牙种植动态导航配准方式对配准精度的影响

田田 张志宏 刘红红

安徽医科大学附属省立医院口腔医学中心 合肥 230001

牙种植术现已成为修复牙缺失常见的手术，数字化医学的提出及发展使其可以在可视化下更快速、更准确地进行[1-6]。近年来，牙种植动态导航系统（dynamic navigation system，DNS）在牙种植术中可实时追踪钻针位置，避免损伤邻近重要的解剖组织，提高了术后种植体位置、深度和角度的准确性，大大减少了术中并发症及术者的操作时间[7-10]，使其在牙种植学领域迅速发展起来。DNS引导牙种植术中的每一步操作偏差都可能影响到牙种植体的准确放置，因此种植实际术区与虚拟术区之间的精确配准非常重要[11]。配准的目的是为确定术中患者术区坐标系与虚拟坐标系之间的空间关系。在DNS的引导下，患者术区任何一点都能以x-y-z的坐标形式与计算机三维图像上相应的点一一对应。种植术前进行配准，术中可实时追踪手术器械尖端，显示其所在位置、路径及周围解剖结构，术者可根据提示及时调整器械方向及位置。本文对配准方式在牙种植术中对配准精度的影响进行综述。

1 配准方式

临床上用于口腔颌面外科的配准方式有两种，分别为有标记点配准（marker-based）和无标记点配准（marker-free）。有标记点配准主要是利用骨标记物、咬合夹板、解剖标志作为特殊标记，并固定在术区周围以实现术区实际空间位置与虚拟术区空间位置的配准重合。有标记点配准的配准过程如下：1）术前获取患者术区带有放射阻射标记的三维影像；2）将数据导入计算机内进行术前规划；3）术区标记点与虚拟三维图像上标记点配准重合。无标记点配准是利用面融合原理进行轮廓匹配来完成配准重合的[12]。

1.1 有标记点配准

1.1.1 骨标记物配准 临床上采用此方法时，一般是在患者上颌骨术区的非关键区域植入5～6个钛钉[13-14]。如果要达到更高的精准度，这些钛钉需不在同一水平线且分布在不同平面上，术中可在两眼眶外侧上缘各加1枚钛钉来更好地辅助定位偏高的术区。为了达到整个术区的配准，术前需要先对这些在三维影像上可显影的定位标记物进行配准。Fan等[15]在一项DNS辅助颧种植术区定位的体外研究中发现，术区周围散在分布5个基准标记点时即可达到8个标记点配准的精度效果，标记物越靠近目标，并以非线性方式排列标记物，则图像配准的准确性越高。而Hung等[13]利用此配准方法对严重萎缩的上颌全口义齿稳定性差的患者进行颧骨种植体植入，将术前规划虚拟种植体三维影像与术后实际种植体三维影像进行拟合配准，结果表明，52枚颧种植体的起点误差、止点误差和角度误差分别为1.24 mm、1.84 mm和2.12°，与以往在离体头颅[16]或者3D打印头颅[17]上研究DNS辅助的颧种植体植入精确性的实验结果相近。骨标记法一直被视为临床配准金标准[18]，因为骨标记物在图像采集及术中不受位移影响，但属于一种侵入性的配准方法，在CT扫描前需要额外的手术植入标记物，且植入时须考虑此区骨量，以确保获得足够的固位力。

1.1.2 咬合夹板配准 骨标记物配准具有侵袭性，虽精准度较高，但会给患者带来身体的创伤和伤痛，一般不为患者所接受，而咬合夹板配准则克服了这一缺点。咬合夹板配准方法是在术前根据患者牙弓形态制作个性化咬合夹板，在其上分布有5～6个放射阻射标记点，作为配准基准点来定位术区。咬合夹板分为牙支持式和黏膜支持式两种。Eggers等[19]研究的结果显示，这种方法的精度误差为1.53～1.61 mm，可以满足前颅底手术范围的配准要求，但不满足侧颅底手术范围的配准要求。也有学者[20]对另外两种不同形态的咬合夹板配准精度进行研究，一种是利用压印材料直接在颌骨模型上制作而成的个性化快速型咬合夹板，另一种是在石膏模型上制成咬合夹板然后在其两侧各安装一个扩展器，称为延伸型咬合夹板，结果发现：快速型咬合夹板尺寸较小，夹板附近的误差较小；而在远离夹板的眶顶、颅骨顶和侧颅底区，延伸型咬合夹板的配准效果更为精准。在临床实践中，咬合夹板主要适用于颌面部前部的配准，而不适用于磨牙后区的配准，而且仅在夹板区域添加更多的标记并不能提高配准精度。基准点跨越的多边形越大，精准度才越高。咬合夹板式配准的主要优点是完全无创的，在成像之前不需要外科手术；缺点在于术前需要花费额外的时间和成本来制作。此外，对于严重萎缩的牙列缺失者，配准过程中咬合夹板可能会出现不贴合的现象，导致不能精准定位术区空间位置，从而产生较大的误差。

1.1.3 U型管配准 由于下颌骨解剖因素的特殊性，术中很难精准地实时追踪定位到患者的下颌术区。咬合夹板配准在临床上仅适用于上颌中面部的外科手术。为解决这一问题，学者们在咬合夹板的基础上研究出一种牙支持式参考板与小型的“咬合夹板”（即U型管）联合应用的配准方法，称为U型管配准。在整个配准和手术过程中，参考板须稳固地固定在牙齿上，U型管的小体积特点可使参考板与配准装置同时固定在下颌牙列上。在下颌种植手术中，经过临床术区空间与虚拟空间配准后可精准地实时追踪定位到下颌术区。以DNS辅助单颗牙缺失的种植术为例，将带有阻射标记点的U型管在成像前用牙科材料固定在缺牙区，术前参考板固定在缺牙区邻牙或同颌对侧同名牙上，利用导航种植手机钻针点击U型管上的凹坑，通过计算与基准点的位置距离，进行点对点配准，从而识别并定位术区。临床研究[7,21-24]证明，牙种植术中在DNS辅助下并结合此配准方法，种植体可较为精准地放置在理想的规划位置。Chen等[9]利用该方法对50枚种植体进行配准，其起点总误差、止点总误差和角度总误差分别是1.07 mm±0.48 mm、1.35 mm±0.55 mm和4.45°±1.97°。该方法的缺点是，对无牙颌患者，此种配准装置无法稳固地固定在术区周围的颌骨上。

1.1.4 面部框架式配准 该配准方法是一种简单、无创的方法。术前将带有标记点的面弓式装置稳定地固定在患者头部或者粘贴于术区周围，使其基准标记点在颌骨周围广泛分布，以提供较大的标记范围。Widmann等[25]通过体外研究对3种不同配准方法的精准度进行研究，结果表明，骨标记物配准、咬合夹板配准和面部框架式配准的精度误差分别为0.16～0.34 mm、0.16～0.30 mm、0.29～0.65 mm，均在临床可接受的范围之内。该方法的缺点在于配准装置框架较大，不能够提供足够的摩擦力，定位精确度较低，现已很少应用。

1.1.5 解剖标志点配准 此方法采用的解剖标志点主要分两类，自身的骨性标志点和体表标志点。骨性标志点配准法是成像后在规划软件上先标记出基准点，再根据基准点利用手术器械点击与其相对应的点进行点对点配对，因其表面软组织的影响，精准度不高。体表标记点配准是利用导航探头在患者术区周围标记出多个不在同一平面的基准点，但由于体表标记点一般为软组织隆起处或者凹陷处，在配准过程中可能发生移动，因此误差大小很容易受操作者技术的影响。有学者[12,26]通过体外研究发现，上颌、颧骨前区的平均目标配准误差为0.93 mm±0.31 mm，其他部位误差较大。综合考虑，此方法适用于上颌术区，但在选择适用部位时一定要谨慎。

1.2 无标记点配准

无标记点配准又称表面配准，是通过特定的激光仪器对术区表面进行扫描，利用面融合原理进行轮廓匹配。大量研究[27-34]已证实，此配准法在临床上具有足够的精确度。它的主要优点是非侵入性，且在图像采集前也不需要应用任何参考标记；缺点在于，术区周围软组织对其扫描精度有很大的影响，特别是创伤后，软组织仍存在肿胀的初期进行CT扫描时，可能会导致明显的配准错误，而且术中软组织状况也在不断变化，所以不可能在术中重新配准。Marmulla等[35]研究表明：在上颌骨，采用该方法进行术区配准，精度误差为（0.8±0.3）mm；而下颌骨因舌和口底等一些不稳定因素存在，无法作为高精度配准的自然标记。此外，该装置额外的高成本导致其无法在牙种植术中得到广泛应用。

2 配准误差

精确性是导航手术的关键，因为每一步操作都可能产生误差。在有标记点配准的过程中，术区空间定位误差主要来源于基准点定位误差（fiducial localization error，FLE）、基准点配准误差（fiducial registration error，FRE）、目标点配准误差（target registration error，TRE）。

FLE由图像定点误差和术中定点误差两部分组成。图像定点误差主要来自导航系统的计算机软件识别不准确性，图像体素[36]，标记点的数量、分布及材料性质等。图像分辨率越高，影像中标记点越容易被识别且越规则，图像定点误差就会越小[37-38]。如果利用系统图像分割或设计相应算法自动识别标记点，则图像定点误差也可相对减少[39]。Du等[40]通过对临床牙种植术中U型管配准进行研究，结果发现，作为U型管上基准点的标记物，氮化硅在成像上产生的伪影少，辐射不透明度高，耐磨性好，是一种配准性能较好的材料。术中定点误差是导航探针在识别基准点过程中产生的，为了使导航探针点与标记点中心达到最佳接触，减少术中定点误差，基准点一般设计成光滑的凹坑样。

FRE是指配准完成后所计算出的标记点空间坐标与其实际空间坐标的平方差，通常采用均方根来表示。TRE是指在动态导航过程中钻针的真实位置坐标与相应的术区目标真实位置坐标之间的差异，代表整个导航过程中所传递的最终误差结果，是评价DNS辅助手术精确性最客观的指标，对手术的安全与精确性至关重要。诸多研究表明，基于点的配准方法大大提高了导航系统的精确性[41]，而配准过程中所涉及到的光学追踪系统可视范围大小及离术区的距离，定位参考板的位置和稳定性，种植手机翼板设计等都可能影响到术区实际位置与虚拟位置的配准精度。

3 小结

临床实践[22-23]证明，口腔牙种植术中应用DNS能够将术前规划准确地转移到患者实际手术中，大大降低了手术风险，提高了手术精度，使得DNS引导的口腔种植术具备准确性、可靠性、灵活性。目前口腔种植学领域现最常使用的是U型管配准方式。因为不同的配准方式在很大程度上会响其配准精度，从而影响最终的种植精度，因此临床医生必须了解不同配准方法的适应证和配准特点等，以期减少配准误差。随着数字医学的提出与发展，DNS精度不断提高，在口腔种植学领域应用会愈加广泛。

该技术目前的难点在于下颌无牙颌患者，或者余留牙较少的患者中的应用较为困难，目前尚无明显突破。因为颞下颌关节特殊的解剖关系，目前还没有研发出合适的能稳固地固定在下颌骨上的参考板与配准装置，致使DNS无法准确地实时追踪定位患者术区真实位置，所以DNS对于下颌无牙颌患者的应用有待进一步探索改进。此外，用于DNS的平板显示器往往与术者有一段距离，操作者需时时移动视线，以便将视觉导航信息与真实场景相匹配，这可能会中断手术流程。近年来，随着增强现实（augmented reality，AR）技术在医学领域的推广使用[42-44]，有望解决术者的手眼协调问题。