基于配准技术的微创牙种植导向模板的制作方法及应用

林泽明 何炳蔚 陈江 杜志斌 郑静宜 李艳琴

（1.福州大学 机械工程学院；2.福建医科大学附属口腔医院 种植科，福州350002）

被称为第三副牙齿的人工种植牙因其具有近乎真牙的效果已被口腔医学界认定为缺牙患者的首选治疗方法。由于种植牙是将类似于牙根的种植体深植入颌骨中，因此，种植体植入的精确性是牙种植手术成败的关键因素，而牙种植手术外科模板则能为临床手术中牙种植体的正确与安全植入提供一定的帮助[1]。

本研究将逆向工程中的三维配准技术应用于口腔医学领域，再结合计算机辅助设计技术、模拟种植和快速成型（rapid prototyping，RP）技术等设计制作了可用于实际手术中为医生提供精确引导的牙齿种植导向模板。该导向模板被安放在患者的口腔黏膜或者牙齿上，不与颌骨相接触，手术时无需切开口腔黏膜，在为种植体的精确植入提供必要保障的同时，还实现了种植手术的微创性。

1 材料和方法

对10例需行种植手术的患者制作精确的微创牙种植导向模板，并指导医生准确地进行种植手术，实现手术的微创性与精确性。

1.1 主要材料和设备

Simplant Pro 10.0种植软件、Mimics 10.01医学软件、3-Matic正向设计软件、Magic RP 10.0软件（Materialise公司，比利时），SPS600B激光固化快速成型机（陕西恒通智能机器有限公司），64排螺旋CT机（Philips Brilliance公司，美国），ITI种植系统（Sraumann公司，瑞士），3DSS结构光三维扫描仪（上海琛港数码科技有限公司）。

1.2 模板的设计制作方法

1.2.1 建立CT三维模型 CT扫描患者下颌骨，扫描层间距0.33 mm，螺距0.56 mm，120 kV、30 mA。CT扫描后的输出数据以标准DICOM格式储存。将CT数据导入到Mimics软件，利用阈值选取技术（thresholding）进行阈值划分，提取骨组织；利用区域增长技术（region growing）选取目标骨组织；在三维实体（3D object）中选取上述的目标骨组织，加以运算，重建出颌骨的特异性三维模型（图1）。

图1 建立CT三维牙颌模型Fig 1 Establish three-dimensional jaw bone model of CT data

1.2.2 计算机模拟种植 将CT数据和重建后的三维模型导入到Simplant软件中。在三维颌骨模型的基础上，根据邻牙、对颌牙的位置以及缺牙区的骨量在Simplant软件中预设种植体的位置和深度。在软件的不同视窗下可以看到种植体在颊舌侧和近远中所剩骨量，对种植体进行调整，以确保种植体位于颌骨内，完成最佳种植方案的设计（图2）。

图2 计算机模拟种植Fig 2 Computer simulate implant

1.2.3 牙颌石膏模型数字化 运用逆向工程中的三维扫描重建技术对石膏模型进行数字化扫描，获得对应的三维外形点云数据；对牙颌整体点云数据进行构造三角网格，以形成曲面网格模型（图3）。

图3 牙颌石膏模型数字化Fig 3 Digitizing dental plaster model

1.2.4 配准CT模型和石膏数字化模型 通过曲率配准技术将CT三维重建模型与石膏数字化模型进行对齐配准，以消除CT图像不能完全呈现牙颌特征，特别是口腔黏膜表面形状特征的缺陷，确定种植体设计位置与牙颌扫描模型的关系。

综合考虑自动化和精度等问题，采用模型自身曲率特征来进行配准的自动配准算法[2]。其大致步骤如图4所示。

对于非无牙颌患者，CT三维重建模型和石膏数字化模型上均能呈现剩余牙齿信息，此可作为两者配准所需的重叠区域，利用牙齿的自身形状信息作为特征来完成配准。对于完全无牙颌的患者，需要在拍摄CT图像时让患者将放射导板戴在口腔中，以产生共同区域。CT三维重建模型和石膏数字化模型的数据融合过程如图5所示。

图4 基于曲率的配准算法Fig 4 Curvature based registration algorithm

图5 三维配准数字化模型和CT模型Fig 5 Three-dimensional registration of digital and CT model

1.2.5 设计微创牙种植导向模板 利用正向设计软件3-Matic进行手术模板的设计。在石膏数字化模型的基础上，根据种植区的实际情况选取适当的部分作为导向模板与口腔表面相接合的配合面。对配合面进行抽壳，以形成薄壁空腔，并根据已制定好的种植体位置，设计引导基台（图6）。

图6 导向模板设计Fig 6 The design of guide template

对初始模板进行拔模结构设计。选择种植位置牙根向下并偏向唇侧为装配方向，找出口腔中对佩戴造成了遮挡的区域（图7上）。以装配方向作为局部坐标系的Z轴建立基准面S，确定在配合区域里哪些部分相对于基准面S是内凹的，这些遮挡部分即为从Z轴看配合区域时那些看不见的部位（红色部分）。根据这个原则，可以选择出非遮挡部分，并对这部分进行拉伸，如此便构成了具有拔模结构的牙齿配合区域的局部三维模型（图7下）。

利用布尔运算对初始模板和具有拔模结构的三维模型进行体素相减，以消除拔模干涉问题（图8）。

对导向模板进行边缘修整、光顺等，以达到美化外形的目的（图9）。最后利用快速成型设备加工制作手术导向模板。

图7 拔模结构设计Fig 7 Design of draft structure

图8 消除拔模干涉Fig 8 Eliminate draft interference

图9 种植导向模板Fig 9 Planting guide template

2 结果

10例种植病例在微创牙种植导向模板指导下共植入了42枚种植体，种植结果见表1。在微创牙种植导向模板的支持下，手术取得了良好的效果，种植位置精度高，创伤小，术后种植牙与患者骨结合良好。这表明，通过配准技术将CT数据与牙颌数字化数据相融合，设计出的微创导板定位精确，在无需切开口腔黏膜的情况下依然能够很好地为医生在实际种植时提供导向。

表1 42枚种植体的种植结果Tab 1 The implant results of 42 implants

图10是在精确种植牙体系支持下种植的应用实例。该患者上颌有4颗前牙缺失，对患者进行CT断层扫描，重建上颌骨模型（图10A），并在CT三维模型的基础上进行计算机模拟种植（图10B），放置种植体，根据骨厚、骨深等信息调整种植体的位置、方向。本病例根据颌骨情况设计了2枚直径3.5 mm、长10 mm的种植体。制取患者口内牙颌石膏模型，利用三维扫描仪对石膏模型进行扫描，构建牙颌石膏数字化模型（图10C）。将CT三维模型和牙颌石膏数字化模型进行配准（图10D），确定基于CT三维模型制定的种植结果在牙颌石膏数字化模型上的位置关系，根据此关系，在3-Matic软件中设计导向模板（图10E）。设计完成的导向模板由快速成型设备完成制作（图10F）。

图10 模板设计制作过程Fig 10 The process of the template design

手术实施过程如图11所示，在导向模板的引导下，直接根据导向孔位对患者实施手术，手术无需切开口腔黏膜，整个过程只产生3～4 mm的微小创伤，患者术中疼痛少，术后恢复快。

图11 手术过程Fig 11 Surgical process

3 讨论

种植导向模板的出现，为医生的临床手术提供了帮助，让种植体的植入变得更加的精确和高效。

传统的模板制作方法是在石膏模型上采用人工方法进行制作。Edge[3]制作的模板应用了可摘局部义齿的设计原则，使用闪烁技术在压力锅内根据模型上的标记由自凝塑料制成。这种传统方法大都存在制作时间长，模板精度不高，外形效果差等问题。黄远亮[4]采用空气压模的方法制作了一种透明丙稀酸树脂模板。该模板首先复制制作牙齿的石膏模型，在架上排牙，完成蜡型，调整咬合关系，修整模型底部平面并将模型放置在空气牙模机模型平台上，先在模型上预制分离模，然后将模型包埋在金属颗粒内，但需外露出外形高点线以上的牙列及缺牙区拟种植的牙列，选用厚度为1.0～1.5 mm的透明热塑片，根据板材号码输入加热时间，先后关闭加压舱并完成模板的加压塑形和冷却。模板的范围由其固位力及稳定性所决定，以只需覆盖余留牙牙冠近部分，也可采用覆盖相邻牙的局部模板。Almog等[5]认为，为了增强模板的稳定性，要求模板在缺牙区相邻至少覆盖2颗牙齿，如果末端游离缺失，则须延伸模板前部甚至全牙弓。这些采用空气压模技术制作的导向模板与传统自凝塑料制作方式相比，操作上更加简便、制作速度快；模板的厚薄均匀、外形透明，视觉效果好；模板的制作成型准确、固位良好，但是模板的导向精度仍然不高。

随着CT图像的广泛应用，衍生了许多在CT模板的基础上改制而成的导向模板。比较先进的计算机辅助设计制造外科CT模板的制作过程是：CT扫描了配戴放射阻射标记模板的牙列缺损或缺失患者的上、下颌骨，所得到的图像和数据通过多种计算机辅助软件进行辅助设计和三维重建，并将数据传递给计算机数控机床，按指令自动切削出外科模板[6]。由于CT图像数据主要来源于牙槽骨的三维形态结构，所以依此制作的皆为骨支持式导向模板，在手术时，需要切开并剥离黏骨膜瓣，这样模板才能够与术区骨面贴合，这种模板虽然消除了传统模板由于黏膜厚度所造成的误差，但却加大了手术创伤，患者常因黏膜切开过大而产生术后红肿等诸多问题。

国外种植技术基于CT图像，将模拟种植和模板设计融合在一起，开发了一体化软件，比较有代表性的是比利时Simplant软件定制的SurgiGuide种植导向模板[7]和瑞典Nobel Biocare公司定制的NobelGuide种植导向模板[8]。前者常用为骨支持模板和牙支持模板，通过牙槽嵴表面形态或胎面形态定位，并通过引导隧道进行种植引导[9]。但在临床上，常用的CT设备最大扫描精度仅为0.33 mm，这种仅凭借CT数据而设计制作的导向模板在实际应用中往往不能很好的与口腔相应位置贴合，容易造成定位不准确等问题，需手术对模板进行修正，这就降低了其手术的简便性和操作性。后者种植系统将牙列石膏模型和CT数据相配合，用于设计全牙颌导向种植模板，但需要将数据邮寄至国外加工中心完成制作，制作费用高昂，而探索国产化的数字导向模板设计制作方法，缩短国内外差距，一直是国内研究的热点。

本文将逆向工程中的三维配准技术应用于口腔医学领域，提出了基于曲率的自动点云配准算法来融合CT数据与石膏数字化模型，以消除单数据在口腔信息上不足的缺点。设计制作的导向模板被安放在患者口腔的黏膜或者牙齿上，不与颌骨相接触，手术时无需切开口腔黏膜，为种植体的精确植入提供必要保障，还实现了种植手术的微创性。临床的成功实施，充分验证了本文方法的可行性。

[1]王兴.现代口腔种植学的发展趋势[J].中华口腔医学杂志,2003,38（4）：241-243.Wang Xing.The development tendency of modern oral implantology[J].Chin J Stomatol,2003,38（4）：241-243.

[2]Lin ZM,He BW.A curvature-based automatic registration algorithm for the scattered points[C]//2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation（ICMTMA 2011）.Shanghai：ICMTMA,2011：28-31.

[3]Edge MJ.Surgical placement guide for use with osseointegrated implants[J].J Prosthet Dent,1987,57（6）：719-722.

[4]黄远亮.现代牙种植外科计划Ⅲ.基于CT图像的计算机辅助牙种植外科定位导向模板制作与应用[J].口腔颌面外科杂志,2003,13（1）：59-61.

Huang Yuanliang.Current surgical planning for dental implant placement Ⅲ.CT-based computer-guided dental implant surgery utilizing a computer-milled surgical template[J].Chin J Oral Maxillofac Surg,2003,13（1）：59-61.

[5]Almog DM,Torrado E,Meitner SW.Fabrication of imaging and surgical guides for dental implants[J].J Prosthet Dent,2001,85（5）：504-508.

[6]Sohmura T,Kusumoto N,Otani T,et al.CAD/CAM fabrication and clinical application of surgical template and bone model in oral implant surgery[J].Clin Oral Implants Res,2009,20（1）：87-93.

[7]Balshi SF,Wolfinger GJ,Balshi TJ.Surgical planning and prosthesis construction using computed tomography,CAD/CAM technology,and the Internet for immediate loading of dental implants[J].J Esthet Restor Dent,2006,18（6）：312-325.

[8]Nobel Biocare Company.Experience the new world of CAD/CAM dentistry[EB/OL].[2009-03-10].http：//www.nobelbiocare.com.

[9]Widmann G,Bale RJ.Accuracy in computer-aided implant surgery—a review[J].Int J Oral Maxillofac Implants,2006,21（2）：305-313.