种植手术机器人辅助完成种植手术精度的初步研究

张凯 余孟流 曹聪 徐宝华 中日友好医院口腔医学中心 （北京 100029）

内容提要：目的：利用种植机器人进一步提高种植手术的精确性从而有效避开重要解剖结构，增加远期成功率。方法：使用种植手术机器人，分别在三维打印模型和猪下颌骨上植入市面常见种植体，通过锥形束CT扫描、配准，获得术前设计种植体植入位置与术后实际种植体植入位置偏差及角度偏差。结果：两种市面常见种植体在猪下颌骨上使用种植机器人辅助完成即刻种植的植入点总偏差（PCC：（0.610±0.143）mm，BL：（0.688±0.148）mm），根尖点总偏差（PCC：（0.664±0.121）mm，BL：（0.716±0.156）mm）及角度偏差（PCC：（0.980±0.456）°，BL：（1.215±0.549）°）无明显统计学差异（P＞0.05），且均低于市面常见计算机导航种植系统；在3D打印模型上产生的位置及角度偏差低于在猪下颌骨上产生的偏差。结论：种植机器人辅助种植的精确性高，研究结果可作为后续临床试验及临床应用的参考。

种植体的精确植入可以有效避免不必要的组织损伤，降低后期修复的复杂性，并有效提高种植体的使用年限。种植医生及学者们从种植体的角度、种植体颈部位置、种植体根尖位置及种植体植入深度来评判一个种植体是否精确植入[1]。锥形束CT（Cone Beam Computerd Tomography，CBCT）扫描技术、种植三维设计软件及快速成形技术结合产生了计算机辅助种植外科技术（Computer-Assisted Implantology，CAI）促进了种植技术的发展[2-4]。机器人技术与外科技术的结合是解决上述问题的重要途径之一。与自由手操作相比，机器人具有定位准确、状态稳定、工作尺度范围大等优势。通过与计算机技术匹配，机器人可以增强医生对手术现场的感知、决策和操作能力。目前，对计算机导航的精确性进行评估，主要采用模型实验和临床试验两种方法。本实验选取模型实验设计，验证机器人辅助种植的精确性，为种植治疗开辟一个新的领域，为种植机器人进入临床使用奠定基础。

1.材料与方法

1.1 材料与设备

本实验的研究时间范围为2019年10月～12月，研究经过中日友好医院实验动物福利伦理委员会审查（批准编号：190210）。

3D打印缺牙模型（单侧牙游离端缺失模型，北京易速普瑞科技股份有限公司，中国），Silagum硅橡胶印模材料（DMG，德国），9个月龄新鲜猪下颌骨（小型猪）依据随机数字表编号为A01-A20，瑞医博口腔种植手术机器人（机械臂：Universal Robots，丹麦；光学跟踪定位仪：Claron Technology，加拿大；主机：华北工控，中国；搭配RemeDent手术导航软件），匹配种植手机（DSG201L NSK，日本），种植机（MASTERsurg LUX Wireless，KAVO，德国），骨水平种植体（BL）（Straumann，瑞士）及相应种植工具盒，PCC种植体（Nobel，瑞典）及相应种植工具盒，Luxatemp Automix Plus临时牙修复材料（DMG，德国）。

口腔种植手术机器人（图1）由机械臂（含夹持器）、手术导航软件（RemeDent）、光学跟踪定位仪、专用仪器车、定位导板、手机定位板、钻头标定板和探针组成。

图1.口腔种植手术导航定位系统

光学跟踪定位仪：由三目立体摄像头（MicronTracker，Claron Technology，加拿大）和摄像头支架组成。光学跟踪定位仪识别特定几何图案的标识物，实现对机械臂末端夹持器和定位导板的追踪识别，建立光学跟踪定位仪空间、医学图像空间和机械臂空间的配准关系，实现对机械臂的导航。

机械臂：机械臂为RemeDent的运动执行单元，采用6自由，6维力反馈功能的UR5e机械臂（Universal Robots，丹麦，重复定位精度0.1mm，角度定位精度0.1°）。机械臂以500Hz的响应频率响应交互控制指令，实现对患者缺牙位置的追踪定位。

手术导航软件：软件模块包括病例管理、手术规划、手术注册、手术导航和手术验证。通过三维可视化技术，实现神经管分割、牙冠规划、种植体规划；利用图像自动与分割配准方法实现种植体坐标空间的自动配准与种植精度的自动验证；借助力觉交互与反馈控制，实现交互协作下的种植窝洞制备。见图2。

图2.口腔种植手术导航定位系统多空间坐标系 （2a.图像空间；2b.机械臂空间；2c.手术空间；2d.光学坐标空间）

1.2 方法

1.2.1 3D打印缺牙模型种植

通过3D打印5个缺牙模型，利用硅橡胶印模材料固定定位器，后进行CBCT扫描。将CBCT数据导入计算机行手术规划及种植体位置设计。缺牙模型固定于牙科仿头模上，通过种植机器人辅助在缺牙模型上植入Straumann BL种植体。术后CBCT扫描，将数据与手术规划的CBCT数据匹配，计算两者有无差异。操作流程见图3。

图3.模型实验流程（3a.3D打印模型；3b.利用RemeDent软件进行术前手术规划，设计拟植入种植体位置；3c.模型及定位器固定）

1.2.2 猪下颌骨磨牙即刻种植

将猪下颌骨右下第一磨牙沿发育沟采用涡轮机分为近中、中间及远中三部分，分别挺松拔除，拔除（图4a、4b）。将机器人识别用定位器通过临时冠材料固定于猪下颌骨左下后牙（图4c），为安装好定位器的猪下颌骨拍摄CBCT（NewTom，扫描范围15cm×15cm，管电压110kV，管电流20mA，曝光时间3.6s，扫描时间18～26s），将CBCT扫描结果输出为Dicom格式导入种植手术机器人内，在机器人内于猪下颌骨右下第一磨牙远中颊根拔牙窝设计植入位点（图4d）。将猪下颌骨稳定固定，配准种植机器人。在种植手术机器人辅助下完成定点，逐级备洞（依据Zarb骨密度分类标准，一类及二类骨将采用相应型号攻丝钻进行攻丝），并由种植手术机器人辅助植入种植体（图4e）。其中10个样本采用Nobel PCC 4.3mm×13mm种植体，另外10个样本使用Straumann骨水平种植体（BL 4.1mm×10mm），所有样本均由种植专科主治医生使用种植机器人完成种植。种植完成后再次拍摄CBCT（拍摄条件同前），并将数据导入种植手术机器人，进行数据匹配。

图4.猪下颌骨磨牙即刻种植 （4a.猪下颌骨右下第一磨牙分根；4b.猪下颌骨右下第一磨牙拔除后拔牙窝情况；4c.定位器通过临时牙材料固定于猪下颌骨左下后牙；4d.在RemeDent软件上设计机器人辅助种植猪下颌骨右下第一磨牙远中颊根拔牙窝的植入位点，其中，左上为设计的种植体位置水平面，左下为设计的种植体位置矢状面，右上为三维重建示意图，右下为设计的种植体位置冠状面；4e.机器人种植手术示意）

1.3 种植体植入位置精确性评价

将术前术后CBCT数据（通过RemeDent手术导航软件）进行重建与配准，根据已知的种植体尺寸信息，由RemeDent软件自动分割提取种植体植入点和根尖点坐标。分别测量植入位点总体偏差、植入位点水平偏差、植入位点垂直偏差、种植体根尖点总体偏差、种植体根尖点水平偏差、种植体根尖点垂直偏差及种植体角度偏差（图5）。

图5.评价种植体植入精度的参数采集示意图

1.4 统计学分析

本实验所有数据均采用统计学软件SPSS 22.0（IBM，美国）软件处理数据，所有计量数据以±s表示，两组间的均数比较采用独立样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2.结果

样本A01-A05号采用Nobel PCC 4.3mm×13mm种植体，A06-A09号使用Straumann骨水平种植体（BL 4.1mm×10mm），A01、A03、A05、A07、A09号颌骨由种植专科主治医生（独立种植量＞8000颗）完成，A02、A04、A06、A08号颌骨由种植专业住院医生（独立种植量＜10颗）完成。

2.1 模型实验种植体位置

种植定位器在3D打印模型上固位良好，取戴方便。5个3D打印缺牙模型（Q1-Q5）种植位置的植入点总偏差，根尖点总偏差及角度偏差数值见表1。

表1.3D打印模型种植体植入位置偏差(±s)

表1.3D打印模型种植体植入位置偏差(±s)

项目 植入点总偏差(mm) 根尖点总偏差(mm) 角度偏差(°)Q 0.362±0.206 0.450±0.165 0.830±0.355

2.2 猪下颌骨拔牙位点即刻种植种植体位置

种植定位器在猪下颌固位良好。根据种植体型号分组进行均值及标准差的计算，植入点总偏差、根尖点的总偏差及角度偏差数值见表2。

表2.猪下颌骨磨牙即刻种植种植体位置偏差(±s)

表2.猪下颌骨磨牙即刻种植种植体位置偏差(±s)

images/BZ_32_1287_2041_2303_2197.png项目 植入点总偏差(mm)根尖点总偏差(mm)角度偏差(°)Nobel PCC 0.610±0.143 0.664±0.121 0.980±0.456

如表2所示，两种种植体植入点总偏差、根尖点总偏差及角度偏差无明显统计学差异。图6为Nobel PCC种植体和Straumann BL种植体的种植术前及术后CBCT扫描数据匹配。

图6.Nobel PCC和Straumann BL种植体种植术前后CBCT扫描数据匹配（6a.Nobel PCC样本种植体植入前后对比面观、近远中面观、唇舌面观及三维重建下颌骨整体形貌；6b.Straumann BL样本种植体植入前后对比面观、近远中面观、唇舌面观及三维重建下颌骨整体形貌，绿色种植体为术前设计种植体植入位置，红色种植体为术后CBCT显示种植体实际植入位置。）

将模型上Straumann BL种植体偏差与猪下颌骨上Straumann BL种植体偏差进行比较（表3），通过独立样本检验发现同型号种植体在3D打印模型和猪下颌骨利用机器人辅助种植的种植体植入角度偏差无明显统计学意义，但植入点总偏差及根尖点总偏差有统计学差异。

表3.3D打印模型及猪下颌骨Straumann BL种植体植入偏差Mean±SD(±s)

表3.3D打印模型及猪下颌骨Straumann BL种植体植入偏差Mean±SD(±s)

项目 植入点总偏差(mm) 根尖点总偏差(mm) 角度偏差(°)3D打印模型 0.362±0.206 0.450±0.165 0.830±0.355猪下颌骨 0.688±0.148 0.716±0.156 1.215±0.549 t-3.542 -3.058 -1.413 P 0.004 0.009 0.181

3.讨论

种植体的精确植入是种植手术成功的关键。如果种植体植入位置不佳，会使后期种植修复难度大幅增加，同时因为力学因素的改变，还会给患者增加创伤性骨吸收及种植体劈裂折断等潜在风险。CAI技术相较于自由手种植最大的优势在于通过计算机辅助软件设计种植体植入方向和植入位置，有效避免伤及重要解剖结构，实现以修复为导向的种植外科[5]。

目前常见的导航系统有维也纳大学的VISIT系统、Medtronic公司的Treon系统、Denx公司的IGI系统等。有研究发现不同导航系统相较于无导航的自由手，操作均能有效减小种植体植入误差[4]。有学者将30位患者纳入研究，利用计算机动态导航系统进行种植，得到种植体的角度偏差为（7.69±4.92）°，根尖点深度偏差为（0.92±0.55）mm，根尖点水平向偏差为（2.21±0.99）mm[1]。另有学者统计计算机导航及自由手种植所产生的角度偏差分别是（2.97±2.08）°和（9.92±6.01）°[6]。Wagner等[7]学者对模型试验的研究发现种植体的植入点偏差、根尖点偏差及角度偏差分别是0.58mm、0.79mm和3.55°。另有大量学者总结各类型计算机导航种植体植入位置偏差均优于自由手种植[8-10]。关于数字化种植导板的精确性有学者报道近远中维度的垂直向距离偏差为（1.20±3.01）mm，角度偏差为（1.69±1.02）°，而唇舌维度的垂直向距离偏差为（0.69±2.03）mm，角度偏差为（1.56±0.92）°[11]。EL Kholy K等[12]学者研究发现口内余留牙数量对于种植导板的制作以及指导种植的精确性有直接影响。当只有一颗牙缺失制作种植导板后种植体位置根尖点偏差为（0.675±0.429）mm，角度偏差为（4.363±1.682）°，当可用于参考制作导板的余留牙只剩两颗时，种植体位置根尖点偏差为（1.657±0.209）mm，角度偏差为（7.713±1.236）°。

本实验在3D打印模型中，植入点总偏差（0.362±0.206）mm，根尖点总偏差（0.450±0.165）mm，角度偏差（0.830±0.355）°，均小于现有文献报道中各类计算机导航的种植体偏差。本实验在猪下颌骨即刻种植的种植体，不论是Noble PCC植体还是Straumann BL植体，种植体的植入点总偏差，根尖点总偏差及角度偏差也均小于现有文献中其他各类计算机导航的种植体偏差。证实本实验所使用的种植机器人在模型实验数据上优于市面上现有的几种主流计算机导航。主要是因为：①窝洞制备过程中，由定位精度和一致性较高的机械臂把持种植手机进行，限制了窝洞制备的角度和深度，以便减少人为因素对种植精度的影响。②患者空间与机械臂空间的配准采用自动配准技术，相对肉眼参照导航图像，手动配准，可以有效提高配准精度。

本实验在3D打印模型上种植体的角度偏差与在猪下颌骨上种植体的角度偏差无明显统计学差异，而在水平或垂直向偏差上有统计学差异。产生此现象的原因可能是因为3D打印模型为均质性模型，各个位点的密度及硬度基本无差别，而猪下颌骨包含骨皮质和骨松质，在密度和硬度上有区别。本研究的颌骨内种植部分，发现当种植体植入位置存在明显骨密度不均匀，即一侧骨质与对侧骨质密度不一致且差别较大时，种植体位置会出现不同程度的偏斜，本研究中的位置偏斜均表现为由硬质骨侧向松质骨侧发生偏移。考虑该偏移产生的部分原因可能是备洞最终钻与种植体螺纹外径间存在差值，在植入种植体过程中，遇到骨皮质产生较大阻力，螺纹不能有效切入骨皮质内，导致种植体位置整体向骨松质一侧发生偏移。但因为本研究样本量有限，有待于进一步研究确认。

数字化种植导航的应用仍处于起步阶段，目前，学者们认为以下几个因素会影响其精确性：①CBCT扫描：CBCT扫描厚度、体素大小、图像导入及分辨率等[13]；②定位装置：制作、放置位置及放置方式等[14]；③配准：术前设计方案与术中软硬组织的点对点配准[15]；④其他人为因素等：学者们认为术者手部的颤动和感觉会影响钻针及种植体的植入，而在数字化种植导航的应用中，术者仍起着主导作用[16]。

种植医生需要将种植体植入一个完美的位置以便后期修复治疗。这种对种植体位置的精确放置应该是发生在每一个病例上而不是个别展示病例。当种植体没有准确植入，可能会引起近远期美学风险及种植体周围炎等并发症。本实验明确地验证了种植机器人辅助种植在模型实验上的精确性，本团队将进一步进行临床实验，验证其临床精确性及发现使用过程中可能出现的问题，为种植机器人投入临床应用奠定基础。