牙支持式导板设计制造误差及对种植精度的影响

doi:10.12307/2023.466

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (21): 3356-3360.doi: 10.12307/2023.466

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牙支持式导板设计制造误差及对种植精度的影响

徐良伟，张坤领

宁波职业技术学院，浙江省宁波市 315800

收稿日期:2022-05-18 接受日期:2022-07-27 出版日期:2023-07-28 发布日期:2022-11-24
通讯作者: 徐良伟，博士，讲师，宁波职业技术学院，浙江省宁波市 315800
作者简介:徐良伟，男，1989年生，浙江省台州市人，汉族，博士，讲师，主要从事口腔领域医工结合、3D打印及生物力学仿真研究。
基金资助:
宁波职业技术学院高层次人才引进培养科研项目《基于SLA的氧化锆桩核生物力学及制备方法研究》(NZ22RC02)，项目负责人：徐良伟

Design and manufacturing error and implant accuracy of tooth-supported surgical template

Xu Liangwei, Zhang Kunling

Ningbo Polytechnic, Ningbo 315800, Zhejiang Province, China

Received:2022-05-18 Accepted:2022-07-27 Online:2023-07-28 Published:2022-11-24
Contact: Xu Liangwei, phD, Lecturer, Ningbo Polytechnic, Ningbo 315800, Zhejiang Province, China
About author:Xu Liangwei, phD, Lecturer, Ningbo Polytechnic, Ningbo 315800, Zhejiang Province, China
Supported by:
Scientific Research Project of Introduction and Training of High-Level Talents of Ningbo Polytechnic, No. NZ22RC02 (to XLW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

光固化快速成形技术：是一种增材制造技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层；工作台下移一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。
种植精度：是指在同一坐标系下，种植体实际植入位置与计算机中种植方案中的设计位置之间的偏差。

背景：种植导板能有效将术前设计的种植体位置转移到患者口内颌骨中，使种植体避开神经线、上颌窦等重要解剖结构，有效降低手术风险，因此导板种植手术精准度就显得尤为重要。
目的：评估带有特定定位曲面的牙支持式种植导板设计制造误差，以及其对种植精度的影响。
方法：选择一位缺牙患者拍摄锥形束CT并制取石膏模型，结合患者口内情况，进行种植方案设计，确定牙支持式导板定位曲面，并生成种植导板。采用光固化快速成形技术加工制造10个导板，并进行三维激光扫描，将扫描获取的导板三维数据与设计导板的三维数据匹配后，进行设计制造误差分析。另外，将制造得到的10个导板佩戴到患者石膏模型上，模拟静态导板引导下的种植体位置，将模拟获得的种植体位置与设计方案中的初始种植体位置匹配进行误差分析。
结果与结论：①导板制造的正向偏差均值为0.093 mm，负向偏差均值为0.092 mm，标准偏差值均值为0.169 mm；②模拟种植精度实验结果显示，种植体12的颈部中心偏差为(1.172±0.283) mm，顶端中心偏差为(1.339±0.283) mm，中心轴线角度偏差为(0.365±0.228)°；种植体21的颈部中心偏差为(1.274±0.379) mm，顶端中心偏差为(1.461±0.404) mm，中心轴线角度偏差为(0.643±0.276)°；③结果显示，带有特定定位曲面的牙支持式导板的设计制造误差对种植精度有显著影响。
https://orcid.org/0000-0002-0024-1862(徐良伟)
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: 种植导板, 模拟种植精度, 数字化设计与制造, 牙支持式种植导板, 导板设计

Abstract: BACKGROUND: The implant template can effectively transfer the implant designed position to the patient’s jaw. It helps implant avoid important anatomical structures such as nerve and maxillary sinus, and effectively reduces the risk of surgery. Therefore, the accuracy of implant template surgery is particularly important.
OBJECTIVE: To assess the design and manufacturing error of the tooth-supported surgical template and its implant accuracy in the fully positioned state.
METHODS: A patient with missing teeth underwent a cone beam CT and a plaster model was established. According to the patien’s oral situation, implant plan with special positioning surface tooth-supported template was designed and implant template was made. Stereo Lithography Apparatus rapid prototyping technology was used to fabricate 10 templates and three-dimensional laser scanning was performed. After matching the scanning data with designed template model data, manufacturing error analysis was carried out. In addition, the 10 manufactured templates were worn on the patient’s plaster model to simulate implant position, and the simulated implant positions were matched with initial implant positions in the design plan for accuracy analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The mean positive deviation of the template was 0.093 mm; the mean negative deviation was 0.092 mm, and the mean standard deviation was 0.169 mm. (2) The simulated implant accuracy results showed that the neck center deviation of implant 12 was (1.172±0.283) mm; the top center deviation was (1.339±0.283) mm; the central axis angle deviation was (0.365±0.228)°; the neck center deviation of implant 21 was (1.274±0.379) mm; the top center deviation was (1.461±0.404) mm, and the center axis angle deviation was (0.643±0.276)°. (3) These results indicate that the design and manufacturing error of tooth-supported template with a specific positioning surface has a significant impact on implant accuracy.

Key words: implant template, implant accuracy, digital design and manufacture, tooth-supported implant template, template design

中图分类号:

徐良伟, 张坤领. 牙支持式导板设计制造误差及对种植精度的影响[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(21): 3356-3360.

Xu Liangwei, Zhang Kunling. Design and manufacturing error and implant accuracy of tooth-supported surgical template[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(21): 3356-3360.

图/表（结果） 3

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引言

口腔种植导板是静态计算机辅助种植手术的重要组成部分，是将数字化虚拟设计的种植位置转移到患者口内的关键载体[1-3]。种植体尖端与下牙槽神经管、上颌窦底、颊舌侧骨壁等关系密切，同时术者在临床操作中无法直视种植体尖端，精确的种植体位置是种植手术成功的必备条件，导板种植手术精准度就显得尤为重要，因此，导板种植精度一直是临床关注和研究的重点[2，4-18]。许多临床研究表明，采用静态计算机辅助种植手术要比传统的徒手种植更加精准[12-13，16，19]。
虽然现有的计算机辅助种植精度在临床大多数病例情况下属于可接受的范围内，但1 mm以上的种植体偏差仍有导致手术失败的风险。
导板从设计到种植应用需经历多个复杂环节，每个环节均可影响导板种植精度，比如图像采集精度、取模精度、导板制造精度、导板定位方式、导板套筒高度及医师经验等[20-31]。导板依据定位方式可分为牙支持式、黏膜支持式、骨支持式及混合支持式，不同导板定位方式会对种植精度产生影响，其中牙支持式导板有稳定且易获取的定位支撑面，采用牙支持式手术种植精度相对较高[32-34]。依据数字化种植方案设计及手术实施过程，可将过程误差分为4个阶段误差：数据采集误差、设计制造误差、导板术中定位误差以及术中人为误差。从导板种植的植入位置控制原理可知，种植体距离套筒上端面及定位面有设定的距离，在钻头沿着导向孔备孔时，种植误差会因导板设计制造及定位偏差产生放大效应。
该文旨在研究带有特定定位曲面的牙支持式导板的设计制造误差及其对种植精度的影响，即在设定的定位面下设计制造误差对种植精度的影响。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 设计实验性研究。
1.2 时间及地点实验于2021年11月至2022年3月在宁波职业技术学院机电工程学院完成。
1.3 材料选择一位全身情况良好、无种植禁忌证的男性缺牙患者的锥形束CT资料。受试者对实验知情同意。研究获得宁波鄞州口腔医院批准。
1.4 方法
1.4.1 锥形束CT数据的获取在初诊时对患者进行锥形束CT设备(Kavo，美国)扫描，扫描过程采用如下参数：8 mA，120 kV，8 s扫描时间，层厚0.25 mm。最终获取的影像数据存储为Digital Imaging and Communicated in Medicine(DICOM)3.0文件格式。同时采用硅橡胶印模材料(DMG，德国)制取上、下颌的印模，将印模灌制成石膏模型，利用激光扫描设备DS200(先临三维，杭州)将其扫描成三维数据，最终以STL文件格式导出保存(图1A)。
1.4.2 导板设计与制造将锥形束CT数据与扫描获取的石膏模型导入种植设计软件6D Implant(六维齿科，杭州)进行种植方案设计(图1B)。依据患者口内情况，种植体规格选择Megagen EZ Plus系列的Φ4.0 mm×13 mm型号(Megagen，韩国)，定位方式选择牙支持式，生成相应导板。然后将导板数据导入Magics(Materlise，比利时)软件进行定位曲面简化设计，获取牙支持式导板定位曲面，并生成最终导板(图1C)。采用3D打印光固化快速成型技术在快速成型设备(Connex350，以色列)工作台中一次性加工制造10个导板，材料选择医用树脂材料MED610。导板加工完成后，超声振荡法清洗去除导板加工支撑材料。

1.4.3 导板制造误差分析导板种植精度与导板定位在患者口内接触曲面处的误差直接关联，因而该文只分析导板定位面的制造误差，将导板制造误差定义为导板定位曲面的制造误差。导板定位曲面误差采用制造获得的定位曲面和设计获得的定位曲面两者偏差进行描述。具体分析方法是：在导板表面喷涂显影剂，待显影剂附着后，将导板固定在激光扫描设备中进行三维扫描(图1D)获取导板模型数据(图1E)。10个导板扫描均由同一人完成，获取的数据以STL格式存储。然后将扫描获取的导板数据导入到Geomagic(Geomagic，美国)软件中进行偏差分析。定位曲面误差方向以导板佩戴后，偏离设计曲面朝向唇侧为正、朝向腭侧为负，定位曲面制造误差以偏离设计的定位曲面平均距离及标准偏差表示。

1.4.4 导板佩戴在石膏模型上的模拟种植精度分析将上述误差分析实验中的10个导板依次佩戴定位在石膏模型上(图2A)进行激光三维扫描(图2B)，获取导板和石膏模型数据(图2C)。定义拟植入种植体名称为种植体12与种植体21(图2D)。由于导板导向孔是依据与设计的种植体中心线同轴且离种植体根部有固定距离原理设计，因而可依据导板在石膏模型上导向孔所在空间位置，在Rhino 4.0(Robert McNeel & Assoc，美国)软件中反向模拟出导板在石膏模型上定位后预期的种植体位置(图2E)。模拟种植精度分析，基于导板在石膏模型上定位后获得的模拟种植体位置与种植方案设计的初始种植体位置进行匹配分析，测量以下参数：种植体颈部偏差、顶端偏差及种植体中心轴线角度偏差(图2F)。种植体颈部是指种植体与基台连接处，种植体顶端是指种植体植入的尖端位置。实验数据是基于种植体颈部和顶端的中心进行分析的，为方便实验分析，重建的模拟种植体采用圆柱体来代替，圆柱体尺寸参照设计所选用种植体的直径及长度。

为了确保测量数据的可靠性，所有测量由相同人员完成，且在1周后重新测量1次。

1.5 主要观察指标特定定位曲面的牙支持式种植导板设计制造误差，以及其对种植精度的影响。

讨论

在以往的数字化种植精度临床研究中，种植精度分析多采用在种植手术完成后对患者再次进行锥形束CT扫描，将二次扫描数据配准到患者种植方案中，分析种植体位置偏差[2，15-17]。TAHMASEB等[10]回顾了372篇文献，合计2 238颗种植体，研究发现种植体颈部的偏差在1.04-1.44 mm，顶端的偏差在1.28-1.58 mm，角度方向偏差3.0°-3.96°。有研究分析了采用黏膜支持式导板种植的859颗种植体位置偏差，发现种植体颈部的中心偏差在(0.65±0.16) mm，顶端的中心偏差在(1.16±0.61) mm，角度偏差(4.04±2.26)°[35]。临床结果中种植体顶端的中心偏差均比种植体颈部的偏差要大。
数字化种植方案设计及手术实施过程产生的数据采集误差、设计制造误差、导板术中定位误差以及术中人为误差，与种植精度紧密相关。许多研究围绕上述4个关键过程展开了研究，其中数据采集误差更多是研究数据采集自身的精度[28]，设计制造误差主要围绕套筒的高度、钻孔深度作为变量展开分析[29，31]，导板术中定位误差及术中人为误差主要基于术后的结果进行分析[30，32-34，36]。事实上，可以将种植误差的成因分为两大类，即设计制造过程带来的误差与人为因素引起的误差。其中数据采集误差、设计制造误差及导板的定位误差归归结到一起，为表现在导板上的关联误差，而如操作者自身导致的导板佩戴不到位引起的定位误差、种植经验不足等原因定义为人为因素引起的误差。该文主要是基于体外实验的方法在术前评估了导板设计制造误差对种植精度的影响，确定导板种植系统本身在前期设计制造过程中累积的系统误差，排除人为因素引起的误差。
从导板设计制造误差分析结果中可知，在种植设计软件中依据种植方案生成导板，导出导板，通过光固化快速成形技术制造导板这3个过程会积累一定的设计制造误差。设计制造误差取决于数据种植设计软件及3D打印设备转化精度。表1结果显示导板制造存在正向和负向偏差，且正向和负向偏差的绝对值差异较小，导板定位曲面标准偏差均值为0.169 mm，这表明牙支持式导板的定位面在设计制造后与理想的定位面相比较有可能产生内凹或者外凸的情况，偏离理想定位面的方向存在不确定性。这会导致在实际种植过程中，由于导板定位位置与设计定位位置存在偏差，造成种植体植入位置的偏差，也解释了临床中远离导板定位孔的种植体顶端的偏差往往要大于种植体颈部的偏差。云图结果显示各个导板中的3个定位曲面偏差无明显差异，因在实验过程中导板是一次成型，且随机摆放，这也表明导板在打印机中的空间摆放位置对加工精度无显著影响。偏差分析云图中个别导板定位曲面与其他导板同一定位曲面相比存在较大偏差，这可能是清洗过程中未有效去除支撑材料所致。
体外模拟种植实验结果表明，带有特定的定位曲面的牙支持式导板的设计制造误差，对导板定位后的模拟种植精度有显著影响，存在放大效应。种植手术是依据导板定位在口内进行导向备孔确定种植体位置，而导板与口内存在定位接触面，植入种植体的位置又远离导板定位面，导板的设计制造误差结合定位误差存在放大效应，会对植入种植体造成远大于导板制造误差本身的偏差。此次实验中导板定位曲面标准偏差均值0.169 mm，带有特定定位曲面的导板经过实际定位后，种植体的颈部偏差均值放大到1.274 mm，顶端偏差均值放大到1.461 mm，种植体顶端偏差大于颈部偏差。影响临床种植精度的一个重要因素就是导板定位方式及定位稳定性。牙支持式导板因其较易获得的定位面及定位稳定性，种植精度相对于其他定位形式的导板更高。牙支持式导板方案中作为定位支持牙齿的分布与颗数对导板种植精度也会造成一定影响。此次实验首先明确了定位方式与定位曲面，实验中的导板是基于设计的特定定位曲面的牙支持式，排除了定位方式对种植精度的干扰。牙支持式定位面选择采用3个不在同一平面且具备一定距离的空间曲面，确保了定位稳定性。该文采用术前在体外模拟导板定位状态进行种植精度分析，与以往种植精度分析相比，剔除了术中人为因素的影响。过往临床研究结果发现种植体颈部的偏差在1.04-1.44 mm，顶端的偏差在1.28-1.58 mm，角度方向偏差3.0°-3.96°，种植体顶端的中心偏差明显大于种植体颈部偏差。对比实验结果的模拟种植精度与临床种植精度数据可知，带有特定定位曲面的牙支持式导板累积的设计制造误差对种植精度的影响已接近临床种植精度。依据导板种植的植入位置控制原理可知，种植体顶端相比于种植体颈部离套筒上端面距离更远，因而在钻头沿着导向孔备孔时，种植体顶端的偏差会略大于颈部偏差，这也与套筒高度及钻孔深度相关文献的研究结果一致。有研究也表明，在使用数字化种植导板情况下，有导板使用经验的不同医生对种植精度无显著影响。从上述分析可知，导板设计制造累积的系统误差在导板佩戴在患者口内后会产生放大效应，应当尽可能地提升各个环节，如锥形束CT拍摄、取模、种植软件导板生成算法、增材制造设备加工精度及控制套筒高度，这都有利于控制累积的系统误差，从而提升导板种植精度。
该实验结果有助于更好地理解计算机辅助种植误差的来源以及影响因素。与术后种植精度分析相比，临床医生能在术前模拟计算出所设计的带特定定位曲面的牙支持导板种植误差，有助于医生完善种植方案，以降低或者规避手术风险。同时，该研究方法对牙支持式定位曲面的选择与设计也具有一定指导意义。
结论：实验分析了特定定位面下的牙支持导板设计制造误差及对种植精度的影响，结果表明，带有特定定位曲面的牙支持式导板的设计制造误差，对导板定位后的模拟种植精度有显著影响。但因该文是基于特定定位面下的牙支持式作为定位方式进行的研究，该结果并不能代表其他定位方式下的种植误差。同时实验结论主要来自体外模型研究，存在局限性，今后应进行更深入的系统研究。
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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