金属正畸微种植钉支抗导板的数字化设计与应用

黄银莉 李俊慧 王洁丽 白雪琴

种植钉支抗具有植入位置灵活、创伤小、舒适美观、且直接以颌骨提供矫治力，可以获得稳定而高效的支抗力等优势，在正畸治疗领域备受推崇[1]。但因植入过程中可能触及或损伤邻牙牙根，其安全性及成功率备受争议，导致临床使用限制[2]。随着数字化诊疗技术的快速发展，通过精准评估牙齿三维空间位置关系，设计并3D快速打印制作出个性、轻巧贴服的微种植钉植入导板，通过导板引导可解决损伤牙根这一临床技术难题。本研究通过数字化设计打印金属支抗钉导板，比较其精确性、安全性及稳定性，为临床使用提供依据。

1 资料与方法

1.1 病例纳入标准

1.1.1 纳入对象 纳入2020 年1 月～2021 年3 月在银川市口腔医院正畸科就诊需要种植钉植入的患者40 例，无全身系统疾病、无正畸治疗史及颅面部外伤史，年龄为(22.58±5.41) 岁。随机分成两组各20 例，术前签署知情同意书。对照组为常规盲视下植入种植钉，导板组在计算机辅助设计打印的导板引导下植入种植钉(Vector TAS, 8 mm×1.4 mm)。所有种植体植入均由两名正畸临床经验丰富医生完成。植入部位为上颌第二前磨牙与第一磨牙间颊侧，种植钉用于治疗重度拥挤及前牙内收病例，加力方向为矢状向，大小为60～150 g。

1.2 研究方法

1.2.1 建立高精度三维牙颌模型

1.2.1.1 CBCT重建三维牙齿、颌骨模型三维CBCT扫描 患者植入前首先进行三维CBCT(i-CAT 17-19,LLC公司,美国)扫描。要求：在拍摄过程中患者需双眼平视前方，保持不动；为获得清晰完整牙冠形态，在扫描过程中，需咬住3 mm厚蜡片，分离上下牙冠。扫描完成后，将扫描原始数据导出并以医学数字成像和通信(DICOM)格式保存。

1.2.1.2 3Shape重建三维光学扫描牙冠和牙龈模型

对术前患者进行3shape(3shape公司,丹麦)扫描，并由自带软件系统完成三维数字化牙冠和牙龈模型的重建，最后以STL格式输出。

1.2.1.3 获得高精度三维整合模型 以CBCT重建三维牙齿、颌骨模型为基准，固定坐标位置，利用Guide Mia软件，将同一患者CBCT重建模型与光学扫描重建模型进行配准，实现两个模型最优重合，最终获得牙冠、牙根、颌骨和牙龈软组织形态的三维精准整合模型。

1.2.2 计算机辅助下设计并制作个性化微种植钉导板 软件中确定模拟种植钉长度8 mm，直径1.4 mm，在整合模型上模拟微种植钉植入位置及方向。3Shape设计导板就位道及形态，从颊侧包绕至第二磨牙、第二前磨牙咬合面，托槽区进行缓冲；引导孔内直径为0.46 mm，大于植入手柄外径的0.45 mm，保证植入过程中有一定的缓冲及植入后顺利手柄顺利脱位，引导管长度为9 mm，大于种植钉植入有效长度为8 mm，以保证在手柄初就位时完全入管，确保植入角度，导板厚度为0.5～0.6 mm。计算生成三维微种植钉导板。采用CAD/CAM快速打印设备，输出并进行个性化金属导板打印，用于后续临床使用(图 1)。

图 1 计算机辅助设计制作个性化微种植钉导板

1.2.3 导板引导下植入种植钉 将打印出的导板进行消毒，放入植入区完全就位固定，常规正畸种植钉植入前口内消毒，将种植钉固位于手柄，工作头部就位于金属引导圆管，按设计位置及方向植入种植钉。于手柄9 mm处做标记，当手柄进入引导管9 mm处，停止植入。对照组无导板引导植入种植钉。术后常规拍摄CBCT(图 2)。

图 2 导板引导下种植钉植入

1.2.4 导板引导下微种植钉植入的精度、稳定性和安全性评价

1.2.4.1 精度评价 将实验组导板引导下种植钉植入后与种植钉设计三维重建CBCT两者进行重叠，测量实验组实际种植钉植入位置与设计位置之间的偏差，包括植入角度偏差，以及种植钉冠部、根部偏差，研究导板引导下种植钉植入位置的精确性，进而评价设计导板的临床使用可行性。每个样本重复三次测量。

1.2.4.2 稳定性评价 植入后即刻加力，术后1、 3、 6 个月记录种植体的脱落情况，对导板引导下微种植钉植入稳定性进行评价。

1.2.4.3 安全性评价 术后CBCT重建影像，选取种植体与牙根最接近的层面，测量牙根与种植体最近距离。安全性分级：I级为种植体与牙根距离≥1 mm；II级为种植体与牙根距离<1 mm，但未接触牙根； III级为种植体接触牙根。

2 结 果

2.1 精度分析

测量结果显示导板引导下植入种植钉实际植入与设计植入之间的角度偏差为1.23°±0.71°；钉冠部差异为 (0.39±0.12) mm； 钉尖部差异为(0.77±0.46) mm。

2.2 稳定性评价

种植钉植入后即刻加力，实验组20 例种植钉未见松动，对照组有两例发生松动分别在术后1个月和3 个月。

2.3 安全性评价

植入后测量牙根与种植体最近距离结果显示：实验组种植钉与牙根最近距离为(1.34±0.35)，对照组为(1.04±0.52)，实验组种植钉到牙根之间的安全距离明显大于对照组，且有统计学意义(P<0.05)。对测量结果分别进行安全性分级：实验组无种植钉与牙根接触病例，安全性I级82.5%,II级为17.5%；对照组有3 颗与加根接触，安全性I级60%，II级为32.5%，III级为7.5%，安全性实验组明显高于对照组，安全等级I级实验组与对照组有统计学差异(表 1～2)。

表 1 种植钉与牙根最近距离

表 2 安全性评价 [n=40, n(%)]

3 讨 论

支抗控制是正畸治疗成功的关键，传统增加支抗的方式体积大结构复杂，舒适度差，不利于患者口腔清洁，且口外装置需要的佩戴时间长，严重影响患者生活质量[3]，因此，更有优势的种植钉支抗在正畸治疗中的使用越来越广泛。种植钉植入临床操作主要由医生通过观察放射片判断植入部位、与双侧牙齿牙根的位置及与上颌窦之间的关系，根据个人经验进行种植钉植入操作。此临床操作要求术者对周围组织的解剖结构要有清晰的认知，经验要求极高，否则极易引起牙根及周围组织的损害[4]，另外因牙根数目、相邻两牙根之间的距离过近及根分叉变异大等导致植入风险增加，致使大量年轻医生望而却步。研究显示，种植体植入的失败率仍较高，其主要原因为植入过程中触及或损伤邻牙牙根[5-6]。Kang等[7]研究显示当种植钉损伤邻近牙根时，高达79.2%的种植钉发生松动，而未接触牙根的松动率为 8.3%，说明种植钉的安全性是成功与否的关键。临床操作的高要求、操作不当带来的高危害及高失败率严重阻碍了该技术在临床的应用和全国的普及。

如何提高该技术的简单可操作性、安全性及降低失败率一直是大量学者研究努力的目标。有学者[8]根据X线根尖片初步判断两牙根之间的距离，通过弯制弓丝定点拍摄根尖片进行定位，虽然部分提高了精确性，但临床仍存在操作复杂、可重复性差且仍为二维影像，无法提供更加精确位置，严重依赖医生的个人经验等不足。近年来，随着数字化在口腔应用中的快速发展，为临床医生提供了更为精确的研究方式[9-10]。仇玲玲等[11]通过CBCT重建牙齿及颌骨模型，利用Minics等软件确定牙根的三维空间位置，进行植入位置及角度设计，成功打印树脂导板，进行种植钉植入；唐敏等[12]将CBCT和扫描石膏模型进行整合，设计并制作支抗导板，其结果均证明导板引导下的种植钉植入相比于传统植入具有更高的安全性及稳定性。Lo等[13]利用CBCT进行数字化设计并打印上颌骨性种植钉辅助扩弓装置，临床也取得了良好的治疗效果。本课题成功采用CBCT和3Shape口内扫描数据相结合，利用软件建立精准的三维整合牙颌模型，精准评估牙齿三维空间位置关系，根据患者治疗情况设计出个性化的微种植钉植入导板，最后通过CAD/CAM快速打印制作出个性化高精度的金属种植钉植入导板并应用于临床。

为获得更为精确的种植钉与牙龈接触状态，本课题将CBCT与3Shape口内扫描模型进行整合，相较于其他扫描石膏模型可获得更加准确口内软组织状态，同时根据口内光学扫描原理[14]，为减少弓丝及金属托槽在光学扫描过程中产生的光反射影响，在扫描前，去除弓丝，并对托槽用食用蜡进行包埋，最大限度的保证软组织扫描精确性，最终获得具有牙齿、颌骨、牙龈的更为精度的三维整合模型，保证了种植钉植入后与牙龈软组织的接触状态。前期研究[12]的导板均为树脂打印，其厚度在1.5 mm以上，而本次金属打印导板厚度仅为0.5～0.6 mm，相对于树脂导板，金属导板具有更加轻薄、结实不易损坏等优势，患者的不适感更低，更利于医生口内操作。引导管的直径设计仅大于植入手柄0.01 mm，小于以树脂为导板的引导管直径；引导管的长度设计比种植钉有效植入长度长1 mm，以保证手柄在植入初期就完全入管，同时在手柄处标记停止位置，确保种植钉植入有效长度及黏膜接触状态，最大限度保证植入精确性。相对于其他研究，本课题研究表明采用金属导板误差更小，可能与金属材料强度较大，材料弹性低，在植入过程中轻微的角度改变即可引起较大的摩擦阻力，进而保证植入方向沿设计路线植入。相对于其他学者在导板设计中为无托槽的状态或者去除部分托槽，为真实反应临床治疗中粘接托槽状态下需进行种植钉植入过程，减少托槽的反复粘接，本课题所有患者导板设计均为粘接托槽状态。为避免托槽对导板就位产生影响，在导板设计过程中，对托槽区进行缓冲。在设计中，本研究将导板从颊面延伸至咬合面，为混合支持式，在模型上及口内试戴可完全就位，稳定性良好。在植入过程中咬合面放置棉花，嘱患者上下紧咬牙，利用患者的咬合力，获得持续的固位力，相对于单纯的黏膜支持式或者邻间隙支持，跨越咬合面混合支持式的导板在植入过程中具有更好的稳定性。

微种植钉导板的成功设计制作解决了临床正畸微种植钉植入过程中对临床操作者技术的高要求，实现了该技术由难至简质的改变；彻底解决了微种植钉植入这一临床操作对患者牙根不可逆损伤这一健康问题；解决临床正畸操作无法精确定位，植入过程中因患者或术者体位调整引起的植入角度稳定性不佳这些技术难点，极大降低了微种植钉植入风险给患者带来的经济负担及身心痛苦。微种植钉导板的设计制作对正畸治疗的发展具有重要意义。