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可视化技术在口腔种植的应用进展

发布时间:2019-09-20

 





  医学三维可视化技术是通过计算机断层技术(computed tomography,CT)、磁共振成像(magneticr esonance imaging,MRI)、超声波成像(ultrasound,US)、正电子发射型计算机断层显像(positron emission computed tomography,PET)等医学影像技术得到人体器官组织的二维数字断层图像。计算机对此二维图像进行处理,再按照某种特征(如灰度、纹理、色彩等)从中提取有意义的子区域,进行图像的三维重建,使其成为全视角观察的三维图像,并且实现了三维重建图像与临床医生的交互性操作。 



目前,医学三维可视化技术在口腔种植学应用广泛,术者可以在术前三维重建颌骨形态,直观观察术区解剖结构,并进行模拟种植设计,包括种植体的规格、方向和位置等。可视化技术的发展不仅提高了临床诊断评估的准确性和科学性,也有利于临床治疗的方案规划和医患沟通。可视化技术在口腔种植学的应用,已经成为国内外研究的热点之一,本文就可视化技术在口腔种植的临床应用和研究进展展开综述。 


一、影像学技术在口腔种植的应用  

医学影像新技术层出不穷,从开始的X线、B超、CT、MRI、PET,再到后来的医学图像三维重建可视化,其中,X线和锥形束计算机断层技术(cone beam computer tomography,CBCT)在口腔临床应用广泛。 

X线片空间分辨率高于CT、价格便宜、放射剂量少、使用安全,但是其仅能显示局部解剖结构的二维平面图像,且常出现变形和失真。CBCT与X线片相比,可从三维角度显示颌骨解剖结构,弥补了二维平片的缺陷,但有金属伪影等失真现象。目前在口腔种植术前,均建议拍摄CBCT以评估患者牙槽骨骨量和质量,极大提高了口腔种植成功率和准确率。 




Michele等对离体下颌骨分别进行CT和CBCT扫描发现,相对于CT扫描,CBCT放射剂量较小且成本较低,可以获得临床可接受的颌骨重建精度以及骨质密度评估精度,但其影像学重建精度低于CT扫描。Lílian等研究了100例患者的CBCT后发现,CBCT可以精确重建包括下颌下腺窝深度、骨质深度与厚度、皮质骨厚度、下颌神经管等下颌骨解剖标志,对临床医生进行牙种植术有重要指导意义。 

Maryam等通过研究157例患者的曲面断层片与CBCT发现,与平面的曲面断层相比,CBCT不仅能全面观察上颌磨牙根尖与上颌窦底的毗邻关系,对于上颌磨牙根尖周炎引起的上颌窦病变的诊断也明显高于曲面断层片。 


二、可视化技术在口腔种植的应用进展  

种植义齿因固位支持效果理想、美观舒适、对邻牙无伤害等优点,逐渐成为牙列缺损和缺失患者口腔修复的首选方法。然而,种植体植入的角度和位置常受手术视野、骨内神经、颌骨生理或病理性吸收等条件限制,因此可能出现诸多手术和修复并发症。所以科学精确的术前规划十分重要,目前应用于口腔种植的三维可视化技术主要为:3D打印种植导板技术、虚拟现实技术以及基于Visualization Toolkit(VTK)软件平台的医学图像三维可视化系统。  


2.1 3D打印种植导板技术 

2.1.1种植导板的定义 

3D打印技术是以计算机辅助设计(computer aided design,CAD)、计算机辅助制造(computer aided manufacturing,CAM)技术、激光技术、计算机数控技术以及新材料技术为基础发展起来的一种基于计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术制造实体模型的方法。 




种植导板由导管与定位板组成,其中导管的位置和角度记录了术前设计的种植体位置、角度、深度信息,导管可将这些信息转移到手术中,使种植体植入到准确位置。导板通过与骨、牙齿或牙槽嵴表面贴合起定位作用,根据种植导板支持组织不同可分为黏膜支持式、骨支持式、牙支持式和混合支持式。 

 



(福州榕城成功义齿制作有限公司——福建首家种植导板合法供应商) 

2.1.2种植导板的特点 

随着口腔种植学的飞速发展以及患者要求的提高,数字化种植技术成为当前口腔种植学研究的热点。以CAD/CAM技术制作的快速成型种植导板,可根据数字化重建患者颌骨解剖信息,为不同患者制定全面、科学、精确的种植术前规划。 

利用CBCT对患者口腔进行数字化影像扫描定位后,将数据导入相应软件,实现影像信息向数字化信息的转化,系统全方位的将患者牙齿、牙周组织、牙神经、牙槽骨等逼真地呈现在医生和患者面前。医生根据颌骨的三维解剖结构和咬合关系设计种植体的最佳植入方案,包括种植体的位置、角度、数目、深度,将设计方案数据输入到医学专用快速成形机直接制作导板。 




2.1.3种植导板的研究进展 

种植导板精确性的评价是通过把种植后的三维影像与术前模拟种植的三维影像进行配准,测量实际种植体的位置与模拟种植体的位置偏差值(颈部、底端、角度)来进行的。风险评估显示,种植体头部的偏差极限值对于种植体成功与否尤为重要,当水平偏差达1.86mm或垂直偏差达2.7mm可能会对种植体周围解剖结构造成损害。目前国内外对种植导板精确性评价的研究较多,结果各有不同。 

Vermeulen等在体外模型上分别研究了徒手种植和种植导板引导单牙缺失牙种植的精度,结果发现:导板种植在种植体颈部平均偏差为0.42mm,底端平均偏差为0.57mm,平均角度偏差为2.19°,均远高于徒手种植精度。Alzoubi等通过对比种植导板引导下即刻种植与延期种植的精度发现,二者在颈部偏差和角度偏差无统计学差异,平均偏差分别是0.85mm和0.88mm,3.49°和4.29°,在种植体底端,即刻种植精度高于延期种植精度,平均偏差分别是1.10mm和1.59mm。Yolanda等通过统计1602篇关于种植导板精度研究的文献,Meta分析显示:与牙支持式导板相比,骨支持式导板角度偏移较大,颈部偏差和顶端偏差二者无明显统计学差异。 




回顾性研究发现:黏膜支持式导板在颈部偏差、底端偏差和角度偏差均大于骨支持式导板,与牙支持式导板相比二者无明显统计学差异。国内种植导板研究起步相对较晚,但目前发展迅速。梁烨等研究结果显示种植体颈部偏差(0.805±0.567)mm,底端偏差(0.957±0.518)mm,角度偏差3.124°±1.582°。徐良伟等研究显示:牙支持式导板颈部平均偏差为1.56mm,底端平均偏差1.78mm,深度平均偏差1.1mm,角度平均偏差2.96°;黏膜支撑导板颈部平均偏差1.71mm,底端平均偏差1.9mm,深度平均深度偏差1.09mm,角度平均偏差3.19°。 

由于实验条件和方法不同,国内外的研究对导板精确度的评价有所不同,原因分析如下:①导板固位方法不同:Yolanda等研究发现牙支持式种植导板在种植体颈部、底端、角度的精确性都大于骨支持式;②实验条件不同:体内研究中,导板的精度与患者体位、唾液、血液等息息相关,而在体外研究中,每个研究者模拟的环境有所差异;③术前、术后配准方法不同:目前多数种植体精确性评价多借助于第三方软件,如比利时的Mimics软件、SimPlant软件等,研究者对不同配准软件的选择以及研究者本身测量的误差,是造成不同研究者数据差异的主要原因。 






2.1.4种植导板的局限 

首先,应用数字化导板在术中视野较小,且只能按照预定的手术方案进行备洞,并不能根据实际临床情况及时调整钻针深度、尺寸和方向,尚存在损伤重要解剖结构的风险。 

其次,种植导板、钻针以及其他附件的高度叠加要求患者需要良好的开口度,尤其在后牙区,患者不适宜的开口度可能不适用于种植导板。 

再次,种植导板制作精密,其与黏膜、钻针间隙极小,术中的温度控制是一项很大的挑战。最后,如果术前种植规划系统科学性及准确性不足,种植导板在术中易引起诸多并发症,特别是不翻瓣种植术式下,种植导板可能产生更高的穿孔率。  


 
2.2 虚拟现实技术 

2.2.1虚拟现实技术的定义 

虚拟现实(virtual reality,VR)是一种多元信息融合的新型人机交互设备,参与者可以通过视觉、听觉、触觉等感知通道来感知计算机模拟的虚拟世界。参与者可以通过人机交互传感设备沉浸于该三维模拟环境中,计算机也可以对参与者的输入作出实时响应,并分别反馈到参与者的五官感知通道。目前,虚拟现实技术临床应用前景良好。 

2.2.2虚拟现实技术的特点 

VR是具有交互性、沉浸性及构想性三种基本特征的高级人机交互设备。目前,VR技术在口腔种植学的应用主要是数字虚拟口腔、种植仿真模拟教学等方面,并实现了视觉模拟和力觉反馈模拟。VR技术在术前模拟、术中导航、植体定位等方面为医生提供了客观精确的方案。对于存在解剖缺陷患者,如颌骨骨量不足、上颌窦底过低、下颌神经管距离较小等,VR技术允许医师在生成的数字化模型上进行上颌窦提升术等精细虚拟种植手术,以确定提升高度、植骨数量以及下颌神经管解剖位置。 




2.2.3虚拟现实技术的研究进展 

关于口腔虚拟现实技术的应用,国内外学者做了诸多研究和探索。Elby等通过对目前医疗市场上投入使用虚拟现实设备的综述,强调了虚拟现实技术在现代口腔医学教育的重要作用,其不仅可以完美模拟真实口腔环境,也可以模拟真实口腔操作手感。Corrêa等研究开发出下牙槽神经阻滞麻醉虚拟现实设备,通过对训练者进行角度、深度、力度等多方面考核,认为该虚拟现实设备完全可以作为高效的学习方法投入使用。国内学者对口腔数字化模型的建立也做了诸多研究和探索,最终建立了可精确显示牙体、牙槽骨及牙周组织的三维立体模型,实现了三维方向的全方位观察。 

2.2.4虚拟现实技术的局限 

尽管VR技术在医学应用前景较好,但是目前VR技术仍主要应用于医学前期训练、医学教学等方面,其与口腔临床的实际结合仍然需要继续探索和研究。 



2.3 基于VTK平台三维可视化系统 

Visualization Toolkit(VTK)软件是一种广泛应用在医学图像处理领域的开源工具包,其封装了丰富的计算机图形学、图形图像处理、可视化方面的算法,能够以类库的形式给开发工作以直接支持。以VTK为平台,整合患者颌面部CBCT相关图像,可设计出可视化的视觉显示界面,实现患者颌面部的三维重建,可对患者进行科学全面的种植术前规划。 

李芳等基于VTK的平台,研究了三维模型坐标转换,并采用针刺取点法,通过直接拾取三维空间点完成了人机交互定位操作。并将该系统应用于虚拟牙种植系统,成功实现了种植体的全功能定位。 


VTK平台的三维可视化技术,充分利用CBCT提供的图像信息,可以重建包括上颌窦、下颌神经管等重要解剖结构,医生在术前可对颌骨进行深入观察、测量和分析,以确定最佳植入部位。 

VTK平台的三维可视化技术优势可概括为:①手术部位全方位的可视化;②种植体植入部位定位精确化;③术前直观手术模拟;④种植导板实现种植方案精确转移;⑤种植手术微创化。 

基于VTK平台环境的三维可视化技术,国内外已有多篇文献报道相关研究进展,但多数仍处于临床实验阶段,尚未全面投入临床使用。 


三、展望  

目前,医学三维可视化技术在口腔种植学应用广泛,但可视化技术仍然存在诸多缺点,如对硬件和软件要求较高、对信息的处理时间较长、三维可视化模型交互性不够等。未来可视化发展方向将是更简洁化、智能化、科学化和精确化,医学影像设备也向智能化、小型化、专门化、高分辨力可视化和超快速化方向发展。随着数字化牙种植技术的发展,三维可视化技术将在未来扮演更加重要的角色。 


四、结语  


医学三维可视化已经取得了很大的进步,在口腔相关疾病的诊断和治疗、临床教学和科研上都发挥了重要作用,促进了口腔种植学的蓬勃发展。虽然目前诸多的可视化技术仍处于起步和发展阶段,但随着科技创新的不断涌现以及计算机技术的不断发展,可视化技术仍然是今后的研究热点。可视化技术与口腔医学的密切结合,将为口腔种植学的发展提供更大的助力。 

文章来源:蒋晔,张志宏,刘红红.可视化技术在口腔种植的应用进展[J].口腔医学,2018(11):1053-1056. 
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