显微CT应用于正畸微种植体的研究进展

田亚敏，陈 岩，郭立娜

显微CT应用于正畸微种植体的研究进展

田亚敏，陈 岩，郭立娜

微种植体支抗技术是正畸治疗中一种有效和理想的办法，而其稳定性是获得可靠支抗的必要条件。显微CT是一种新型的采用X线成像原理进行超高分辨率三维成像技术，可以在不破坏样品的情况下对微种植体周围的骨质进行超高分辨率X线成像，获得高精度三维图像，并进行结构、密度和力学的定量分析，是研究硬组织材料的强大工具。本文对显微CT目前在正畸微种植体领域方面的应用予以综述。

显微计算机断层扫描；正畸；微种植体

1980 年以来，由于普通CT无法满足科学研究对高分辨率的苛刻要求，人们开始研发显微CT（micro-computed tomography，Micro-CT）。Micro-CT是一类采用X线成像原理进行超高分辨率三维成像的技术，与普通CT相比主要有以下不同：采用高精度的微焦点X线球管，空间分辨率达到1～10μm，接近显微镜水平，具有良好的“显微”作用；采用锥形X线束，不仅能够获得真正各向同性的容积图像，提高空间分辨率和射线利用率，而且在采集相同三维图像时，速度远远高于普遍CT采用的扇形X线束；此外，Micro-CT能够在不破坏样品的情况下，对骨骼、牙、活体小动物和生物材料等进行高分辨率X线成像，获取样品内部详尽的三维结构信息，从而显示各部分的三维图像。Micro-CT拥有强大的图像处理软件，可以观察任意角度的断层图像和三维图像，定义任意数量和三维形状的感兴趣区，分割或合并多个三维图像，定量计算样品内部选定区域的体积、面积、孔隙率、连接密度、结构模型指数、各向异性程度等。在高分辨率三维图像的基础上，Micro-CT还提供有限元分析接口，利用有限元生物力学分析软件，分析通常需要在力学测试仪上才能够进行的拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转等力学特性。简言之，凡是具有密度差异的组织样品（例如骨骼、牙等硬组织、钙磷陶瓷等生物材料、造影处理后的血管等空腔组织）理论上都可以成为Micro-CT技术的应用领域。

Micro-CT在口腔正畸领域研究中也显示了很好的应用前景，本文根据国内外文献报道，浅谈Micro-CT在正畸微种植体领域的应用。

1 临床应用方面

1.1 微种植体的植入位点 Micro-CT可应用于上下颌骨的细微解剖结构的分析［1］，扫描辨析率能达14μm，除螺旋CT三维重建技术的优点外，可同时进行颌骨矢状面、冠状面、水平面的多层面扫描。排除人为因素干扰，减少诊断误差，为微种植体植入术前颌骨质量的检查、测量、微种植体的设计等方面提供更直接、更准确的信息。Micro-CT三维重建技术通过数字减影技术，进行多角度观察，如旋转、正面观、侧面观、上面观、底面观等，还可以改变X线的投照角度进行三维图像切割，使三维图像显示更佳。Suomalainen等［2］对一牙科诊所6个月获取198幅三维Micro-CT图像进行回顾性评价，将Micro-CT图像有效信息与曲面断层片和口内X线片进行对比，其中49%Micro-CT图像用于种植体定位，与传统的影像学技术相比，可以补充更多的影像信息。Wilmes等［3］将20段猪骨分割并嵌入到树脂中，将微种植体植入到骨质内，应用Micro-CT分析骨质和预钻孔直径对微种植体植入转矩的影响，结果显示正畸微种植体的植入转矩与骨质密度呈正相关性。因此，临床上微种植体植入术前应评估局部的骨密度，选择密度较高的位点植入微种植体。同时微种植体的稳定性与其皮质骨的厚度有关，成功率高的植入位点的皮质骨厚度应大于10mm［4］。通过对正常中国人的颌骨进行三维重建，分别测量距牙槽嵴顶3、5、7、9 mm处相邻牙牙根之间的近远中距离和颊舌向骨厚度，显示在前牙区侧切牙与尖牙之间的牙根间距最大；在后牙区，上颌第二前磨牙与第一磨牙之间、下颌第一前磨牙与第二前磨牙、第一磨牙与第二磨牙之间的近远中向牙根间距都较大。提示在以上区域植入可获得足够骨量支持，植入后稳定性较高［5］。上颌颊侧及腭侧牙槽骨后区、前段唇侧牙槽骨和正中腭中缝、下颌牙槽骨的唇颊侧是理想的植入位点。

1.2 微种植体植入后愈合时间 近期使用Micro-CT已经使人们有可能定性分析种植体表面和微种植体周围的骨形态。Zhang等［6］将微种植体植入比格犬的双侧上下颌骨，应用Micro-CT进行形态学分析，结果显示所有Micro-CT参数随愈合时间的延长而增大。虽然植入下颌骨的微种植体可获得较好初期稳定性，但随着愈合时间的延长，植入上颌骨的微种植体可达到更高的骨结合。Oltramari-Navarro等［7］利用Micro-CT分析微种植体植入后植入体-骨界面组织形态学变化，对即刻负载组和早期负载组的微种植体的稳定性进行比较，将48枚正畸微种植体植入8只比格犬的下颌颊侧牙槽骨区，分即刻负载组和微种植体植入3周后负载组，结果显示2组的骨-植入体接触面在不同负载时间的情况下差异无统计学意义，而即刻负载组比3周后负载组的骨体积分数高。这与陈岩等［8］应用组织学分析即刻负载和未负载组的骨结合情况相一致，故即刻负载不影响骨结合。有学者［9-10］对即刻负载后骨界面的愈合过程进行研究，发现愈合3～4周时骨界面稳定性最差。所以，微种植体植入后3周时骨界面薄弱不易负载［11］，即刻或愈合1周时施加负载不影响微种植体-骨界面的愈合。

1.3 微种植体的植入角度 为了避免牙根损伤，Park等［12］研究证明微种植体倾斜植入替代传统的垂直植入可增加初始稳定性。Xu等［13］将48枚微种植体以不同角度（30°、50°、70°、90°）植入比格犬的下颌牙根间隙区，即刻加载2 N的力持续8周，应用Micro-CT评估植入角度对负载钛微种植体的稳定性的影响。距微螺钉1 mm的骨组织Micro-CT参数（骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量）50°组和70°组明显高于30°组和90°组，骨结合率更高，这与Zhao等［14］研究结果相一致。植入角度对支抗稳定性影响显著［15］，倾斜植入（微种植体与骨面呈30°～60°）可有效提高骨与植入体的接触面。然而，过度倾斜和垂直植入角度导致负载的微螺钉稳定性降低。目前，临床上广为接受的是60°为较适宜的植入角度。

2 基础研究方面

2.1 牙齿移动过程中骨组织显微结构研究 正畸牙的运动来自于牙槽骨的重建作用，而这种重建作用是由牙周组织应力或应变分布的改变引发的。茹楠等［16］应用Micro-CT观察牙齿移动过程中牙周韧带及周围牙槽骨的显微结构变化，通过建立大鼠实验模型，并施加0.196 N的矫治力，近中移动上颌第一磨牙，于加力前及加力后第3、7、14天对大鼠上颌牙槽骨骨小梁进行Micro-CT观察，计算骨体积分数、骨表面积体积比、骨小梁厚度、骨小梁数量及骨小梁分离度。结果表明，正畸矫治力作用下，牙根压力侧牙槽骨骨质吸收开始于加力后第7天，张力侧骨质形成开始于加力后第14天。正畸牙齿的移动依赖于压缩导致骨吸收，拉伸导致骨生成。Bernhardt等［17］研究植入微型猪的种植体，应用统计学比较通过组织学得到的微种植体的骨结合率和骨植入量与通过同步辐射X射线显微CT吸收图像获得的骨结合率，结果显示差异无统计学意义。以往关于牙槽骨形态的研究多是进行组织学观察。利用组织切片显微镜观察颌骨解剖形态需要花费大量的时间和人财、物力，虽然能反映组织解剖结构，但在标本制作与组织切片的制备过程中有可能损伤组织或是标本变形等导致测量试验结果不准确，而且无法保证所取切面测量位点的准确性。Micro-CT在不处死动物的条件下，可动态观察同一批动物的牙周组织改建情况，保证了实验样本的连贯性。操作方法简单，仅需将动物麻醉后进行扫描，图像重构后测量骨组织改建的测量项目，分析骨组织改建情况。

2.2 种植体周围骨组织微结构研究方面的应用

Ejima等［18］应用显微CT测量微种植体周围的骨体积，观察是否受金属伪影的影响，应用助攻法在兔胫骨的皮质骨内植入微种植体，但需要进一步研究影响邻近种植体骨测量的金属伪影。Rebaudi等［19］使用Micro-CT技术研究了植入钛螺钉12个月的人上颌骨，分析参数包括骨体积、骨表面积、骨小梁厚度、骨小梁分离度、骨连接密度以及上颌骨与植入体的附着关系，并将所有结果与标准的组织形态计量学结果比较。结果显示，Micro-CT能够很好地检测带有钛螺钉的骨骼样品，分析钛螺钉与骨骼的接触面，其结果与组织形态学结果近似。使用Micro-CT系统，通过钛微种植体的X射线透射增强，能产生高分辨率的断层图像，清晰地观测到骨与微种植体的结合界面，从而确定骨与微种植体的骨结合情况。

既往研究表明，颌骨骨小梁的结构变化对骨强度起着至关重要的作用，因此种植术前掌握颌骨骨小梁微细解剖结构对于提高种植术成功率也具有重要意义。骨解剖结构与Micro-CT参数间有密切关联［20］。Micro-CT能够提供骨小梁厚度的定量测量结果，Micro-CT测量直接以像元无偏测试骨小梁真实厚度，所得的参数远优于二维图像参数，如骨小梁直接容积与骨小梁表面参数，这2种指标独立于骨小梁厚度，是真实的骨小梁结构，也是建立在一般二维切片基础上的传统组织形态测量所无法解决的。但Micro-CT也有不足之处，就是无法完成二维切片骨吸收、骨重建等多种动态参数的测量［21］。

2.3 三维有限元模型（finite elementmodel，FEM）

常规二维影像学检查，如根尖片、曲面断层片、头影侧位片等均存在不同程度的局限性：①失真较严重，存在不同程度的放大扭曲；②影像组织结构重叠，主要解剖结构定位不准；③不能获得颌骨横断面及立体影像；④无法评估骨密度。所以辅助种植支抗的种植存在一定局限性。如今，有关于CT应用于微种植体植入时根间距离的分析测量［22］。Kuroda等［23］认为相邻牙牙根之间微种植体植入的距离十分有限，必须有精确的植入位置。但是大多数测量方法均基于CT测量的二维影像基础上，主要是依赖医生的经验判断，再结合患者的X线片来判断相邻牙牙根之间的距离。而这种方法的缺陷是显而易见的，在二维的影像中，只能观测到一个平面，不能精确地定位植入方向，也不能准确判断是否会损伤牙根。

Kang等［24］的临床研究表明：微种植体植入若破坏牙根，失败率为79.2%；若牙槽骨位置很好，失败率仅为8.3%。如果微种植体植入牙槽骨的位置距离牙根或者牙槽嵴大于1 mm，在排除其他影响其稳定性因素的情况下，成功率可达到100%［25］。因为这样作用于邻牙的力将会被牙周膜吸收，如果微种植体周围有足够的骨量，就不会导致微种植体的松动。利用三维成像技术辅助设计微种植体植入部位很有必要，能够有效提高成功率［26］。Park等［27］应用三维有限元分析法研究微种植体植入牙根间隙区的最佳角度和位置，为25例行CT并三维重建上颌和下颌第二前磨牙、第一磨牙、第二磨牙，在三维方向上测量相邻牙牙根之间的距离并确定其中点，并且测量经过牙冠接触点与咬合面垂直的连线与牙根间的角度。结果显示，根部之间的中点位于远侧的接触点，并从牙颈到根尖区。所以，为了减少微种植体植入时牙根接触微种植体需向远中倾斜10°～20°，并距离接触点向远中移动0.5～2.7 mm，以最小化根接触，但上颌第一和第二磨牙的牙根间除外。Ikeda等［28］应用三维有限元分析法评价微螺钉经表面处理和负载对周围组织的影响。使用Micro-CT断层各向同性分辨率为6μm时测量距离微螺钉表面6～24μm和24～42μm的皮质骨和非皮质骨骨体积总量的比率。结果显示，距微螺钉6～24μm的骨量显著小于在24～42μm的骨量。微螺钉经表面处理和负载对周围骨组织有显著作用，这可能与较高的成功率和二次稳定性有关，与陈岩等［29］研究的阳极氧化处理能够改善钛合金正畸微种植体周围骨组织的愈合能力一致。Massey等［30］应用Micro-CT研究微种植体周围的骨质如何适应加载在微种植体上的力及力的方向是否影响微种植体周围的骨质，结果表明力的加载及力的大小和方向均对微螺钉周围骨质的产生有重要影响。Micro-CT以其精确的成像技术能更好地建立三维有限元模型，进行力学分析对种植体的设计起指导作用。

以Micro-CT为基础建立的FEM可以作为一种生物力学分析工具定量天然骨和组织工程骨的应力应变。有限元分析法是一种理论力学的分析计算方法，建立能够真实再现实体状态的几何模型是决定其研究结果是否具有科学性和实用价值的关键所在。由于Micro-CT可获取种植体周围的骨小梁完整的数据，可以建立种植体系统的FEM，在骨小梁水平研究骨界面机械应力的传递。骨与种植体结合处负载的传递是全面分析负载的关键要素，对种植体的成败起决定性作用；而应力分布取决于三维FEM的建立，其中模型的几何学、材料性能、边界条件、骨结合表面、更为准确的数字成像技术可以建立更接近真实的骨几何形态，材料的非均质性也应该考虑。

3 展望

应用Micro-CT对微种植体植入前的骨密度及骨组织微结构进行评估，通过对正畸微种植体周围骨质的研究，保证其具有良好的稳定性，成为正畸治疗的一种可靠的治疗手段。Micro-CT是一种很好的可以替代组织学观察的手段，利用Micro-CT观察和测量骨组织、牙体组织相对于传统的组织切片技术具有明显的优势。其主要表现在：无组织损伤性，快速高效；可以观测牙周围骨组织的三维特征；可以重建并观察任意平面，可重复性等。其最大特点是扫描辨析率高，可以清楚地显示颌骨解剖结构，甚至可以清晰地观察细胞内的细微组成，对正畸中牙齿移动及微种植体植入后的骨组织显微结构的变化提供准确信息。正畸治疗中牙根吸收常有，Micro-CT还可应用于分析牙根吸收的原因。然而，Micro-CT的空间分辨率与探头的大小属于同一数量级，空间分辨率越高，探头体积越小，由于探头变小，单个探头检测的信号变弱，需要高灵敏低噪声放大系统，这就直接限制了Micro-CT在大型动物和人身上的应用。所以，Micro-CT对正畸微种植的研究集中在基础实验研究方面，临床方面的研究也主要是尸体的颌骨，不能对患者进行常规的扫描。而Micro-CT目前尚无法进行类骨质观测，因此Micro-CT与病理切片在骨形态计量应用中是互补的，而不能完全替代。虽然目前Micro-CT还有不少问题需要解决，但随着科学技术的不断发展，Micro-CT的适用范围、伪影消减以及图像清晰度都将会有很大的提高。随着这些缺点的不断改善，Micro-CT在口腔正畸领域的应用将会越来越广泛。

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Research progress of micro CT used in mini-implants of orthodontic miniscrew

TIAN Yamin1，CHEN Yan2，GUO Lina2
（1.Inner Mongolia Medical University，Hohhot Inner Mongolia 010059，China；2.Department of Dental Medicine，the Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Hohhot Inner Mongolia 010050，China）

Mini-implant anchorage for the orthodontic treatment is an effective method，the stability is critical in the achievement of reliable anchorage.Micro-computed tomography（Micro-CT）technique is a new device using X-ray imaging principle of ultra-high-resolution three-dimensional imaging equipment，without destroying sample，bones arond themini-implantwith ultra highresolution X-ray imaging to obtain high precision three-dimensional images and quantitative analysis of the structure，density andmechanics.Micro-CT is a powerful tool to study hard tissuematerial.In this paper，the currentapplication ofmicro-CT in the field of orthodonticmicro-implants is reviewed.

Micro-computed tomography（Micro-CT）；Orthodontics；Mini-implants

R783.5；R814.42

A

2095-3097（2014）03-0184-05

10.3969／j.issn.2095-3097.2014.03.015

2014-04-01 本文编辑：冯 博）

010059内蒙古呼和浩特，内蒙古医科大学（田亚敏）；010050内蒙古呼和浩特，内蒙古医科大学附属医院口腔科（陈岩，郭立娜）

陈 岩，E-mail：paifeng66＠hotmail.com