数字化牙种植导航技术及其精确性影响因素的研究进展

陈越，何东宁，高雯，徐林坤，田国兵，秦娆，吴东潮

山西医科大学口腔医学院口腔医院 口腔疾病防治与新材料山西省重点实验室，太原030000

牙种植已广泛应用于临床，即通过将金属钛及钛合金等金属材料植入牙槽骨内作人工牙根，在其上方制作基台及人造冠，改善牙齿美观，恢复咀嚼功能［1］。但就既往临床常用的植入手术而言，医生通常需要根据个人临床经验来决定通过何种方向植入植体，这使得种植体植入效果存在一定偏差［2］。传统的口腔种植术前对软硬组织的评估及种植设计仅参照外科医生的既往阅历，通过视诊对患者缺牙区受植牙槽骨及牙周黏膜情况进行了解，依据主观触诊感知牙槽嵴宽度、倒凹情况［3］。X 线的发现为医学影像的发展奠定了基础，但它的局限性在于只能显示二维的平面图像［4-5］。锥形束CT 技术广泛应用于种植学领域［6］，使医师不仅能在术前对上颌窦底三维形态进行了解，还能准确定位下牙槽神经管的位置，精确测量骨的厚度和高度，最大程度降低了手术误差，提高了种植的精确性［7-8］。但即使通过各种医学图像及相应软件完成种植体位置和角度的获取，对于种植设计转移，仍需要更好的方法进行引导。计算机影像实时导航最早在20 世纪80 年代被较多地应用于神经外科手术，通过术前软件规划和定位的方式使得神经外科修复手术更好地开展，数十年的发展使得这种技术在耳鼻喉外科、骨科等手术中广泛使用［9-10］。PLODER 等［11］于1995 年将电磁定位跟踪系统应用于口腔种植手术中进行导航，为计算机影像实时导航在牙种植手术中的应用奠定基础。WITTWER 等［12］又于1999年对该项技术进行改进，数字化牙种植导航技术开始逐步在临床上应用推广。数字化导航技术能使术前虚拟设计与种植手术实时结合，让手术位置与计算机虚拟位置相对应，并通过屏幕实时显示术中器械位置和植入路径最大程度上降低操作风险，将精度误差控制在1 mm 以下，但由于其所依托的手术实时监控系统复杂昂贵，因而在国内的实际应用推广较少［13］。临床医师在对牙列缺失患者进行义齿种植时根据数字化导航技术所显示的种植区域定位，进行虚拟植入规划，从而提高种植的精度及成功率，降低种植难度［14-15］。然而目前有关导航技术及其精确度和准确性的研究较少，还需要参考国内外临床应用情况对其进行总结。本文就数字化牙种植导航技术及其准确性、影响因素进行综述，以期为临床提供参考。

1 数字化牙种植导航技术

1.1 分类 数字化牙种植导航系统根据其表现形式可分为外科导板系统和实时导航系统。外科导板系统是以数字化导向模板作为一种载体，将术前完善的种植方案精准无误的实施到种植手术操作当中［16］。其根据导板引导程度可分为先锋钻导板、半程导板和全程导板。依据支持方式分类可以分为以下三种。①骨支持式的手术导板：需翻开全厚瓣后的骨面支撑，适用于骨缺损的病例、如需行骨增量的术区。②黏膜支持式的手术导板：主要适用于无牙颌的患者，导板直接放置于牙槽嵴黏膜上，无需翻开黏骨膜瓣，降低术后肿胀疼痛并显著减少手术时间。③牙支持式的手术导板：由于剩余的牙可提供额外的固位，所以牙支持式可提供更高的精度［17］。

实时导航系统是指实时导航整个操作过程，在运行中可以随时比较术前设计方案与实际操作的差异，并做出适当的调整。其根据定位原理的不同大致可分为光学原理、电磁原理，其中光学原理又可分为红外光式、可见光式及蓝光式，目前在临床上应用最多的为红外光学定位。相对于外科导板系统，导航系统更为灵活便捷，外科导板系统需要患者具备足够的张口度，配套适用的工具盒，同时就对于术者而言，外科导板影响了手术术野，若术中想修改种植方案只能将之弃用。外科导板的放置同样影响术区的冷却，提高了术后的并发症的发生风险。而实时导航系统术中可如同自由手一般直视术区，充分冷却，实时调整手术方案［18］。

1.2 规范使用流程 数字化导航系统包括：①种植导航仪，含有定位装置及电脑控制系统；②U 型管，佩戴于患者口内用于拍摄CBCT，可根据缺牙部位及种植区域位置不同分为四类；③导航种植手机，手机两端为红外光学定位仪；④参考板，包括定位用位点及光学定位器；⑤固定装置，术中用于固定在缺牙区同颌对侧牙上与金属杆连接；⑥连接金属杆，用于连接参考板及配准装置，1、2、3、4 数字表示其对应的象限，AU/AL 表示可放置在上颌/下颌前牙区；⑦调整扳手，用于调整手机上的光学定位装置；⑧长短球钻，用于标定配准。数字化导航辅助软件通过识别分析术区将术前设计方案和术中目标组织高精度的进行点对点的配准，从而实现手术过程中精准导向，缩短手术间隔、直视术野、提高安全性等［18］。

应用数字化牙种植导航的技术流程主要包括三个部分。①佩戴标定装置U 型管，根据患者佩戴位置和口内缺牙实际情况对U型管大小和形状进行调整，其目的是帮助CT 扫描进行虚拟设计，完成U 型管的佩戴后即可通过CBCT 扫描以获得连续的断层平面图像，再进行头颅三维影像重建，获得数字化立体模型；②将CT 数据导出为医学数字成像和通讯（DICOM）文件格式，通过计算机辅助软件设计，对拟受植区域进行骨量高度及宽度测量、重要解剖结构分析、种植体方向与位置的可视化路径规划、模拟修复体基台和修复体等，即在缺牙区域确定牙冠外形及位置、种植体型号及三维空间；③术中通过导航系统将种植手机和参考板标定，使得患者口腔空间和虚拟影像相匹配，一旦手机钻头接近植体轴线，屏幕显示“十字线”视图，在直视术野的情况下引导钻针定位，把控植入深度、颊舌向等［19-20］。

目前相关报道表明，国外已经研发出比较完善的专业商用软件，比较常见的包括Sirona dental system、Noble Guide、Simplant、IGI、Medicim 等，其中以比利时Materialise 公司的SimPlant 和瑞典Nobel Biocare 公司的Nobel Guide 计算机辅助种植手术规划软件系统应用较为广泛［19］。其中Nobel Guide 系统通过多个窗口的同步显示及多方位视图间的精确定位导航可以全方位模拟真实的口腔种植手术环境，医师再通过人机交互方式对手术所需各项指标进行观测，在软件辅助下生成最佳的种植手术设计方案，对多个牙体缺失患者还能自动引导植体平行植入，对于口腔种植修复的最终成功具有重要意义。而国内口腔种植导航技术发展较晚，主要为苏州迪凯尔公司研发的易植美种植导航系统。

2 数字化种植导航技术的精确性及其影响因素

2.1 精确性 数字化种植导航的研发和使用在国内的应用发展主要经历体外模型测试和临床试验两个进程，其中体外模型测试主要将颌骨模型或人类尸体标本作为载体，应用导航进行模拟种植手术来计算误差。临床试验则是在CT影像的辅助下，通过应用导航在人体口腔植入种植体与术前虚拟规划方案进行对比。目前，大多数研究认为应用数字化导航技术能够提高种植精度［21-23］。

欧洲第四届骨结合协会提出数字化导板辅助手术能显著提高种植的精确度［24］。VAN ASSCHE 等［25］对10种数字化外科导板辅助手术进行了精度统计分析，结果表明种植体颈部平均误差为0.99 mm，根部平均误差为1.24 mm，角度平均误差为3.81°。EDELMANN等［26］进行的一项前瞻性研究探讨了动态导航在种植手术中的精确性，对20例患者植入20颗植体进，植体颈部平均误差1.83（1.34～2.33）mm，植体根端平均误差为1.95（1.39～2.50）mm，平均角度偏差为2.7°（2.2°～3.3°）。而STEFANELLI等［27］的前瞻性队列研究也表明，数字化外科导航下种植体植入的根端平均偏差、肩台平均偏差分别为1.0、0.71 mm。此外，WIDMANN 等［28］对收集的人类尸体标本进行相关数据检测，认为数字化技术辅助下种植体植入尸体颌骨时，肩部平均侧向误差为（0.7±0.5）mm，顶部平均侧向误差为（0.9 ± 0.7）mm，角度误差为（2.8 ± 2.2）°，相对传统CT 等影像学引导下手术具有较低的误差性。以上研究表明数字化导航可以显著提高种植手术的精度。

2.2 影响因素

2.2.1 CBCT 扫描结果 由于经济技术等原因，国内CBCT 设备的完善存在较大差异，而CBCT 投射层数、扫描层厚、体素大小、非自主动度、分辨率高低、修复体或充填体中金属材料产生的噪点、计算机处理能力和计算方法等都会对受植区各项数值的测量及重建结构的精准度造成影响［29］。CBCT 作为一种新兴的影像学技术，虽然与传统CT相比减少了图形层厚、层距对图像真实性的影响，但其对软组织显影不佳，需要配合光学扫描软组织形态，而且对金属也会产生一定程度的伪影，过高或过低的阈值还会对扫描图像的分割及重建产生误差，引起三维模型重建的失真，因而CBCT 扫描的准确性是目前增强数字化牙种植导航精确性的可控因素。

2.2.2 种植体长度 种植体作为患者牙缺失时需要被植入骨内的部分，其长度的增加可提升种植体-骨界面的表面积，进而增强种植体初期稳定性，增强侧向抵抗力。同时种植体长度的增加也会对种植体的偏移产生明显的负面影响。种植体长度影响其植入精确性的不利因素大致包含两方面原因，一方面在种植窝洞预备时长钻孔更易受到口腔条件的限制，植入位点靠后、患者张口受限都会干扰植体的植入路径，形成与已确认植入点的角度差异；另一方面当误差角度一致时，长种植体根部的偏差距离大于短种植体根部的偏差距离，因此医生在选择种植体长度时需要综合多方面的因素进行考虑，选择最合适的长度，减少手术风险，确保操作的安全。

2.2.3 配准误差 临床应用中，口内扫描仪获取口腔内软组织和牙齿的形态，导出数据与CBCT 图像配准结合，通过相互叠加和设计软件的使用，将软组织和硬组织匹配后可呈现出完整的三维形态，设计出术前种植方案。术中将目标组织与种植方案通过高精度的点对点配准来确保植体植入的准确性，因此配准方式及软件操作构成了系统误差［30］。除此之外，术中患者发生体位移动，可导致导航虚拟画面与口腔解剖结构之间出现偏差，甚至需要重新配准参考板。

2.2.4 术者的临床经验 数字化种植导航技术的推广使得手术步骤得到简化，缩短了医师学习曲线，提高种植精确性，但其种植精确性仍受到手术医师操作的影响。种植体植入位点及患者张口度均会影响外科医师手术操作舒适度、准确度，如右利手者对于左上后牙植入时会因为体位关系导致不便，影响手术视野。临床研究也表明，手术操作者手部颤动和感觉会不可避免的影响术中钻孔的准确植入，因而术者有良好的操作手感以及20 次以上的临床操作经验、熟练的掌握导航系统均可以显著提高精确度［31-35］。

2.2.5 骨密度 骨密度作为临床一项不可控因素，为实现初期稳定性的最重要因素，对数字化种植导航应用的准确性产生一定影响［36］。BAYARCHIMEG等［37］最新的体内研究表明，模拟各种临床应用情况，扭矩和种植体稳定系数（ISQ）与骨密度密切相关，骨皮质越厚，植体越稳固；骨密度越高，植体获得的初期稳定性越好。同一植入位点可能因为密质骨和松质骨比例不同导致骨阻力不同进而使得钻针向阻力低的一端偏离。术者应当根据CBCT 测量到的缺牙区骨密度选择合适的植入位点，以增加种植手术的准确性。

数字化导航种植手术相对于传统种植手术而言具有直观可视、实时操作、科学准确等特点，能够较大程度上减少种植术中可能引起的误差，具有较高的价值。现阶段数字化种植导航技术存在一定局限，一方面受到影像技术及软件系统限制，目前在我国尚未完全普及，另一方面其操作的准确性还会受到CBCT 扫描结果、种植体长度、手术操作者临床经验等可控因素及骨密度这项不可控因素影响。未来随着软件设备智能化、大数据资料库的发展有助于数字化治疗的普及，以便实现更精准的数字化治疗。