高精度三维整合牙颌模型个体化微种植体手术导板的计算机辅助设计与制作

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0711

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (10): 1529-1533.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0711

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高精度三维整合牙颌模型个体化微种植体手术导板的计算机辅助设计与制作

陈妍曲¹，唐敏²，黄旋平³，周奉城²，王家烯²

¹广西医科大学，广西壮族自治区南宁市 530000；²广西医科大学附属口腔医院，广西壮族自治区南宁市 530000；³广西医科大学附属口腔医院颌面外科，广西壮族自治区南宁市 530000

收稿日期:2017-11-20 出版日期:2018-04-08 发布日期:2018-04-08
通讯作者: 黄旋平，博士，主任医师，教授，广西医科大学附属口腔医院颌面外科，广西壮族自治区 530000
作者简介:陈妍曲，女，1992年生，重庆市人，汉族，广西医科大学在读硕士，主要从事口腔正畸学和口腔颌面外科学方面的研究。
基金资助:
广西自然科学基金项目(2015GXNSFBA139141)

The computer-aided design and manufacturing of individualized miniscrew surgical guides based on a high-precision three-dimensional integrated digital maxillodental model

Chen Yan-qu¹, Tang Min², Huang Xuan-ping³, Zhou Feng-cheng², Wang Jia-xi²

¹Guangxi Medical University, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; ²Stomatological Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; ³Department of Maxillofacial Surgery, Stomatological Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Received:2017-11-20 Online:2018-04-08 Published:2018-04-08
Contact: Huang Xuan-ping, M.D., Chief physician, Professor, Department of Maxillofacial Surgery, Stomatological Hospital of Guangxi Medical University, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
About author:Chen Yan-qu, Master candidate, Guangxi Medical University, Nanning 530000, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Guangxi Zhuang Autonomous Region, No. 2015GXNSFBA139141

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

口腔种植体支抗：是将纯钛制作的特殊微小钛钉植入到患者的上颌后牙区、下颌后牙区、硬腭部及牙齿槽间隔等等部位，利用这种植入微小钛钉作正畸治疗的支抗，牵引排列不齐的牙齿作移动，达到矫治牙列不齐的目的。

口腔种植支抗的种类：①颌内支抗：与矫治牙在同一牙弓内，利用一些牙作为支抗而使其他一些矫治牙移动，这种支抗一般可来自牙周膜面积较大的后牙；②颌间支抗：以上颌(上牙弓)或下颌(下牙弓)做支抗来矫正对颌(牙齿)，或是以上下颌间的交互支抗来矫正颌位。颌间支抗是一种交互支抗，一般具有较充分的支抗作用；③颌外支抗：是指支抗部位在口外，如以枕部、颈部、头顶部等作为支抗部位，这样可作为较大矫治力的支抗来源。

背景：基于三维锥形束CT模型设计的手术导板已有报道，但由于锥形束CT不能重建精细的牙龈等软组织，只能设计单纯牙齿固位的导板，稳定性相对较差。

目的：采用三维自动配准方法将锥形束CT模型和三维数字化牙颌模型进行匹配，建立高精度三维整合牙颌模型，以此模型为基础设计与制作个体化微种植体手术导板。

方法：选择6例错颌畸形患者进行头颅锥形束CT扫描、牙列石膏模型光学扫描，分别获取三维模型，采用三维自动配准方法将两模型重叠，获得三维整合牙颌模型。在三维整合模型上精确定位并虚拟植入微种植体，以此为基础设计并采用快速成型技术制作高精度个体化树脂手术导板，利用游标卡尺检测导板的轨道内径。于患者口内试戴树脂手术导板，嘱患者咬合，检查其就位及固位情况。

结果与结论：模型配准精度高，所有树脂手术导板口内试戴吻合，患者咬紧后固位增强，患者佩戴舒适，无压迫或其他不适感；树脂手术导板轨道内径为(1.79±0.23) mm，不同操作者间的测量误差无统计学意义 (P > 0.05)。结果表明，基于高精度三维整合模型设计的手术导板精度高，能够为进一步研究手术导板的临床应用提供基础。

ORCID: 0000-0003-2633-6779(唐敏)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 三维整合牙颌模型, 锥形束CT, 生物材料, 口腔材料, 计算机辅助设计与制作(CAD/CAM), 微种植体手术导板, 3D打印技术

Abstract:

BACKGROUND: Surgical guides designed based on a three-dimensional cone-beam CT (CBCT) model have been reported. However, CBCT cannot remodel fine soft tissue such as gums, and it can only be used to design a simple dental retainer with relatively poor stability.

OBJECTIVE: To establish a high-precision three-dimensional (3D) integrated maxillodental model by matching CBCT model with 3D digital maxillodental model using 3D automatic registration method, based on which, we designed and manufactured individualized miniscrew surgical guides.

METHODS: CBCT maxillodental models and laser-scanned dentition models obtained from six malocclusion cases were matched and overlapped using the 3D automatic registration method to fabricate the 3D integrated maxillodental model. Then, we accurately positioned and virtually implanted a micro-implant into the 3D integrated maxillodental model. Subsequently we prepared a high-precision individualized resin surgical guide by rapid prototyping technology. The inner diameter of the guide track was detected by a vernier caliper. Patients tried on the resin surgical guide, and then occlusion condition, guide seating and retention were detected.

RESULTS AND CONCLUSION: Due to the high-precision registration of the model, all the resin surgical guide plates were suitable. The plate retention was enhanced after tooth clinching, and all the patients felt comfort when wearing the surgical guide plate, with no compression or other discomforts. The inner diameter of the guide track was (1.79±0.23) mm, and the measurement error was not statistically significant (P > 0.05). These findings demonstrate that the high-precision surgical guide plate based on the high-precision 3D integrated model can provide the foundation for further investigations on the clinical application of surgical guides.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Dental Implants, Orthodontic Anchorage Procedures, Computer-Aided Design, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈妍曲，唐敏，黄旋平，周奉城，王家烯. 高精度三维整合牙颌模型个体化微种植体手术导板的计算机辅助设计与制作[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(10): 1529-1533.

Chen Yan-qu, Tang Min, Huang Xuan-ping, Zhou Feng-cheng, Wang Jia-xi. The computer-aided design and manufacturing of individualized miniscrew surgical guides based on a high-precision three-dimensional integrated digital maxillodental model[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(10): 1529-1533.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

支抗控制是正畸治疗成功的关键，传统增加支抗的手段有头帽、Nance弓和颌间牵引等，然而这些加强支抗的方法需要患者配合才有效，而且患者很不舒适。种植体支抗直接以坚硬的颌骨承受支抗力，可获得稳定高效的支抗力，尤其是近些年来迅速发展的微种植体支抗系统。微种植体作为一种新型正畸绝对支抗，因其无需患者配合、植入位置灵活、创伤小和美观舒适的优点而在正畸临床广泛使用，但其植入失败率仍较高。大量研究表明，微种植体植入过程中触及或者损伤邻牙牙根是导致微种植体失败的重要原因^[1]。Kang等^[2]临床研究表明，微种植体植入破坏牙根时，植入失败率为79.2%，微种植体植入牙槽骨位置良好时，失败率为8.3%。传统X射线片定位直接植入微种植体时，因对植入区域的解剖结构缺乏准确的认识，会对牙周围解剖结构造成不希望的损害。

近年来三维影像技术的发展提供了一种克服二维影像不足的方法。牙根位于牙槽骨内，牙根的位置关系只能通过X射线片看见，但二维影像很难预测精确的位置和距离。三维影像已用于微种植体的精准植入。使用三维影像技术例如锥形束CT、三维软件和立体光刻技术制作微种植体植入手术导板已有报道，但由于锥形束CT不能重建精细的牙龈等软组织，单纯使用锥形束CT设计导板只能设计单纯牙齿固位的导板^[3-4]，稳定性相对较差，或者使用拍摄二次锥形束CT，设计混合支持式的导板^[5]，增加了患者的费用，而且过程复杂。单纯三维CT重建影像还存在另外几个问题，例如CT影像的变形失真和口内金属造成的伪影。而CT影像和三维扫描数字化模型整合可克服以上问题。CT技术和三维牙颌模型整合使得既能精确评估牙齿三维空间位置关系，也包含了精确的牙龈牙槽黏膜等软组织信息，避免中间步骤，可直接设计制作出更加精密的手术导板。因此此次实验用三维自动配准方法将锥形束CT模型和三维数字化牙颌模型采进行匹配，建立高精度三维整合牙颌模型，以此模型为基础设计出个体化微种植体手术导板，以期为减少牙根接触，提高微种植体植入的稳定性和安全性提供支持和指导。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计观察实验。

1.2 时间及地点实验于2016年7月至2017年5月在广西医科大学附属口腔医院进行。

1.3 对象选择广西医科大学附属口腔医院正畸科需行微种植体植入的错颌患者6例，并与患者签署知情同意书。其中男2例，女4例；年龄14-28岁，平均18.6岁。

纳入标准：上下颌牙槽骨、牙龈，牙齿解剖结构正常的正畸治疗患者。

排除标准：①锥形束CT牙和颌骨图像不清晰；②不愿接受锥形束CT检查者；③有系统性疾病。

1.4 方法

1.4.1 高精度三维整合牙颌模型的建立

三维重建锥形束CT牙冠和牙根模型：患者上下牙咬住一定厚度的蜡片，进行牙颌锥形束CT扫描(I-CAT 17-18，广西医科大学附属口腔医院，分辨率：0.25立体象素，获取时间为26.9 s；曝光37.07 mAs，120 KVP，层厚 0.250 mm)。所有的扫描原始数据转化为DICOM格式文件，输入Mimics17.0软件。选择合适的阈值，提取术区相邻牙齿蒙罩(mask)，计算重建出三维牙齿形态，得到三维锥形束CT牙冠和牙根模型(图1A)。

三维重建光学扫描牙冠和牙龈模型：用硅橡胶印模材料二次法在患者口内制取高质量的印模，要求牙列完整、术区牙龈高度至前庭沟处，灌制高质量的石膏模型。采用phasen工业级蓝光3 d扫描仪对石膏模型进行高精度 (0.02 mm)扫描，用机器自带软件重建输出STL格式的三维数字化牙冠和牙龈模型(图1B)。

获得三维整合模型并评价其精度：利用Geomagic studio 12.0软件，以三维锥形束CT重建模型为基准模型，即不改变其坐标，在同一患者单颌锥形束CT模型与光学扫描模型上分别选取切牙、尖牙、前磨牙、磨牙等共5-8个牙尖顶或中央窝等典型解剖结构相应点，进行自动配准，使两模型牙冠部分粗略重叠(图2A)。在初始配准的基础上，再对锥形束CT 模型和光学扫描模型进行全局自动配准，使两模型最优重叠，获得三维整合模型(图2B)。配准完成后，用软件的偏差分析功能自动检测两模型间的3D偏差，如色谱图所示(图2C)，牙冠部分配准精度高。

1.4.2 计算机辅助设计与制作个体化微种植体手术导板

微种植体模拟体的虚拟植入：基于三维整合模型，利用Mimics17.0软件定位微种植体模拟体(图3)。微种植体模拟体为直径1.8 mm、长11 mm的圆柱体。植入位置为上颌第二前磨牙与第一磨牙牙根之间，与两牙根间近似等距植入，高度为膜龈联合处，模拟体与邻牙牙长轴呈约60°。

微种植体手术导板的设计：在微种植体虚拟植入完成后，恢复牙龈形态(图4A)。运用Mimics17.0软件和3-matic8.0软件相结合，根据已完成定位的微种植体虚拟体设计导板，计算生成三维微种植体手术导板，分为固位部分和轨道(图4B)。该导板为混合支持式导板，覆盖微种植体植入区域牙龈、牙冠颊面、牙合面和部分腭面，厚度为 2 mm。导板的轨道为引导微种植体植入的部分，为圆柱形的空管，壁厚1.5 mm，两侧带有凹槽。轨道内径为1.8 mm，与微种植体颈部直径一致，轨道长度为3 mm。在轨道的两侧分别设有无树脂区域，并与轨道凹槽相连接，此为导板薄弱区域，以使导板完成微种植体定位后顺利脱位。

微种植体手术导板的制作：将设计完成的导板以STL格式输出(图5A)，采用快速成型设备(formlabs form2，美国)输出实物微种植体手术导板(图5B)。

1.5 主要观察指标

评价微种植体手术导板的精度：利用游标卡尺测量导板的轨道内径，样本量n=6，所有操作由3位操作者独立进行，每位操作者对每个样本进行3次测量，计算3次测量的平均值代表测量值。

检查微种植体手术导板的就位及固位：将制作完成的树脂手术导板于患者口内试戴，嘱患者咬合，检查其就位及固位情况。

1.6 统计学分析利用SPSS 22.0软件进行随机区组设计的方差分析，来比较操作者间的差异。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

近年有研究报道微种植体的成功率仅为89.1%^[6]，影响微种植体稳定性的因素有很多，有报道称微种植体与牙根接触是植入失败的主要风险因素。临床微种植体植入常使用二维X射线片定位直接植入法。根据Kuroda等^[7]学者的研究，传统的X射线片定位植入法，微种植体植入造成牙根周围结构接触或伤害的概率在上颌和下颌分别是47.4%和48.3%。因此，传统X射线片定位植入微种植体有可能对牙齿周围解剖结构造成不希望的损害。因为这种方法依赖于操作者的感觉，而且能见性有限^[8]。为了增加微种植体植入的安全性、稳定性和成功率，一些减少牙根接触而增加微种植体植入精度的方法在文献中报道。最初有学者使用简单的钢丝结合根尖片的钢丝引导法^[9-10]。通过使用石膏模型制作的树脂合板型导板植入微种植体的技术也有报道。这些方法由于无法明确植入区颌骨的三维结构，因此不能准确地指导微种植体的植入。近年来，三维影像技术克服了二维影像的不足，并且已被用于微种植体手术导板的设计与制作。国内有学者报道单纯基于锥形束CT影像进行正畸微种植体导板设计，利用牙冠固位，并设计为导板与黏膜不接触^[3-4]。但在微种植体植入过程中会产生阻力，使导板有往外移位的趋势，仅依靠牙冠固位，没有颌骨与粘膜的支持，可能会导致导板不稳定，影响植入的精确性。另外，有学者报道采用外部标志物重叠配准设计导板，但需要拍摄两次锥形束CT，存在费用高、放射量大和制作步骤繁琐的缺点^[5]。

三维锥形束CT模型和三维扫描牙颌模型整合使得既能精确评估牙齿三维空间位置关系，也包含了精确的牙冠和牙龈牙槽黏膜等软组织信息，可直接设计制作出更加精密的手术导板。国外也有学者有类似的研究，但其实验对象是尸体颌骨，没有牙龈等软组织的重建，而且缺少临床使用的研究^[11]。课题负责人前期研究已报道将三维锥形束CT图像和光学扫描三维图像进行整合，可建立显示精确牙冠和颌骨的高精度三维整合牙颌模型，并已将其成功应用于计算机辅助设计个体化舌侧托槽^[12]。

精准的三维整合模型是进行正确的微种植体手术导板设计的基础。锥形束CT扫描和三维激光扫描所得到的模型都是三维真实图像，没有二维投射图像的放大率问题，但二者分辨率不同会影响配准误差，因此需要对整合模型精度进行分析。并且此次研究只需要进行牙颌的配准，无需锥形束CT的颌骨信息，相较于之前的个体化舌侧矫治器的整合模型提高了精度。因此，此次研究将三维锥形束CT模型和三维光学扫描模型运用软件，采用顺序性点配准和全局配准，建立了高精度的三维整合模型，既能显示用于微种植体的虚拟植入的牙根又包含可设计出高精度导板的精确牙冠和牙龈信息。运用软件的偏差分析功能自动检测两模型间的3D偏差，色谱图显示，三维锥形束CT模型和三维光学扫描模型配准精度高，表明三维整合模型可应用于进一步高精度微种植体手术导板的设计。

在临床正畸治疗中，由于自攻型植入微种植体的方式更为简单，手术时间相较于助攻型方式短，并且降低了损伤牙根的风险，一直以来也有报道自攻型植入微种植体的方式稳定性高于助攻型植入方式^[13]。因此此次研究选择自攻型方式植入微种植体。关于微种植体以何种角度植入牙槽骨最有利于保证其稳定性，这一问题存在不同观点。基于生物力学的应力遮挡原理，因骨皮质密度明显高于骨松质而成为应力的主要承受区，因此种植体骨界面的应力主要集中在骨皮质区^[14]。随着种植体植入角度的减小，种植体颈部与骨皮质接触面积增大，应力能在更大范围内的骨皮质扩散，增强了种植体的稳定性；但随着角度进一步减小，微种植体嵌入骨内的长度逐渐减小，导致应力又开始增大^[15-16]。因此此次研究设计的微种植体手术导板轨道为与牙长轴呈约60°。根据矫治需要，颌骨大部分区域均可植入微种植体，理想部位应有一定的骨皮质厚度、足够的附着龈，同时避开唇颊系带。邹双双等^[17]的研究表明，颊侧皮质骨厚度由牙槽嵴顶向根尖方向有逐渐增大的趋势，越靠近根方，植入时可获得更好的初期稳定性，因此此次研究以颊侧膜龈联合处稍偏龈方为微种植体植入位点，在临床的初步应用已取得一定的成功。

此次研究微种植体手术导板设计为混合支持式，分为固位部分和轨道。固位部分覆盖微种植体植入区域牙龈、牙冠颊面、牙合面和部分腭面，覆盖面积大，其以相对应解剖结构的表面外展设计而成，因而与相对应部位的牙齿和牙龈表面完全贴合。采用高精度的三维打印技术打印得到实物手术导板，导板在患者口内试戴完全贴合。同时对于已粘固托槽的牙齿，填平托槽周围倒凹，同样能成功设计和制作微种植体手术导板。以往微种植体手术导板的设计，为了使微种植体能够顺利脱位，都是以微种植体植入杆末端直径为轨道内径^[18]。而植入杆的直径大于微种植体直径，在利用导板植入时，可能会导致微种植体植入时出现偏差。而且这种设计的导板引导部分体积大、离牙龈的距离远，影响了患者的舒适度及植入位点的灵活性。因此设计的微种植体手术导板轨道内径为微种植体颈部直径的圆管，增加了植入过程的稳定性和准确性。此次研究结果显示导板轨道的内径为(1.79±0.23) mm，表明手术导板精度高，误差小。另外，在轨道两侧设计了薄弱区域，微种植体植入位置和方向固定后，持针器可从导板薄弱区夹断部分树脂，手术导板能够顺利脱位。此次研究结果显示，基于高精度三维整合牙颌模型设计的微种植体手术导板精度高，可行性好，能够为进一步研究手术导板的临床应用提供基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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