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可視化技術在口腔種植的應用進展

發布時間:2019-09-20

 





  醫學三維可視化技術是通過計算機斷層技術(computed tomography,CT)、磁共振成像(magneticr esonance imaging,MRI)、超聲波成像(ultrasound,US)、正電子發射型計算機斷層顯像(positron emission computed tomography,PET)等醫學影像技術得到人體器官組織的二維數字斷層圖像。計算機對此二維圖像進行處理,再按照某種特征(如灰度、紋理、色彩等)從中提取有意義的子區域,進行圖像的三維重建,使其成為全視角觀察的三維圖像,并且實現了三維重建圖像與臨床醫生的交互性操作。 



目前,醫學三維可視化技術在口腔種植學應用廣泛,術者可以在術前三維重建頜骨形態,直觀觀察術區解剖結構,并進行模擬種植設計,包括種植體的規格、方向和位置等。可視化技術的發展不僅提高了臨床診斷評估的準確性和科學性,也有利于臨床治療的方案規劃和醫患溝通。可視化技術在口腔種植學的應用,已經成為國內外研究的熱點之一,本文就可視化技術在口腔種植的臨床應用和研究進展展開綜述。 


一、影像學技術在口腔種植的應用  

醫學影像新技術層出不窮,從開始的X線、B超、CT、MRI、PET,再到后來的醫學圖像三維重建可視化,其中,X線和錐形束計算機斷層技術(cone beam computer tomography,CBCT)在口腔臨床應用廣泛。 

X線片空間分辨率高于CT、價格便宜、放射劑量少、使用安全,但是其僅能顯示局部解剖結構的二維平面圖像,且常出現變形和失真。CBCT與X線片相比,可從三維角度顯示頜骨解剖結構,彌補了二維平片的缺陷,但有金屬偽影等失真現象。目前在口腔種植術前,均建議拍攝CBCT以評估患者牙槽骨骨量和質量,極大提高了口腔種植成功率和準確率。 




Michele等對離體下頜骨分別進行CT和CBCT掃描發現,相對于CT掃描,CBCT放射劑量較小且成本較低,可以獲得臨床可接受的頜骨重建精度以及骨質密度評估精度,但其影像學重建精度低于CT掃描。Lílian等研究了100例患者的CBCT后發現,CBCT可以精確重建包括下頜下腺窩深度、骨質深度與厚度、皮質骨厚度、下頜神經管等下頜骨解剖標志,對臨床醫生進行牙種植術有重要指導意義。 

Maryam等通過研究157例患者的曲面斷層片與CBCT發現,與平面的曲面斷層相比,CBCT不僅能全面觀察上頜磨牙根尖與上頜竇底的毗鄰關系,對于上頜磨牙根尖周炎引起的上頜竇病變的診斷也明顯高于曲面斷層片。 


二、可視化技術在口腔種植的應用進展  

種植義齒因固位支持效果理想、美觀舒適、對鄰牙無傷害等優點,逐漸成為牙列缺損和缺失患者口腔修復的首選方法。然而,種植體植入的角度和位置常受手術視野、骨內神經、頜骨生理或病理性吸收等條件限制,因此可能出現諸多手術和修復并發癥。所以科學精確的術前規劃十分重要,目前應用于口腔種植的三維可視化技術主要為:3D打印種植導板技術、虛擬現實技術以及基于Visualization Toolkit(VTK)軟件平臺的醫學圖像三維可視化系統。  


2.1 3D打印種植導板技術 

2.1.1種植導板的定義 

3D打印技術是以計算機輔助設計(computer aided design,CAD)、計算機輔助制造(computer aided manufacturing,CAM)技術、激光技術、計算機數控技術以及新材料技術為基礎發展起來的一種基于計算機三維數字成像技術和多層次連續打印技術制造實體模型的方法。 




種植導板由導管與定位板組成,其中導管的位置和角度記錄了術前設計的種植體位置、角度、深度信息,導管可將這些信息轉移到手術中,使種植體植入到準確位置。導板通過與骨、牙齒或牙槽嵴表面貼合起定位作用,根據種植導板支持組織不同可分為黏膜支持式、骨支持式、牙支持式和混合支持式。 

 



(福州榕城成功義齒制作有限公司——福建首家種植導板合法供應商) 

2.1.2種植導板的特點 

隨著口腔種植學的飛速發展以及患者要求的提高,數字化種植技術成為當前口腔種植學研究的熱點。以CAD/CAM技術制作的快速成型種植導板,可根據數字化重建患者頜骨解剖信息,為不同患者制定全面、科學、精確的種植術前規劃。 

利用CBCT對患者口腔進行數字化影像掃描定位后,將數據導入相應軟件,實現影像信息向數字化信息的轉化,系統全方位的將患者牙齒、牙周組織、牙神經、牙槽骨等逼真地呈現在醫生和患者面前。醫生根據頜骨的三維解剖結構和咬合關系設計種植體的最佳植入方案,包括種植體的位置、角度、數目、深度,將設計方案數據輸入到醫學專用快速成形機直接制作導板。 




2.1.3種植導板的研究進展 

種植導板精確性的評價是通過把種植后的三維影像與術前模擬種植的三維影像進行配準,測量實際種植體的位置與模擬種植體的位置偏差值(頸部、底端、角度)來進行的。風險評估顯示,種植體頭部的偏差極限值對于種植體成功與否尤為重要,當水平偏差達1.86mm或垂直偏差達2.7mm可能會對種植體周圍解剖結構造成損害。目前國內外對種植導板精確性評價的研究較多,結果各有不同。 

Vermeulen等在體外模型上分別研究了徒手種植和種植導板引導單牙缺失牙種植的精度,結果發現:導板種植在種植體頸部平均偏差為0.42mm,底端平均偏差為0.57mm,平均角度偏差為2.19°,均遠高于徒手種植精度。Alzoubi等通過對比種植導板引導下即刻種植與延期種植的精度發現,二者在頸部偏差和角度偏差無統計學差異,平均偏差分別是0.85mm和0.88mm,3.49°和4.29°,在種植體底端,即刻種植精度高于延期種植精度,平均偏差分別是1.10mm和1.59mm。Yolanda等通過統計1602篇關于種植導板精度研究的文獻,Meta分析顯示:與牙支持式導板相比,骨支持式導板角度偏移較大,頸部偏差和頂端偏差二者無明顯統計學差異。 




回顧性研究發現:黏膜支持式導板在頸部偏差、底端偏差和角度偏差均大于骨支持式導板,與牙支持式導板相比二者無明顯統計學差異。國內種植導板研究起步相對較晚,但目前發展迅速。梁燁等研究結果顯示種植體頸部偏差(0.805±0.567)mm,底端偏差(0.957±0.518)mm,角度偏差3.124°±1.582°。徐良偉等研究顯示:牙支持式導板頸部平均偏差為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°;黏膜支撐導板頸部平均偏差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°。 

由于實驗條件和方法不同,國內外的研究對導板精確度的評價有所不同,原因分析如下:①導板固位方法不同:Yolanda等研究發現牙支持式種植導板在種植體頸部、底端、角度的精確性都大于骨支持式;②實驗條件不同:體內研究中,導板的精度與患者體位、唾液、血液等息息相關,而在體外研究中,每個研究者模擬的環境有所差異;③術前、術后配準方法不同:目前多數種植體精確性評價多借助于第三方軟件,如比利時的Mimics軟件、SimPlant軟件等,研究者對不同配準軟件的選擇以及研究者本身測量的誤差,是造成不同研究者數據差異的主要原因。 






2.1.4種植導板的局限 

首先,應用數字化導板在術中視野較小,且只能按照預定的手術方案進行備洞,并不能根據實際臨床情況及時調整鉆針深度、尺寸和方向,尚存在損傷重要解剖結構的風險。 

其次,種植導板、鉆針以及其他附件的高度疊加要求患者需要良好的開口度,尤其在后牙區,患者不適宜的開口度可能不適用于種植導板。 

再次,種植導板制作精密,其與黏膜、鉆針間隙極小,術中的溫度控制是一項很大的挑戰。最后,如果術前種植規劃系統科學性及準確性不足,種植導板在術中易引起諸多并發癥,特別是不翻瓣種植術式下,種植導板可能產生更高的穿孔率。  


 
2.2 虛擬現實技術 

2.2.1虛擬現實技術的定義 

虛擬現實(virtual reality,VR)是一種多元信息融合的新型人機交互設備,參與者可以通過視覺、聽覺、觸覺等感知通道來感知計算機模擬的虛擬世界。參與者可以通過人機交互傳感設備沉浸于該三維模擬環境中,計算機也可以對參與者的輸入作出實時響應,并分別反饋到參與者的五官感知通道。目前,虛擬現實技術臨床應用前景良好。 

2.2.2虛擬現實技術的特點 

VR是具有交互性、沉浸性及構想性三種基本特征的高級人機交互設備。目前,VR技術在口腔種植學的應用主要是數字虛擬口腔、種植仿真模擬教學等方面,并實現了視覺模擬和力覺反饋模擬。VR技術在術前模擬、術中導航、植體定位等方面為醫生提供了客觀精確的方案。對于存在解剖缺陷患者,如頜骨骨量不足、上頜竇底過低、下頜神經管距離較小等,VR技術允許醫師在生成的數字化模型上進行上頜竇提升術等精細虛擬種植手術,以確定提升高度、植骨數量以及下頜神經管解剖位置。 




2.2.3虛擬現實技術的研究進展 

關于口腔虛擬現實技術的應用,國內外學者做了諸多研究和探索。Elby等通過對目前醫療市場上投入使用虛擬現實設備的綜述,強調了虛擬現實技術在現代口腔醫學教育的重要作用,其不僅可以完美模擬真實口腔環境,也可以模擬真實口腔操作手感。Corrêa等研究開發出下牙槽神經阻滯麻醉虛擬現實設備,通過對訓練者進行角度、深度、力度等多方面考核,認為該虛擬現實設備完全可以作為高效的學習方法投入使用。國內學者對口腔數字化模型的建立也做了諸多研究和探索,最終建立了可精確顯示牙體、牙槽骨及牙周組織的三維立體模型,實現了三維方向的全方位觀察。 

2.2.4虛擬現實技術的局限 

盡管VR技術在醫學應用前景較好,但是目前VR技術仍主要應用于醫學前期訓練、醫學教學等方面,其與口腔臨床的實際結合仍然需要繼續探索和研究。 



2.3 基于VTK平臺三維可視化系統 

Visualization Toolkit(VTK)軟件是一種廣泛應用在醫學圖像處理領域的開源工具包,其封裝了豐富的計算機圖形學、圖形圖像處理、可視化方面的算法,能夠以類庫的形式給開發工作以直接支持。以VTK為平臺,整合患者頜面部CBCT相關圖像,可設計出可視化的視覺顯示界面,實現患者頜面部的三維重建,可對患者進行科學全面的種植術前規劃。 

李芳等基于VTK的平臺,研究了三維模型坐標轉換,并采用針刺取點法,通過直接拾取三維空間點完成了人機交互定位操作。并將該系統應用于虛擬牙種植系統,成功實現了種植體的全功能定位。 


VTK平臺的三維可視化技術,充分利用CBCT提供的圖像信息,可以重建包括上頜竇、下頜神經管等重要解剖結構,醫生在術前可對頜骨進行深入觀察、測量和分析,以確定最佳植入部位。 

VTK平臺的三維可視化技術優勢可概括為:①手術部位全方位的可視化;②種植體植入部位定位精確化;③術前直觀手術模擬;④種植導板實現種植方案精確轉移;⑤種植手術微創化。 

基于VTK平臺環境的三維可視化技術,國內外已有多篇文獻報道相關研究進展,但多數仍處于臨床實驗階段,尚未全面投入臨床使用。 


三、展望  

目前,醫學三維可視化技術在口腔種植學應用廣泛,但可視化技術仍然存在諸多缺點,如對硬件和軟件要求較高、對信息的處理時間較長、三維可視化模型交互性不夠等。未來可視化發展方向將是更簡潔化、智能化、科學化和精確化,醫學影像設備也向智能化、小型化、專門化、高分辨力可視化和超快速化方向發展。隨著數字化牙種植技術的發展,三維可視化技術將在未來扮演更加重要的角色。 


四、結語  


醫學三維可視化已經取得了很大的進步,在口腔相關疾病的診斷和治療、臨床教學和科研上都發揮了重要作用,促進了口腔種植學的蓬勃發展。雖然目前諸多的可視化技術仍處于起步和發展階段,但隨著科技創新的不斷涌現以及計算機技術的不斷發展,可視化技術仍然是今后的研究熱點。可視化技術與口腔醫學的密切結合,將為口腔種植學的發展提供更大的助力。 

文章來源:蔣曄,張志宏,劉紅紅.可視化技術在口腔種植的應用進展[J].口腔醫學,2018(11):1053-1056. 
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