一種牙支持式椅旁3D打印種植手術(shù)導(dǎo)板的臨床應(yīng)用初探

孫瑤 丁茜 原福松 張磊 孫玉春 謝秋菲

從20世紀(jì)60年代B?nemark等［1］提出骨結(jié)合理論并將鈦種植體成功應(yīng)用于臨床以來(lái)，種植修復(fù)理論和技術(shù)迅速發(fā)展，已成為修復(fù)牙列缺損和牙列缺失的一種重要方式，種植體植入的成功率和準(zhǔn)確程度一直備受關(guān)注。1995年Garber和Belser提出“以修復(fù)為導(dǎo)向”的種植治療理念，要求醫(yī)生在種植手術(shù)時(shí)考慮到最終修復(fù)后的軟硬組織美學(xué)效果［2］，這就需要完善的術(shù)前設(shè)計(jì)并將其準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移到手術(shù)中。1987年Edge［3］首次應(yīng)用種植手術(shù)導(dǎo)板輔助種植體的植入，改變了之前僅憑借術(shù)前影像學(xué)信息和種植醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成種植手術(shù)的狀況。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)、種植手術(shù)設(shè)計(jì)軟件、數(shù)字化加工技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化種植導(dǎo)板的應(yīng)用越來(lái)越多，為微創(chuàng)和高精度地進(jìn)行種植手術(shù)提供了更好的保障。

數(shù)字化種植導(dǎo)板是基于計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)和模型（或口內(nèi)）掃描數(shù)據(jù)，通過(guò)專業(yè)的種植軟件設(shè)計(jì)，利用工業(yè)成形技術(shù)加工而成［4］。目前數(shù)字化種植手術(shù)導(dǎo)板的加工技術(shù)主要為計(jì)算機(jī)輔助制造（computer-aided manufacturing，CAM）技術(shù)，按其技術(shù)原理主要可分為兩大類：去除式加工技術(shù)和增量式加工技術(shù)［5］。增量式加工技術(shù)也即增材制造，又稱3D打印［6］，是數(shù)字化種植導(dǎo)板加工最常用的方法。

使用數(shù)字化導(dǎo)板輔助種植手術(shù)，能有效避免對(duì)重要解剖結(jié)構(gòu)的損傷，充分利用可利用的骨量，一定程度上減少了部分手術(shù)中植骨的必要性，可以給醫(yī)生提供解剖結(jié)構(gòu)和修復(fù)體輪廓信息，從而實(shí)現(xiàn)以修復(fù)為導(dǎo)向的種植體植入，獲得最終理想的美學(xué)和功能效果［7-9］。如何快速、高效制作滿足臨床需求的種植導(dǎo)板一直是種植醫(yī)師關(guān)注的問(wèn)題。

針對(duì)目前種植導(dǎo)板制作流程復(fù)雜、不適于椅旁應(yīng)用等局限性，故建立一種面向口腔門診椅旁應(yīng)用的鄰牙支持固位式種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)制作方法，并對(duì)其引導(dǎo)種植手術(shù)的準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期建立一種椅旁高效制作種植導(dǎo)板，精確引導(dǎo)種植的技術(shù)流程。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

Trios口內(nèi)掃描儀（3Shape公司，丹麥）；熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）三維打印機(jī)及配套切片生成軟件Dental100（靈通Ⅲ型，北京實(shí)諾泰克科技有限公司）；種植導(dǎo)板CAD軟件coDiagnostiX（Straumann，瑞士）；聚乳酸（NatureWorks LLC，美國(guó)）。

1.2 方法

1.2.1 研究對(duì)象 選擇1名就診于北京大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科，左下第一磨牙缺失的患者（女，30歲）進(jìn)行臨床應(yīng)用初探。患者拔牙后3個(gè)月，全身狀況良好，無(wú)種植修復(fù)治療禁忌證；缺牙區(qū)剩余牙槽骨骨量、骨質(zhì)良好，無(wú)需骨增量手術(shù)；口腔衛(wèi)生狀況良好；依從性好，對(duì)本臨床試驗(yàn)知情同意并簽署知情同意書。患者張口度正常，可以進(jìn)行導(dǎo)板引導(dǎo)手術(shù)操作。本研究已通過(guò)北京大學(xué)口腔醫(yī)院倫理委員會(huì)倫理審查（批準(zhǔn)號(hào)：PKUSSIRB-201628055）。

1.2.2 臨床檢查 CBCT數(shù)據(jù)以及三維掃描數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)患者進(jìn)行臨床檢查（圖1）及CBCT檢查（New-Tom，意大利），獲取缺牙區(qū)牙槽骨信息。使用Trios口內(nèi)掃描儀掃描患者下頜牙列以及缺牙區(qū)黏膜，獲取口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)（圖2）。

1.2.3 椅旁設(shè)計(jì)種植手術(shù)導(dǎo)板

1.2.3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入以及配準(zhǔn) 將CBCT數(shù)據(jù)及口內(nèi)掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入coDiagnostiX種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)軟件中并進(jìn)行配準(zhǔn)（圖3A）。標(biāo)記左側(cè)下頜神經(jīng)管位置。

圖1 缺牙區(qū)Fig 1 Tooth missing area

圖2 術(shù)前口內(nèi)牙列三維圖像Fig 2 The three dimensional image of lower dentition

1.2.3.2 種植體位置設(shè)計(jì) 結(jié)合缺牙區(qū)CT所示骨質(zhì)、骨量，從種植體庫(kù)中選擇待植入骨水平種植體（長(zhǎng)度10 mm，直徑4.1 mm，SLA?，Straumann，瑞士），從軟件中調(diào)取模擬牙冠放置于理想的修復(fù)位置，結(jié)合CT所示對(duì)牙位置及理想修復(fù)位置（圖3B），根據(jù)常規(guī)種植體植入的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)避免傷及其它重要解剖結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)種植體頰舌向、近遠(yuǎn)中向以及齦向位置（圖3C～D），并驗(yàn)證所選種植體直徑、長(zhǎng)度的適合性。

1.2.3.3 手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計(jì) 確定種植體位置后選擇導(dǎo)板手術(shù)應(yīng)用工具盒系統(tǒng)（Straumann?Guided Surgery Cassette），并選擇相應(yīng)套環(huán)（T-sleeve，Φ5 mm）。基于口掃數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)導(dǎo)板，生成導(dǎo)板三維模型（圖4），確定3D打印補(bǔ)償參數(shù)以及導(dǎo)板厚度（2.5 mm），導(dǎo)出最終導(dǎo)板設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，保存為STL格式。

1.2.4 椅旁3D打印種植手術(shù)導(dǎo)板 將種植手術(shù)導(dǎo)板的STL數(shù)據(jù)導(dǎo)入Dental100椅旁打印設(shè)計(jì)軟件中，設(shè)置打印參數(shù)，調(diào)整打印角度（圖5A），導(dǎo)出Gcode文件，導(dǎo)入椅旁FDM打印機(jī)（圖5B）中，打印機(jī)自動(dòng)打印完成無(wú)支撐的PLA種植導(dǎo)板，拋光，將不銹鋼金屬套環(huán)（5 mm，T-Sleeves，Article 034.053v4，Straumann）置入套環(huán)孔中，完成（圖6）。導(dǎo)板置于患者口中檢查就位，就位固位良好（圖7）。

圖4 設(shè)計(jì)好的種植導(dǎo)板三維模型Fig 4 The designed implant guide 3D image

圖5 種植導(dǎo)板椅旁打印Fig 5 Chair-side 3D printing of the implant guide

圖6 椅旁打印完成的導(dǎo)板Fig 6 Printed implant guide by chair-side printer

圖7 導(dǎo)板在口內(nèi)就位情況Fig 7 Implant guide in place

圖8 36種植體實(shí)際植入位置Fig 8 Postoperative implant position of tooth 36

1.2.5 種植手術(shù) 患者再次就診，行種植手術(shù)。常規(guī)術(shù)前準(zhǔn)備、消毒。遵照Straumann導(dǎo)航工具盒使用說(shuō)明書所示步驟，在導(dǎo)板引導(dǎo)下逐步進(jìn)行種植窩洞預(yù)備，植入骨水平種植體，植入扭矩50 N·cm，圖8示種植體植入后近遠(yuǎn)中、頰舌向位置。

1.2.6 術(shù)后掃描數(shù)據(jù)獲取 放置Straumann CAD/CAM掃描定位桿，使用Trios口內(nèi)掃描儀（3Shape公司，丹麥）掃描，獲取種植術(shù)后種植體及近遠(yuǎn)中鄰牙三維位置數(shù)據(jù)（圖9）。

1.2.7 術(shù)后評(píng)價(jià) 將術(shù)后掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入coDiagnostiX種植設(shè)計(jì)軟件中，與術(shù)前設(shè)計(jì)配準(zhǔn)，得出術(shù)后實(shí)際種植體位置與術(shù)前設(shè)計(jì)種植體位置的差異［10］（圖10），評(píng)價(jià)參數(shù)包括：①角度偏差；②種植體平臺(tái)部三維偏差、近遠(yuǎn)中偏差、頰舌向偏差和齦向偏差；③種植體根尖部的三維偏差、近遠(yuǎn)中偏差、頰舌向偏差和齦向偏差。

圖9 術(shù)后即刻安裝掃描桿掃描Fig 9 Placing the scanbody immediate postoperation

圖10 種植體植入準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)Fig 10 Accuracy evaluation of implant placement

2 結(jié) 果

椅旁打印機(jī)打印導(dǎo)板用時(shí)21 min。種植導(dǎo)板就位順利，固位良好。導(dǎo)板引導(dǎo)下行種植手術(shù)，手術(shù)用時(shí)45 min。術(shù)后利用掃描定位桿口內(nèi)掃描獲得實(shí)際種植體三維位置與術(shù)前設(shè)計(jì)比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 角度、平臺(tái)部、根尖部偏差值Tab 1 Discrepancy values at entry point，apex and angular deviation

3 討 論

傳統(tǒng)數(shù)字化導(dǎo)板的制作方法主要是增量式加工技術(shù)，其中液態(tài)光敏樹(shù)脂選擇性固化技術(shù)（也稱立體印刷技術(shù)，stereolithography apparatus，SLA）是獲得種植手術(shù)導(dǎo)板最為常用的成形技術(shù)。但SLA導(dǎo)板多在技工室采用專業(yè)的設(shè)備制作，流程復(fù)雜，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到椅旁高效率打印制作導(dǎo)板的臨床應(yīng)用報(bào)道。本試驗(yàn)通過(guò)口內(nèi)掃描、椅旁數(shù)字化設(shè)計(jì)，運(yùn)用熔融沉積成形技術(shù)進(jìn)行椅旁3D打印，實(shí)現(xiàn)了椅旁數(shù)字化導(dǎo)板的設(shè)計(jì)加工，并在種植手術(shù)時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的植入精度，簡(jiǎn)化了導(dǎo)板的制作流程，提高了制作效率。

傳統(tǒng)的數(shù)字化導(dǎo)板的制作流程：①患者第1次就診，拍CT或CBCT獲取頜骨的骨量、骨質(zhì)信息，取印模灌制石膏模型，獲得患者口內(nèi)的黏膜等信息。對(duì)于較復(fù)雜的種植患者，還需要將模型送往技工室試排牙，制作放射導(dǎo)板，進(jìn)行二次CT掃描；②掃描模型，將模型掃描數(shù)據(jù)以及CT數(shù)據(jù)一同導(dǎo)入種植導(dǎo)板設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行三維多源數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而設(shè)計(jì)種植體的位置；③結(jié)合理想的修復(fù)位置，設(shè)計(jì)好種植體位置后，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊庸ぶ行倪M(jìn)行導(dǎo)板的設(shè)計(jì)，最后采用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)板的加工；④加工完成后運(yùn)輸?shù)脚R床，由臨床醫(yī)生進(jìn)行試戴，最后以導(dǎo)板引導(dǎo)完成種植手術(shù)［11-13］。傳統(tǒng)的數(shù)字化導(dǎo)板制作流程所需時(shí)間長(zhǎng)，患者就診次數(shù)多，效率較低。

本試驗(yàn)種植導(dǎo)板的3D打印是基于熔融沉積成形原理，即通過(guò)加熱高分子材料，在計(jì)算機(jī)控制下噴頭在水平方向（X-Y平面）運(yùn)動(dòng)、擠出材料，完成一層打印后，打印平臺(tái)沿垂直方向（Z方向）下降至下一層，逐層堆積得到立體結(jié)構(gòu)，要求加工的材料具有熱塑性，熔融狀態(tài)下流動(dòng)性較好且噴出后能及時(shí)冷卻定型。FDM工藝原理相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用成本較低，打印效率高，可用于打印適宜精度的口腔醫(yī)用制品［14］。導(dǎo)板打印材料為聚乳酸，是一種從玉米中提取出的可再生、無(wú)污染的生物樹(shù)脂，可以用于臨床［15-16］。在本病例中，由1臺(tái)FDM三維打印機(jī)控制聚乳酸細(xì)纖維絲完成種植導(dǎo)板的打印，制作完成的導(dǎo)板就位良好，術(shù)后評(píng)價(jià)證實(shí)可準(zhǔn)確再現(xiàn)術(shù)前設(shè)計(jì)信息，可實(shí)現(xiàn)椅旁快速高效制作種植導(dǎo)板。與傳統(tǒng)數(shù)字化導(dǎo)板相比，椅旁3D打印導(dǎo)板可顯著減少患者就診次數(shù)，實(shí)現(xiàn)1次就診完成術(shù)前信息收集以及導(dǎo)板制作及臨床試戴，更高效、快捷；若患者無(wú)種植手術(shù)禁忌癥，術(shù)前檢查及各項(xiàng)治療等于就診時(shí)完善，則可實(shí)現(xiàn)一次就診完成種植導(dǎo)板制作及試戴，并完成種植手術(shù)，明顯提高臨床效率（圖11）。

圖11 傳統(tǒng)數(shù)字化導(dǎo)板和椅旁3D打印種植導(dǎo)板制作流程對(duì)比Fig 11 Comparison of the workflow for conventional production of implant guide and chair-side 3D printing implant guide

既往文獻(xiàn)報(bào)道中，種植準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)方法是應(yīng)用術(shù)后CT影像與術(shù)前CT設(shè)計(jì)進(jìn)行配準(zhǔn)測(cè)量，本試驗(yàn)是利用術(shù)后掃描定位桿評(píng)價(jià)種植術(shù)前術(shù)后的誤差，避免了患者術(shù)后再次接受放射劑量。本研究將術(shù)前設(shè)計(jì)與術(shù)后應(yīng)用掃描定位桿口內(nèi)掃描的數(shù)據(jù)在軟件中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配準(zhǔn)，是一種較準(zhǔn)確快速的配準(zhǔn)方法［17］。同時(shí)光學(xué)掃描的精度高于CBCT掃描［18］，獲得較好的配準(zhǔn)效果。

Tahmaseb等［19］在一篇納入了24篇文獻(xiàn)的系統(tǒng)性綜述中報(bào)道數(shù)字化導(dǎo)板引導(dǎo)下植入種植體頸部的偏差平均為1.12 mm，最大值為4.5 mm，根部的偏差為1.39 mm，最大值為7.1 mm。角度偏差平均為3.89°，最大值為21.16°。對(duì)比本試驗(yàn)術(shù)后配準(zhǔn)結(jié)果，種植體植入達(dá)到了良好的精度。從口內(nèi)掃描、CT掃描獲取數(shù)據(jù)，導(dǎo)板的加工制作至實(shí)施種植手術(shù)全過(guò)程，這其中的每一步都有可能產(chǎn)生偏差，偏差是累積的，交互作用的［19］，最終反映在術(shù)后實(shí)際植入的種植體和術(shù)前設(shè)計(jì)的種植體在位置、角度、深度等方面的差異，也即影響了種植導(dǎo)板輔助種植手術(shù)的準(zhǔn)確性。嚴(yán)格控制每一步操作的規(guī)范與精確，對(duì)于提高種植體植入準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本試驗(yàn)所得偏差結(jié)果小于既往文獻(xiàn)所得偏差結(jié)果，說(shuō)明本研究椅旁設(shè)計(jì)制作的種植導(dǎo)板準(zhǔn)確度較好，符合臨床使用要求，能較好地提高臨床種植手術(shù)的植入準(zhǔn)確性。

本試驗(yàn)通過(guò)椅旁數(shù)字化導(dǎo)板完成了一例患者的種植手術(shù)，下一步的研究將納入更多患者，進(jìn)行系統(tǒng)全面的隨機(jī)對(duì)照研究，進(jìn)一步對(duì)比椅旁設(shè)計(jì)制作數(shù)字化導(dǎo)板與傳統(tǒng)數(shù)字化導(dǎo)板在種植體植入準(zhǔn)確度方面的差異。本試驗(yàn)所用FDM打印技術(shù)的不足之處在于：打印導(dǎo)板過(guò)程中導(dǎo)板的擺放角度決定了打印所需支撐的位置以及數(shù)量，支撐數(shù)量多打印效率降低且導(dǎo)板組織面粗糙，影響精度，支撐不足則打印容易失敗，下一步研究將優(yōu)化打印角度，提高打印效果。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)提出的椅旁種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)制作流程具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，符合臨床使用要求，能顯著減少患者的就診次數(shù)，提高臨床種植手術(shù)的植入準(zhǔn)確性。