口腔種植動態導航系統應用的研究

葉明君，沈 山

（暨南大學口腔醫學院，廣東 廣州 510620）

牙列缺損及牙列缺失為口腔常見疾病，種植義齒是其常用的修復方法，傳統的口腔種植手術為翻瓣及自由手操作，操作過程中不但創傷較大，而且種植體實際植入位置與術前CBCT 計劃的虛擬位置相比，通常存在一定的誤差。臨床經驗少的醫生在操作過程中更有傷及重要結構的風險，從而引起術中、術后并發癥[1，2]。此外，良好的種植體三維位置是上端修復以及種植體周圍軟硬組織健康的基本前提。隨著科技、三維影像技術的發展以及傳統經驗醫學向精確醫學觀念的轉變，1995 年引入計算機輔助植入技術，包括靜態引導和動態導航[3，4]，這兩種植入方式比傳統植入方法的準確性高[5-7]。在有些病例中，如患者張口度小、第二磨牙區域種植等，動態導航系統的種植優勢更加明顯[8]。最初因動態導航系統價格昂貴、傳統CT 的輻射劑量高等因素[9]，動態導航沒有應用于臨床實踐中。隨著CBCT 在口腔影像領域的發展，因其具有輻射劑量低、掃描時間短、診斷質量高等優點，它不僅用于術前診斷分析，還能結合術前計劃軟件進行種植規劃[10-12]，于2000 年初，口腔種植領域引進第一個動態導航系統[13]。本文對國內外動態導航系統研究進展進行綜述，以期更深入地研究牙種植動態導航技術，使得動態導航系統成為口腔醫學領域的重要輔助設備。

1 國內外動態導航系統概況以及在口腔醫學的應用

1.1 動態導航系統的結構 國內外動態導航系統由硬件和軟件組成，包括顯示器、臂架、導航組件（發光二極管和攝像頭）、監視器、鍵盤、鼠標和電子設備外殼。目前商用的動態導航系統均是車載移動式系統，各個系統結構類似。它們之間的區別在于用戶操作界面、配準裝置以及定位追蹤系統[14]。

1.1.1 配準裝置差異 國內外動態導航系統的配準裝置存在差異，其作用是作為CBCT 掃描的基準點。如果是牙列缺損病例，國內動態導航系統的配準裝置是U 形管，為硬質材料，一般借助硅橡膠材料穩定附著在牙齒上[15]；國外動態導航系統的配準裝置采用X-Clip[6，16]和連接到導航支架臂上的鋸齒狀的基準鋁體（CT 標記）[17]，它們含熱塑性材料。若是牙列缺失病例，一般在頜骨中放置至少4 個臨時骨螺釘，作為CBCT 掃描的無牙基準點。也有個別國外動態導航系統采用在下頜骨牙弓中央臨時放置單個微型植入物，以給固定臂提供穩定的錨。由此可見，國內外動態導航系統配準方式屬于有標記點配準，即U形管配準（牙列缺損）和骨標記物配準（牙列缺失），不同的配準方式，配準誤差也不一樣[18]，而且各自都存在優缺點[19]。

1.1.2 定位追蹤系統差異 根據定位追蹤系統不同，目前存在基于電磁定位和光學定位的動態導航系統。電磁定位跟蹤系統的工作原理是通過3 個磁場發射器產生低頻磁場，然后磁場探測器接收信號并定位[20]。它存在不受實物遮擋、設備靈活、設備成本低等優點，但是其受金屬物質影響，環境要求高，限制了其在臨床推廣[18，21]。因此，目前國內外動態導航的定位追蹤系統一般選擇光學定位，它是基于光學相機的立體三角測量原理[16]。根據導航系統是否植入帶有發光二極管或被動反射跟蹤元件的機頭[22]，又分為主動追蹤定位和被動追蹤定位兩種類型[23]。相比較電磁導航系統，它不受電磁干擾，定位精確度高，但存在光學遮擋等不足，可能影響手術連續性[20，21]。

1.2 動態導航系統的工作原理和工作流程 國內外動態導航系統的工作原理和工作流程類似，它基于醫學成像技術與光學定位技術的結合，利用運動跟蹤技術跟蹤植入體鉆孔器械和患者頜面部位置。在手術過程中動態跟蹤兩個動態參考系（DRF）的運動，一個連接到患者的術區鄰近或者同頜對側的解剖結構上，而另一個連接到醫生的手術器械上，使用跟蹤數據計算實時引導信息，并實時顯示在電腦屏幕上，以幫助種植醫生將鉆頭引導至他們先前計劃的植入位置。工作流程包括[3，24，25]①患者在種植術前配戴配準裝置，進行CBCT 掃描獲得三維數據，并將數據上傳到動態導航系統；②利用系統的種植計劃軟件進行術前三維位置規劃；③將配準裝置的標記點和導入系統內的CBCT 圖像數據進行配準以及手機和頜骨定位裝置的標定；④術中能實時追蹤鉆針三維位置并實時顯示在電腦屏幕上。

1.3 動態導航系統的種類及在口腔的應用 雖然國內牙種植動態導航技術起步較晚，但發展迅速。如Chen XJ 等[26]發明了IGOIS 系統，國內近些年推廣的易植美牙種植動態導航系統[27]和Iris-100[28]。目前國內學者已經開展多例動態導航引導種植的臨床研究，如常見缺牙位點種植[15]、美學區種植[29]、穿顴種植[30]、避開一些特殊解剖區域的種植（上頜竇、下牙槽神經）[31，32]等。國外較早開發的動態導航系統有Robodent 系統[22]、IGI 系統[33]、VISIT 系統和Treon 系統[34]。近些年，國外常用的動態導航系統是X-Guide[5]和Navident[14]。根據國外文獻報道，二者不僅用于指導種植體植入準確位置[35]，還用于口腔頜面外科和口腔內科，如輔助口腔外科醫生確定壞死骨邊緣[36]、在根尖手術中精確地執行骨切除術和根端切除術[37]、骨內準確遞送麻藥[38]、引導建立髓腔通道[39]、鈣化的根管口定位[40]等。其中，Treon 動態導航系統最初是一種神經外科導航系統，后經過改裝用于種植體的放置。因此，國內動態導航系統多用于研究一些復雜的種植病例，更有助于培養年輕種植醫生的臨床技能，而國外態導航系統在口腔領域應用廣泛，以不斷探索動態導航的適應證。

2 國內外動態導航系統的精度研究現況

2.1 動態導航系統的精度研究 近些年，國內多位學者借助易植美動態導航系統進行臨床研究，以分析其精度。例如，劉艾芃等[15]在臨床上使用該動態導航系統引導種植，種植體頸部偏差為（0.88±0.19）mm，末端偏差為（1.11±0.15）mm，角度平均偏差為（2.03±0.27）°。其他學者也進行了相關研究，精度結果相差不大[31，41]。種植體頸部偏差類似，在1 mm 左右，末端偏差在1.1 mm 附近波動，角度偏差在2°～4°范圍波動，這可能與每個學者臨床研究的樣本量、種牙位點的研究、種植熟練度等存在差異有關。

國外的X-Guide 動態導航系統，從體內外牙列缺損病例報告結果分析，體外平均頂點/角度偏差非常低，為0.38 mm/0.89°[16]，而在體內，Kaewsiri D 等[3]和Block MS 等[5]臨床研究報告的平均偏差分別是1.05 mm/3.06°和1.16 mm/2.97°，體內外精度經過對比，約3 倍差距。這是由于口內視野限制、周圍組織黏膜動度等因素的影響[8]，體內研究和體外研究的精度差異是明顯的，這也解釋了國內外早期開發的動態導航系統精度較高的原因。對于國外另一個常用的動態導航系統——Navident，Stefanelli LV 等[14]回顧性研究發現，它的平均進入點偏差為0.71 mm，末端偏差為1.00 mm，角度偏差為2.26°。經過初步對比發現，它的精確度似乎高于其他動態導航系統，可能與該設備對種植醫生的經驗要求不高有關[22，37]，這也是該系統最大的優點。但是Somogyi-Ganss E 等[7]報道該系統在深度偏差的結果上令人失望，偏差范圍從0～3.3 mm，而在入口、頂點、角度方面精確度良好。這種差異可能是不可接受的，因為在術前規劃中，所有重要的解剖結構都應有2 mm 的安全差值。

總之，動態導航系統臨床研究的文獻相對較少，尤其是當前在臨床上常用的幾款系統，大多是體外模型研究，盡管有相關的臨床研究報道，樣本量也參差不齊，因此，關于動態導航的精度，后續還需要更多臨床研究的證實。

2.2 動態導航系統精度影響因素 術者經驗對動態導航引導種植準確性的影響，文獻報道并不一致。Stefanelli LV 等[14]報道，影響其準確性的最重要因素是外科醫生的經驗。而Pellegrino G 等[42]研究發現，動態導航對于經驗豐富和年輕臨床醫生來說，都可以認為是一種可靠的技術，然而該研究是在體外模型研究，不可否認的是患者口腔和體外模型區別還是明顯的。而且，使用動態導航系統對人的手眼協調配合要求很高，而人的手眼協調性和精細運動存在個體差異性[14]，如醫生在種植手術中對機頭控制不穩定，種植過程中僅在術區和種植器械盒的視覺切換到使用動態導航隨時觀看屏幕或者僅看屏幕，以掌握鉆頭的實時位置，確實影響醫生剛開始的使用習慣。因此，研究顯示，動態導航系統的使用需要學習曲線[8]，不過醫生在種植一定數量病例后，動態導航系統種植精度逐漸趨于穩定[24]，曾經使用過靜態導航的醫生，使用動態導航系統的學習曲線會減少[25]。因此，醫生在使用動態導航系統，可以使用體外模型進行模擬培訓，以達到學習曲線[6]。另外，不同開發商生產的動態導航系統是存在精度差異的。其他諸如影像學技術、種植部位、追蹤定位系統類型、配準方式等都會影響動態導航系統的精度，更為重要的是各個因素往往不會單一存在，會產生累加效應[18]。因此，在使用動態導航系統要了解并注意這些影響因素，以提高種植體三維位置的精確性。

3 國內外動態導航系統與靜態導板的比較

3.1 優缺點比較 動態導航系統優點包括[6，14，25]①術前種植規劃與CBCT 掃描可以在手術當日進行；②術中實時追蹤；③術中允許術者更改種植計劃；④個別系統帶有精度分析軟件，便于術后精度分析等。而靜態導板不存在這些優點，因此，醫生在遇到開口度小和第二磨牙區域種植等病例時，靜態導板則存在明顯的不足，而動態導航種植似乎是有價值的解決方案[44]。尤其是動態導航可以實現種植手術“現場”的準確性驗證，即動態導航在鉆針碰觸到頜骨并觀察該位置映射到CBCT 圖像的準確性，來快速評估它們的配準精度[14，45]，而靜態引導卻沒有該功能。有趣的是，靜態引導是否也存在學習曲線，文獻報道并不一致[9，46]。Cassetta M 等[45]認為學習曲線的缺失可能源于沒有考慮植體頸部和末端偏差值，并且他們研究證明這些值可能最受經驗水平的影響。

3.2 精度比較 Tahmaseb A 等[44，46]在2014 年（2018 年）經系統回顧分析，報道靜態導航種植入口點總平均誤差1.12 mm（1.20 mm），頂點偏移1.39 mm（1.40 mm）并且角度偏4°（3.5°），這與有關研究結果[43，48]一致。2018 年國際口腔種植協會ITI 共識性論述指出[49]，靜態計算機輔助植入手術的種植體頂端平均誤差是1.2mm，根部偏差是1.5 mm，角度偏差是3.5°，在絕大多數情況下都能符合安全性規范。動態導航與靜態導板的頂端偏移、末端偏移和角度偏差是相近的[47]。其中，動態導航引導植入的植體頂部軸向誤差最小，而靜態導板引導植入植體的頂部橫向誤差最小[45，47]。與Schnutenhaus S 等[50]系統回顧分析4 種已用于臨床的動態導航系統的精度相比，動態導航系統的頸部偏差（1.00 mm）和末端偏差（1.33 mm）稍優于靜態導板，但是角度誤差（4.1°）高于靜態導板。而Jorba-garcía A 等[51]系統回顧了9 種動態導航系統的臨床精度數據，動態導航系統的角度偏差（3.68°）與靜態導板相差較小。總之，動態導航引導種植與靜態引導種植至少存在類似的精度，但目前還不足以說明動態導航精度優于靜態導板。

3.3 適應證選擇時機 由于操作簡單、投資成本較低，當需要進行計算機輔助種植手術時，靜態引導是常被選擇的。有學者認為在有嚴重解剖風險處種植，通常建議使用計算機引導的植入手術[13]。Tahmaseb A等[46]認為與更加不規則的骨結構導致更復雜和更不準確的種植相比，對于下頜牙槽嵴平滑、寬廣和規則的患者，無瓣膜間種植體導航植入被發現是一種精確、可預測和安全的手術。因此遇到一些特殊病例，應充分考慮靜態引導和動態導航的優缺點以及適應證，擇優使用。對此，Block MS 等[6]認為以下病例是使用動態導航引導種植的適應證：①患者張口度小；②掃描當天放置植入物；③放置困難以及視野不好的區域，如第二磨牙區域；④缺牙間隙與靜態導板套筒尺寸相矛盾以及導板套筒會干擾種植體準確放置在天然牙齒附近。對于不翻瓣、避開重要解剖結構、與鄰牙或者種植體間保持準確距離等情況，二者均可以考慮使用。

4 國內外動態導航系統在口腔種植領域的不足與展望

動態導航系統仍存在不足，但它存在的不足，可能是今后發展的方向。首先，動態導航系統的精度受到機器本身存在的一些因素影響，如CBCT 圖像質量、配準方式、光學追蹤系統類型[18]，因此，研發人員未來還需要進行進一步研究以減小機器因素引起的系統誤差。其次，當前設備存在笨重、操作流程復雜[16]、用戶界面功能復雜多樣[22]等不足，動態導航系統對種植醫生的專業要求也大大提高，醫生除了要熟悉使用流程，還要進行培訓以達到學習曲線。所以，設備研發人員未來應進一步精簡操作流程，簡化設備。再者，當前動態導航系統一般采用光學定位，該定位追蹤系統存在光學定位參考架大、光學遮擋等缺點[20]，后期研究或許可借鑒電磁導航的優點或結合電磁導航以改善其不足。另外，術前配準耗時較長，對于牙列缺損和牙列缺失患者，動態導航系統的配準方式存在差異，部分系統采取植入多個或者單個臨時骨螺釘以提供無牙基準點[14，17]，這需要在CBCT 掃描前手術植入，但是手術位置可能并非種牙位點，從而存在一定的手術創傷。最后，近幾年來新興的國內外動態導航系統，雖然已在臨床上應用和研究，但樣本量較少，種牙位點也較局限，因此，后續還需要更多的臨床研究來驗證動態導航引導種植的精確性。

隨著數字化種植技術的發展，動態導航技術在不斷進步，例如增強現實手術導航系統可以提供手術現場的AR 導航場景，給種植醫生提供深度感知[52]，而且可以不依賴于附著在患者體內的任何外部基準標記，使得患者的解剖結構直觀可視化[53]，這些優點卻解決了當前基于標記點配準和光學定位的動態導航系統的不足。值得一提的是，隨著人工智能和機器人手術的發展[54]，有學者將其與計算機導航技術的結合，開發出機器人牙科植入系統（全自動系統）[55]和基于人-機器人協作牙科植入系統[56]。由此可見，科技的發展使得未來牙種植導航技術越來越先進。

5 總結

以修復為導向的種植理念，良好種植體三維位置成為修復成功的重要因素，精準種植可能是未來種植技術的發展趨勢。雖然動態導航引導種植在臨床上逐漸獲得重視，但是它也存在一定的局限性，尤其是種植精度仍未達到臨床理想程度。因此，當前臨床上對于靜態引導、動態導航和傳統自由手3 種種植方式，醫生在遇到特定病例，除了根據自己的臨床經驗和偏好來選擇3 種植入方式，還應考慮選擇哪種方法是最優的。