一种牙支持式椅旁3D打印种植手术导板的临床应用初探

孙瑶 丁茜 原福松 张磊 孙玉春 谢秋菲

从20世纪60年代Bånemark等［1］提出骨结合理论并将钛种植体成功应用于临床以来，种植修复理论和技术迅速发展，已成为修复牙列缺损和牙列缺失的一种重要方式，种植体植入的成功率和准确程度一直备受关注。1995年Garber和Belser提出“以修复为导向”的种植治疗理念，要求医生在种植手术时考虑到最终修复后的软硬组织美学效果［2］，这就需要完善的术前设计并将其准确转移到手术中。1987年Edge［3］首次应用种植手术导板辅助种植体的植入，改变了之前仅凭借术前影像学信息和种植医生临床经验来完成种植手术的状况。近年来，随着计算机断层扫描技术、种植手术设计软件、数字化加工技术的迅速发展，数字化种植导板的应用越来越多，为微创和高精度地进行种植手术提供了更好的保障。

数字化种植导板是基于计算机断层扫描数据和模型（或口内）扫描数据，通过专业的种植软件设计，利用工业成形技术加工而成［4］。目前数字化种植手术导板的加工技术主要为计算机辅助制造（computer-aided manufacturing，CAM）技术，按其技术原理主要可分为两大类：去除式加工技术和增量式加工技术［5］。增量式加工技术也即增材制造，又称3D打印［6］，是数字化种植导板加工最常用的方法。

使用数字化导板辅助种植手术，能有效避免对重要解剖结构的损伤，充分利用可利用的骨量，一定程度上减少了部分手术中植骨的必要性，可以给医生提供解剖结构和修复体轮廓信息，从而实现以修复为导向的种植体植入，获得最终理想的美学和功能效果［7-9］。如何快速、高效制作满足临床需求的种植导板一直是种植医师关注的问题。

针对目前种植导板制作流程复杂、不适于椅旁应用等局限性，故建立一种面向口腔门诊椅旁应用的邻牙支持固位式种植导板设计制作方法，并对其引导种植手术的准确度进行评价，以期建立一种椅旁高效制作种植导板，精确引导种植的技术流程。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

Trios口内扫描仪（3Shape公司，丹麦）；熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）三维打印机及配套切片生成软件Dental100（灵通Ⅲ型，北京实诺泰克科技有限公司）；种植导板CAD软件coDiagnostiX（Straumann，瑞士）；聚乳酸（NatureWorks LLC，美国）。

1.2 方法

1.2.1 研究对象 选择1名就诊于北京大学口腔医院修复科，左下第一磨牙缺失的患者（女，30岁）进行临床应用初探。患者拔牙后3个月，全身状况良好，无种植修复治疗禁忌证；缺牙区剩余牙槽骨骨量、骨质良好，无需骨增量手术；口腔卫生状况良好；依从性好，对本临床试验知情同意并签署知情同意书。患者张口度正常，可以进行导板引导手术操作。本研究已通过北京大学口腔医院伦理委员会伦理审查（批准号：PKUSSIRB-201628055）。

1.2.2 临床检查 CBCT数据以及三维扫描数据的获取，对患者进行临床检查（图1）及CBCT检查（New-Tom，意大利），获取缺牙区牙槽骨信息。使用Trios口内扫描仪扫描患者下颌牙列以及缺牙区黏膜，获取口内扫描数据（图2）。

1.2.3 椅旁设计种植手术导板

1.2.3.1 数据导入以及配准 将CBCT数据及口内扫描数据导入coDiagnostiX种植导板设计软件中并进行配准（图3A）。标记左侧下颌神经管位置。

图1 缺牙区Fig 1 Tooth missing area

图2 术前口内牙列三维图像Fig 2 The three dimensional image of lower dentition

1.2.3.2 种植体位置设计 结合缺牙区CT所示骨质、骨量，从种植体库中选择待植入骨水平种植体（长度10 mm，直径4.1 mm，SLA®，Straumann，瑞士），从软件中调取模拟牙冠放置于理想的修复位置，结合CT所示对牙位置及理想修复位置（图3B），根据常规种植体植入的标准，同时避免伤及其它重要解剖结构，设计种植体颊舌向、近远中向以及龈向位置（图3C～D），并验证所选种植体直径、长度的适合性。

1.2.3.3 手术导板设计 确定种植体位置后选择导板手术应用工具盒系统（Straumann®Guided Surgery Cassette），并选择相应套环（T-sleeve，Φ5 mm）。基于口扫数据设计导板，生成导板三维模型（图4），确定3D打印补偿参数以及导板厚度（2.5 mm），导出最终导板设计数据，保存为STL格式。

1.2.4 椅旁3D打印种植手术导板 将种植手术导板的STL数据导入Dental100椅旁打印设计软件中，设置打印参数，调整打印角度（图5A），导出Gcode文件，导入椅旁FDM打印机（图5B）中，打印机自动打印完成无支撑的PLA种植导板，抛光，将不锈钢金属套环（5 mm，T-Sleeves，Article 034.053v4，Straumann）置入套环孔中，完成（图6）。导板置于患者口中检查就位，就位固位良好（图7）。

图4 设计好的种植导板三维模型Fig 4 The designed implant guide 3D image

图5 种植导板椅旁打印Fig 5 Chair-side 3D printing of the implant guide

图6 椅旁打印完成的导板Fig 6 Printed implant guide by chair-side printer

图7 导板在口内就位情况Fig 7 Implant guide in place

图8 36种植体实际植入位置Fig 8 Postoperative implant position of tooth 36

1.2.5 种植手术 患者再次就诊，行种植手术。常规术前准备、消毒。遵照Straumann导航工具盒使用说明书所示步骤，在导板引导下逐步进行种植窝洞预备，植入骨水平种植体，植入扭矩50 N·cm，图8示种植体植入后近远中、颊舌向位置。

1.2.6 术后扫描数据获取 放置Straumann CAD/CAM扫描定位杆，使用Trios口内扫描仪（3Shape公司，丹麦）扫描，获取种植术后种植体及近远中邻牙三维位置数据（图9）。

1.2.7 术后评价 将术后扫描数据导入coDiagnostiX种植设计软件中，与术前设计配准，得出术后实际种植体位置与术前设计种植体位置的差异［10］（图10），评价参数包括：①角度偏差；②种植体平台部三维偏差、近远中偏差、颊舌向偏差和龈向偏差；③种植体根尖部的三维偏差、近远中偏差、颊舌向偏差和龈向偏差。

图9 术后即刻安装扫描杆扫描Fig 9 Placing the scanbody immediate postoperation

图10 种植体植入准确度评价Fig 10 Accuracy evaluation of implant placement

2 结 果

椅旁打印机打印导板用时21 min。种植导板就位顺利，固位良好。导板引导下行种植手术，手术用时45 min。术后利用扫描定位杆口内扫描获得实际种植体三维位置与术前设计比较，结果见表1。

表1 角度、平台部、根尖部偏差值Tab 1 Discrepancy values at entry point，apex and angular deviation

3 讨 论

传统数字化导板的制作方法主要是增量式加工技术，其中液态光敏树脂选择性固化技术（也称立体印刷技术，stereolithography apparatus，SLA）是获得种植手术导板最为常用的成形技术。但SLA导板多在技工室采用专业的设备制作，流程复杂，国内尚未见到椅旁高效率打印制作导板的临床应用报道。本试验通过口内扫描、椅旁数字化设计，运用熔融沉积成形技术进行椅旁3D打印，实现了椅旁数字化导板的设计加工，并在种植手术时实现了较高的植入精度，简化了导板的制作流程，提高了制作效率。

传统的数字化导板的制作流程：①患者第1次就诊，拍CT或CBCT获取颌骨的骨量、骨质信息，取印模灌制石膏模型，获得患者口内的黏膜等信息。对于较复杂的种植患者，还需要将模型送往技工室试排牙，制作放射导板，进行二次CT扫描；②扫描模型，将模型扫描数据以及CT数据一同导入种植导板设计软件，进行三维多源数据融合，进而设计种植体的位置；③结合理想的修复位置，设计好种植体位置后，将设计数据传输到加工中心进行导板的设计，最后采用计算机辅助制造技术进行导板的加工；④加工完成后运输到临床，由临床医生进行试戴，最后以导板引导完成种植手术［11-13］。传统的数字化导板制作流程所需时间长，患者就诊次数多，效率较低。

本试验种植导板的3D打印是基于熔融沉积成形原理，即通过加热高分子材料，在计算机控制下喷头在水平方向（X-Y平面）运动、挤出材料，完成一层打印后，打印平台沿垂直方向（Z方向）下降至下一层，逐层堆积得到立体结构，要求加工的材料具有热塑性，熔融状态下流动性较好且喷出后能及时冷却定型。FDM工艺原理相对简单，应用成本较低，打印效率高，可用于打印适宜精度的口腔医用制品［14］。导板打印材料为聚乳酸，是一种从玉米中提取出的可再生、无污染的生物树脂，可以用于临床［15-16］。在本病例中，由1台FDM三维打印机控制聚乳酸细纤维丝完成种植导板的打印，制作完成的导板就位良好，术后评价证实可准确再现术前设计信息，可实现椅旁快速高效制作种植导板。与传统数字化导板相比，椅旁3D打印导板可显著减少患者就诊次数，实现1次就诊完成术前信息收集以及导板制作及临床试戴，更高效、快捷；若患者无种植手术禁忌症，术前检查及各项治疗等于就诊时完善，则可实现一次就诊完成种植导板制作及试戴，并完成种植手术，明显提高临床效率（图11）。

图11 传统数字化导板和椅旁3D打印种植导板制作流程对比Fig 11 Comparison of the workflow for conventional production of implant guide and chair-side 3D printing implant guide

既往文献报道中，种植准确度的评价方法是应用术后CT影像与术前CT设计进行配准测量，本试验是利用术后扫描定位杆评价种植术前术后的误差，避免了患者术后再次接受放射剂量。本研究将术前设计与术后应用扫描定位杆口内扫描的数据在软件中进行点对点配准，是一种较准确快速的配准方法［17］。同时光学扫描的精度高于CBCT扫描［18］，获得较好的配准效果。

Tahmaseb等［19］在一篇纳入了24篇文献的系统性综述中报道数字化导板引导下植入种植体颈部的偏差平均为1.12 mm，最大值为4.5 mm，根部的偏差为1.39 mm，最大值为7.1 mm。角度偏差平均为3.89°，最大值为21.16°。对比本试验术后配准结果，种植体植入达到了良好的精度。从口内扫描、CT扫描获取数据，导板的加工制作至实施种植手术全过程，这其中的每一步都有可能产生偏差，偏差是累积的，交互作用的［19］，最终反映在术后实际植入的种植体和术前设计的种植体在位置、角度、深度等方面的差异，也即影响了种植导板辅助种植手术的准确性。严格控制每一步操作的规范与精确，对于提高种植体植入准确性至关重要。本试验所得偏差结果小于既往文献所得偏差结果，说明本研究椅旁设计制作的种植导板准确度较好，符合临床使用要求，能较好地提高临床种植手术的植入准确性。

本试验通过椅旁数字化导板完成了一例患者的种植手术，下一步的研究将纳入更多患者，进行系统全面的随机对照研究，进一步对比椅旁设计制作数字化导板与传统数字化导板在种植体植入准确度方面的差异。本试验所用FDM打印技术的不足之处在于：打印导板过程中导板的摆放角度决定了打印所需支撑的位置以及数量，支撑数量多打印效率降低且导板组织面粗糙，影响精度，支撑不足则打印容易失败，下一步研究将优化打印角度，提高打印效果。

4 结 论

本试验提出的椅旁种植导板的设计制作流程具有高效、准确的特点，符合临床使用要求，能显著减少患者的就诊次数，提高临床种植手术的植入准确性。