基于配準技術的微創牙種植導向模板的制作方法及應用

林澤明 何炳蔚 陳江 杜志斌 鄭靜宜 李艷琴

（1.福州大學 機械工程學院；2.福建醫科大學附屬口腔醫院 種植科，福州350002）

被稱為第三副牙齒的人工種植牙因其具有近乎真牙的效果已被口腔醫學界認定為缺牙患者的首選治療方法。由于種植牙是將類似于牙根的種植體深植入頜骨中，因此，種植體植入的精確性是牙種植手術成敗的關鍵因素，而牙種植手術外科模板則能為臨床手術中牙種植體的正確與安全植入提供一定的幫助[1]。

本研究將逆向工程中的三維配準技術應用于口腔醫學領域，再結合計算機輔助設計技術、模擬種植和快速成型（rapid prototyping，RP）技術等設計制作了可用于實際手術中為醫生提供精確引導的牙齒種植導向模板。該導向模板被安放在患者的口腔黏膜或者牙齒上，不與頜骨相接觸，手術時無需切開口腔黏膜，在為種植體的精確植入提供必要保障的同時，還實現了種植手術的微創性。

1 材料和方法

對10例需行種植手術的患者制作精確的微創牙種植導向模板，并指導醫生準確地進行種植手術，實現手術的微創性與精確性。

1.1 主要材料和設備

Simplant Pro 10.0種植軟件、Mimics 10.01醫學軟件、3-Matic正向設計軟件、Magic RP 10.0軟件（Materialise公司，比利時），SPS600B激光固化快速成型機（陜西恒通智能機器有限公司），64排螺旋CT機（Philips Brilliance公司，美國），ITI種植系統（Sraumann公司，瑞士），3DSS結構光三維掃描儀（上海琛港數碼科技有限公司）。

1.2 模板的設計制作方法

1.2.1 建立CT三維模型 CT掃描患者下頜骨，掃描層間距0.33 mm，螺距0.56 mm，120 kV、30 mA。CT掃描后的輸出數據以標準DICOM格式儲存。將CT數據導入到Mimics軟件，利用閾值選取技術（thresholding）進行閾值劃分，提取骨組織；利用區域增長技術（region growing）選取目標骨組織；在三維實體（3D object）中選取上述的目標骨組織，加以運算，重建出頜骨的特異性三維模型（圖1）。

圖1 建立CT三維牙頜模型Fig 1 Establish three-dimensional jaw bone model of CT data

1.2.2 計算機模擬種植 將CT數據和重建后的三維模型導入到Simplant軟件中。在三維頜骨模型的基礎上，根據鄰牙、對頜牙的位置以及缺牙區的骨量在Simplant軟件中預設種植體的位置和深度。在軟件的不同視窗下可以看到種植體在頰舌側和近遠中所剩骨量，對種植體進行調整，以確保種植體位于頜骨內，完成最佳種植方案的設計（圖2）。

圖2 計算機模擬種植Fig 2 Computer simulate implant

1.2.3 牙頜石膏模型數字化 運用逆向工程中的三維掃描重建技術對石膏模型進行數字化掃描，獲得對應的三維外形點云數據；對牙頜整體點云數據進行構造三角網格，以形成曲面網格模型（圖3）。

圖3 牙頜石膏模型數字化Fig 3 Digitizing dental plaster model

1.2.4 配準CT模型和石膏數字化模型 通過曲率配準技術將CT三維重建模型與石膏數字化模型進行對齊配準，以消除CT圖像不能完全呈現牙頜特征，特別是口腔黏膜表面形狀特征的缺陷，確定種植體設計位置與牙頜掃描模型的關系。

綜合考慮自動化和精度等問題，采用模型自身曲率特征來進行配準的自動配準算法[2]。其大致步驟如圖4所示。

對于非無牙頜患者，CT三維重建模型和石膏數字化模型上均能呈現剩余牙齒信息，此可作為兩者配準所需的重疊區域，利用牙齒的自身形狀信息作為特征來完成配準。對于完全無牙頜的患者，需要在拍攝CT圖像時讓患者將放射導板戴在口腔中，以產生共同區域。CT三維重建模型和石膏數字化模型的數據融合過程如圖5所示。

圖4 基于曲率的配準算法Fig 4 Curvature based registration algorithm

圖5 三維配準數字化模型和CT模型Fig 5 Three-dimensional registration of digital and CT model

1.2.5 設計微創牙種植導向模板 利用正向設計軟件3-Matic進行手術模板的設計。在石膏數字化模型的基礎上，根據種植區的實際情況選取適當的部分作為導向模板與口腔表面相接合的配合面。對配合面進行抽殼，以形成薄壁空腔，并根據已制定好的種植體位置，設計引導基臺（圖6）。

圖6 導向模板設計Fig 6 The design of guide template

對初始模板進行拔模結構設計。選擇種植位置牙根向下并偏向唇側為裝配方向，找出口腔中對佩戴造成了遮擋的區域（圖7上）。以裝配方向作為局部坐標系的Z軸建立基準面S，確定在配合區域里哪些部分相對于基準面S是內凹的，這些遮擋部分即為從Z軸看配合區域時那些看不見的部位（紅色部分）。根據這個原則，可以選擇出非遮擋部分，并對這部分進行拉伸，如此便構成了具有拔模結構的牙齒配合區域的局部三維模型（圖7下）。

利用布爾運算對初始模板和具有拔模結構的三維模型進行體素相減，以消除拔模干涉問題（圖8）。

對導向模板進行邊緣修整、光順等，以達到美化外形的目的（圖9）。最后利用快速成型設備加工制作手術導向模板。

圖7 拔模結構設計Fig 7 Design of draft structure

圖8 消除拔模干涉Fig 8 Eliminate draft interference

圖9 種植導向模板Fig 9 Planting guide template

2 結果

10例種植病例在微創牙種植導向模板指導下共植入了42枚種植體，種植結果見表1。在微創牙種植導向模板的支持下，手術取得了良好的效果，種植位置精度高，創傷小，術后種植牙與患者骨結合良好。這表明，通過配準技術將CT數據與牙頜數字化數據相融合，設計出的微創導板定位精確，在無需切開口腔黏膜的情況下依然能夠很好地為醫生在實際種植時提供導向。

表1 42枚種植體的種植結果Tab 1 The implant results of 42 implants

圖10是在精確種植牙體系支持下種植的應用實例。該患者上頜有4顆前牙缺失，對患者進行CT斷層掃描，重建上頜骨模型（圖10A），并在CT三維模型的基礎上進行計算機模擬種植（圖10B），放置種植體，根據骨厚、骨深等信息調整種植體的位置、方向。本病例根據頜骨情況設計了2枚直徑3.5 mm、長10 mm的種植體。制取患者口內牙頜石膏模型，利用三維掃描儀對石膏模型進行掃描，構建牙頜石膏數字化模型（圖10C）。將CT三維模型和牙頜石膏數字化模型進行配準（圖10D），確定基于CT三維模型制定的種植結果在牙頜石膏數字化模型上的位置關系，根據此關系，在3-Matic軟件中設計導向模板（圖10E）。設計完成的導向模板由快速成型設備完成制作（圖10F）。

圖10 模板設計制作過程Fig 10 The process of the template design

手術實施過程如圖11所示，在導向模板的引導下，直接根據導向孔位對患者實施手術，手術無需切開口腔黏膜，整個過程只產生3～4 mm的微小創傷，患者術中疼痛少，術后恢復快。

圖11 手術過程Fig 11 Surgical process

3 討論

種植導向模板的出現，為醫生的臨床手術提供了幫助，讓種植體的植入變得更加的精確和高效。

傳統的模板制作方法是在石膏模型上采用人工方法進行制作。Edge[3]制作的模板應用了可摘局部義齒的設計原則，使用閃爍技術在壓力鍋內根據模型上的標記由自凝塑料制成。這種傳統方法大都存在制作時間長，模板精度不高，外形效果差等問題。黃遠亮[4]采用空氣壓模的方法制作了一種透明丙稀酸樹脂模板。該模板首先復制制作牙齒的石膏模型，在架上排牙，完成蠟型，調整咬合關系，修整模型底部平面并將模型放置在空氣牙模機模型平臺上，先在模型上預制分離模，然后將模型包埋在金屬顆粒內，但需外露出外形高點線以上的牙列及缺牙區擬種植的牙列，選用厚度為1.0～1.5 mm的透明熱塑片，根據板材號碼輸入加熱時間，先后關閉加壓艙并完成模板的加壓塑形和冷卻。模板的范圍由其固位力及穩定性所決定，以只需覆蓋余留牙牙冠近部分，也可采用覆蓋相鄰牙的局部模板。Almog等[5]認為，為了增強模板的穩定性，要求模板在缺牙區相鄰至少覆蓋2顆牙齒，如果末端游離缺失，則須延伸模板前部甚至全牙弓。這些采用空氣壓模技術制作的導向模板與傳統自凝塑料制作方式相比，操作上更加簡便、制作速度快；模板的厚薄均勻、外形透明，視覺效果好；模板的制作成型準確、固位良好，但是模板的導向精度仍然不高。

隨著CT圖像的廣泛應用，衍生了許多在CT模板的基礎上改制而成的導向模板。比較先進的計算機輔助設計制造外科CT模板的制作過程是：CT掃描了配戴放射阻射標記模板的牙列缺損或缺失患者的上、下頜骨，所得到的圖像和數據通過多種計算機輔助軟件進行輔助設計和三維重建，并將數據傳遞給計算機數控機床，按指令自動切削出外科模板[6]。由于CT圖像數據主要來源于牙槽骨的三維形態結構，所以依此制作的皆為骨支持式導向模板，在手術時，需要切開并剝離黏骨膜瓣，這樣模板才能夠與術區骨面貼合，這種模板雖然消除了傳統模板由于黏膜厚度所造成的誤差，但卻加大了手術創傷，患者常因黏膜切開過大而產生術后紅腫等諸多問題。

國外種植技術基于CT圖像，將模擬種植和模板設計融合在一起，開發了一體化軟件，比較有代表性的是比利時Simplant軟件定制的SurgiGuide種植導向模板[7]和瑞典Nobel Biocare公司定制的NobelGuide種植導向模板[8]。前者常用為骨支持模板和牙支持模板，通過牙槽嵴表面形態或胎面形態定位，并通過引導隧道進行種植引導[9]。但在臨床上，常用的CT設備最大掃描精度僅為0.33 mm，這種僅憑借CT數據而設計制作的導向模板在實際應用中往往不能很好的與口腔相應位置貼合，容易造成定位不準確等問題，需手術對模板進行修正，這就降低了其手術的簡便性和操作性。后者種植系統將牙列石膏模型和CT數據相配合，用于設計全牙頜導向種植模板，但需要將數據郵寄至國外加工中心完成制作，制作費用高昂，而探索國產化的數字導向模板設計制作方法，縮短國內外差距，一直是國內研究的熱點。

本文將逆向工程中的三維配準技術應用于口腔醫學領域，提出了基于曲率的自動點云配準算法來融合CT數據與石膏數字化模型，以消除單數據在口腔信息上不足的缺點。設計制作的導向模板被安放在患者口腔的黏膜或者牙齒上，不與頜骨相接觸，手術時無需切開口腔黏膜，為種植體的精確植入提供必要保障，還實現了種植手術的微創性。臨床的成功實施，充分驗證了本文方法的可行性。

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[2]Lin ZM,He BW.A curvature-based automatic registration algorithm for the scattered points[C]//2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation（ICMTMA 2011）.Shanghai：ICMTMA,2011：28-31.

[3]Edge MJ.Surgical placement guide for use with osseointegrated implants[J].J Prosthet Dent,1987,57（6）：719-722.

[4]黃遠亮.現代牙種植外科計劃Ⅲ.基于CT圖像的計算機輔助牙種植外科定位導向模板制作與應用[J].口腔頜面外科雜志,2003,13（1）：59-61.

Huang Yuanliang.Current surgical planning for dental implant placement Ⅲ.CT-based computer-guided dental implant surgery utilizing a computer-milled surgical template[J].Chin J Oral Maxillofac Surg,2003,13（1）：59-61.

[5]Almog DM,Torrado E,Meitner SW.Fabrication of imaging and surgical guides for dental implants[J].J Prosthet Dent,2001,85（5）：504-508.

[6]Sohmura T,Kusumoto N,Otani T,et al.CAD/CAM fabrication and clinical application of surgical template and bone model in oral implant surgery[J].Clin Oral Implants Res,2009,20（1）：87-93.

[7]Balshi SF,Wolfinger GJ,Balshi TJ.Surgical planning and prosthesis construction using computed tomography,CAD/CAM technology,and the Internet for immediate loading of dental implants[J].J Esthet Restor Dent,2006,18（6）：312-325.

[8]Nobel Biocare Company.Experience the new world of CAD/CAM dentistry[EB/OL].[2009-03-10].http：//www.nobelbiocare.com.

[9]Widmann G,Bale RJ.Accuracy in computer-aided implant surgery—a review[J].Int J Oral Maxillofac Implants,2006,21（2）：305-313.