基于数字化影像学的导板与导航技术在口腔医学中的应用

张震宇,赵 彬,马艳宁

数字化技术指的是运用0和1两位数字编码,通过电子计算机、光缆、通信卫星等设备,表达、传输和处理所有信息的技术。近年来,数字化技术逐步渗透到口腔医学领域,从数字X射线摄影技术、数字减影血管造影技术、数字化扫描的发展到结合计算机辅助设计与辅助制作的数字化全口义齿、数字化贴面的应用,每一次进步都推动着精准医疗的发展。尤其数字化导板和导航技术的出现,将个体化医疗带入新的发展历程。

数字化导板技术是利用结合了医学影像、计算机辅助设计和制造等环节的静态辅助导板的手术指导技术;数字化导航技术则是融合医学影像、计算机、立体定位等环节,实时动态指导手术进程的一种技术。本文旨从医学影像学角度出发,介绍实现该数字化技术系统的各个组成部分,并综述基于数字化影像的数字化导板和导航技术的发展现状。

1 数字化医学影像学是数字化技术的基础

口腔临床上常用的影像学检查方法主要分为三大类,分别是X线检查、核磁共振成像检查(magnetic resonance imaging,MRI)以及计算机断层扫描(computed tomography,CT)检查。随着科技的发展,又出现了包括数字化口内扫描在内的数字化成像技术。

X射线检查技术作为最早出现的影像学方法,尽管发展历程较长,但仍然存在着不可忽视的缺点。X射线所形成的图像为二维结果,无法避免组织重叠以及伪影现象。组织重叠的出现会导致检查者无法准确诊断和区分检测部位的空间位置和情况,从而影响检查的准确性。

MRI在复杂组织结构的判断尤其是评估良性病变和良恶性肿瘤疾病范围、肿瘤神经周围扩散和骨髓受累等方面起着重要的作用[1]。但MRI成像的工作原理是通过共振人体内部氢离子实现的,因此其对于人体软组织的成像优于硬组织[2]。而口腔内部硬组织较多,尤其牙体硬组织钙盐含量较高,对共振成像并不敏感,因此口腔硬组织检查较少使用MRI。

自CT技术问世起,影像学的诊断能力得到了极大提高。尤其是20世纪90年代末口腔颌面锥形束CT(cone beam computed tomography,CBCT)的出现,使得三维成像技术逐渐成为主流。由于CBCT可以提供牙齿和颌面区域的高分辨率横截面图像,因此适用于口腔临床大部分病例,从牙体牙根形态的检测、牙源性疾病的检测,到颌面部疾病的诊断以及手术治疗的规划。尽管如此,CBCT也有一定局限。其有限的对比度分辨率会影响该技术对软组织的评估,相对于软组织而言,CBCT对硬组织的分辨度更高。

数字化口内扫描技术的使用可直接获取口内软、硬组织及颌间关系的数字模型,简化了临床操作流程,以其精准、快速、便捷等优点已应用于修复、种植、正畸等口腔学科,包括种植导板的制作、疾病的评估等[3-4]。此技术的发展也推动了印模技术的进步。数字化印模大量缩短椅旁操作时间,与传统的耗时的取模操作相比,其对微小部位的高度敏感性可达到6 μm以下的精度,使得种植和正畸的咬合设计更为精准[5]。但口内扫描技术只扫描物体的表面形态,因此所建立的三维模型无法显示组织内部结构,常与CBCT联用进行资料的采集。

对于数字化导板与导航技术而言,术区三维结构的精准性要求较高,与以经验累积为前提的自由手不同,它们是依靠数字化成像技术实现的。由于普通的平片技术无法满足该需求,因此,在口腔医学领域形成了以CBCT为前提,各种数字化影像技术辅助的三维成像体系,为数字化技术的实现了奠定基础。

2 计算机辅助软硬件

传统修复使用数字影像直接进行修复判断与治疗,容易产生较大误差,而数字化技术在数据采集的基础上进行中间环节处理,降低诊疗误差,获得更为个性化的医疗方案。与其他数字化技术相同,导板导航技术的实现也包含了三个重要的中间环节,主要是三维重建、计算机辅助虚拟规划与术后预测。

2.1 数字化辅助软件

2.1.1 三维建模软件 CBCT作为数字化技术的基础所获得的原始图像仍为二维数据,需经过辅助软件的处理才能进行三维重建。市面上常见的商用软件主要有Materialise ProPlan CMF、 Materialise Mimics、 Materialise Simplant pro、 Dolphin imaging、 Blender以及彩立方Tooth Implant等,其中ProPlan CMF和 Mimics使用频率最高。经过软件处理的图像能够很好地显示口腔颌面部软硬组织的空间结构,再现了颌骨、关节以及咬合关系[6-7]。不仅有利于术前手术方案的制定,还能较为准确地预测修复效果,更好地与患者进行术前沟通。

2.1.2 虚拟规划软件 准确的术前计划是成功治疗的前提,基于三维虚拟模型重构,术者可以通过数字软件实现虚拟手术规划(virtual surgical planning,VSP),对模型进行截骨、移位等操作,更加直观地规划手术方案。术区可视化状态下可减少侵入性手术治疗,从修复和手术的角度规划植入物的最佳位置。发展至今,数字规划软件数量庞大,除前述Simplant pro外,还包括3DSlicer、 Maxilim、 Materialise、 SOTIRIOS等规划软件,可用于术前规划和颅面植入物放置、模具制造、植入物设计、固位附件设计和硅胶假体打印等[8]。数字规划下的正颌外科手术不仅能够实现整形外科所追求的美容修复,还能够满足口腔颌面外科在下颌功能恢复和正畸学的要求[9]。与传统手术相比,虚拟规划可减少平均出血量、缩短平均术后住院时间,防止并发症,还能提高手术精度、减少手术室时间和降低手术成本[10]。

2.1.3 增强现实软件 增强现实(augmented reality,AR)是辅助实现数字化技术的另一软件。它通过头戴式显示器或AR智能手机软件等配件将虚拟信息与手术场景叠加到一起,实现在视觉、触觉以及听觉上的增强反馈。在口腔医学中,增强现实常与数字化技术联用于口腔颌面外科手术以及种植手术中,能够使术者更加精准地进行手术治疗。相比于普通导航系统,AR辅助下的导航精度更高,系统通过直观的可视化影像,提高了手术精度、优化了手术结果,在临床应用中具有巨大潜力,进一步减少了操作时间和定位误差[11]。

2.1.4 软组织预测软件 在三维模型的基础上,数字软件还能预测手术效果。术者可根据预测结果及时进行手术方案的调整,其中软组织修复预测是最常见的应用[12]。一般来说,不同的预测数字化软件拥有不同软组织预测的计算方法,例如Maxilim软件使用MTM算法,开源软件OrtogOnBlender使用MSM算法,Dolphin则基于稀疏地标的算法等。这些主流算法主要包括质点弹簧模型、质点张量模型、有限元模型、概率 FEM(probabilistic finite element model,PFEM)、非线性有限元模型等。可并非所有软件都具有良好的软组织预测功能。有学者比较了Dolphin、ProPlan CMF和PFEM算法预测Le Fort Ⅰ截骨术软组织变化的效果,Dolphin的软组织预测精度差异为(1.8±0.8)mm,ProPlan CMF为(1.2±0.4)mm,PFEM为(1.3±0.4)mm。他们认为在三者比较中PFEM和ProPlan均能提供准确的软组织预测,对于手术结果评估具有重要价值,但相比之下Dolphin对于软组织预测三维精度有限[13]。

除软组织预测外,数字化软件对于硬组织的修复的分析也十分精确。van Twisk等[14]对比2006—2009年期间接受Le Fort Ⅰ双侧矢状裂开截骨术或双上颌骨切开术的108例患者进行分析,使用术前外侧头颅造影(lateral cephalograms,LCG)进行三维重建并模拟分析硬组织修复情况,与术后实际LCG情况进行对比,所有硬组织标志物的平均差异都在1 mm的范围内。Tipu等[15]则是用Mimics软件估计富血小板纤维蛋白和硫酸钙使用后牙槽窝的水平、垂直以及体积变化,评估精度能够达到(0.39±0.34)mm的骨吸收以及7.74%体积变化值。

2.2 数字化辅助硬件

2.2.1 三维打印 在数字化技术中,三维打印技术是实现数字化具象的工具。其制作的手术导板能够用于指导髁突骨折的长螺钉就位,实现精确定位[16],也可应用于瓷贴面粘接导板的制作[17]。但不同的打印机技术制作的手术导板精度也有差异,在由光聚合物喷射、立体设备以及多喷涂打印3种设备打印下的16个导板中,由光聚合物喷射设备所打印的导板与计算机辅助设计模型的差异性最小,其次是立体光刻设备,前两者均能满足牙科临床应用所需的精度,而多喷涂打印在三种打印方式中与设计模型差异最大[18]。因此,选择正确的三维打印技术能够增加数字化技术的精度,减少手术误差。

2.2.2 手术机器人 数字化导板与导航的实现还存在着一种可选的计算机辅助硬件,即手术机器人。该硬件是借助机械臂辅助或完全代替自由手的术中操作,能够避免自由手误差。现如今应用于头颈部手术的机器人系统主要有达芬奇手术系统、Flex机器人以及Senhance外科机器人系统、单孔机器人技术以及Versius外科机器人[19]。而手术机器人的辅助功能是通过对机械臂的动态导航下实现的,两者的结合能够辅助医生更加精准完成手术[20]。而当机器人完全替代自由手时,不仅能够扩展手术视野,还能实现微创,减少开放性手术带来的发病率,同时提高手术的安全性[21]。

3 数字化导板与导航技术的应用

数字化导板又称数字化静态导板或数字化定位导向导板,是经过严密的术前虚拟与预后模拟后依靠计算机辅助制作的,能够延续虚拟手术规划的优点,规避手术风险,直接显示手术方案。数字化导航又称动态导航技术,使用三维成像数据,通过增强手术部位和解剖标志的术中可视化,实时展示手术进程,为外科医生创建路线图,实现精确的手术切除,同时减少并发症。现阶段导板与导航技术已应用于口腔外科、种植科以及口腔内科等领域。

3.1 数字化导板与导航技术在口腔外科中的应用

因先天畸形、炎症、外伤、肿瘤等多种因素导致的人体局部结构缺损是外科中最常见的疾病。此前,用于口腔颌面部缺损修复重建的皮瓣技术还依靠着经验累积以及正确的手术规划下精准的分离和缝合技术支撑,可能出现血管吻合不全导致的皮瓣坏死等后遗症。而数字化技术的加入降低了手术的难度,更加精准地指导着修复重建。在下颌骨缺损中,术者们使用截骨导板、腓骨塑形导板以及重建导板进行游离腓骨肌皮瓣移植,最终修复区域软硬组织结构、功能和咬合关系均恢复良好[22-23]。此外在口腔外科中数字化技术同样能够辅助埋伏牙拔除术。在常规手术过程中由于埋伏牙定位不准确,会导致定位时间过长或邻近结构损伤,而定位导板的使用可以节省定位时间,减少手术创伤,防止并发症的出现[24]。但常用的三维打印定位导板多不透明,对于术区视野的遮挡可能导致术者导板就位不完全,准确性降低。因此,汝悦等[25]在常规导板中加入齿科透明软膜片进行压膜制作,使术者可在直视下观察术区周围重要解剖结构,尤其对于完全骨埋伏牙的拔除,降低了手术风险。而动态导航技术除了指导截骨术和牙拔除术以及软组织中的金属异物清除术外,还时常与机器人技术或AR技术共同辅助正颌、种植外科等手术[26-27]。例如,在光学导航下的机器人手术能够高效精确地进行三叉神经半月节穿刺[28]。而在上颌骨癌症手术切除术中,AR导航下手术切缘更加完美,术前规划被更加准确地实现[29]。

3.2 数字化导板与导航技术在种植科中的应用

计算机引导的植入手术已经发展了20多年,使得口腔种植从“以手术为向导”转变为“以修复为向导”。与传统流程的种植术相比,全数字化工作流程规划的静态导板临床准确性较高,实际种植偏差较小[30]。但并非所有状态下其精准度均为最佳。在多牙缺失中数字化种植导板能在确保成功率和安全性的同时实现精准性[31]。而在无牙颌种植修复中,接受引导手术治疗的部分无牙颌患者手术植入点以及顶点位置精准度明显高于完全无牙颌病例[32]。并且对于无牙颌的患者,下颌种植体植入的精准度高于上颌[33]。与静态引导手术相比,动态引导的手术种植体植入精度并没有太大差异[34]。但动态导航能够排除障碍物的影响,提供更为完整的手术视野,通过实时跟踪,在可视化情况下最大限度地减少种植体位置与术前计划的偏差,这不仅可以提高资深术者的精准度,还能够为初学者带来益处,缩短其学习曲线[35]。在口腔种植手术中,骨劈开技术(ridge splitting technique,RST)能缓解牙槽嵴宽度不够的情况、提高种植成功率。但该技术依赖于操作者经验,并且部分患者会出现皮质骨折裂等并发症[36]。在此基础上Hamzah等[37]在导板指导下进行骨劈开手术,精确定位中嵴和两个垂直止点切口,防止严重分裂。相比于自由手进行RST出现的高骨丢失(2.42±0.63)mm以及颊部开窗现象,研究组的骨丢失率(1.38±0.61)mm降低,伤口愈合完好,不仅减少了术中并发症和骨吸收,也降低了热性骨坏死的风险,避免了边缘骨丢失。

3.3 数字化导板与导航技术在口腔内科中的应用

数字化导板和导航技术在口腔内科的应用时间相对较短,直到2016年才有研究者将静态导板引入钙化根管与根尖病变的治疗,并首次提出“引导牙髓治疗”的概念[38]。与传统根管治疗相比,引导牙髓治疗法对钙化根管的成功定位率显著增高,磨除牙体组织减少,疏通根管所耗时间短,可以更加精准、快速地进行钙化根管的定位与修复治疗[39]。自2018年有学者将其与微型钻相结合,提出“微引导牙髓治疗”技术起,该技术可实现对根管甚至根尖三分之一处微创入腔治疗[40-41]。尽管如此,这种可预测的钙化定位技术也有一定的局限性,由于传统静态导板需要额外的工作空间,因此其应用大多数为前牙的根管治疗[42]。为解决这一局限,Torres等[43]成功将无套筒导板应用于前磨牙牙髓的治疗中。但由于导板存在就位不稳定性和设计不合理性,导致无法安全使用导板甚至手术失败,可能引发医源性事故[44]。而动态导航系统在牙髓治疗中允许直接观察手术视野,并提供重新定位根管入腔位置的能力,能够更加精准地定位不同形态的根管[45-46]。除此之外,导板与导航系统在根尖囊肿治疗[47]、微创截骨与根尖切除术[48-49]等方面均优于传统治疗方案。

3.4 数字化导板与导航技术在修复科中的应用

三维打印定深孔导板引导牙体预备可以实现牙体预备的全程量化、精准引导、修复空间可视化,与此同时降低了医生的操作难度以及经验要求,在保证备牙质量前提下既减少了临床操作时长,同时又提高了贴面修复的准度和效率,利用数字技术来改善临床结果和减少准备设计和治疗工作流程中的错误概率[50-51]。而动态导航技术能够引导种植体支持式全牙弓固定义齿的修复,在恢复口腔功能的同时实现了软组织重建和骨复位,并提高了植入和假体的成功率[52]。

4 数字化技术的展望

自数字化技术引入口腔领域至今,导板和导航技术主要应用在口腔外科以及种植科治疗中,仅少部分人群将其引入牙体牙髓和修复领域。尤其在对临床正畸诊疗中,数字化技术仅意味着记录、诊断和辅助规划工具,如数字化印模的使用[53]、正畸方案的规划与制定以及正畸效果的模拟预测[54],对于数字化导板和导航技术的使用十分欠缺。这种应用的不平衡说明其普及性较低,尤其对于大量中国口腔科医生来说数字化技术并非熟悉的名词。在一项对湖北省临床医生的调查中显示,大部分受访者对于数字化技术的认知并不充分,大多数停留在CBCT以及数字化虚拟模型的应用层面[55],对于静态导板和动态导航技术甚至导航下的机器人手术以及AR导航手术知之甚少。数字化技术的使用还处于初步探索阶段,相较于其他国家落后。但数字化技术的发展不仅能够提高口腔临床各科精度,缩短初学者的学习曲线,提供更加个性化的治疗方案,推动精准医疗的发展。对于人口基数大、医生比例少、医护培养周期长的中国医疗现状而言,其在我国的应用前景广泛,值得推进。