动态导航系统与静态导板系统在口腔种植手术中精确性的模型对比研究

赵金荣 苏天月 刘鹏慧 陈磊 周立波 吴高义

目前,很多牙列缺失患者已逐渐将口腔种植固定修复作为修复的优选方法。牙种植手术中,正确的种植体三维定位是实现理想种植修复的关键,为后期完成高质量修复提供重要保证[1-2]。然而,过去大多数牙种植手术都在自由手下进行且牙列缺失患者口内已无天然牙可供种植参考,可能会出现种植体植入位置不精确、邻近的解剖结构损伤、种植体周围炎症以及种植体机械断裂甚至种植体脱落等并发症[3]。计算机辅助种植手术(computer-aided implant surgery,CAIS)主要分为3 种方法:静态导板系统、动态导航系统和种植机器人[4]。静态导板系统是使用计算机断层扫描生成的计算机辅助设计、计算机辅助制造支架,通过引导支架使用协调的器械来放置种植体[5]。动态导航系统是使用光学技术通过对三维数字影像的可视化操作,最终实现三维影像和实际解剖位置的精确融合,实时追踪手术器械的牙种植手术辅助系统[6-7]。之前的几项研究表明,与静态导板引导种植手术相比,动态导航系统的精确性有所提高,但大多数研究仅评估了单个种植体的放置[8-9]。而目前临床上多为牙列缺失甚至牙槽骨严重萎缩、缺损的复杂情况。Brånemark等[10]于1977 年报道了使用倾斜植入技术替代外置法块状骨植骨术完成种植体种植。倾斜植入技术是指上、下颌可用于种植的骨高度不足时,为避让上颌窦,外科医生以与水平面呈超过15°、小于45°角度植入种植体,来避开上颌窦、下牙槽神经、鼻底等结构,从而可以充分利用可用骨,避免骨增量的一种种植方法[11]。

目前还没有研究关于静态导板和动态导航对轴向和斜向种植体应用于牙列缺失患者中准确性的影响。而大量的模型实验是计算机辅助手术应用于临床的可靠依据。因此,本研究拟通过影像学测量牙列缺失模型在导航和导板引导下种植体植入的精确度,研究计算机辅助种植手术植入方法和种植体植入方向等因素对计算机辅助种植手术引导下种植体植入精确度的影响。从而为进一步提高计算机辅助种植手术引导下种植体植入精确度提出建议,为牙列缺失患者预成即刻修复方式的推广奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 操作方法

将40 个牙列缺失的上颌骨树脂模型随机分为4 个组: 静态导板-轴向组、 静态导板-斜向组、动态导航-轴向组、动态导航-斜向组, 每组10 个模型,共放置了160 颗种植体(Straumann公司,瑞士)。

动态导航组:术前上颌于腭中缝、正中联合和双侧上颌结节放置4 颗钛钉,拍摄CBCT并导出DICOM格式。首先将CBCT数据导入DHC-2-005导航软件(苏州迪凯尔医疗科技有限公司)后进行种植方案设计。然后将导航仪移动到距仿真头模前方1.25～1.5 m,进行参考板标定和钛钉配准。最后进入手术导航界面,本次实验将警示阈值设为位移误差1 mm,角度误差2°,深度误差0.1 mm(注意:绿色表示在阈值范围内,红色表示误差超过阈值范围,并有警示音)(图1)。

静态导板组:将模型在术前先拍摄CBCT,获取DICOM影像数据。采用D3586智能数控扫描装置(Sirona Dental Systems GmbH公司,德国)获取模型信息,生成STL数据。将两组数据导入coDiagnostiX种植导板专业设计软件中(Straumann公司,瑞士)并进行整合,重建模型的三维影像;然后在软件设计种植方案,生成导板,使用P20+3D打印机(Straumann公司,瑞士)打印出种植导板,进行导板试戴,确认种植钻植入方向与设计方案是否一致。最后用固位钉进行固定(图2)。

精确度分析:两组模型再次拍摄CBCT,动态导航组用“迪凯尔精确度测量软件”,静态导板组用“coDiagnostiX”种植导板专业设计软件”中治疗评估,分别进行种植体植入精确度分析。每一个指标由同一术者连续重复测量3 次,结果取平均值。

1.2 测量指标

具体指标见图3。

植入点误差:在种植体顶点的中心处测量的计划种植体与实际种植体之间的线性位移(单位: mm)。

末端点误差:在种植体末端点的中心处测量的计划种植体与实际种植体之间的线性位移(单位: mm)。

角度误差:计划种植体与实际种植体轴线之间的误差,单位为°。

1.3 统计学方法

2 结 果

如表1,在静态导板组中,轴向种植体和斜向种植体在植入点的平均误差分别为(0.97±0.46) mm和(1.09±0.23) mm。在动态导航组中,轴向种植体和斜向种植体在植入点的平均误差分别为(0.87±0.24) mm和(0.96±0.40) mm。对于轴向种植体和斜向种植体,两组间差异无统计学意义(P=0.144),在任一组中的轴向种植体还是斜向种植体之间均未发现显著差异(P=0.191)(图4)。

表1 牙列缺失模型不同植入方法和不同植入方向的种植体植入点、末端点和角度误差的比较 (n=20)Tab 1 Comparison of the deviation of implantation point, terminal point and angle between different implantation methods in the resin models with missing teeth (n=20)

图4 在实验组中观察到的植入点误差的柱状图Fig 4 Bar chart of the implantation point deviation in the experimental groups

在静态导板组中,轴向种植体和斜向种植体在末端点的平均误差分别为(1.06±0.43) mm和(1.18±0.35) mm。在动态导航组中,轴向种植体和斜向种植体在植入点的平均误差分别为(0.96±0.25) mm和(0.96±0.45) mm。对于轴向种植体和斜向种植体,两组间差异无统计学意义(P=0.062),在任一组中的轴向种植体还是斜向种植体之间均未发现显著差异(P=0.484)(图4)。

在静态导板组中,轴向种植体和斜向种植体的角度误差分别为(2.43±0.80)°和(2.81±0.57)°。在动态导航组中,轴向种植体和斜向种植体在植入点的平均误差分别为(1.80±0.35)°和(2.10±0.78)°。对于轴向种植体和斜向种植体,两组间差异具有统计学意义(P<0.01),但在任一组中的轴向种植体和斜向种植体之间的角度误差均未发现有显着差异(P>0.05)(图4)。

3 讨 论

以修复为导向的种植手术理念要求在制定修复计划的基础上规划种植体的精确位置。最近的研究关于种植体周围炎风险评估的研究表明,近半数的种植体周围炎患者与种植体植入位置不准确有关[12-13]。本研究分析了不同种植体植入方法和不同种植体植入方向的精确性。使用静态手术导板和动态导航进行种植体植入皆可提供可预测的和可重复的高精确度的结果。

静态导板系统通过使用软件程序虚拟治疗计划,能够在术前可视化,从而设计和优化种植体位置,从而避免种植体放置的不准确[5,8,14-15]。动态导航系统可以实时追踪钻孔器械和上颌的位置,术者调整植入物的位置、深度和角度通过观察显示屏上的三维偏差,从而保证种植体放置的精确性,降低手术风险[16]。

在本实验中,对静态导板系统和动态导航系统引导下的种植体植入精确度在牙列缺失的体外模型中进行了对比评估,两组的平均植入点误差分别为(0.91±0.33) mm和(1.03±0.36) mm,平均末端点误差分别为(0.96±0.36) mm和(1.12±0.39) mm,平均角度误差分别为1.95°±0.62°和2.62°±0.71°。目前的结果与Schnutenhaus等[17]发表的系统性综述及Meta分析中的误差值基本一致。本研究结果表明静态导板组和动态导航组在种植体植入点误差和末端点误差方面均没有发现显著差异,但动态导航与静态导板引导下种植体植入的角度误差具有统计学差异(P<0.001)。这具有临床意义,并表明动态导航系统引导下种植体植入的角度误差小于静态导板系统。重要的是,当需要将种植体放置在重要的解剖结构(如下牙槽神经)附近时,应始终保持2 mm的安全距离[18-20]。最近的一项体外研究在与本研究类似的研究设置中比较了静态导板与动态导航方法,他们也报道了动态导航系统引导下种植体植入相较于静态导板方式,在植入点误差和末端点误差方面二者相似,而在角度误差方面前者略小[6]。 Wu等[21]也报道了动态导航系统引导下的种植体的角度误差更小。然而, 有报道认为动态导航系统与静态导板系统引导种植体植入在植入点误差、末端点误差和角度误差方面均无统计学意义,与本研究结果相比这些值显示出更小的精度[8-9,22-23]。本研究的更高准确性并不令人惊讶,因为它是一项在模型中进行的体外研究,模型中的种植体的放置不涉及手术区域管理和患者移动,也没有会影响手术放置条件和准确性的软组织、唾液和血液,并且在相同条件下重复手术也降低了术者操作错误的风险,而且种植体在体外环境中的放置比在患者体内放置时的压力要小得多。另外,体外实验的模型多模拟接近理想的骨嵴形态,来用于垂直于骨表面的钻孔和种植体放置,并且具有足够的骨宽度,而在临床环境中牙槽骨由于萎缩,其宽度通常会受到限制,并且钻孔和种植体放置的要求更高[2]。这些因素使得体外研究的结果可能与实际临床情况有很大的不同,这一点也可以在一些系统评价中得到反映[2,16]。

正如预期的那样,种植体植入方向对静态导板组的种植体植入点的精确度没有影响,因为种植体位置是由软件计算并传输到手术导板的。相比之下,在动态导航组中,轴向和斜向种植体之间的差异也是没有显着性的统计学意义,因为动态导航组的植体位置是由软件计算并实时显示在计算机上的。

据报道,在使用静态导板和动态导航引导种植手术时,有几个因素会影响与计划种植体位置的误差值[5-6,22-23]。如CBCT成像、配准技术等。在使用静态导板时,最常见的限制或潜在的错误是内在错误,例如导板或金属套筒和钻头的装配不当,其他错误源也可能与手术有关,例如手术导板的位置错误以及对牙列的干扰阻碍了钻头和种植体的正确定位[23]。在使用动态导航过程中,常见的限制和错误包括跟踪系统的目标配准误差(target registration error,TRE)[25]。因此,本研究中使用的手术导板是完全引导下的支撑。动态导航的配准方法是在模型上放置四个钛螺钉作为基准标记。另外人为因素会影响计算机辅助植入系统的性能,尤其是在种植导航系统中。为了通过牙种植导航系统成功地将术前计划转移到临床应用中,需要术者进行眼手协调,以便可以在导航过程中立即监控导航系统和处理钻孔过程中的数据。Cassetta等[26]证明了在有经验和没有经验的术者之间,使用静态导板系统在牙列缺失患者中种植体的精确性没有显著差异。Block等[27]报道了具有丰富手术经验的术者比没有经验的术者显示出了更高的精确性。因此,本研究所有手术均由同一位经过一定次数培训的术者来进行。未来的研究应该评估术者经验对种植导航系统引导种植体植入精度的影响。此外,未来的研究应该解决更复杂的种植体植入场景,例如使用种植导航系统进行颧种植体种植。当然,本实验仍有一些局限性,如样本量较少,且模型实验难以模拟口腔内实际情况。

4 结 论

在本研究中,结果显示与静态导板组相比,动态导航组的实际种植体与计划种植体的角度误差更小,而两组的植入点误差与末端点误差没有统计学意义。在静态导板组和动态导航组中,种植体的植入方向对植入点误差、末端点误差和角度误差没有影响。这些发现的临床影响仍有待临床研究进行调查。