数字化技术在美学区骨增量中的应用

石文强,景 捷,张 雷

人们常因龋病、外伤、牙周炎等原因造成牙齿缺失,种植义齿因其良好的功能与美学效果已成为修复缺牙的首要选择。美学区是人们微笑时可见的牙齿和牙周组织,美学区由于其特殊的位置,对面部美学及功能有重要作用,种植义齿是恢复美学区功能的有效方式,而良好的种植体周围软硬组织是种植修复长期成功的关键[1]。为保证种植义齿行使正常功能,美学区种植唇侧骨板厚度至少为1 mm,且多数学者认为美学区唇侧骨板厚度大于2 mm可有效维持种植体周围软组织颈缘稳定性、防止边缘性骨吸收,而70%～80%人群美学区唇侧骨板厚度小于1 mm[2]。美学区唇侧骨板主要由束状骨组成,束状骨在牙齿缺失后吸收迅速,甚至消失,因此在大部分情况下,美学区种植修复须行骨增量,美学区骨增量成为临床研究的重点。近年来,随着数字化技术的发展,多种数字化技术可在骨增量术中使用,有利于精确实施“以修复为导向”的骨增量[3]。本文将探讨数字化技术在美学区骨增量术前评估、骨移植材料获取及骨增量常用术式中的应用进展,以期为临床开展美学区数字化骨增量提供参考。

1 数字化技术在美学区骨增量术前评估中的应用

锥形束计算机断层扫描(CBCT)是近年来获取颌面部医学影像的常用技术,其以三维锥形束X线扫描代替传统螺旋CT的二维扇形束扫描,具有分辨率高、辐射剂量低等优点,可分析美学区种植相关解剖因素,评估牙槽骨质量、鼻腭管走行、牙根与牙槽骨关系及缺牙后牙槽骨变化等。CBCT作为数字化种植修复的影像学基础,可将其影像资料以DICOM格式导入相关三维编辑软件,建立精确的医学模型[4]。Bernades等[5]应用CBCT三维重建技术对上颌骨前部潜在供骨区进行测量,为骨增量术中选择自体骨作为骨移植材料提供参考,提示临床医师骨增量术前可用CBCT进行数字化快速测量,以评估自体骨取骨在骨增量术中的应用价值。

Chiapasco等[6]提出以种植义齿的理想位置引导软硬组织的再生及种植体的植入,即“以修复为导向的再生”理念,对种植义齿修复恢复美学区美学及功能具有重要指导意义。应根据面部信息及微笑时笑线位置确定美学区种植义齿理想位置,前牙美学设计可在计算机辅助下开展,即微笑美学设计(DSD)。DSD可将患者面部信息与口内光学印模拟合,通过进行虚拟排牙及3D打印获得美学蜡型,于患者口内试戴满意后再次扫描口内光学印模,与CBCT拟合后即获得种植义齿理想位置[3]。在通过DSD获得美学区种植义齿理想位置后,可结合患者个体的解剖进行种植体数字化虚拟植入,以确定最佳种植体植入位置,美学区骨增量的进一步开展可根据此位置进行设计,规划理想的骨增量范围[7]。

2 数字化技术在获取骨移植材料中的应用

骨增量术中常应用骨移植材料帮助恢复骨缺损区骨量,骨移植材料根据组织来源及材料主要分为自体骨和自体骨替代材料两大类[8]。根据患者个体解剖学差异及术者所选骨增量术式的需要,可应用数字化技术获得不同类型骨移植材料。

2.1 数字化技术在获取自体骨中的应用:自体骨由于其独特的骨传导、骨诱导和骨生成性被认为是骨移植材料的金标准,常用的自体骨取骨位点有下颌升支、外斜嵴、颏部、上颌结节、髂骨嵴、腓骨等,且当上前牙美学区骨缺损较小时,也可进行原位取骨,即从上前牙美学区邻近的上颌骨腭突、前鼻棘区、鼻底区取骨[5,8]。

通过术前虚拟设计可精确计算供骨区截骨安全位置及骨缺损区植骨位置,经3D打印技术获得数字化截骨导板,术中根据截骨导板精确获取所需形状与体积的自体骨,以精确匹配缺损区所需骨移植材料并避免产生神经、天然牙损伤等并发症[9-10]。Zhu等[9]通过数字化截骨导板精确截取下颌外斜棘区自体骨块,经简单少量地修整后固定于严重萎缩的美学区骨缺损区,极大地缩小了手术切口并缩短手术时间,获得了良好的骨增量及种植修复效果。Cristoforetti等[10]将数字化截骨导板与超声骨刀联合运用,通过截骨导板控制截骨线的位置、角度、深度,较自由手取骨获得了更大取骨体积,并显著降低了取骨区附近精细结构的损伤风险。

计算机辅助动态导航技术是近几年发展起来的高度数字化集成系统,具有主动式动态红外光图像示踪技术,可标记骨组织结构及周围邻近解剖结构,手术过程中可动态监测器械角度和深度,可弥补截骨导板需要术前制作种植导板而增加了手术成本及周期的缺点[11]。计算机辅助动态导航技术引导下的自体骨取骨应在取骨患者解剖允许的范围内,以及实时的临床需要的取骨位置上进行取骨,可避免骨增量术中实时改变术式而术前制作的数字化截骨导板无法使用的问题[12]。Felice等[12]应用计算机辅助动态导航技术于中度萎缩下颌骨的磨牙后区取骨,根据该系统实时反馈的骨骼及神经位置指示,术者于磨牙后区牙槽嵴顶偏颊侧做小切口且未向嵴顶及舌侧剥离黏骨膜,保证了供骨区的充足血运,并在其指示的安全范围内最大限度地获得了骨增量所需骨块,术后未出现神经症状及其他并发症。

2.2 数字化技术在获取自体骨替代材料中的应用:虽然自体骨作为骨移植材料的金标准,但其供骨量有限、吸收快、供骨区创伤等缺点限制了其广泛临床应用[8]。因此,来源广泛的自体骨替代材料在骨增量术中前景广阔,常用的自体骨替代材料主要有同种异体骨、异种骨、人工合成骨等,可作为骨组织再生的支架,具有生物可吸收性、可塑性、易处理性等优点[13]。

为满足美学区个性化、精细化骨增量需要,常采用数字化加工制造技术进一步处理自体骨替代材料,主要包括计算机辅助设计和计算机辅助制造(CAD/CAM)及3D打印技术,其中CAD/CAM是通过从初始物块中去除一定材料获得所需形状产品的减法程序,而3D打印技术是通过将材料逐层堆叠获得所需形状产品的加法程序[14]。通过CAD/CAM制作与患者骨缺损区精确匹配的个性化人工骨块,可避免骨块的椅旁修整,从而缩短手术时间并减轻患者痛苦[15]。3D打印技术可通过调整原材料混合比例以改变自体骨替代材料物理及生物学性能,且由于其独特的逐层堆叠工艺,可根据骨缺损区需要改变移植物外部形状及内部结构[14]。Liu等[16]以生物活性陶瓷为原料利用3D打印技术获得仿生支架,通过大鼠体内实验表明其可有效诱导毛细血管的形成及成骨细胞的黏附与成骨分化。Mangano等[17]以双相磷酸钙为原料利用3D打印技术获得个性化骨移植材料并植入羊上颌窦,发现骨移植材料与窦腔融合且随时间的增加逐渐由边缘向中心成骨。

3 数字化技术在美学区骨增量常用术式中的应用

骨增量术主要包括引导骨再生术(GBR)、骨移植术、牵张成骨术、骨劈开术等,其中美学区骨增量最常采用的是单独或联合应用GBR和骨移植术[18]。随着数字化技术与材料学的发展,修复美学区牙槽嵴不同程度的水平向和(或)垂直向骨缺损,GBR与骨移植术领域内已有了新的方案。

3.1 数字化技术在美学区GBR相关术式中的应用:GBR以生物膜作为屏障分离骨缺损区软硬组织,阻挡上皮细胞与成纤维细胞长入骨缺损区,为骨组织再生创造环境,GBR成功的“PASS”原则包括①初期创口无张力关闭;②充足的血供;③创造成骨空间;④维持稳定的成骨环境[19]。

生物膜的应用是GBR成功的关键,理想的生物膜应具有细胞屏障、支架、稳定和保护作用[20]。3D打印技术可制作个性化生物膜,并可在生物膜支架中加载生长因子和活细胞,利于在时间和空间上控制骨再生过程[21]。Kim等[22]以聚乳酸-聚乙醇酸共聚物为原料利用3D打印技术获得生物膜,在GBR中较传统聚乳酸生物膜具有更强的生物相容性及生物吸附性。此类通过3D打印获得的生物膜在骨增量术中应用广泛,但其具体在美学区骨增量术中的应用效果仍需进一步验证。

钛网是GBR解决复杂性骨缺损的常用屏障膜,其具有良好的空间支撑能力,并可通过表面的多孔结构保障充足的血供[3]。美学区骨缺损形状多样,传统成品钛网难以与骨缺损区紧密贴合,常须椅旁修整钛网形状,修整后锐利的钛网边缘易刺激黏膜,可引起疼痛、钛网暴露等并发症[23]。可通过计算机设计符合“以修复为导向”的理想骨增量轮廓,再应用3D打印技术获得个性化钛网,具有空间维持性强、手术时间短、并发症少等优点,且术前即可根据轮廓计算术中所需的骨移植材料的量[24]。此外,利用数字化完成理想修复体及种植体位置设计后,可将虚拟骨增量模型进行3D打印,在理想骨轮廓模型上预弯钛网[3]。数字化预弯钛网应用于相应美学区骨缺损位点,可使GBR术中骨增量范围与术前数字化设计一致,其技术敏感度低,但相较于3D打印钛网可塑性更佳[25]。袁帅等[26]应用个性化钛网修复美学区大面积水平、垂直、水平-垂直联合等骨缺损,其于多类型骨缺损中的应用均显示其可使GBR成骨效果佳、美学效果改善明显。

Merli等[27]提出的栅栏技术,是在患者骨缺损区模型将钛板弯制成型,以钛板为“栅栏”创造成骨空间,为骨缺损区维持稳定的成骨环境而完成GBR。然而,传统栅栏技术弯制钛板技术敏感性高、可重复性低,术中难以按预定位置精确固定钛板,增加了钛板暴露、创口感染等风险。刘菁晶等[28]在严重垂直骨缺损的上前牙美学区应用数字化改良栅栏技术,于3D打印获得模拟骨增量后的颌骨模型上弯制钛板,极大地简化与标准化钛板的弯制,并通过导板实现钛板的精确固定,未出现钛板暴露等并发症,术后6～8个月评估显示垂直和水平骨量均获得明显改善。

3.2 数字化技术在美学区骨移植术相关术式中的应用:骨移植术是美学区骨增量的另一常用术式,其根据骨缺损区需要植入不同类型自体骨和自体骨替代材料,并常与GBR联合使用[3]。当牙槽嵴缺损严重、剩余牙槽骨固位形态较差时,采用颗粒状骨移植术联合上述GBR技术塑形困难、易移位、成骨环境不稳定,常导致成骨效果不佳,可考虑使用块状骨移植术[19]。根据患者骨缺损情况应用数字化术前设计确定所需块状骨的大小与形状,充分考虑患者全身及供骨情况后选用数字化自体骨取骨技术、CAD/CAM、3D打印技术等获取块状骨,可获得符合术前设计方案并与缺损区精确匹配的自体块状骨、同种异体块状骨、人工合成块状骨等,块状骨于骨缺损区就位后常采用一个或多个钛钉的坚强内固定方法固定,以避免骨块移动,提高成功率[9,14-15]。数字化技术弥补了传统块状骨移植椅旁操作时间长、材料浪费多等缺陷,有效提高了临床效率,避免了骨块就位前临床操作的盲目性,为美学区个性化骨移植术的发展指明了方向。

Khoury等[29]提出的皮质骨片技术可作为修复牙槽嵴水平向和垂直向重度三维骨缺损的重要选择,皮质骨片技术是将传统自体骨块切为两片厚度约为1 mm的皮质骨片,将皮质骨片以钛钉固定,恢复唇颊侧或唇颊侧和舌腭侧的缺损骨壁,皮质骨片间需充填颗粒状自体骨或混合骨移植材料,可有效增加植骨体积、同期完成三维方向的骨重建[18]。应用皮质骨片技术重建全牙列萎缩牙槽嵴,患者口内供骨区无法提供足量自体骨,该研究通过数字化术前设计及3D打印技术制作数字化截骨导板,于患者颅骨获取充足皮质骨片,充分恢复牙槽嵴骨量后完成牙列种植修复。数字化技术辅助下皮质骨片技术是一项高效、安全、可预测的骨增量技术,在处理美学区美学重建、重度萎缩牙槽骨等复杂病例中具有广阔应用前景。

数字化技术在美学区骨增量中快速发展,为美学区实现以“修复的导向”的骨增量带来了新突破。对于美学区骨增量,数字化技术是一种高效且可靠的工具,为良好功能与美学的重建提供了方案。数字化技术应贯穿骨增量全过程,但临床常因缺乏设备、费用高等现实问题难以实现,应加强数字化理念和数字化设备的研发与推广,根据医院及患者具体情况考量,选择一种或多种数字化方法,以最小代价获得最大收益。可预见的是,随着信息技术与材料学的发展,数字化骨增量将朝着便利且高效的方向发展,为实现良好的义齿种植及修复创造条件。