导板者优于使用单程导航的导板者;颌骨的状况对导板的精度无影响,增加导板固位钉的数目可以减少偏差。在导板制作环节,采用SLA技术,其误差小于0.25 mm。

    在CT扫描过程中,患者移动产生的误差可直接影响到种植体的设计,影响外科导板的稳定性和精确度。对无牙颌患者而言,黏膜支持式外科导板的误差主要来源于导板的就位和稳定性,此外,黏膜厚度也会影响黏膜支持式外科导板的精确度,在厚黏膜者种植体颈部偏差为1.04 mm,而薄黏膜者为0.08 mm。Turbush等测量了牙支持式、黏膜支持式和骨支持式数字化外科导板的精确度,结果显示:3种外科导板在种植体角度偏移方面差异无统计学意义;在颈部偏移和根尖部偏移方面,黏膜支持式导板的精确度低于牙支持式和黏膜支持式,牙支持式导板的误差最小。

    牙种植手术过程中,在修复体所要求的理想位置植入种植体、最大限度地利用骨量,以及确保邻近重要组织结构的安全,是每位种植外科医生所追求的目标。数字化外科导板的出现,使患者损伤最小化、种植修复简单化,并可缩短疗程,同时又能提高种植修复的精确度,极大地推动了种植技术的发展。

    3.数字化种植修复印模

    牙科领域CAD/CAM技术起源于口内扫描获取数字图像的数字化印模技术。与传统的印模技术相比,数字化印模技术可避免患者在制取印模时的不适,无需灌制和修整石膏模型,不会因模型损伤而影响精确度,同时这种数字印模更易存储,因此受到广大医生的青睐。目前可用于种植修复的数字印模口内扫描系统主要有德国Sirona公司的CEREC系统、美国3M公司的Lava C.O.S.系统、美国Cadent/Straumann公司的itero系统以及NobelBiocare 公司的Procera®(Yorba Linda,CA)系统等。这些系统获取印模的原理、方式和软件不同,各具优势。

    3.1. CEREC系统

    CEREC的蓝光操作系统通过集成高分辨率的蓝色发光二极管的LED光源及接收器,可获得高精度、高质量的三维图像。该系统在扫描前需在口内喷上一薄层去除反光的粉末。2012年8月,德国Sirona公司又发布了新一代口内扫描系统,该系统采用连续立体摄影方式获取图像,可获得精确的口腔软硬组织全彩三维数据。CEREC系统是最早采用椅旁修复概念的完整系统,口内扫描系统可以为种植体支持的单冠或固定桥获取图像,适用于三单位以下的种植修复。对于种植体的上部结构,可直接扫描预成的基底(base),或扫描连接在种植体上的光学取像部件获得数字化模型。无论预成的基底还是种植体上的光学取像部件都是来源于Sirona牙科系统内部。

    3.2. itero系统

    itero系统使用激光和可见光获取三维数据,用来获取牙齿和牙龈的表面形态,可在不喷粉的条件下获取口内的所有信息。美国Cadent公司与Straumann公司合作开发了面向市场的个性化种植修复解决方案。在种植体上连接一个特殊的扫描配件,扫描获取种植体的数字印模,扫描配件表面有3个表面结构特殊的标记球体,用于种植体位置的确定。扫描过程与扫描天然基牙的过程相同,而后期通过DentalWings软件中用于种植体的特殊程序来进行基台和修复体的设计。itero 系统也是一个开放的系统,可以与多种软件以STL格式的文件对接,允许光学印模导入其他可兼容的软件进行后续的设计和制作。

    3.3. Lava C.O.S.系统

    Lava椅旁口内扫描系统于2008年由美国3M公司发布,该系统在进行数字印模采制时与CEREC蓝光系统一样喷一层薄而均匀的防止变形的粉末,在扫描的过程中,脉冲式蓝光从取相手柄中发射,屏幕上的三维数字印模图像能够即刻显现。Lava C.O.S.系统内有特殊的软件针对种植体上部修复,可以与兼容的种植系统基台相适应。3M公司协助该系统完成了种植体上扫描基台的设计,并与3M系统的种植体匹配。后期的种植修复体上部结构的设计和制作与itero相同,也是由Dental Wings软件来完成,Lava C.O.S.系统是半开放的。

    4. CAD/CAM个性化基台

    理想状态下,修复基台的外形应类似于预备后的天然牙,有良好的外形、形态和穿龈轮廓。个性化基台(custom abutment)即定制基台,是指根据种植体植入的三维位置、缺牙间隙的三维空间,通过研磨、铸造或CAD/CAM技术制作的基台,后者即为CAD/CAM个性化基台。目前由种植体公司开发,运用CAD/CAM技术的个性化基台系统有瑞典的Procera®系统和美国的Encode Restor⁃ative系统。

    4.1. Procera®系统

    Procera®系统由瑞典的NobelBiocareTM公司开发,Nobel Biocare的Procera数字化扫描系统,通过扫描石膏模型获得种植体与邻牙及对牙的关系,并通过计算机软件对基台进行可视化设计,确定设计结果在种植体能承受的安全范围内,然后使用标准配套工件制作个性化基台。个性化基台数据可通过电子信号传输给Procera设备进行基台的研磨,临床医生可同时收到CAD/CAM 基台和CAD/CAM 钛或瓷内冠。Procera®系统可以制作烧结的氧化铝和氧化锆基台,以适用于单颗牙的美学修复。该系统需制作精细蜡型来完成基台的整个解剖轮廓,不需要铸造过程。所加工完成的个性化基台,既具备理想的外形轮廓,又与种植体之间有精确的适合度。Procera基台主要针对Branemark系统,也可用于其他外六角的商业种植系统,如3i、Lifecore、Zimmer等种植系统。但Procera基台与其他种植系统的配合边缘适合度有时欠佳。

    4.2. Encode Restorative 密码修复系统

    EncodeRestorative 系统是2006 年美国3i Implant Innova⁃tions公司推出的。其核心技术是一个特殊的带有密码切槽的愈合基台,经过激光扫描石膏模型上的愈合基台可获得植入体内六角位置、肩台直径、软组织袖口高度、咬合空间、平行度等信息,可以根据这些信息设计制作符合个性化要求的基台。该系统最大优点是提供了符合植入体周围解剖外形的基台,可纠正最多30°倾斜种植体而不影响基台强度;其缺点是仅适用于3i种植体系统(美国3i Implant Innovations公司),且间距离要大于6 mm,种植体间距大于2 mm。

    此技术只需取1次石膏模型即可制作钛或氧化锆基台。EncodeRestorative系统为种植义齿的个性化修复奠定了良好基础,预示着进一步开发适用于多种植体系统的CAD/CAM 系统已成为可能。此外,德国Sirona公司的Cerec系统、KAVO公司的Everest 系统、Densply公司的Cercon系统及美国3M公司的Lava系统都可以为客户定制个性化基台。激光扫描系统、CAD软件、CAM软件、CAM加工设备的更新进步以及种植系统数据库的精确和完整必将促进口腔种植治疗数字化进程的快速发展。

    5.全程数字一体化口腔种植治疗

    常规的数字化外科导板制作方法需要制取印模和诊断模型并转移咬合关系至架,牙科技师在架上制作诊断蜡型;通过诊断蜡型,评估未来的修复效果,然后复制蜡型得到诊断模板和放射线模板;患者佩戴有预期修复体信息的放射线模板进行放射线扫描,获取带有颌骨影像和预成修复体信息的全信息模型;设计制作数字化外科模板,引导外科医生进行种植体植入。在这一系列过程中患者就诊次数多,技工室步骤繁多,操作过程复杂。CAD/CAM技术的飞速发展促进了口腔种植临床工作流程的更新和进步。CBCT的影像数据与椅旁CAD/CAM系统结合应用,可以成功完成牙种植的全程数字化治疗过程,包括诊断评估、治疗方案设计、外科导板、个性化基台以及最终种植体支持修复的设计制作,种植科医生可以在一次就诊过程中完成诊断评估、种植修复体的设计、研磨和戴入,用最短的时间实现可预期的种植治疗。

    “一体化”包括两层含义:(1)在整个种植治疗的全程中应用CAD/CAM技术,包括种植治疗的诊断评估、治疗方案设计、修复体制作等各个阶段;(2)种植治疗的各个阶段,诊断评估、治疗方案设计、修复体制作等所应用的设备、辅助配件、软件均来自于同一公司系统,包括硬组织信息采集系统(CBCT)、牙齿及软组织信息采集系统(激光扫描系统)、椅旁CAD/CAM 系统,以及辅助材料和配件。种植修复的各个环节在同一系统内部相互匹配,从而实现数字一体化的种植治疗。

    全程数字一体化的口腔种植治疗给种植科医生提供一种全新的治疗方法,从虚拟的诊断设计、种植外科导板的设计制作到椅旁CAD/CAM系统完成最终修复体,使牙种植治疗实现了全程数字化过程,CAD/CAM技术贯穿到整个种植治疗过程中,并且全程始终采用同一系统完成。牙种植数字一体化的应用,可以使种植科医生用更加简洁的方法、更短的时间和较少的就诊次数实现可预期的种植治疗(第一次进行种植体植入,第二次完成修复体制作)。流程简单快捷的种植修复必将被越来越多的医生和患者所接受,从而带来良好的经济效益和社会效益,具有更加广阔的应用前景。

编辑: 陆美凤

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