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口腔种植中3D打印种植导板的运用

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[关键词]牙种植;口腔外科手术;3D打印

20世纪60年代骨结合理论的发现为口腔种植技术的形成奠定了理论基础,它的关键性概念是纯钛与骨组织不存在排异反应,可以形成骨性结合[1]。随着口腔种植学研究的不断深入和发展,口腔种植技术日趋成熟。3D打印技术所制作的种植手术导板弥补了传统导板的不足,以其精准的优势广泛应用于临床。现就3D打印导板在口腔种植中的应用综述如下。

13D打印导板的发展历史及概述

伴随着人们生活水平的提高和寿命的增长,全民口腔保健意识在不断加强,牙齿健康逐渐受到大家的重视,牙齿缺失后选择种植修复的方式成为口腔修复的主流。而3D打印技术是目前发展较为成熟的一种快速成型技术,在其工作原理的基础上生产制作出的数字化牙齿种植外科手术导板,不仅可以帮助口腔种植医生在种植手术过程中对种植体的定位,还可以降低口腔种植失败的概率,减少术后并发症。目前口腔医学领域里最常用的打印工艺方法是光固化成型(stereolithigraphyapparatus,SLA)和熔融沉积(fuseddepositionmodeling,FDM)技术[2-3]。其中SLA技术是采用紫外光或其他光源以液态光敏树脂为材料,在材料的表面进行扫描,并且从底部开始逐层固化而后形成物体本身。而FDM这种技术则是以加热并溶化低熔点材料,并挤出固化成型的一种物体成型方式,可以实现三维方向上的重现,并且不需要价格过于昂贵的设备。随着种植量的不断增加,口腔种植技术也日渐成熟,种植修复已经逐渐开始代替烤瓷桥和活动支架等传统修复方式。这样不仅避免了对缺失牙区域相邻牙齿的伤害,而且最大限度地恢复了缺失牙区域口腔的咀嚼功能(传统固定桥修复需要破坏邻牙的完整性,活动义齿修复会降低修复区域的咀嚼效率)。当口腔种植医生致力于取得牙齿种植体远期成功率和良好的美学修复效果时,就需要在种植手术前仔细检查患者口腔全口牙列中牙齿缺失相应部位牙槽嵴的高度、宽度、骨密度及周围重要解剖结构,包括上颌区域上颌窦和下颌的下牙槽神经管及颏孔位置,并且依据这些检查结果,以及对缺牙区牙槽骨三维方向的数据测量,作出对患者最佳和最为合理的种植设计方案及治疗计划,最关键的是将种植术前理想的设计方案准确转移到患者口内[4]。

尽管口腔种植临床经验非常丰富的医生能够仅依据患者口腔X射线检查结果,即可在口腔种植手术中比较准确地把握种植体的近远中位置、颊舌向方向和种植体需要植入的深度,但由于人类上下颌骨的解剖结构存在较大的个体差异,手术过程中术者的体位和手术视野的限制等原因,牙齿种植体的实际植入位置与预测种植位置很容易发生偏差,从而造成种植体近远中向、颊舌向或种植体角度的偏斜,进而引起种植体植入区域骨穿孔、邻近重要解剖结构的损伤及种植修复后美观性较差等术后并发症的发生[5-6]。因此,辅助口腔种植技术的口腔种植导板应运而生。伴随着现代医学影像学和影像诊断学的高速发展,锥体束CT扫描设备的精准度逐渐先进化,计算机辅助设计和计算机辅助制造技术已开始在口腔领域中应用。3D打印技术属于工业技术中的一种,主要特点是快速成型[7],它的原材料是呈现极其细微粉末状态的金属或者合成树脂,指导成型的文件是扫描后得到的数据,原材料均为可黏接聚合的材料。3D打印的成型方式是逐层叠加原材料,每层原材料间有一层特有的“胶水”黏接,这种制造技术不同于以往的制作方式,因此又称为添加制造。3D打印技术有2种方式:一种是分层加工,另一种是逐层叠加原材料成型。通过2种形态的物体相互叠加,最终实体模型被“打印”成型,打印完毕后,周围会残留一些原材料,清除即可。3D打印技术其内容涵盖了产品的生命周期前端的“快速成型”和整个生产周期的“快速制造”相关的所有打印技术工艺、技术、设备类别和应用,综合了多个学科高端的技术,包括数字建模、机电控制等[8],具有很高的科技含量。目前3D打印技术已被广泛应用于工业设计、机械制造、航空航天、生物医学等领域,其中在医学术中导航、医学模型制造、医学器官打印等方面应用广泛[9]。

2数字化3D打印口腔种植手术导板的制作方法及应用要点

与传统种植导板相似,3D打印的导板需要先制作放射导板,然后采用二次CT扫描程序[10],分别扫描带有放射导板的模型和单独的放射导板,在Mimics软件中根据阈值的不同进行三维重建,使前后2次分别扫描的导板摆放位置和方向保持相对一致,然后利用有效显影点的影像重合技术将2个导板进行重合,目的是将放射导板准确匹配到模型上。再将重合精准的图像数据全部导入三维图像设计软件中,利用软件进行导板周围骨组织和相应软组织的三维影像重建。重建完成后,在设计软件中准确描绘出种植区域周围重要的神经血管等解剖结构,模拟种植体植入牙槽骨内,并且预先设定好具体的位置,以便设定最终口内使用的导板相应开孔区域,将设定好的数据传入3D打印机形成可打印文件并打印出成型的口内使用的种植指导导板[11-18]。口腔种植导板的设计同样需要依据口内环境,更要结合根据口腔后续的修复方式进行设计。口腔种植导板的口内支持方式以黏膜为主时,主要应用于全口多颗牙缺失甚至是无牙颌患者,种植后修复的牙冠和基托等直接覆盖于整个牙槽嵴,种植手术过程不需翻瓣,但在使用过程中往往自身的固位效果较差,常常需要增加辅助固位钉来增加导板在口内的固位。导板支持固位方式以牙为主时则多用于个别牙或少数牙体缺失的情况,稳定性较好,精确度较高。临床上,根据口腔内缺牙区骨条件、缺失牙的位置和数量、缺失牙周围的牙体牙周情况等选择合适类型的导板,以便更好地指导手术。尽管口腔种植导板有其特有的优势,但同时也存在一定的局限性。首先,3D打印种植导板使用过程中对患者张口度要求较高,尤其是后牙区,对于手术视野受限、张口度不足的患者有一定的局限性。其次,种植导板在一定程度上阻挡了种植窝洞备洞过程中的散热,备洞过程中需要反复提拉及大量冷却的生理盐水冲洗降温。

3种植体植入精确度评价及原因分析

种植手术进行前CT设计与实际手术操作是通过种植外科导板实现的,通过影像学信息和计算机种植辅助设计软件进行[19]。在患者口内进行种植手术之前需要进行精准的三维动画模拟设计种植体植入的位置、角度、方向,以确保种植体植入到患者自身状况相对最佳的位置,尤其是患者自身种植条件较差、植入区牙槽骨骨量缺乏的情况下,术前诊断和设计植入位置显得更为重要。3D打印种植手术导板是将口腔手术前设计和模拟植入到牙槽骨的位置准确转移到患者口腔内,故最终牙种植体植入位置的准确度就成为手术成功的要点,也是种植导板制作的核心内容[20]。目前,口腔领域国内外对口腔种植手术导板精确度评价的研究和报道日渐增多,但对导板精度的评价存在差异。莫辉等[21]选择了23例牙缺失患者,全部在3D打印技术制作的新型种植外科导板的辅助下,共植入患者口内52枚口腔种植体,而后观测所有种植体1年后的存活率,结果显示所有植入的种植体中48枚较准确无偏差地进入3D导板预先设定的植入位置,仅有4枚种植体颈部与其相应的3D设计的预定位置比较出现了偏移,但所有的偏移范围均不超过2mm。马竟[22]对比研究利用3D打印种植导板方法植入种植体和常规手术方法植入种植体,结果表明3D导板口腔种植手术组在控制种植体植入方向、手术操作精确性方面明显优于常规手术组。D′haese等[23]研究显示,种植体颈部的偏离数据与种植体低部的偏差数据相比较小。vanAssche等[24]对NobelGuide系统的精确度进行数据分析和评估,种植体颈部和尖端的偏离值分别为(1.1±0.7)mm和(2.0±0.7)mm,角度偏离值为(2.0±0.8)°。Brief等[25]研究显示,植入骨内的种植体的长轴偏离原3D设计软件设定的最终植入角度,其偏离数据平均值为4.21°。Verhamme等[26]将3D打印设计的种植导板应用于全口缺失的口腔种植患者后发现,利用这种方法指导口腔医生在患者口内植入种植体后,种植体最终在患者口内的实际位置与原软件设计的种植体最佳种植位置,除去颊舌向的偏差外,其余各个方向上的位置数据无明显差异。Pettersson等[27]研究结果显示,种植体肩台部位的平均误差为0.80mm,其根部平均误差则为1.09mm,种植体长轴角度上的平均误差为2.26°。利用3D打印导板辅助口腔医师进行口腔种植手术时,种植体植入患者口内的过程中离开原设定轨道的原因是:①扫描前口内制取印模出现误差,后期在灌注最终石膏模型的过程中出现轻微误差,进一步影响了数据放射导板和最终3D种植导板的精确度;②CT扫描的误差,CT设备本身的精准度,患者在扫描口内影像过程中的微动,均影响数据的精准和质量;③三维影像重组重建过程和2个模型重新匹配过程中,匹配阈值的选择和组织影像提取过程中产生误差;④制作工艺方式的选择会直接影响种植导板的精确性,如在SLA工艺进行过程中,光敏树脂在光固化过程中产生的固化收缩会直接影响到最终的树脂模型的精确度;⑤对于患者口内情况为黏膜支持式和混合支持式修复方式时,种植手术导板在制作过程中,口内缺乏相对稳定的组织、黏膜等特有的弹性和可让性,会直接导致数据与口内实际状况的误差,进一步影响最终口内种植体植入的位置与软件设计终末位置之间的差异。以上所有环节中出现的偏差量化后,其数值会成倍增加,致使患者口内种植体实际植入位置的偏差值逐级放大,从而导致相应问题的出现[28-30]。

4展望

在口腔锥形束CT技术不断发展进步的今天,数字化的种植导板,完全可以比较精准地将口腔种植体在各个方向上的位置及种植区域重要颌骨内解剖结构转移到患者的口腔种植手术当中去[31],从而提高种植体植入的精准度,并使种植牙的远期成功率、口腔种植修复体的咬合功能和美学效果进一步得到保证[32],尤其是对于牙槽骨骨量条件较差的复杂病例,其种植辅助优势体现得更加显著[33]。但3D打印导板辅助的种植手术仍存在精确度不足的问题,实际植入位置上的偏差仍存在。在实践应用中,口腔手术医师应该充分了解利用3D打印导板指导种植手术中可能产生的偏差量与可能出现的并发症,并且能够及时采取积极的预防措施。目前,我国国内的3D种植打印导板逐步应用于临床,临床医生在使用中应尽量利用其优点,规避其缺点,不断完善3D打印导板的临床使用,并不断总结经验,以便让其服务于更多需要种植修复的患者。

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作者:赵晓军(综述);胡永权(审校) 单位:河北省石家庄市第二医院口腔科

口腔种植中3D打印种植导板的运用责任编辑:张雨    阅读:人次
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