摘要：自2015年提出了“精准外科”的概念后,我国口腔医学也顺应时代的发展,在临床大力推进口腔精准外科的普及与应用。精准外科离不开精准数据的采集和处理过程,随着影像技术的提升和计算机的发展,尤其是锥形术CT(CBCT)和各种虚拟三维植入手术规划软件的配合,进一步促进了我国口腔精准外科的发展。口腔种植外科以自由手手术为基础,随后种植简易导板逐步普及,数字化静态手术导板和动态导航技术也相应问世。数字化动态导航技术是未来的发展趋势,但我国现阶段还处于数字化静态导板的推广和普及阶段,本文就数字化静态导板技术及动态导航技术的临床应用现状、优缺点及其未来发展进行阐述。
关键词：牙种植; 计算机辅助设计; 图像处理,计算机辅助; 数字化导板; 外科手术,计算机辅助; 锥束计算机体层摄影术; 虚拟手术; 综述;
种植体的三维位点的准确性是影响修复体功能和美观的重要因素,先前种植体三维位点的准确性主要依赖于外科医生的临床经验,尤其是在自由手手术中,但在临床中经常会遇到各种复杂的病例,如连续多牙缺失、全口无牙颌、严重萎缩颌骨和特殊解剖结构等,这就需要更高的手术精度,而数字化静态导板可以提供可视化的术前规划方案,医生可以按“以修复为导向”的原则将种植体设计在理想的位点,提前预测治疗难度并规避手术风险,使治疗过程和术后结果更具有可预期性。数字化静态导板手术的基本流程是:数据采集、种植方案设计、导板的设计与制作、引导种植体植入。其手术精确性由所有步骤的累积误差和交互误差共同决定,这就要求我们对影响手术精度的因素有一个深入的了解,从而尽可能地减少误差的产生。本文就数字化静态手术导板技术及动态导航技术的临床应用现状、各自的优点及局限性进行阐述,并对其未来发展进行展望。
1 数据采集与辅助设计软件
1988年锥形束CT(CBCT)技术由意大利学者MOZZO等[1]研发。近年来, CBCT已被广泛应用于口腔种植领域,与传统的多层螺旋CT(MSCT)相比,CBCT具有更高的空间分辨率,尤其适用于口腔颌面部牙体、细微的牙槽骨结构以及下颌神经管等结构的观察。CBCT较MSCT具有扫描时间短、辐射量小以及费用更低的优点,因此逐渐成为口腔种植常用的术前诊断与设计工具,可以提供患者骨质、骨量和重要解剖位置关系等术前规划的必要信息。1987年ROTHMAN等[2]首次使用计算机重建CT曲面断层影像并应用于临床。随后,各种应用于口腔的辅助设计软件相继面世,包括Simplant、NobelClinician、Procera、CADimplant以及3Shape等,熟练地运用各种辅助设计软件进行数据处理,测量缺牙区剩余骨量,描记神经管,并进行术前规划,选用合适的种植体进行虚拟植入,可以导出方案与患者进行直观的术前谈话,也可以进一步设计数字化导板,利用计算机辅助设计和计算机辅助制造(CAD/CAM)技术,进一步制作数字化静态导板。
2 数字化静态导板的分类
数字化静态导板根据支持类型可分为黏膜支持式、骨支持式、牙支持式和混合支持式。其中黏膜支持式导板仅适用于牙列缺失的患者,由于导板直接贴附于牙槽嵴黏膜,活动度大,术中可能会滑动,有时需要在患者颊舌侧增加固位钉以提升导板的固位力[3]。术中如需更换套管,应注意防止患者误吞[4]。术中也应随时检查固位钉是否松动移位,及时拧紧。骨支持式导板由于需要翻开全厚瓣,创伤较大,术后肿胀、疼痛发生率高,其优点在于术区暴露清晰,能更好地控制种植体植入的深度。牙支持式导板适用于缺牙较少且邻牙稳固的位点,由于是通过邻牙固位,导板稳定性好,精确性高,且操作容易。混合支持式导板是结合以上多种支持方式共同支持的导板,多用于缺牙较多的患者,尤其适用于末端游离缺失的患者。
根据种植窝限制程度,数字化静态导板又可分为非限制式、部分限制式、完全限制式数字化导板。非限制式导板仅限制种植体的位置,不限制种植体的植入方向和深度,优点是制作简单,成本较低。部分限制式导板对种植体植入的位置和方向均有限制,但对种植深度没有限制,具有较高的成本效益,临床使用较多。完全限制式导板对种植体植入位置、方向和深度均有限制,常与微创种植技术相结合并应用于骨量和软组织情况均较好的患者。
数字化静态导板还可分为全程导航种植导板、半程导航种植导板和先锋钻种植导板。全程导航种植导板在种植窝预备和种植体植入过程中全程引导,在使用过程中需要全程都配备专用的手术器械,逐级使用扩孔钻和套管直到预备至最终的直径和深度。需要注意的是,使用全程导航种植导板时,尤其需要注意对种植窝进行降温,必要时需增加辅助的降温措施。半程导航种植导板是指在种植窝备洞的前半程使用导板,随后转为自由手手术,半程导板可以在不同系统的不同工具盒中灵活运用,故又称为通用导板。先锋钻种植导板顾名思义只在种植窝洞预备中使用先锋钻,仅起到一定的定位作用,随后均使用自由手进行操作。
3 数字化静态导板手术的精确性分析
数字化静态导板每一步都会产生相应的误差,种植手术的成功与种植体早期失败的发生直接相关,数字化静态导板精确性的分析即是对术前规划的位点与术后的实际位点进行比对,通过对影像学信息的分析,获取种植体在各个角度所有偏差的总和,通常用4个指标来表示,即入点偏差、根尖偏差、角度偏差和深度偏差。PETTERSSON等[5]比较了25例牙列缺失患者术前种植体虚拟植入影像与实际植入术后1年的CT影像,采用种植体根尖偏差、冠部六角偏差、角度偏差和深度偏差4个指标评价导板手术的精确性,发现当单独考虑其中任一指标时,种植体1年后的实际位点与术前虚拟植入的位点在上下颌骨中均有显着性差异,但同时考虑4个指标时,未观察到显着性差异。该结果提示,种植体的植入中尽管使用了静态导板,术中误差仍不可避免,在使用静态导板时应充分考虑可能产生的偏差,尽可能地避免种植体接近重要解剖部位,如下颌神经管、颏孔、上颌窦底等。
不同支持方式的数字化静态导板间的精确性也值得探讨,有研究分析了黏膜支持式、骨支持式和牙支持式导板之间的精确性差异,黏膜支持式导板与骨支持式导板相比,其根尖偏差、入点偏差和角度偏差均有所降低,与牙支持式导板之间无显着差异[6]。
CHEN等[7]比较了静态导板手术与自由手手术之间在精确性方面的差异,Meta分析了899枚植体,其中使用导板553枚,自由手346枚,结果显示两者的种植体留存率没有显着性差异;在精确性方面,导板手术在角度偏差和根尖偏差方面均明显优于自由手手术,其中角度偏差平均减少5.45°,根尖偏差平均减少0.83 mm,而入点偏差方面由于纳入的病例存在显着异质性差异,未能得出可靠结论。
ARISAN等[4]学者比较了自由手手术、骨支持式导板与黏膜支持式导板联合微创种植术后(微创组)3种术式患者的疼痛与肿胀程度,结果显示微创组的VAS评分显着降低,术后服用止痛药的剂量也显着降低。在术后第7天复查3种术式患者的肿胀程度,未见明显差异,微创组发生张口受限的概率显着降低,手术时间减少,患者术后疼痛肿胀减轻,一定程度上避免了软组织退缩的风险。但作者同时也提出,微创种植技术敏感性较高,应严格把握其适应证。
4 数字化静态导板精确性的影响因素
数字化静态导板应用中每一步操作都会最终影响导板的精确性,包括影像学数据的采集与处理、手术导板的加工与制作、导板定位与扩孔过程中产生的移位以及手术器械本身的机械误差等,所有的误差可以累积并相互影响[8]。
体外模型研究结果显示,种植手术规划中应用MSCT与CBCT对精确性无明显影响[9]。对于无牙颌患者,术前佩戴可以显影的修复体(一般是含钡的活动义齿)进行CBCT摄片(诊断片),用以指导术前种植位点的规划,因此术前修复体放置的位置是否精确对术中导板的定位和稳定的维持尤为重要。也有研究强调拍摄诊断片时应使用固定装置,从而保证定位导板不移位,术者可以通过CT影像中定位导板与软组织间是否有空气来判断修复体是否移位,若观察到诊断片中定位导板发生移位,应注意到导板所提示的牙位相对于颌骨的位置可能不正确,所显示的垂直距离可能不可靠,否则可能会导致种植体未设计在理想的位点,进一步导致手术导板的定位和稳定性不佳[8]。
手术过程中导板的移位在不同类型的手术导板中均会发生[4],对于骨支持式导板,由于缺乏固位,导板经常在扩孔的过程中自发地远离牙槽骨,这种情况在骨密度较高的菲薄牙槽骨上更明显。而对于黏膜支持式导板,应警惕固位钉是否松脱,若松脱应及时拧紧,以避免导板不稳定。导板的不稳定,还有可能导致扩孔过程中导板的折断,应注意避免。
BEHNEKE等[10]学者分析了影响牙支持式导板精确性的因素,包括颌骨类型(上/下颌)、手术方式(翻瓣/微创)以及导板类型。观察到上下颌应用导板后的入点和角度偏差没有统计学意义,根尖误差虽然在上颌与下颌间有统计学差异,但其中位数差值仅0.1 mm,没有临床意义;翻瓣手术与微创手术比较,临床差异也不明显;而自由手手术与全程导板或半程导板手术相比,其种植体的入点、根方和角度偏差均显着增大。
另有研究对NobelGuide导板在上下颌与牙弓前后区的精确性方面进行比较,发现下颌的偏差显着低于上颌,前牙区的精确性显着高于后牙区,但偏差的均值均位于手术计划的安全区范围内,可以按计划植入种植体;此外,该研究还发现,在手术过程中,偏差值与黏膜厚度之间呈现显着相关性,黏膜厚度每增加1 mm,偏差值平均增加0.41 mm[11]。但同样所有偏差均很小,在临床中没有意义。
严重萎缩无牙上颌一直是口腔种植中的难点,如何在不牺牲手术精度的同时,降低患者手术的侵入性,缩短手术时长、减少术后肿胀疼痛程度以及缩短治疗时间和降低治疗成本一直是研究的热点。通过术前口内扫描结果与CBCT数据叠加的方法[12],需要术者术前制作具备至少4个阻射点并暴露上颌腭皱襞的放射导板,患者佩戴及不佩戴导板进行两次口内扫描,术者利用腭皱襞作为参考点实现放射导板与口内软组织的配准,再利用阻射点实现口内扫描结果与CBCT数据的叠加,实现骨质、骨量、软组织和修复体四者集成于一体的数字化种植修复计划,从而实现手术的可预期性。通过该方法可避免CBCT影像所致误差,并能更直观地获得患者的牙列信息,以便于排牙和制作导板,但这种“全数字化”技术也意味着更多的时间和成本[13]。
数字化导板在应用过程中,必须保证患者足够的开口度,对于后牙区开口度不足的患者,可能由于器械无法安放转而使用自由手进行种植窝的预备。近年来,动态导航技术不断发展,在上颌后牙区骨量严重不足的患者以及颧种植手术等复杂术式中逐步推广应用[14],其优势在于手术过程中可以实现实时反馈,适应性好,也可以根据术中情况进行灵活调整,使手术真正实现全程可视化。HUNG等[15]对实时动态导航技术在双侧双颧种植手术中的精度进行了研究,发现动态导航技术的应用可以降低手术并发症的发生率,使种植体植入理想的位置。
5 静态导板在数字化种植外科中的局限性
2013年的国际口腔种植学会(ITI)共识会议中,TAHMASEB等[16]对14项有关生存率和24项有关精确性的研究进行了系统评价,纳入的1 941 枚种植体生存率为 97.3%,但有36.4%的病例出现了术中或术后并发症,如术中导板折断、由于种植体缺乏初期稳定性而在术中更改治疗计划、需要进行术前规划外的植骨、固位钉松动致无法使用导板及种植体折断等等,最后Meta分析的结果显示,尚无证据表明计算机辅助手术在安全性、结局、并发症或效率方面优于传统自由手手术。
UNSAL等[17]对近10年来有关CAD/CAM种植导板手术的文献进行了系统评价,共纳入了9篇文献,结果表明种植体入点以及根尖的线性误差分别为(2.05±0.74)和 (2.28±0.27)mm,角度偏差为(5.01±0.2)°,其中临床研究报道的偏差较体外研究更显着。这提示临床医师在应用该技术进行术前规划时,应在重要的解剖位点如下牙槽神经管附近设置足够的安全缘,避免损伤重要结构引发严重并发症。同时静态导板技术与其他新方法一样,存在学习曲线,在临床上应用该技术的医师应该接受全面的培训,以避免产生严重的手术和修复并发症。
NAEINI等[18]对数字化不翻瓣微创种植术进行系统评价,认为静态导板引导微创种植手术在种植体生存率、边缘骨丧失和种植体周改变方面可与自由手手术相媲美。关于静态导板引导微创种植手术,导板的支持方式和方案设计与手术的精确性之间存在显着相关性,其中牙支持导板比骨或黏膜支持的导板精确性更高。与半程导板手术相比,全程导板手术的精确性更高。由于静态导板引导微创种植技术对累积误差非常敏感,因此临床医生在手术方案设计与实施的所有步骤中都要格外小心,尤其是在设计虚拟植入的种植体时,应在种植体周围设置安全缘,与UNSAL等[17]的观点一致。
6 动态导航系统的组成
计算机辅助口腔种植手术实时导航系统(IGOIS),即动态导航系统,可在术前利用影像学资料规划手术路径的基础上,通过导航系统软硬件的结合实现术中对手术器械尖端的实时定位,通过对配准钉的配准实现患者真实坐标与虚拟坐标的拟合,从而实现手术过程的可视化,并实时定位、控制、调整种植窝备洞的路径及角度。一个完整的手术导航系统包括硬件、配准标定设备以及追踪系统,其中硬件包括计算机、监控显示屏、键盘和鼠标,配准标定设备包括配准钉、定位探针和标定块,追踪系统包括光学定位仪、光学反光球和参考架。
7 动态导航技术精确性的影响因素
动态导航技术相较静态导板技术而言,技术敏感性更高,操作步骤更多。有研究发现静态导板技术与动态导航技术在种植体入点及根方的线性偏差方面未见显着性差异,而角度偏差差异显着[19]。
针对严重萎缩上颌无牙颌的10例患者,在动态导航引导下进行双侧双颧种植手术,显示40枚颧种植体的入点偏差和出点偏差分别为(1.35±0.75)与(2.15±0.95)mm,角度偏差为(2.05±1.02)°,偏差值的大小与种植体长度或位点没有相关性,而且IGOIS进行颧种植手术可以降低手术并发症的风险,保证种植体的初期稳定性[15]。
与静态导板技术相似,动态导航技术也存在累积误差,其精度受所有临床操作步骤的共同影响,其中配准精度一直是临床研究的热点。近年来,随着人工智能、深度学习等高新技术的发展,各种自动配准技术相继出现。最近我国就有学者提出了一种自动配准的新系统,命名为“北斗手术导航系统”[20],利用术前对影像数据的降噪、去伪影化以及均值漂移算法等技术对每个配准点进行自动配准,体外实验中可行性很好,为临床研究提供了一种新思路。
8 展望
临床上应用数字化静态导板的安全性和有效性已得到实践验证,在临床应用中,应时刻注意减少偏差,首先是摄片时用于显影的修复体位置要精确,这是保证虚拟植入方案精确的前提。应用软件进行虚拟植入方案设计时,应注意对重要解剖结构的保护,预留足够的安全区。术中应时刻保证导板定位的精确和稳定,尽可能地使用固位钉以保证导板的稳固性,并尽量防止固位钉松脱。
近年来针对数字化静态导板的不足不断进行改良,如在比较了圆柱形引导环和C形引导环的静态导板后,发现两者的种植体线性偏差及角度偏差无显着差异;改良后的C形引导环允许种植手机侧向放置,扩大了静态导板的适应证,使其可用于张口度不足及后牙区器械难以放置的区域[21]。
另外有学者针对上颌窦侧壁开窗术设计了上颌窦外提升导板,可以依据术前CT数据设计种植体的植入位点并计算出上颌窦提升术所需要提升的体积,并以此规划开窗的范围[22]。该导板为术者开窗提供了参考,指导了开窗的界限,对于上颌窦内有明显血管穿入等复杂的病例,有一定的应用前景。
针对有些患者因顾虑辐射而拒绝行CBCT检查,有学者又提出可利用术前磁共振(MRI)进行引导,制作全程导板引导种植手术[23],通过比较16例患者(9例牙列缺损,7例牙列缺失患者)的MRI与CBCT的结果,提示MRI可以作为CBCT的一种替代方案用于口腔种植静态导板手术,但应注意由于MRI存在较明显的伪影,仅能作为无法应用CBCT患者的替代方案,对于种植位点周围已有修复体的位点的情况更要慎重应用,或者最好不要应用[24]。
随着数字化技术与口腔种植外科手术的不断磨合发展,数字化导板技术与动态导航技术的应用在逐渐增多,技术在不断改进,如可以实现沉浸式体验人机互动的虚拟现实技术(VR)、可以将虚拟信息叠加至现实空间的增强现实技术(AR)、将VR和AR有机结合的混合现实技术(MR)以及全球热点的种植机器人[25]和人工智能(AI)技术等等,这些技术的发展毋庸置疑可以帮助临床医师更好地进行临床决策,使临床手术更加精准。例如2000年,美国达芬奇手术机器人首次获得了美国食品药品监督管理局(FDA)的认证,随后,机器人手术在医疗领域不断发展。计算机辅助口腔种植手术(RADS)是动态导航手术的一种新形式,可以在医师偏离原定手术路径时提供实时触觉反馈,2020年,报道了第1例应用RADS的口腔种植手术,为1例患者进行了即刻种植手术并取得了初步成功[26]。
数字技术的发展改变了传统的手术方式,临床医师在应用新技术的同时应保持严谨的科学态度,使新技术作为一种新武器更好服务于临床。
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