專題筆談 | 數字化口腔種植治療現狀與研究進展

中國實用口腔科雜志  2016，9(1)：2-9

作者：耿威

作者單位：首都醫科大學附屬北京口腔醫院種植科，北京 100050

電子信箱：gengwei717@aliyun.com

摘要：

     隨著計算機技術和現代口腔種植修復技術的不斷發展和進步，數字化技術已經越來越多地應用于口腔種植治療中。文章將詳細論述牙種植治療中數字化診斷評估與手術規劃設計，計算機導航的種植外科技術、種植修復的數字化印模與CAD/CAM個性化基臺，以及全程數字化口腔種植治療技術。

關鍵詞：

     牙種植；計算機輔助設計與制造；外科導板；個性化基臺；數字化印模

     伴隨著現代計算機技術的不斷發展和進步，數字化技術已經逐步應用于口腔種植治療的整個過程，不僅體現在口腔種植治療的診斷評估程序，在種植外科階段和上部結構的設計制作過程也越來越多地開始應用數字化技術。本文主要介紹牙種植中的計算機輔助設計與制造（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技術，闡述其在口腔種植治療的診斷評估程序及其在種植外科階段和上部結構設計制作過程中的應用。

1、數字化影像與診斷評估

     探討CAD/CAM在口腔種植中的應用，首先需要討論口腔數字化影像。口腔種植手術涉及到種植體的合理設計與放置、種植體與上額竇及下牙槽神經管之間的距離檢測、頜骨缺損骨量評估以及種植體與未來修復體的位置關系等。在計算機斷層掃描（computerized tomography，CT）技術迅速發展和廣泛普及之前，傳統口腔種植治療的放射線檢查技術主要為X線平片檢查和體層攝影檢查（曲面體層攝影片）。傳統的口腔放射線技術給出的圖像是結構重疊的二維影像，不包含頰舌向信息；而且密度分辨率低，骨小梁影像不清晰，不能用來判斷骨密度；X線平片和曲面體層片還存在因放大率和拍攝角度不同引起的圖像變形、手動定位和設置誤差（setting error）等問題。

     CT是20世紀70年代初放射診斷的一項重大突破。CT的多平面重組（multi-planar reformatting，MPR）和三維（3D）重組技術可將軸向、冠向和矢狀面斷層數據重組，進行多層橫截面斷層重建全景圖像，因而成為目前口腔種植最理想的放射線檢查技術［1］。最初的CT技術所需的放射線劑量很大，金屬會產生散射偽影，通常需要第三方軟件才能實現數據的導出和導入，儀器價格昂貴，必須要有經過特殊培訓的專業人員才能操作。錐形束CT（cone beam computed tomography，CBCT）是20世紀90年代末發展起來的一種三維成像技術，1998年首次報道了口腔頜面CBCT［2］。CBCT用三維錐形束X線掃描代替扇形束的螺旋CT掃描，獲得的直接數據是二維數據，重建后得到三維圖像，因此金屬偽影小、重組數據的精確度高。CBCT的出現徹底改變了傳統口腔頜面放射學設備僅能提供二維圖像的歷史，可以三維顯示病變結構，大大提高了診斷能力（圖1）。CBCT已廣泛應用于口腔種植術前診斷與設計、牙體牙髓病、牙周疾病、顳下頜關節疾病、口腔頜面部骨折和腫瘤等領域，在三維測量、診斷分析方面已經取代了傳統的放射線檢查技術。

        然而，CBCT用三維錐形束X線掃描重建后得到直觀的三維圖像數據，如何導入種植體的3D立體數據，并能夠將虛擬的種植體3D數據導入其中進行直接測量與設計，成為口腔種植輔助規劃設計軟件亟待解決的問題。

        CAD/CAM是20世紀60年代迅速發展起來的一門新興的綜合性計算機應用技術，是以計算機作為主要技術手段，處理各種數字信息與圖形信息，輔助完成產品設計和制造中的各項活動。自1983年世界上第一個CAD/CAM制作的牙冠問世［3］，CAD/CAM系統已經被廣泛應用于制作各種固定修復體，如嵌體、高嵌體、貼面和牙冠。近期研究的熱點開始集中于將CAD/CAM技術應用于種植治療中外科導板的制作、個性化基臺和上部結構的加工。

2、口腔種植輔助規劃設計軟件與數字化種植外科導板

     計算機輔助手術是計算機科學、醫學、機械學、圖形圖像學等多學科交叉的又一個新的研究領域。20世紀80年代末首先應用于神經外科手術，隨后逐漸推廣應用于其他領域。計算機輔助手術是指以CT等醫學圖像信息為基礎，通過建立人體三維和幾何或物理模型模擬患者位置信息，在手術前利用計算機模擬或規劃，在手術進行過程中利用高精度定位裝置引導醫生的操作，從而確保術前規劃方案順利實施的一種方法。

2. 1 數字化種植外科導板的概念    牙種植外科之前，利用CT掃描技術獲取頜骨影像數字信息、理想狀態修復體（診斷導板）影像信息以及影像重組的信息；通過三維重建與可視化處理清楚顯示種植區頜骨的牙槽骨高度和寬度、骨質密度、頦孔位置、下牙槽神經管走向、鼻腔底和上頜竇底的位置和形態等；然后利用口腔種植設計軟件進行三維計算機輔助手術規劃，利用這些軟件仿真手術模擬放置種植體，檢查植入方向、未來義齒修復體的修復空間及其與對牙合牙和鄰牙的關系；將缺牙區擬植入種植體的部位、數量以及植入的方向角度和深度等信息參數轉化為STL文件格式，通過數控機床或用快速原型方法加工，最終完成數字化外科導板的制作。外科導板作為最終信息的載體，將種植醫生的設計思路通過手術導板的精確定位和引導賦予實現。

2. 2 口腔種植輔助規劃設計軟件的特點及優越性    如何將以修復為導向的種植設計理念精確地物化為可用于臨床操作的種植外科導板。針對這一問題的探索，帶動了一系列計算機輔助設計（CAD）軟件的發展。自1990年起，就有學者研究如何通過計算機輔助設備進行種植外科的術前設計，并相繼涌現出大量計算機輔助設計的軟、硬件。美國Columbia Scientific公司早在1988年就已推出一種3D牙科軟件，可用于標準的螺旋CT掃描；在此基礎上，于1990年通過增添名為Imagemaster101TM的附加軟件，第一次實現了CT掃描數據和虛擬種植體數據的整合；1993年，該公司的第一款商業化計算機輔助設計種植體軟件SIMPLANTTM被應用于臨床，臨床醫生可直接在CT掃描得到的數據上擺放設計種植體，查看最終修復效果。1998年，比利時Verstreken等［4］在嘗試將修復體/放射線模板與頜骨模型整合時，首次提出了雙掃描技術（double scanning procedure），其通過前后兩次CT掃描，第一次使患者佩戴放射線模板進行CT掃描，可獲得患者口腔硬組織信息及放射線模板阻射性標記物信息；第二次掃描，只掃描放射線模板，獲得義齒信息；將兩次掃描的信息通過放射線標記物，在計算機輔助設計軟件下進行吻合，即得到帶有樹脂義齒（診斷模板）的口腔軟、硬組織信息的全信息模型。至此，計算機輔助設計種植技術，已能夠將所有信息通過CAD軟件整合為一體，借助CAD軟件實現以修復為導向的種植設計。目前市場上主要的可用于CAD/CAM數字化外科導板制作的軟件有很多，比較有影響的是瑞典Nobel Biocare公司Procera口腔種植輔助規劃設計軟件和比利時Materlise公司的Simplant口腔種植輔助規劃設計軟件（表1）。

     理想的口腔種植輔助規劃設計軟件應具備以下特點：（1）可重建三維立體模型，能將患者的解剖結構信息、修復體信息真實完整地再現于計算機中，構建全方位的種植手術模擬環境；（2）可精確測量種植部位的可用骨高度和寬度，以及與重要解剖結構的位置關系（如種植體與下頜神經管或上頜竇底的距離），以確定種植體放置的空間角度；（3）可提供世界上臨床普遍應用的種植體系統庫，包含種植體和基臺的真實外形和尺寸，以供臨床醫生選擇合適的種植體直徑和長度，使設計方案與臨床方案完全一致；（4）利用這些軟件仿真手術模擬放置種植體、模擬規劃種植手術；（5）手術規劃完成之后，種植體的部位、數量、方向、角度和深度等信息參數數據可以被導出，并能夠被數控機床設備讀取，并通過數控機床最終完成個性化導板的制作。見圖2 ~ 3。

     采用基于CT的計算機輔助牙種植手術規劃，醫生可以設計不同的手術方案，比較幾種手術方法的優劣，然后進行仿真手術的模擬，放置所需的種植體，觀察其植入方向、未來義齒修復空間及與對頜牙和鄰牙的關系，以達到對患者個性化的最佳修復效果；治療小組的每位醫生可以共同分享信息，協調手術的設計方案；手術方案思路可以通過規劃系統來向患者及其家屬展示，建立與患者良好的溝通，獲得其最大的理解與配合。

2. 3 數字化外科導板的制作    數字化外科導板多采用快速成型（rapid prototyping，RP）技術制作完成。RP技術是一門綜合性、交叉性前沿技術，是CAD/CAM技術、數控技術、激光技術以及材料科學與工程技術的集成。它可以自動、快速地將設計思想物化為具有一定結構和功能的原型。較成熟的RP技術有7種：立體光刻成型（stereolithograhpyapparatus，SLA）、選域激光燒結（selected laser sintering，SLS）、熔融沉積制模（fused deposition modeling，FDM）、層合實體制造（laminated object manufacturing，LOM）、三維噴涂黏結（three dimensional printing and gluing，3DPG）、焊接成型（welding forming）和數碼累積造型（digital-brick laying）。其中，SLA技術是目前最常用的數字化外科導板制作方法。1991年，SLA技術在維也納首次被引入口腔頜面外科的臨床應用［5］。SLA技術是以液態光敏樹脂為原料，采用計算機控制下的紫外激光束，以原型各分層截面輪廓為軌跡逐點掃描，使被掃描區域內的樹脂薄層發生光聚合反應后固化，從而形成制件的一個薄層截面。當一層固化完畢后，向上（或向下）移動工作臺，在剛剛固化的樹脂表面鋪放一層新的液態樹脂以便進行循環掃描、固化。這樣，通過連續分層聚合的方式，將3D數字化信息轉化為立體的樹脂模型。數字化外科導板需要將設計好的手術方案連同模板信息一起導出，在此基礎上用SLA技術制作立體光刻外科導板（stereolithographyic surgical template）。

2. 4 數字化外科導板的精度研究    數字化外科導板的制作，通常要經過診斷導板、放射線導板、CBCT掃描、三維激光掃描、計算機輔助設計和計算機輔助制作等環節，任何一個環節的誤差最后都會累積成為最終外科導板的誤差。在文獻中評估外科導板精確度時，所討論的影響因素包括導板的支持方式（牙、黏膜、骨）、是否應用固位釘、頜骨狀況、導板制作方式以及所選擇的導航系統等［6-8］。

        Van Assche等［9］通過對19篇有關種植數字化外科導板精度的文獻進行Meta分析，結果顯示：種植體肩部的平均誤差為0.99 mm（0 ~ 6.5 mm），根尖部的平均誤差為1.24 mm（0 ~ 6.9 mm），平均角度偏差為3.81°（0 ~ 24.9°），垂直向平均偏差為0.46 mm（-2.33 ~ 4.20 mm）；使用導板的精確度要優于不使用導板者，使用全程導航的外科導板者優于使用單程導航的導板者；頜骨的狀況對導板的精度無影響，增加導板固位釘的數目可以減少偏差。在導板制作環節，采用SLA技術，其誤差小于0.25 mm。在CT掃描過程中，患者移動產生的誤差可直接影響到種植體的設計，影響外科導板的穩定性和精確度。對無牙頜患者而言，黏膜支持式外科導板的誤差主要來源于導板的就位和穩定性，此外，黏膜厚度也會影響黏膜支持式外科導板的精確度，在厚黏膜者種植體頸部偏差為1.04 mm，而薄黏膜者為0.08 mm［10］。Turbush等［11］測量了牙支持式、黏膜支持式和骨支持式數字化外科導板的精確度，結果顯示：3種外科導板在種植體角度偏移方面差異無統計學意義；在頸部偏移和根尖部偏移方面，黏膜支持式導板的精確度低于牙支持式和黏膜支持式，牙支持式導板的誤差最小。

     牙種植手術過程中，在修復體所要求的理想位置植入種植體、最大限度地利用骨量，以及確保鄰近重要組織結構的安全，是每位種植外科醫生所追求的目標。數字化外科導板的出現，使患者損傷最小化、種植修復簡單化，并可縮短療程，同時又能提高種植修復的精確度，極大地推動了種植技術的發展。

3、數字化種植修復印模

     牙科領域CAD/CAM技術起源于口內掃描獲取數字圖像的數字化印模技術。與傳統的印模技術相比，數字化印模技術可避免患者在制取印模時的不適，無需灌制和修整石膏模型，不會因模型損傷而影響精確度，同時這種數字印模更易存儲，因此受到廣大醫生的青睞。目前可用于種植修復的數字印模口內掃描系統主要有德國Sirona公司的CEREC系統、美國3M公司的Lava C.O.S.系統、美國Cadent/Straumann公司的itero系統以及Nobel Biocare公司的Procera®（Yorba Linda，CA）系統等。這些系統獲取印模的原理、方式和軟件不同，各具優勢［12-13］。

3. 1 CEREC系統 CEREC的藍光操作系統通過集成高分辨率的藍色發光二極管的LED光源及接收器，可獲得高精度、高質量的三維圖像。該系統在掃描前需在口內噴上一薄層去除反光的粉末。2012年8月，德國Sirona公司又發布了新一代口內掃描系統，該系統采用連續立體攝影方式獲取圖像，可獲得精確的口腔軟硬組織全彩三維數據。

     CEREC系統是最早采用椅旁修復概念的完整系統，口內掃描系統可以為種植體支持的單冠或固定橋獲取圖像，適用于三單位以下的種植修復。對于種植體的上部結構，可直接掃描預成的基底（base），或掃描連接在種植體上的光學取像部件獲得數字化模型。無論預成的基底還是種植體上的光學取像部件都是來源于Sirona牙科系統內部。見圖4。

3. 2   itero系統 itero系統使用激光和可見光獲取三維數據，用來獲取牙齒和牙齦的表面形態，可在不噴粉的條件下獲取口內的所有信息。

     美國Cadent公司與Straumann公司合作開發了面向市場的個性化種植修復解決方案。在種植體上連接一個特殊的掃描配件，掃描獲取種植體的數字印模，掃描配件表面有3個表面結構特殊的標記球體，用于種植體位置的確定。掃描過程與掃描天然基牙的過程相同，而后期通過Dental Wings軟件中用于種植體的特殊程序來進行基臺和修復體的設計。itero系統也是一個開放的系統，可以與多種軟件以STL格式的文件對接，允許光學印模導入其他可兼容的軟件進行后續的設計和制作。

3. 3   Lava C.O.S.系統 Lava椅旁口內掃描系統于2008年由美國3M公司發布，該系統在進行數字印模采制時與CEREC藍光系統一樣噴一層薄而均勻的防止變形的粉末，在掃描的過程中，脈沖式藍光從取相手柄中發射，屏幕上的三維數字印模圖像能夠即刻顯現。

     Lava C.O.S.系統內有特殊的軟件針對種植體上部修復，可以與兼容的種植系統基臺相適應。3M公司協助該系統完成了種植體上掃描基臺的設計，并與3M系統的種植體匹配。后期的種植修復體上部結構的設計和制作與itero相同，也是由Dental Wings軟件來完成，Lava C.O.S.系統是半開放的。

4、CAD/CAM個性化基臺

     理想狀態下，修復基臺的外形應類似于預備后的天然牙，有良好的外形、形態和穿齦輪廓。個性化基臺（custom abutment）即定制基臺，是指根據種植體植入的三維位置、缺牙間隙的三維空間，通過研磨、鑄造或CAD/CAM技術制作的基臺，后者即為CAD/CAM個性化基臺（圖5）。目前由種植體公司開發，運用CAD/CAM技術的個性化基臺系統有瑞典的Procera®系統和美國的Encode Restorative系統。

4. 1 Procera®系統    Procera®系統由瑞典的Nobel BiocareTM公司開發，Nobel Biocare的Procera數字化掃描系統，通過掃描石膏模型獲得種植體與鄰牙及對牙合牙的關系，并通過計算機軟件對基臺進行可視化設計，確定設計結果在種植體能承受的安全范圍內，然后使用標準配套工件制作個性化基臺。個性化基臺數據可通過電子信號傳輸給Procera設備進行基臺的研磨，臨床醫生可同時收到CAD/CAM基臺和CAD/CAM鈦或瓷內冠。Procera®系統可以制作燒結的氧化鋁和氧化鋯基臺，以適用于單顆牙的美學修復。該系統需制作精細蠟型來完成基臺的整個解剖輪廓，不需要鑄造過程。所加工完成的個性化基臺，既具備理想的外形輪廓，又與種植體之間有精確的適合度。Procera基臺主要針對Branemark系統，也可用于其他外六角的商業種植系統，如 3i、Lifecore、Zimmer等種植系統。但Procera基臺與其他種植系統的配合邊緣適合度有時欠佳［14］。

4. 2 Encode Restorative密碼修復系統    Encode Restorative系統是2006年美國3i Implant Innovations公司推出的。其核心技術是一個特殊的帶有密碼切槽的愈合基臺，經過激光掃描石膏模型上的愈合基臺可獲得植入體內六角位置、肩臺直徑、軟組織袖口高度、咬合空間、平行度等信息，可以根據這些信息設計制作符合個性化要求的基臺。

     該系統最大優點是提供了符合植入體周圍解剖外形的基臺，可糾正最多30°傾斜種植體而不影響基臺強度；其缺點是僅適用于3i種植體系統（美國3i Implant Innovations公司），且牙合間距離要大于6 mm，種植體間距大于2 mm［15］。此技術只需取1次石膏模型即可制作鈦或氧化鋯基臺。Encode Restorative系統為種植義齒的個性化修復奠定了良好基礎，預示著進一步開發適用于多種植體系統的CAD/CAM 系統已成為可能。

     此外，德國Sirona公司的Cerec系統、KAVO公司的Everest 系統、Densply公司的Cercon系統及美國3M公司的Lava系統都可以為客戶定制個性化基臺。激光掃描系統、CAD軟件、CAM軟件、CAM加工設備的更新進步以及種植系統數據庫的精確和完整必將促進口腔種植治療數字化進程的快速發展［14-15］。

5、全程數字一體化口腔種植治療

     常規的數字化外科導板制作方法需要制取印模和診斷模型并轉移咬合關系至牙合架，牙科技師在牙合架上制作診斷蠟型；通過診斷蠟型，評估未來的修復效果，然后復制蠟型得到診斷模板和放射線模板；患者佩戴有預期修復體信息的放射線模板進行放射線掃描，獲取帶有頜骨影像和預成修復體信息的全信息模型；設計制作數字化外科模板，引導外科醫生進行種植體植入。在這一系列過程中患者就診次數多，技工室步驟繁多，操作過程復雜。

     CAD/CAM技術的飛速發展促進了口腔種植臨床工作流程的更新和進步。CBCT的影像數據與椅旁CAD/CAM系統結合應用，可以成功完成牙種植的全程數字化治療過程，包括診斷評估、治療方案設計、外科導板、個性化基臺以及最終種植體支持修復的設計制作，種植科醫生可以在一次就診過程中完成診斷評估、種植修復體的設計、研磨和戴入，用最短的時間實現可預期的種植治療［16］。“一體化”包括兩層含義：（1）在整個種植治療的全程中應用CAD/CAM技術，包括種植治療的診斷評估、治療方案設計、修復體制作等各個階段；（2）種植治療的各個階段，診斷評估、治療方案設計、修復體制作等所應用的設備、輔助配件、軟件均來自于同一公司系統，包括硬組織信息采集系統（CBCT）、牙齒及軟組織信息采集系統（激光掃描系統）、椅旁CAD/CAM系統，以及輔助材料和配件。種植修復的各個環節在同一系統內部相互匹配，從而實現數字一體化的種植治療。見圖6 ~ 7。

    全程數字一體化的口腔種植治療給種植科醫生提供一種全新的治療方法，從虛擬的診斷設計、種植外科導板的設計制作到椅旁CAD/CAM系統完成最終修復體，使牙種植治療實現了全程數字化過程，CAD/CAM技術貫穿到整個種植治療過程中，并且全程始終采用同一系統完成。牙種植數字一體化的應用，可以使種植科醫生用更加簡潔的方法、更短的時間和較少的就診次數實現可預期的種植治療（第一次進行種植體植入，第二次完成修復體制作）。流程簡單快捷的種植修復必將被越來越多的醫生和患者所接受，從而帶來良好的經濟效益和社會效益，具有更加廣闊的應用前景。

參考文獻   略

來源：中國實用口腔科雜志