【專家論壇】吳軼群. 動態導航系統在口腔種植領域的發展和應用

王躍平 1， 樊圣祈 2， 吳軼群 1，2

1. 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院口腔第二門診部，上海（201999）； 2. 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院口腔種植科，上海（200011）

【通訊作者簡介】  吳軼群，醫學博士，教授，碩士生導師，現就職于上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院口腔種植科及口腔第二門診部。國際口腔種植協會專家組成員（ITI fellow），中華口腔醫學會口腔種植專業委員會常委，上海市口腔醫學會口腔種植專業委員會常委，上海市口腔醫學會理事，國際口腔種植協會中國分會國際聯絡部主任。長期從事口腔及顱頜面種植的臨床和基礎研究工作，尤其對牙槽嵴骨量嚴重不足、數字化導板、計算機輔助導航系統的種植修復有深入研究，發表SCI論文30余篇，參編著作6部。多項臨床研究成果獲得上海市科技進步獎（2007，2010）、上海醫學科技獎（2009）和華夏醫學科技獎（2016）。

摘要 動態導航系統在口腔種植領域逐漸開始使用,系統能夠術前規劃種植體植入路徑,術中實時可視化追蹤種植鉆針,避開重要解剖結構,提高手術安全性。本文將簡述動態導航系統的發展,組成原理和臨床應用,針對不同導航系統輔助常規種植體植入的精度進行探討,并介紹動態導航系統輔助顴骨種植體植入術的精準度,分析導致臨床誤差的各種因素。

關鍵詞 ： 動態導航系統,  計算機輔助手術,  精確性,  顴骨種植體,  數字化手術導板  

Abstract  Dynamic surgical navigation system has been wildly used in implantology, the navigation surgical system provide preoperative trajectory planning. Moreover, the constant visualization of drilling trajectory during operation assist the operators by avoiding critical anatomic structures to achieve safer surgery. Our article focuses on the development and function of dynamic navigation system to evaluate the accuracy of dynamic surgical navigation system when used for regular implants and zygomatic implants placement. We aim to discuss the accuracy of different brand of dynamic surgical navigation systems for implants placement and to investigate the main reasons led the inaccurate outcome.  

1 導航系統發展

    20世紀70年代動態導航系統隨著三維影像技術的發展繼而研發, 結合導航立體定位框架和頭顱計算機斷層掃描, 由術前規劃軟件及定位探針組成了最初始導航系統的架構。1980年末, 多個團隊將導航系統軟件優化后, 使得導航器械尖端能被系統實時定位于計算機斷層掃描圖像上, 有利于術中定位。在導航系統飛快的發展與成熟之下, 1992年加拿大安大略醫療團隊操作了臨床上第一臺計算機導航輔助下完成的神經外科手術, 此無框架立體跟蹤系統被稱為Viewing Wand, 成功結合了術前CT診斷, 術前治療計劃和術中實時導航的應用, 成為重要的里程碑。之后5年內, 此領域逐漸擴展應用到頭頸部, 脊椎, 上頜竇和關節內窺鏡等手術中, 并于21世紀早期, 計算機導航系統輔助手術成為神經外科手術的標準術式之一[1]。

    1988年牙科三維CT出現后, 實時導航系統才正式在口腔種植學領域開展。1993年推出了第一代SimPlant軟件輔助規劃術前三維影像上種植體植入的方向及位置。2000年, 第一個適用于種植學領域的動態導航系統才正式出現, 能夠完善地利用術前規劃軟件設計出種植體植入位置, 于術中實時追蹤術者器械, 將牙科鉆頭及患者解剖結構可視化, 輔助術中定位種植窩預備的位置, 確定種植窩預備的方向[2, 3]。然而, 最初的導航設備由于操作過程過于復雜, 導航儀器體積過于龐大等諸多缺點導致難以應用于臨床治療, 已遭淘汰。近年來經過對導航儀不斷的改良, 以及口腔臨床上錐形束CT（cone beam computed tomography, CBCT）的普及, 導航步驟的簡化和配準時間的縮短, 眾多廠家推出了適用于種植手術的導航儀和相應的軟件, 能夠滿足臨床醫生的操作, 如IGI, VISIT, Robodent, Voxim, Treon等導航系統[4]。

    動態導航系統原理：導航系統關鍵技術是患者臨床圖像三維可視化、配準技術及空間定位技術等。患者術區任何一點都能以X-Y-Z坐標表示, 同時在計算機顯示器的三維圖像上以對應的X’ -Y’ -Z’ 坐標來表示。術前將帶有放射阻射標記的三維影像導入計算機內, 供臨床醫生進行術前方案設計、準備等。術中, 通過匹配術區的標記點和工作站三維影像上的標記點, 可將術中手術空間和工作站圖像空間相結合, 此過程稱為配準[2]。臨床上配準方式分為兩類, 分別為基于標記點的配準（Marker-based）和無標記點的配準（Marker-free）。基于標記點的配準是利用 墊、鈦釘等器械作為特殊標記固定于術區周圍來實現空間結合的配準方式。無標記點的配準利用患者本身的解剖標志作為標記點來完成配準[5]。術前進行配準步驟, 讓患者真實手術坐標與三維影像坐標一一對應, 術中實時顯示手術器械尖端所在位置及路徑, 實時跟蹤及可視周圍解剖結構, 能夠及時調整器械方向及位置, 形成實時導航系統工作流程。導航系統工作流程詳見圖1。

2 動態導航系統組成

    導航系統包括硬件, 軟件和導航工具。

2.1 硬件

    硬件包括數據處理計算機、監控屏幕、鍵盤、鼠標。所有配件整合于定制的手術工作站以利術者操作。

2.2 軟件

    通過導航設計軟件術前將CBCT等影像數據處理及導入, 輔助術前診斷及設計, 于重建的三維影像上選定最佳種植體植入位置及方向, 避免植入路徑觸及和損傷重要解剖結構, 制定最優化的手術方案。術中利用導航系統實現手術區域與三維影像空間的實時配準與追蹤, 通過實時可視化引導醫生完成精確定位與操作, 從而提高手術的精確性和安全性。借助動態導航系統, 術者可以實時觀察手術器械的位置, 同時進行手術操作, 實現了實時定位、調整、控制鉆孔路徑及角度、設置報警點等目標, 從而可以精準按照術前手術規劃植入單枚或多枚種植體, 避免傷及重要組織結構, 縮短了手術時間, 降低術中盲視下手術可能造成的創傷。

圖 1 動態導航工作流程圖

Figure 1 Working frame of navigation system in implant dentistry

2.3 導航軟件

種植機頭和患者參考架上安裝紅外線裝置或光學反射球。導航時根據追蹤工具上發出的LED信號或反射的紅外線追蹤手術工具的實時位置。紅外線照相機接收患者跟蹤裝置、指示器及鉆頭跟蹤裝置上的編碼信號, 將信號傳回計算機。需要注意的是, 紅外線照相機和手術工具兩者之間不能有障礙物阻礙, 且需保持在一定范圍內追蹤。

光學追蹤系統為目前導航系統中較常用的定位方法, 其中又可以分為主動追蹤和被動追蹤兩種不同的方式 [6]。目前, 口腔種植領域中, 大多數廠家推出的光學追蹤系統都是以被動追蹤為主, 原理為動態參考架將紅外線發光二級管發出的信號反射回紅外線立體攝像機后再負責將頜骨位置信號傳給計算機。在整個配準和手術過程中, 動態參考架必須堅強穩固地固定于三維導航模板上。以動態導航系統輔助單個牙缺失的種植體植入術為例, 配準裝置術前固定在鄰近缺牙區或對側同名牙上（圖2a）, 導航參考架與配準裝置連接并延伸至口外, 紅外線立體攝像機需要設立在高于患者頭部的區域, 才能有效追蹤信號。對于無牙 患者, 術前將頭顱定位參考支架安裝于患者額骨, 確認該支架固定連接后再進行配準及手術器械的標定（圖2b）。

目前, 國內外已有多個廠家針對口腔種植領域研發出計算機導航系統及設備。近期研究[4]比較多個不同導航系統間的誤差值, 將動態導航系統輔助下植入的1041枚常規種植體及種植體預備窩進行分析。作者計算種植體或鉆頭植入前后的起點和止點水平誤差, 誤差結果顯示Treon系統（Medtronic navigation, USA）為0.90 mm和0.60 mm, IGI系統（Image navigation, USA）為0.39 mm和0.50 mm, Robodent系統（Robodent, Germany）為0.35 mm和0.47 mm, Visit系統（University of Vienna, Austria）為0.72 mm和0.99 mm 。實時導航系統輔助下能達到較小的誤差, 因此其不僅被推薦適用于骨量充足的不翻瓣微創種植手術, 對于剩余骨量不足和臨近重要解剖結構, 難度較高的種植體植入術也符合其適應癥。

圖 2 參考支架

Figure 2 Dynamic reference frame

以往患者帶著放射導板拍攝全景片和根尖片來模擬缺牙區修復體的位置和方向, 然而這種影像技術無法提供完整的三維結構。因此, 傳統的手術導板只用來引導鉆頭定位種植體植入起點和角度, 無法顯示出骨內的重要解剖結構, 繼而無法提供準確的三維手術引導[7, 8]。為了克服上述困難, 各國學者一直致力于開發修復引導的精確種植體植入術。CT、種植規劃軟件和CAD/CAM無疑是此領域發展過程中的重要成果, 推動了數字化影像輔助種植體植入, 多種不同方法已經應用于臨床實踐。患者佩戴放射導板拍攝的三維影像經計算機制作成手術導板, CAD/CAM技術生成光固化導板、3D打印導板和動態導航輔助種植體植入術等。對于單牙或少數牙缺失的種植體植入術, 傳統手術方法已可以達到良好預期結果[9, 10], 甚至骨量嚴重吸收的缺牙區, 能通過不同骨增量術來滿足種植體植入術所需的骨量。但對于美學要求較高的前牙區, 種植體植入的位置、深度、方向稍有偏差都將會影響術后修復的效果。因此植入位點的設計和精確度顯得格外重要。

對于單牙或多個牙缺失的種植體植入術, 于術前設計軟件中將修復體擬合至缺牙區, 確定上下頜咬合關系, 規劃種植體基臺于修復體咬合面最優的穿出位點, 進而達到以修復為導向的種植體植入術。動態導航手術系統輔助常規種植體植入已被廣泛研究證實能夠達到臨床可接受的誤差, 相較于自由手（free-hand）操作, 導航系統的顯著優勢在于能將術前設計的種植體植入位置和方向, 高精準復制于患者口內, 并且通過術后拍攝CBCT與術前規劃路徑兩者導入導航系統軟件擬合, 即可明確分析出種植體植入的起點、止點和角度誤差。臨床研究指出[11]通過動態導航手術系統輔助常規種植體植入于離體頭顱的起點誤差、止點誤差和角度誤差分別是0.58 mm、 0.79 mm和3.55° 。而臨床上的誤差結果略高于離體頭顱, 其起點誤差、止點誤差和角度誤差分別是1.00 mm、 1.30 mm和6.40° [12]。理論上來分析, 離體頭顱和3D打印頭顱因沒有受限于臨床術中患者體位、開口度、唾液血液及手術器械和導航系統操作等影響, 故其研究精準性應高于臨床研究。

數字化手術導板已廣泛應用于引導常規植體的植入, 而且也具有良好的精確性。數字化手術導板于術區的穩定程度對手術精準度有較大的影響, 單牙缺失或多個牙缺失的數字化手術導板可利用余留牙作為牙支持式來固位, 以達到良好的固位效果。Jung等學者[4]將動態導航系統與數字化手術導板兩者結果比較顯示, 兩者間無顯著性差異, 因此數字化手術導板與動態導航系統均可作為引導常規種植體植入并有效提高精確性的輔助工具。

上頜牙列缺失伴剩余骨量嚴重不足患者的種植修復是口腔種植領域亟待解決的難題之一。對于剩余骨量充足的上頜牙列缺失患者而言, 種植方案多采用6至10枚常規種植體支持的分段式或一段式固定修復, 若患者剩余骨量不足時則須采取上頜竇側壁開窗提升術, 引導骨組織再生技術, 塊狀骨移植或牙槽骨牽張成骨等骨增量技術, 獲得足夠的可用骨量后再進行種植體的植入。然而當上頜剩余骨量嚴重不足或存在上頜骨缺損時, 上述骨增量技術的實施則難以獲得可預期的成骨效果, 并且會大幅延長治療周期、增加術中創傷及患者負擔。1998年Branemark教授首先提出將較長種植體植入顴骨以解決上頜骨量不足的種植技術, 通過雙側各植入一枚顴骨種植體并結合前牙區2至4枚常規種植體, 以一段式固定修復體重建上頜牙列[13]。顴骨致密的骨質和充足的骨量, 使得種植體在植入后得到足夠的初期穩定性, 為即刻修復提供所需的必要條件[14]。無牙 的修復對于臨床醫生也帶來較大的挑戰, 種植體植入的位點需要在術前規劃軟件上作出合理的設計, 種植術前給患者制作出臨時義齒并將CT數據導入規劃軟件中與術前CT擬合, 是目前最準確的確定種植體穿出位置的方法。對上頜剩余骨量嚴重不足的患者而言, 顴骨種植技術極大地縮短了療程, 減少手術次數, 避免大量復雜的骨增量操作, 并可進行即刻修復實現患者立即有牙的需求。而顴骨種植病例的難點為, 種植手術路徑長、種植位置毗鄰眼眶及內容物、眶下神經血管束、顴面部皮膚等, 并且手術大部分區域不可直視, 易出現種植路徑偏差, 引起各種手術并發癥[15]。

圖 3 雙顴種植體植入術后全景片

Figure 3 Radiographic of post?surgery of quad zygomatic implants placement

    前牙區剩余骨量嚴重不足而無法植入常規種植體的患者, 不符合顴骨種植的經典術式適應癥。Bothur[16]等學者提出單側顴骨植入多枚種植體的可行性, 并分別于雙側顴骨各植入2枚和3枚種植體, 繼而提出雙側顴骨各植入2枚顴骨種植體的改良術式（zygomatic quad approach）[17, 18, 19, 20], 又稱之為雙顴種植體植入術（圖3）。該改良術式較經典術式的適應癥更為廣泛, 能獲得更加優化的植體受力分布。但研究指出[21], 單側顴骨植入2枚種植體時, 更容易出現種植體位置過近, 傷及眼球、眶下神經血管等重要解剖結構, 引起嚴重的手術并發癥。 為了提高顴種植體植入手術的精準性和安全性, 目前臨床上有學者使用計算機輔助手術導航技術來幫助完成手術（圖4 ~ 5）。

圖 4 動態手術導航系統引導下進行種植窩的預備

Figure 4 Drilling procedure assisted by navigation system

圖 5 動態手術導航系統下植入顴骨種植體

Figure 5 Placement of zygomatic implants with assistant of navigation system

     Hung等[22]臨床研究指出, 通過計算機動態導航系統輔助的顴種植體手術, 將導航軟件術前規劃路徑和術后影像進行融合, 所測得52枚顴種植體的起點誤差、止點誤差和角度誤差分別是1.24 mm、 1.84 mm和2.12° 。與以往于離體頭顱[23]及3D打印頭顱[2]上研究動態導航系統輔助的顴種植體植入精確性的實驗結果相近。數字化手術導板在導向前需將固位釘植入于上頜以固定導板, 但對于此類上頜無牙 患者而言, 由于剩余骨量嚴重不足, 導致導板于術中無法穩固就位于患者上頜。顴骨種植體的長度多為常規種植體的4至5倍, 若于種植窩預備起點處存在一定誤差, 則顴骨種植體種植窩預備止點的誤差將為常規種植體的數倍。 Vrielinck[24]等學者進行了數字化手術導板引導顴骨種植體植入的研究, 其研究結果指出顴骨種植體起點和止點的誤差分別為2.77 mm及4.46 mm。Chranovic[25]等學者在數字化手術導板的引導下, 將16枚顴骨種植體植入于離體頭顱顴骨中并研究其精確性, 其研究結果指出在數字化手術導板引導下, 顴骨種植體失狀面和冠狀面等角度誤差分別為8.06° 及11.20° 。因此數字化手術導板僅被認為可用于確認顴骨種植體的植入起點, 而不建議用于全程手術引導。與數字化手術導板相比, 實時手術導航系統在術中能全程動態顯示當前種植窩預備的三圍空間位置, 術者可以及時觀察患者的解剖結構、規劃路徑及手術器械三者的相對位置關系, 當預備方向遠離種植體植入路徑時可以即刻發覺并調整, 從而大幅提高種植體植入的精確性和安全性。

2.4 導航誤差因素

    計算機導航系統輔助顴骨種植體植入術已獲得可接受的誤差范圍。若想將誤差控制在最小范圍, 必須先找出導致誤差的因素。下面列舉出主要誤差來源[26]：光學跟蹤系統的尺寸大小和離追蹤器械的距離; 動態參考架的位置、角度、穩定度; 探針測定配準點的位置、角度、松動度; CBCT的層厚、圖像導入及重建過程是否變形; 配準方式與配準過程導致的定位配準標志誤差（FLE）, 配準標志配準誤差（FRE）和目標配準誤差（TRE）; 導航設備的精準性; 術者的臨床操作是否熟練。對于剛開始接觸導航系統的“ 新手” , 可能會因為較復雜的操作流程導致難以上手, 尤其術中需將手術視野從患者口內轉移至實時三維影像顯示器, 增加了操作上的不適應。近期研究[27]關于導航系統輔助種植體植入術的學習曲線, 證實經過臨床20次實時導航系統輔助種植體植入術后能大幅提升種植體精準度, 將常規種植體的止點誤差降低至0.96 mm及角度誤差降至3.63° 。也有部分教學醫院利用計算機導航輔助系統培訓種植專科醫生在離體頭顱外的操作, 利用設計軟件預規劃種植體植入入徑, 在離體頭顱或3D打印頭顱上預備種植體種植窩, 習慣臨床操作手感, 實時掌握術區三維空間位置與判別鄰近重要解剖組織, 增加臨床實戰經驗。

    目前, 計算機動態導航系統在種植外科領域中的應用已成為討論熱點之一, 但因為其設備較昂貴, 故難以全面推廣。導航術前規劃軟件, 手術配準及術中設備的操作都具有較高的技術敏感性, 需要經驗豐富的技術人員指導才能發揮其功能將植入的種植體誤差降至最小。對于計算機動態導航系統輔助下頜無牙 種植手術也遇到了較難突破的挑戰, 主要原因是由于顳下頜關節具有一定幅度的可移動性, 臨床上目前沒有合適的動態參考架能與下頜骨產生足夠的固位力, 使得動態導航系統無法準確地持續跟蹤三維影像和患者口內的坐標位置。不同的配準方式也造成手術精準度上的差異, 需要了解其特點并選擇合適適應癥來操作。解剖標志配準需要在顯著的解剖結構上來進行配準。粘固于皮膚上的配準標志要確保其術中不易脫落和移動。骨固位的配準釘需選擇在骨量較好區域植入, 以確保獲得足夠固位力。

3 小 結

    動態導航系統在口腔種植外科領域中的應用越來越廣。對于常規種植體植入術的患者, 動態導航系統和數字化手術導板均有良好的精準度, 兩者皆能達到滿意的效果, 動態導航能夠使醫生實時把握手術。對于上頜牙列缺失伴剩余骨量嚴重不足的患者, 動態導航系統在復雜患者種植中的引導作用具有顯著優勢, 如引導顴骨種植體的植入具有較高的精準性, 減少術中并發癥。如何獲得精度更高的結果, 使誤差降到最小有待于進一步研究。

參考文獻（略）

來源：吳軼群