数字化技术在种植外科中的应用

2017-1-3 15:01  来源:中国实用口腔科杂志
作者:于德栋 黄伟 张志勇 吴轶群

    数字化技术在医疗领域发挥着越来越大的作用,它突破了传统医学的框架,产生了革命性的进展,尤其在口腔种植修复领域。在近50年的牙科发展中,基于骨整合的牙种植技术是最重要的进步之一。影像学技术在种植治疗全程都具有十分重要的作用,从术前种植位点评估到术后种植体骨整合评价,甚至长期的种植体周围状态的评估都离不开影像学技术。

    口腔颅颌面部解剖结构复杂多变,包括重要的神经、血管,并且毗邻眼球、面部皮肤等重要解剖组织。理想的口腔种植修复不仅要求恢复患者的咬合功能,而且必须兼顾面部美观、长期预后等要求。因此,成功的种植外科对手术的精细性、准确性、安全性具有极高的要求。

    数字化技术在种植外科中的应用主要体现在3个方面:计算机辅助下的术前诊断与手术规划;静态或动态导航引导手术技术;术后评估及监测。术前设计是指通过导入数字化影像学资料(常用的影像资料是CT数据),应用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)软件,实现术前全面深入地分析病例、规避术中并发症、模拟手术过程,以及预测术后治疗效果,进而为种植病例制定出最佳治疗方案。

    在术中引导种植手术方面,一般有2类方法:一是静态导板,为了实现手术虚拟设计的临床转化,采用计算机辅助制造(computer aided manufacture,CAM)的方法获得种植手术导板;另一种方法是动态导航技术,可以通过精密导航仪,进行术中实时的“动态导航”,实现患者、术者、手术器械、导航仪显示的手术位置处于同一时空,实时、精确地按照术前规划的手术方案进行精准手术操作。

    种植术后评估及检测常用于种植外科中,精确的术后评估是避免术后并发症和实现种植体长期成功的保证,通过数字化技术可以观察种植体与周围重要解剖结构(例如下牙槽神经管、上颌窦、眼眶及内容物、重要血管等)的位置关系,监测多个种植体位置,检查骨增量手术效果等。

    1.计算机辅助下的术前诊断与手术规划

    为了获得功能、美观俱佳的种植体支持式修复,种植位点的术前放射学影像评估是必需的。目前,很多影像学形式已被用于不同治疗阶段的牙种植评估中,包括口内影像(胶片式和数字式)、全景片及CT等;影像学技术的选择应该基于不同治疗阶段对诊断信息的具体需求而定。

    近年来,各种规划软件联合影像技术越来越多地应用到诊断、手术规划中。CAD达到了确保精确的种植位点、充分利用剩余骨量、规避手术风险以及实现微创手术等目的。数字化技术对确定种植体数量、位置、角度等具有十分重要的辅助作用。根据临床诊疗目的和不同软件的需求,对于口腔种植手术的术前诊断与手术规划的最佳数字化资料仍是CT数据。

    获得患者目标部位的CT数据(Dicom格式)后,导入软件中,构建颌骨的三维数字模型;标记重要的、难以直视的解剖结构(例如上颌窦、眶底、下牙槽神经管等);测量可用牙槽骨高度、宽度、牙间距、龈距离等,确定最佳的种植体直径、长度、数量等重要信息,分析是否需行骨增量手术或软组织移植手术等;在软件中,可以规划各类种植手术,对植体进行移动、旋转、倾斜等操作,显示即刻的术后效果,完成种植体植入,并可根据需要调整手术方案,直到达最佳效果。

    随着CT的广泛使用,术前CT检查几乎成为种植手术不可或缺的部分,近年来,锥形束CT(CBCT)的使用大大增加,因其辐射低、成像准确,而且费用相对低廉,因而得到了越来越多临床医生的青睐。CBCT影像和3D计算机软件允许颌骨、重要解剖结构以及修复方式获得明显增强的可视化效果。基于CT的影像和手术引导包含了丰富的影像学信息,例如骨的高度、密度和宽度以及必要的临床信息,如成功修复体的长轴方向和位置等,因此其决定了种植体植入的三维空间和分布;这些软件系统同时允许临床医生数字化处理3D图像和制作修复导板,使得完善的种植计划更易于完成。

    CBCT能够使具有高对比结构的口腔区域(骨、牙、气腔)在高的分辨率下实现可视化,目前已被广泛应用于评估骨量,特别是用于术前种植计划的实施。传统的多排螺旋CT(multidetectorCT,MDCT)可通过使用Hounsfield单位评估骨密度,从而初步评估颌骨质量参数和骨分类。MDCT和CBCT依然有着显著的区别,后者使得定量灰度值的应用更为复杂,CBCT图像中GV变化范围较大,不利于评价骨的密度和质量。引起的原因很多,例如照射野有限、散射线剂量相对高、应用的重建算法有限等。尽管已尝试改进GV变量,但目前CBCT仍不适合定量测量灰度值评估骨密度。

    计算机辅助术前诊断与手术规划从三维角度展示了植体与周围组织结构的关系,直观模拟了手术全过程与术后效果,便于术者之间进行病例讨论,术者与患者之间进行交流;同时,也起到一定的“虚拟手术培训”作用,术前使术者做到“心中有数”,减少了术后并发症。值得注意的是,术者应该是数字化术前诊断与手术规划的核心,根据个体化患者的解剖结构亲自或指导技术人员做手术方案,务必亲自做好方案核查工作以及确定术者有能力实施复杂种植操作,达到无差错操作。所有术前设计必须是医生应用自身的医学知识来把控,不能简单依赖计算机应用技术人员。

    2.静、动态导航引导下的种植外科

    2.1数字化导板(静态导航技术)

    20世纪70年代,CAD/CAM开始被引入牙科的应用中;近年来,CAD/CAM已成为现代技工室中的常见设备,甚至被引入高端医疗机构的椅旁设备。CAD/CAM手术导板的制造主要包括两种方法:“减法”制造(subtractive manufacturing)和“加法”制造(additive manufacturing)。前者是指在计算机软件中完成虚拟手术导板制作,利用机床及切割工具对材料进行削切,得到所需种植导板;后者又叫“3D打印”,通过一层一层堆积、粘接材料获得预期的导板。

    简单病例应用数字化技术制作导板可以实现种植手术的微创化,相比而言,该技术对复杂病例更有现实价值。对于口腔颅颌面复杂种植修复病例,往往受植区骨量不足、毗邻下牙槽神经管、上颌窦等重要组织结构,为了规避手术风险,将术前设计好的虚拟种植方案中需要钻出的孔洞以形态结构的方式从三维手术设计软件中输出,导入工程设计软件中进行导板设计,然后通过快速成型技术制造出种植导板。术中将种植导板与对应的组织达到最佳贴合状态,并在生理盐水冲洗下完成钻孔操作。种植导板根据支撑组织不同,大致分为牙支持式、软组织支持式和骨支持式等。利用种植导板进行种植手术可获得较高的精度(图1)。

    牙支持式导板的稳固程度与牙齿的动度、分布、数量等密切相关,精确度受牙齿的影响很大;但现实中患者往往牙列缺失或者剩余天然牙不足以稳固支撑导板,所以应用范围较小。也有文献报道,采用牙支持式导板后种植体的线性误差、角度误差方面均优于软组织支持式、骨组织支持式导板;软组织支持式导板、骨支持式导板对于牙列缺失或部分牙列缺损的患者来说,更具有实用性,但受限于软组织的可让性、骨组织表面形态的多变性,导板导航精度需要进一步提升。种植导板的优势很明显,使用简单、可重复、可精确复制虚拟种植方案,提高手术精度。但是,在种植导板引导下植入种植体过程中,一些相关手术意外也有报道,这提醒我们:种植导板引导种植手术对外科医生的临床要求并不比传统手术的要求低。

    Meta分析表明,应用计算机辅助方法后,植入位点的偏差约为1.12mm(最大为4.50mm),在种植体尖端为1.39mm(最大为7.10mm)。在植入过程中或在修复过程中的并发症包括导板折断、因种植体初期稳定性差而导致的治疗计划改变、额外植骨的需要、修复螺钉松脱、修复体不合适及修复体折断等。种植导板的应用依然要求临床医生具有相当的专业水准,它并不能弥补医生专业技术的不足。

    2.2术中实时导航技术(动态导航)

    术中实时导航技术是另一种数字化手段。手术导航通过配准虚拟手术模型与实际手术对象的三维空间坐标,实现手术规划与手术对象的交互映射。手术导航系统是计算机辅助外科技术中不可缺少的重要元素,在提高种植手术安全性方面具有积极作用,尤其对于复杂种植手术的实施,具有无可比拟的优势。

    种植手术导航系统包括定位系统(Tracker)、影像(MRI/CT)数据、手术器械和导航配准系统(导航探针、工具适配器)等。种植导航定位系统就像是汽车的全球定位系统(GPS)中的定位卫星;影像数据如同GPS中的地图;通过运用导航探针或手术器械,导航系统可将患者目标组织上的每一点与虚拟模型中对应的点精准匹配,就像GPS在地图中定位汽车一样。

    导航系统不仅可以对自带的探针进行准确定位,而且通过“器械标定”可以完成对手术器械(例如不同直径的骨钻、球钻等)的精准定位跟踪。器械标定的前提是将示踪器稳固安装于手术器械上;通过定位系统确定固定于器械上的适配夹与工具适配器的三维空间位置,进而在术中对该器械进行精准定位。见图2。

    对于普通的牙种植术,导航的优势可能并不能充分显现。但是,复杂的种植病例对精准种植的要求十分苛刻,为了避免“差之毫厘,谬以千里”的术后结果,实时导航起到至关重要的作用。目前上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面种植科的导航手术主要应用在颧骨种植术的实施。对于颧骨种植病例而言,种植路径长、种植位点毗邻眼眶及内容物、眶下神经血管束、颧面部皮肤等,并且手术大部分区域不可直视,很容易出现种植路径偏差,尤其是单侧多个颧骨种植体植入手术,更易出现种植体位置过近,伤及眼球、眶下神经血管等重要解剖结构的不良结果。

    严重的并发症包括失明、眶下神经血管束断裂、颊部皮肤穿孔等。借助动态导航系统,术者观察导航中显示的实时手术器械位置,同时进行手术操作,实现了实时定位、调整、控制钻孔路径、设置报警点等,从而可精准按照术前手术规划植入多枚颧种植体,保护眶内重要组织结构,缩短手术时间,避免术中盲视下操作造成的创伤和时间浪费。目前我科已完成数十例术中实时导航下颧骨种植术,术后均无严重并发症,取得了医患均满意的疗效。术中实时导航实现了将术前手术方案精确地转移到临床实践中,极大地提升了手术的精准度,增加了安全性,降低了手术损伤及术后并发症,提高了手术效果等。

    对于需要进行精确种植手术的口腔颅颌面复杂种植修复,例如解剖限制、过小间隙、严重吸收的上颌骨、上颌窦提升或颧骨种植修复,动态导航是有效的。但我们应该清醒地认识到,目前动态导航也存在一些问题:(1)术前配准、调试耗时耗力;(2)计算机引导的种植体植入术可能是精确的,但偶尔引起的明显的偏移必须得到临床医生的关注;(3)导航仪器价格昂贵,基本只能在有这种大型仪器的种植中心才能实施,限制了该方法的广泛应用。

    3术后效果评估及监测

    复杂种植手术不是“一蹴而就”的工作,需要术后定期随诊。通过拍摄牙片、全景片、CBCT甚至CT等来监测、评估患者术后不同阶段的疗效,及时发现问题,并对症处理。除了应关注植体周围骨量充足与否及其与邻牙、对牙位置关系,对于下颌种植的患者,还需要密切关注植体与下牙槽神经管的位置关系;对于上颌种植的患者,需要特别关注植体与上颌窦的位置关系;对于颧骨种植的患者,还需要评估植体与眼眶、眶下神经血管束的位置关系,以及植体植入颧骨的长度、位置等。另外,需要评估植体周围是否有异常阴影,多颗植体是否足够平行,与邻牙、对牙的位置关系,植体周围的牙槽骨是否有足够的厚度,是否存在骨吸收等。

    4展望

    种植外科与数字化技术的紧密结合使种植医生在术前可以对受植区的解剖形态深入、细致地了解,有利于明确术前诊断,制定出最佳的治疗方案;术中通过静态种植导板引导,或者动态导航系统指引,可以在种植病例中精准地实现将术前手术规划从软件中转化到患者身上。这使得传统的完全依靠术者“感觉”的手术操作,逐渐变得直观可视、准确可控、系统科学。我们不难预见,随着数字化技术的不断发展,缺陷不断被攻克,优势会被更好地发挥。相信不远的未来,随着数字化种植医学中心的不断建立和完善,数字化技术可以与其他先进技术有机整合,为实现精准、高效率、低消费的种植治疗发挥更大的作用。

编辑: 陆美凤

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