紅外光學定位動態導航技術在口腔種植領域應用的研究進展

陳泉林 陳琳 王彬晨 柳忠豪

近年來，如何實現精準、微創、可視化、低風險的種植手術成為國內外研究的熱點問題。隨著醫學放射影像學及計算機輔助技術的發展，數字化技術大量滲透到醫學領域中，其中應用最多的是計算機輔助下的術前診斷與手術規劃、靜態或動態導航引導手術技術及術后評估及監測[1]。計算機輔助導航技術(computer-aided navigation，CAN)最初用于神經外科，后逐漸發展至骨科、耳鼻喉外科和頜面外科等領域。

1 動態導航系統的組成

動態導航系統主要由術前規劃系統、計算機及其附屬硬件、術中導航設備及工具組成。

術前規劃系統多采用VTK軟件系統[2]，結合術前影像數據進行頭顱三維影像重建，完成虛擬修復基臺和修復體的設計、種植體品牌和種植體型號的選擇、種植體植入位點的確定和三維方向的調整以及周圍重要解剖結構的規避。同時實現圖像配準功能，對定位裝置和配準裝置傳來的數據進行計算，將手術器械和患者術區的位置引入到系統建立的坐標系中，并依托輸出硬件給術者以直觀的展示[3]。

計算機及其附屬硬件包括數據處理計算機、鼠標、顯示屏、鍵盤等部件，在術前和術中接受術者的指令，對軟件整合計算后的信息進行展示，使軟件的功能得以實現。

術中導航設備及工具包括安裝有紅外LED(light emitting diode)傳感原件的定位器及其連接的種植手機(定位器用于實時追蹤術中種植手機的空間(圖1)、安裝有紅外LED傳感原件的參考板(用于術前快速校準定位器和術中實時追蹤患者口腔的空間位置(圖2)、球形調試鉆(用于器械的校準和術前配準(圖3)、參考板固定裝置(圖4)、參考板連接件(圖5)、紅外線立體攝像機(接受從患者跟蹤裝置和手術器械定位器發出的編碼信號并傳遞給計算機(圖6)、U型管(用于手術配準的配準裝置)(圖7)及手術工具盒。術中通過種植手機上的跟蹤定位板以及參考板來確定手術器械與患者的相對位置，從而達到輔助定位和引導手術的目的。

A：定位面，表面安裝多個紅外LED傳感原件；B：鏈接旋鈕，可根據牙列缺損位點及患者體位進行定位面朝向的調整；C：種植手機

圖2 參考板(連接線連接到種植推車的控制單元接口處，平板部分通過參考板連接件和固定裝置，固定在患者牙列缺損位點同頜的對側牙齒上)

圖3 球形調試鉆(長鉆、短鉆)

圖4 參考板固定裝置

圖5 參考板連接件

圖6 紅外線立體攝影機

圖7 不同型號U型管

2 動態導航技術的原理

通過配準技術和空間定位系統，使患者的臨床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，跟蹤及定位臨近解剖結構，及時調整器械方向及位置[4]。該原理主要基于醫學圖像三維可視化技術、配準技術和空間定位技術。

2.1 醫學圖像三維可視化技術

術前對患者進行標記及三維影像重建，患者術區的任意點都可以由X-Y-Z坐標來表示，在計算機的三維圖像上由對應的X'-Y'-Z'坐標來表示。突破了二維圖像的局限性，在術前進行頭顱三維影像重建，術中根據術區任意剖面的解剖結構信息進行種植體三維位置實時調整及精準植入[5]。

2.2 配準技術

配準是指用將數個影像模式定位于同一坐標系，其配準方法和配準算法決定了導航系統的穩定性、可行性及可靠性，現階段種植手術中的主流配準方法是點配準中的外部特征點法[6]。即在患者身上確定8～12 個能顯像的標記點，分別對應圖像空間和手術空間的坐標。當患者術中空間位置發生變動時,系統自動生成的新位置坐標,與虛擬坐標系下的坐標進行重新配準,并根據變換矩陣改變手術器械在屏幕上的位置顯示，從而實現患者術區、手術器械、屏幕圖像的三者的實時對應[7]。標記點的設置分為侵入性和非侵入性兩類，侵入性配準標記是精度準確性的金標準，需要在術前將配準標記點植入到患者頜骨內，增加了就診次數及診療不適感[8]。非侵入性配準標記的標記點位于固定在口內或口外的配準裝置上，該方法應用更為廣泛。

2.3 空間定位技術

空間定位技術是通過跟蹤定位板和參考架來確定手術器械與患者的相對位置，從而輔助定位和引導手術?，F有的導航定位方法主要有光學定位法、機械定位法、超聲定位法和電磁定位法。機械定位法是最早應用的定位方法(精度約為2.0～3.0 mm)，穩定性和精確性較好，但可動性差[9]。超聲波定位和電磁定位精度約2.0～5.0 mm[10-11]。光學定位是目前手術導航系統中的主流方法，分為主動式和被動式兩種，均以攝像機作為傳感器。其定位精度高(精度約0.1～0.4 mm)，可跟蹤多個目標，且無需與術區接觸，臨床應用方便，反應靈活[3]。動態導航系統借助紅外線立體攝像機對手術器械和參考板發出或反射出的紅外線信號進行追蹤，接收患者術區及手術器械的位置數據，并將其導入計算機進行篩選及計算，從而在坐標系中進行定位。

3 動態導航技術在種植外科臨床應用的優勢與不足

與自由手種植外科手術和靜態導板技術相比，動態導航技術更適用于以下情形：(1)不翻瓣微創種植手術，可以充分利用影像數據及規劃路徑，實時顯示種植窩預備鉆針的尖端位點和三維方向，在術中進行及時調整鉆針預備路徑，確保了種植手術的精確性和安全性[12]；(2)患者開口度較小或牙列缺損位點位于后牙區，無法容納外科導板及備孔鉆種植窩預備鉆針，避免種植手術空間及視野受限；(3)牙列缺損位點間隙小或牙列缺損位點角度不佳，缺乏外科導板導環的就位空間；(4)即刻種植手術，無法在術前進行外科導板的設計和試戴；(5)患者要求就診當日進行種植手術，外科導板的設計和制作時間受限；(6)視野受限的后牙區，手術過程中難以到達肉眼直視[13]；(7)解剖結構復雜，可以有效避開埋伏牙、上頜竇、切牙孔、下頜等解剖結構，且可以實現顴骨種植技術及雙顴種植技術，使種植技術的適應癥更加廣泛;(8)進行術前術后CBCT頜骨水平的三維配準，并運用其三維測量工具對種植體頸部距離a，根方距離b、軸向角度誤差α[14-15]進行測量(圖8)。

圖8 種植體頸部距離，根方距離及軸向角度

現階段，動態導航技術仍存在局限性：(1)術前需佩戴U型管進行CBCT拍攝，患者在CBCT拍攝過程中有異物感，對于全口或半口牙列缺失的患者需額外植入固位釘進行U型管固位，增加額外切口和異物感；(2)術前校準需要對參考板進行固定牢靠，術中參考板發生松動或移動需要再次校準；(3)術中患者體位的移動可能導致屏幕對應圖像與患者術區和手術器械實際位置的短暫差異，需等待圖像穩定后再繼續手術；(4)動態導航工具的數據采集及注冊校準過程相對復雜，約增加5～7 min手術時間[6]；(5)動態導航技術的應用需要經過嚴格的訓練，手術醫生及助手必須熟悉動態導航系統的基本原理，經驗較少的術者學習曲線較長[16-17]；(6)不正確的動態導航信息會加大手術風險甚至導致手術的失敗，手術醫生必須具有豐富的臨床經驗，必要時結合自由手手術進行手術路徑的調整，從而充分實現動態導航系統的價值;(7)動態導航的手機定位器安裝后占用一定空間,且導致術者手腕的負重增加，對種植機穩定性的把控要求也更加嚴格[18]。

綜合以上因素，目前動態導航技術更適合于局部種植解剖條件復雜、種植部位視野不佳、期望微創手術、以及就診時間緊迫的復雜病例。

4 動態導航種植外科的精度及影響因素

4.1 動態導航的精度

Block等[6]臨床前模型研究表明，與術前虛擬設計種植體對比，動態導航種植手術在牙列缺損病例中應用時，種植體軸向角度誤差為0.89°± 0.35°，種植體根部水平距離誤差為(0.38±0.21)mm；在牙列缺失病例中應用時，種植體軸向角度誤差為1.26°± 0.66°，種植體根部水平距離誤差為(0.56±0.17)mm。Elian等[14]的臨床研究報告顯示，動態導航種植手術的種植體頸部水平誤差為(0.89±0.53)mm，根部水平誤差為(0.96±0.5)mm,軸向角度誤差為3.78°±2.76°。通過對IGI種植軟件的精確度研究，得出其偏離角度誤差為4.21°，頭部誤差為0.65 mm，尾部的偏離值為 0.68 mm[19]。Ruppin等[20]在2015 年通過臨床研究獲得動態系統精度誤差值為0.2～0.3 mm。

4.2 動態導航手術系統精確性的影響因素分析

動態導航手術中導致精度誤差的因素有多種[21]，導致種植體植入誤差產生的因素有四點，分別是系統自身誤差、數據采集及轉換過程中產生的誤差、配準流程中的誤差和操作過程誤差。

4.2.1 系統誤差 系統誤差主要包括動態導航定位自身誤差、術前種植體及修復體虛擬規劃軟件的誤差以及術后種植體植入精度分析軟件的誤差。

動態導航系統的光學跟蹤定位儀開機后有約十分鐘熱機時間，溫度的不穩定會導致動態導航系統硬件各部分產生微小變形和位置變化，從而產生20%～40%的定位誤差[22]。手術器械和參考板上的紅外LED傳感原件離紅外線立體攝影機越遠，介質對光學的影響越大，手術過程中越易出現信號接收異常，干擾手術進程且影響手術精度。手術器械、參考板與紅外光線方向的夾角過小，反射光會對光學儀器產生干擾,導致紅外線跟蹤定位儀無法對手術器械和參考板進行識別[23]。

動態導航系統的術前設計和術后配準軟件均不會對原始影像數據進行精度調整，但動態導航設計軟件和精度分析軟件自身的系統誤差也將影響最終的誤差結果，在將DICOM格式的CBCT圖像文件和STL格式的數字化口內掃描模型導入系統軟件的過程中，軟件無法對分辨率之外的圖像進行重建。同時，在對圖像進行閾值調節、頜骨影像分割的過程中可能產生偽影干擾，最終產生不可避免的誤差。

4.2.2 數據采集和轉換誤差 數據采集和轉換誤差主要與術前術后CBCT影像的采集有關[24]。在掃描過程中，CBCT機越精密，拍攝視野越小，掃描層厚越薄，采集的數據準確性越高。CBCT掃描過程中患者位置的改變也會導致相鄰影像序列之間的差異，從而影響重建圖像的準確性。此外，動態導航需要在精準重建頜骨三維，從而對種植路徑進行引導，選擇適當的CBCT窗位和窗寬，可以更好地對骨表面和余留牙形態進行重建。

4.2.3 配準誤差 配準過程是造成動態導航手術精度誤差的最主要環節[25]。目前常用的配準方式有點配準及面配準兩類。

點配準即基于特征的配準技術，其臨床應用時操作簡易，整體運算量小，但所需臨床操作流程較復雜[26]。導入動態導航系統術前設計軟件的DICOM格式的CBCT圖像分辨率越高,確定的標記點越規則、越容易識別和操作，定點誤差越小[27]。此外，通過動態導航系統術前設計軟件進行圖像分割或者對影像標記點進行自動定義，也可以減少影像定點誤差[28-29]。

面配準即基于灰度的配準技術，是通過計算機輔助動態導配準器械接觸患者身體區域或通過激光對患者進行掃描，利用圖像的灰度數據與影像學數據進行配準，從而避免了因數據分割而帶來的誤差，精度較高且不需要預處理。面配準不需要進行標記點的標定，可通過動態導航系統進行自動化配準。但在配準全過程中需要試用圖像的全部灰度數據信息，配準速度顯著低于點配準，限制了其在臨床應用[30-31]。另外，患者術區軟組織腫脹、術中皮膚組織漂移及患者表情肌收縮等也會影響面配準的精度[32]。

4.2.4 操作誤差 操作誤差貫穿于整個計算機輔助動態導航手術過程中，主要CBCT拍攝過程中配準裝置的移動及翹動；術前校準時球鉆測定配準點時的位置、角度、穩定性；術前及術中參考板固定的位置、角度、穩定度性以及術者對導航系統的熟悉程度等有關。CBCT拍攝過程中，若配準裝置發生移動及翹動，會影響重建圖像的準確性，引起配準誤差及種植體植入精度誤差。術前校準時球鉆進入U型管凹坑時過度加壓或脫離凹坑，會導致U型管翹動造成種植體植入精度誤差或配準精度誤差。采集配準點時應注意鼠標操作時產生的晃動會對紅外線立體攝影機的定位造成影響。術前應確保參考板固位穩定，術中不可再對其固定的位置、角度進行調整，且不影響術中操作以及U型管的二次復位，以免造成其移動或翹動。

由于動態導航系統操作流程與常規種植外科手術有所差異，且術中需將手術視野從患者口內調整至顯示器，增加了術者操作上的不適應。關于動態導航系統種植手術的學習曲線研究證實，經過20 次臨床實驗后動態導航系統種植手術的精準度有所提升，其中種植體軸向角度誤差降至3.63°，種植體根部距離誤差降低至0.96 mm[33]。

5 動態導航技術在口腔種植外科臨床的應用

5.1 動態導航系統產生過程

1988 年出現口腔三維CT，實時導航系統開始在口腔種植領域應用[34]。1995 年Fortin在術前對頜骨進行CT 掃描，在計算機上進行了手術規劃和模擬，運用動態導航按照術前規劃植入種植體[35]。德國的Spielberg應用Stryker Leibinger導航系統進行了種植體植入,其實驗室誤差為頭部平均(1.62±0.03)mm,尾部平均(1.36±0.02)mm[36]。2000 年，適用于種植領域的動態導航系統正式出現，按照術前規劃進行種植窩的預備，確保其位置和方向的精準性[37]。2005 年Miller等[38]及2006 年Mischkowski等[39]開始報道將動態導航技術在口腔種植領域的廣泛應用。

5.2 動態導航輔助無牙頜種植

Chen等[40]提出，對于上頜無牙頜動態導航手術科采用頭顱定位參考支架來作為參考裝置。Stefanelli 等[41]在下頜正中區域植入微種植釘，從而對口外參考裝置進行固定。滿毅等[42]報道，在下頜切牙區的先行植入一枚種植體術中，將參考裝置剛性連接在該種植體上，該種植體后期與其他植入的種植體一起作為上部修復體的支撐。Stefanelli等[43]對動態導航引導下的無牙頜種植體精度進行分析，種植體冠方偏差0.26 mm，根方偏差0.29 mm，植入深度偏差0.16 mm，角度偏差0.7 mm。Pomares-Puig等[44]將動態導航與靜態導板相結合，在無牙頜靜態導板上置入3～4 枚金屬球作為配準標記點，實現動態導航輔助下靜態導板引導無牙頜種植手術，從而在植入過程中對種植體的位置或角度進行校正。

5.3 動態導航輔助穿顴種植

Branemark教授于1989 年提出利用超長種植穿顴種植體的治療方案[45]。穿顴種植體從后牙區牙槽嵴穿上頜竇進入顴骨，獲得顴骨與上頜骨雙重固位，避免大量植骨的同時，縮短治療周期。Bedrossian等[46]報道顴種植體十年存留率為95.12%。穿顴種植手術因需要全麻、需侵犯上頜竇、手術創傷大、技術敏感度高等，在臨床中的廣泛應用受到限制[47]。Colletti等[48]報道，穿顴種植術中可能損傷眼球及眶下神經。Fernández等[49]報道244 枚穿顴種植體手術并發癥發生率為9.9%，其中最常見的是上頜竇炎，其發生率為7.5%。因此對于精準種植的要求較高。

擬行穿顴種植技術的患者通常剩余骨量嚴重不足，無法通過固位釘實現靜態導板的穩定固位于上頜骨，致使種植導板的精確性下降[50]。其次，后牙區張口度不足也導致靜態導板在穿顴種植技術中較難應用[51]。

Wang等[52]使用動態導航技術輔助完成穿顴種植手術，測得52 枚顴種植體的冠方偏差、根方偏差和角度偏差分別為1.24 mm，1.84 mm和2.12°。馬文杰等[53]利用動態導航輔助穿顴種植手術，術后3 年隨訪種植體周骨水平穩定，并指出顴骨骨質致密，動態導航引導下備孔時應注意降溫，每一級擴孔鉆備孔后使用沖洗針管及低溫生理鹽水沖洗種植窩。Stefanelli等[54]研究發現，相比自由手種植，動態導航輔助翼上頜種植體植入誤差明顯降低。陶寶鑫等[55]報道，動態導航輔助雙側雙顴種植在種植體根方、頸部及角度偏差上均低于靜態導板種植，與自由手種植無統計學差異。Ramezanzade等[56]的系統分析顯示，對于穿顴種植，特別是上頜骨缺損的穿顴種植病例，動態導航系統可靠的輔助技術。Da等[57]報告1 例全鼻切除術后大量骨缺損的患者，在動態導航輔助下行雙側穿顴種植，實現雙磁性附著體和硅膠贗復體最終修復。

5.4 動態導航系統與手術機器人結合應用

近年來，手術機器人在實現種植手術精細化、手術流程智能化、手術操作自主化方面上取得了顯著發展[58-59]。種植機器人配備的機械臂可在狹小口內空間進行精準操作，從而避免操作疲勞、視覺盲區,以及體位不佳等誤差，實現口腔種植精準化微創治療[60]。

口腔種植機器人Yomi相關臨床病例報告植入點、根尖點和角度誤差分別為0.58 mm、0.64 mm和1°[61]。Cheng等[62]體外模型研究表明,種植手術機器人輔助植入種植體的植入點誤差為(0.79±0.17)mm,種植體根尖點誤差為(1.26±0.27)mm,角度誤差為3.77°。有研究對自主種植機器人的標定精度進行測定，并對比了自主種植機器人與手動輔助種植機器人的種植體植入精度，發現自主種植機器人標定的平均距離偏差為1.11 mm，平均角度偏差為0.99°。種植體植入的頸部偏差為(1.44±1.0)mm，根尖偏差為(1.68±0.76)mm，角度偏差為1.01°±1.06°，其標定精度及種植體植入精度均略小于手動標定機器人精度[63]。

吳煜等[60]在動態導航技術及口腔種植機器人的基礎上，實現機械臂對規劃種植體的實時識別追蹤與定位，報道種植體植入點總誤差為(0.63±0.23)mm[(0.16～1.10)mm], 根尖點總誤差為(0.64±0.26)mm[(0.16～1.18)mm],角度誤差為2.27°±0.98°(0.27°～4.59°)。Wu等[64]實現動態導航系統與手術機器人二者結合，在模型上進行了動態導航引導下機器人輔助穿顴種植手術。

6 展望

現階段，動態導航已經展示出良好的手術精度和易用性，隨著計算機軟硬件的發展，導航設備成本的降低，導航技術精度的提升，動態導航引導種植外科手術將會獲得大面積應用。此外，隨著虛擬現實技術及虛擬現實增強技術的發展，手術機械手臂應用范圍的拓展，將會使種植外科手術更加的直觀、有效、精準，將動態導航引導下的智能種植外科手術技術引領到新的高度。