口腔种植导板的数字化设计与3D打印

张永弟 张子昂 杨光 张润生

摘要：为了提高牙齿种植位置和方向的准确性，降低手术难度，缩短手术时间，降低患者术后不适感和并发症等， 对承载着种植体理想植入方位信息的种植导板进行了研究。 在没有专用牙齿种植软件的情况下， 利用CT图像和三维光学扫描数据重建牙颌模型，使用通用的 Mimics，Geomagic和Magics等软件进行种植手术规划与导板设计，并采用FDM和SL两种3D打印工艺对导板进行制作，通过导板与牙模佩戴测试，给出了设计参数，实验结果有助于牙齿种植的数字化和精准化。提出的导板设计与制作工艺可以作为参考，以帮助医生和工程师在没有专用的种植软件的情况下，进行数字化导板的设计与制作，提高种植的精准度和成功率。

关键词：口腔颌面外科学；口腔种植； 种植手术导板； 数字化设计； 3D打印

中图分类号：R782.12文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx04010

以修复体为指导的种植技术（prosthetically guided implantology）是依据最终修复体的设计来确定种植体位置[1]，从而保证修复效果，获得最佳的功能和美观。在传统的种植牙手术中，种植体植入的角度和位置依靠医生在术中翻开患者黏骨膜瓣后，根据骨组织情况进行确定，即便术前借助了影像技术，但术中仍在很大程度上依靠医生的临床经验，这对年轻医生来说存在着很大挑战，影响了种植技术的普及和推广。传统种植手术对于种植体植入位置、角度以及深度存在着相对不可预见性，如果种植体植入位置和方向偏差较大，不仅会影响最终修复体的效果，还可能造成周围重要解剖结构的损伤[2]，甚至会引起诸多并发症，如牙槽骨开裂、神经损伤等[3]。

第4期张永弟，等：口腔种植导板的数字化设计与3D打印河北工业科技第35卷种植导板是一种承载着种植入体理想位置、方向、角度等信息的手术辅助装置，是连通术前设计与术中操作的桥梁[2]，有助于在手术操作中准确转化术前设计。傳统的种植导板多是在石膏牙模上利用热压膜技术制得[4-6]或采用光聚合托盘材料制得[7]。虽能保证牙冠部分的美观，但还是无法精准控制种植体的三维位置。

目前，国外一些公司研发出专用的牙齿种植软件用来进行导板设计，已经商品化的有比利时Materialise Dental公司的SimPlant Pro软件[8]、加拿大 Anatomage公司的Invivo 软件、瑞典Nobel Biocare公司的ProceraTM软件[9]、韩国 Cybermed 公司的OnDemand3DTM软件、丹麦3Shape公司的Implant StudioTM软件、美国Media Lab Inc公司的Implant 3D软件、意大利的3D SENTCAD系统等，但受限于其昂贵的价格而始终未在中国大范围推广。中国的种植软件有杭州六维齿科的6D dental软件等。种植软件通常附带种植体库，方便医生选择种植体型号，但目前除了Implant StudioTM软件设计的导板允许第三方加工外，以上其他公司设计的数据均需要发回原公司制作导板，用时较长。目前，在中国应用区域范围还比较小，报道仅见于一些规模较大、级别较高的医院，绝大多数的种植手术还仅凭术者经验或仅依靠传统简易种植导板引导手术，因此有必要进一步推动导板设计的数字化，提高导板的制作精确性。

近年来，3D打印技术在医学中的应用逐年增多，主要用来制作辅助手术的解剖模型、手术导板和植入物。3D打印手术导板可以缩短手术时间，提高精度，减少辐射，临床效果好，虽然花费稍多一些，但总体成本效益良好[10]。利用3D打印技术，结合3D图像生成及编辑处理软件、逆向三维设计软件等的应用，使得自行设计制作种植导板成为可能。本文主要研究在没有专门牙齿种植软件的情况下，如何利用CT图像、光学扫描、逆向设计和3D打印技术来设计与制作个性化的种植导板，用来辅助医生提高种植的精准度，减少对个人临床经验的依赖，从而助力于种植技术的普及和推广。

1种植导板设计

种植导板设计时应满足一些原则，如准确地定位和定向、术中固位和稳定性以及不会对周围组织造成不良影响等，但具体设计也要受到患者个体特征以及术中使用的器械等因素的限制。手术导板的设计和制作需要医生和工程师之间的紧密协作，以将治疗需求正确地转移到技术规范中。手术导板有牙齿支撑、黏膜支撑、骨支撑、牙齿与黏膜联合支撑等类型[11-13]。以某患者（下颌31，41牙齿缺失）为例叙述种植导板的设计过程。

1.1数据采集

获取患者的牙颌石膏模型和CT数据（440幅图像，层间距0.3 mm）。本着美观和功能兼顾的原则在石膏模型上设计制作诊断蜡型，以对修复效果进行直观表达。对于修复前后的下颌模型进行光学扫描（3shape D500，精度10 μm），得到下颌STL格式的三维数字模型（如图1所示）。虽然CT图像相对于光学扫描精度低，但其可以显示牙槽骨及牙根信息，这对种植体植入的准确性和导板设计的合理性是十分重要的。但CT图像对牙龈软组织不敏感，因此CT图像与光学扫描两种测量方式结合起来进行导板的设计，可使设计更加精准。

1.2CT图像三维建模

根据患者上下颌形态，筛选了其中250幅CT数据图像，导入医学建模Mimics 10.01软件（Materialise公司，比利时）中，利用Tools和Segmentation模块，对牙颌模型进行重建（如图2所示），建模过程中需要注意阈值的选择，这影响到建模质量，可先粗选后细调，以获得最佳阈值。

1.3手术规划与导板设计

使用Mimics对重建的牙颌模型进行必要的测量，如缺齿间隙（如图3所示）、牙槽骨宽度、深度等，制定手术方案，选择合适的种植体型号规格，确保种植体与邻牙的距离不小于1.5 mm，以避免造成邻牙损伤 。利用MedCAD模块，根据选择的种植体和患者牙槽骨特征，设计植入位置和方向（如图4所示），导出带有植入体位置和方向的牙颌模型（如图5所示）STL文件。

本文病例中需要种植2颗下切牙，为了尽量减少导板在口腔中占据的空间，减轻患者手术过程中的不适感，导板设计时选择部分牙齿（左右各3颗邻牙）和黏膜作为联合固位支撑，即术中导板是固定在牙冠、覆盖在牙龈上的。

在Geomagic Wrap（3D Systems公司，美国）软件中导入牙颌光学扫描模型，提取固位牙颌的表面信息，然后与图5所示的模型利用N点对齐法进行模型匹配（如图6所示），可获得导板的初始模型（如图7所示），这个初始模型包含植入体的位置和方向信息，但没有厚度。然后把初始模型导入Magics（Materialise公司，比利时）软件中进一步完善设计，确定导板的壁厚、导向距离等，尤其要注意牙冠顶部往往比牙冠根部宽，需要人工个性化设计，以保证导板能比较贴合地戴到牙冠上，最终设计的导板外形如图8所示。

2导板3D打印与测试

种植导板应该具有较好的稳定性、刚性、精度，便于操作，可消毒灭菌等特点[1]。研究中选用了3D打印工艺中成本较便宜的熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）工艺（UP BOX+，北京太尔时代）和精度较高的光固化（Stereolithography， SL）工艺[6]（SPS450打印机， 陕西恒通智能设备有限公司）分别进行导板的制作。为避免3D打印成型过程中的台阶效应，保证导向孔的精度，导向孔轴线应平行于Z轴方向，进行切片处理及3D打印。为了对导板与牙颌模型的佩戴效果进行测试，对导板数字模型进行适当修改，分别预留了0，0.1，0.2和0.3 mm 4种间隙。佩戴测试实验如表1所示。

采用FDM工艺聚乳酸（PLA）材料打印的导板均能戴在牙颌模型上，但预留0.2 mm间隙的导板松紧度最佳，能比较贴合地戴在需要种植的牙颌模型上（深色的为导板），如图9所示；采用光固化工艺打印的导板模型（如图10所示）预留0，0.1 mm间隙的导板佩戴实验失败，其余两种实验成功，预留03 mm间隙的比0.2 mm的貼合度较好。PLA材料的韧性比树脂好，是造成佩戴结果的重要因素，但对于在手术过程中起到位置定位和方向导向的导板来说，导板的变形会影响定位和导向精度，进而影响牙齿种植精度，这是术中所不希望的。

导板最终的误差是不同阶段误差的累积，有数据获取阶段、数据处理阶段、打印阶段等[14]。实验中用两种方法制作的导板佩戴效果不一致，是3D打印工艺不同、原材料不同、PLA材料在凝固过程中和光敏树脂在光聚合固化过程中的收缩率不同、机器精度不同等因素。因此，在导板的设计过程中应根据制作导板的工艺及材料等因素进行补偿设计，以保证佩戴效果。通过临床实验发现，利用导板能明显缩短临床手术时间。从成本上考虑，采用 SL工艺要比FDM工艺（PLA材料）高一些，但导板定位导向精度高、变形小，有利于手术操作的稳定性，尤其是采用SL工艺制作透明导板更有利于医生在术中的操作。

3结语

论述了如何利用CT图像和光学扫描数据，使用 Mimics，Geomagic和Magics软件进行牙齿种植导板的设计过程，比较了FDM和SL两种3D打印工艺制作导板的效果。3D打印种植导板是针对患者定制的具有定位、定向结构的手术辅助装置，具有缩短手术时间、降低手术操作难度、提高种植精度等优点，是医生的“好帮手”，并能兼顾功能与美容，具有很好的应用前景。但在实际应用过程中，选择的3D打印材料不同、打印工艺不同、打印机精度等因素都会影响导板制作的精度，需要在导板设计过程中进行补偿设计。本文给出的导板设计与制作工艺可以作为参考，以帮助医生和工程师在没有专用的种植软件的情况下，进行数字化导板的设计与制作，提高种植的精准度和成功率。

参考文献/References：

[1]ANNIBALI S， La MONACA G， TANTARDINI M， et al. The role of the template in prosthetically guided implantology[J]. Journal of Prosthodontics：Official Journal of the American College of Prosthodontists， 2009， 18（2）： 177-183.

[2]朱敬炜. CAD/CAM种植导板设计及精度的初步研究[D]. 上海：上海交通大学， 2014.

ZHU Jingwei.The Study on Design and Accuracy of CAD/CAM Surgical Guide[D].Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2014.

[3]BARONE S， CASINELLI M， FRASCARIA M， et al. Interactive design of dental implant placements through CAD-CAM technologies： From 3D imaging to additive manufacturing[J]. International Journal on Interactive Design and Manufacturing （IJIDeM）， 2016， 10（2）： 105-117.

[4]BECKER C M， KAISER D A. Surgical guide for dental implant placement[J]. The Journal of Prosthetic Dentistry， 2000， 83（2）： 248-251.

[5]ATSU S S. A surgical guide for dental implant placement in edentulous posterior regions[J]. The Journal of Prosthetic Dentistry， 2006， 96（2）： 129-133.

[6]SHAHRASBI A H， HANSEN C A. Surgical oral radiographic guide with a removable component for implant placement[J]. The Journal of Prosthetic Dentistry， 2002， 87（3）： 330-332.

[7]SHOTWELL J L， BILLY E J， WANG H L， et al. Implant surgical guide fabrication for partially edentulous patients[J]. The Journal of Prosthetic Dentistry， 2005， 93（3）：294-297.

[8]JEONG S M， FANG J W， HWANG C H， et al. Accuracy assessment of implant placement using a stereolithographic surgical guide made with digital scan[J]. The Journal of Korean Academy of Prosthodontics， 2015， 53（2）：111.

[9]VASAK C， WATZAK G， GAHLEITNER A， et al. Computed tomography-based evaluation of template （NobelGuideTM）-guided implant positions： A prospective radiological study[J]. Clinical Oral Implants Research， 2011， 22（10）：1157-1163.

[10]TACK P， VICTOR J， GEMMEL P， et al. 3D-printing techniques in a medical setting： A systematic literature review[J]. Biomedical Engineering Online， 2016， 15（1）： 115.

[11]汤雨龙， 惠瑞宗， 曹志强，等. 3D打印技术在口腔种植导板制作中的應用[J]. 解放军医药杂志， 2015（11）： 32-35.

TANG Yulong， HUI Ruizong， CAO Zhiqiang， et al.3D printing technique in application of the dental implant surgery guide[J]. Medical & Pharmaceutical Journal of Chinese Peoples Liberation Army， 2015（11）：32-35.

[12]VASAK C， KOHAL R， LETTNER S， et al. Clinical and radiological evaluation of a template-guided （NobelGuideTM） treatment concept[J]. Clinical Oral Implants Research， 2014， 25（1）：116-123.

[13]van STEENBERGHE D， MALEVEZ C， van CLEYNENBREUGEL J， et al. Accuracy of drilling guides for transfer from three-dimensional CT-based planning to placement of zygoma implants in human cadavers[J]. Clinical Oral Implants Research， 2003， 14（1）： 131-136.

[14]CASSETTA M， MAMBRO D A， GIANSANTI M， et al. The intrinsic error of a stereolithographic surgical template in implant guided surgery[J]. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery， 2013， 42（2）：264-275.