動態導航系統與靜態導板系統在口腔種植手術中精確性的模型對比研究

趙金榮 蘇天月 劉鵬慧 陳磊 周立波 吳高義

目前,很多牙列缺失患者已逐漸將口腔種植固定修復作為修復的優選方法。牙種植手術中,正確的種植體三維定位是實現理想種植修復的關鍵,為后期完成高質量修復提供重要保證[1-2]。然而,過去大多數牙種植手術都在自由手下進行且牙列缺失患者口內已無天然牙可供種植參考,可能會出現種植體植入位置不精確、鄰近的解剖結構損傷、種植體周圍炎癥以及種植體機械斷裂甚至種植體脫落等并發癥[3]。計算機輔助種植手術(computer-aided implant surgery,CAIS)主要分為3 種方法:靜態導板系統、動態導航系統和種植機器人[4]。靜態導板系統是使用計算機斷層掃描生成的計算機輔助設計、計算機輔助制造支架,通過引導支架使用協調的器械來放置種植體[5]。動態導航系統是使用光學技術通過對三維數字影像的可視化操作,最終實現三維影像和實際解剖位置的精確融合,實時追蹤手術器械的牙種植手術輔助系統[6-7]。之前的幾項研究表明,與靜態導板引導種植手術相比,動態導航系統的精確性有所提高,但大多數研究僅評估了單個種植體的放置[8-9]。而目前臨床上多為牙列缺失甚至牙槽骨嚴重萎縮、缺損的復雜情況。Br?nemark等[10]于1977 年報道了使用傾斜植入技術替代外置法塊狀骨植骨術完成種植體種植。傾斜植入技術是指上、下頜可用于種植的骨高度不足時,為避讓上頜竇,外科醫生以與水平面呈超過15°、小于45°角度植入種植體,來避開上頜竇、下牙槽神經、鼻底等結構,從而可以充分利用可用骨,避免骨增量的一種種植方法[11]。

目前還沒有研究關于靜態導板和動態導航對軸向和斜向種植體應用于牙列缺失患者中準確性的影響。而大量的模型實驗是計算機輔助手術應用于臨床的可靠依據。因此,本研究擬通過影像學測量牙列缺失模型在導航和導板引導下種植體植入的精確度,研究計算機輔助種植手術植入方法和種植體植入方向等因素對計算機輔助種植手術引導下種植體植入精確度的影響。從而為進一步提高計算機輔助種植手術引導下種植體植入精確度提出建議,為牙列缺失患者預成即刻修復方式的推廣奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 操作方法

將40 個牙列缺失的上頜骨樹脂模型隨機分為4 個組: 靜態導板-軸向組、 靜態導板-斜向組、動態導航-軸向組、動態導航-斜向組, 每組10 個模型,共放置了160 顆種植體(Straumann公司,瑞士)。

動態導航組:術前上頜于腭中縫、正中聯合和雙側上頜結節放置4 顆鈦釘,拍攝CBCT并導出DICOM格式。首先將CBCT數據導入DHC-2-005導航軟件(蘇州迪凱爾醫療科技有限公司)后進行種植方案設計。然后將導航儀移動到距仿真頭模前方1.25～1.5 m,進行參考板標定和鈦釘配準。最后進入手術導航界面,本次實驗將警示閾值設為位移誤差1 mm,角度誤差2°,深度誤差0.1 mm(注意:綠色表示在閾值范圍內,紅色表示誤差超過閾值范圍,并有警示音)(圖1)。

靜態導板組:將模型在術前先拍攝CBCT,獲取DICOM影像數據。采用D3586智能數控掃描裝置(Sirona Dental Systems GmbH公司,德國)獲取模型信息,生成STL數據。將兩組數據導入coDiagnostiX種植導板專業設計軟件中(Straumann公司,瑞士)并進行整合,重建模型的三維影像;然后在軟件設計種植方案,生成導板,使用P20+3D打印機(Straumann公司,瑞士)打印出種植導板,進行導板試戴,確認種植鉆植入方向與設計方案是否一致。最后用固位釘進行固定(圖2)。

精確度分析:兩組模型再次拍攝CBCT,動態導航組用“迪凱爾精確度測量軟件”,靜態導板組用“coDiagnostiX”種植導板專業設計軟件”中治療評估,分別進行種植體植入精確度分析。每一個指標由同一術者連續重復測量3 次,結果取平均值。

1.2 測量指標

具體指標見圖3。

植入點誤差:在種植體頂點的中心處測量的計劃種植體與實際種植體之間的線性位移(單位: mm)。

末端點誤差:在種植體末端點的中心處測量的計劃種植體與實際種植體之間的線性位移(單位: mm)。

角度誤差:計劃種植體與實際種植體軸線之間的誤差,單位為°。

1.3 統計學方法

2 結 果

如表1,在靜態導板組中,軸向種植體和斜向種植體在植入點的平均誤差分別為(0.97±0.46) mm和(1.09±0.23) mm。在動態導航組中,軸向種植體和斜向種植體在植入點的平均誤差分別為(0.87±0.24) mm和(0.96±0.40) mm。對于軸向種植體和斜向種植體,兩組間差異無統計學意義(P=0.144),在任一組中的軸向種植體還是斜向種植體之間均未發現顯著差異(P=0.191)(圖4)。

表1 牙列缺失模型不同植入方法和不同植入方向的種植體植入點、末端點和角度誤差的比較 (n=20)Tab 1 Comparison of the deviation of implantation point, terminal point and angle between different implantation methods in the resin models with missing teeth (n=20)

圖4 在實驗組中觀察到的植入點誤差的柱狀圖Fig 4 Bar chart of the implantation point deviation in the experimental groups

在靜態導板組中,軸向種植體和斜向種植體在末端點的平均誤差分別為(1.06±0.43) mm和(1.18±0.35) mm。在動態導航組中,軸向種植體和斜向種植體在植入點的平均誤差分別為(0.96±0.25) mm和(0.96±0.45) mm。對于軸向種植體和斜向種植體,兩組間差異無統計學意義(P=0.062),在任一組中的軸向種植體還是斜向種植體之間均未發現顯著差異(P=0.484)(圖4)。

在靜態導板組中,軸向種植體和斜向種植體的角度誤差分別為(2.43±0.80)°和(2.81±0.57)°。在動態導航組中,軸向種植體和斜向種植體在植入點的平均誤差分別為(1.80±0.35)°和(2.10±0.78)°。對于軸向種植體和斜向種植體,兩組間差異具有統計學意義(P<0.01),但在任一組中的軸向種植體和斜向種植體之間的角度誤差均未發現有顯著差異(P>0.05)(圖4)。

3 討 論

以修復為導向的種植手術理念要求在制定修復計劃的基礎上規劃種植體的精確位置。最近的研究關于種植體周圍炎風險評估的研究表明,近半數的種植體周圍炎患者與種植體植入位置不準確有關[12-13]。本研究分析了不同種植體植入方法和不同種植體植入方向的精確性。使用靜態手術導板和動態導航進行種植體植入皆可提供可預測的和可重復的高精確度的結果。

靜態導板系統通過使用軟件程序虛擬治療計劃,能夠在術前可視化,從而設計和優化種植體位置,從而避免種植體放置的不準確[5,8,14-15]。動態導航系統可以實時追蹤鉆孔器械和上頜的位置,術者調整植入物的位置、深度和角度通過觀察顯示屏上的三維偏差,從而保證種植體放置的精確性,降低手術風險[16]。

在本實驗中,對靜態導板系統和動態導航系統引導下的種植體植入精確度在牙列缺失的體外模型中進行了對比評估,兩組的平均植入點誤差分別為(0.91±0.33) mm和(1.03±0.36) mm,平均末端點誤差分別為(0.96±0.36) mm和(1.12±0.39) mm,平均角度誤差分別為1.95°±0.62°和2.62°±0.71°。目前的結果與Schnutenhaus等[17]發表的系統性綜述及Meta分析中的誤差值基本一致。本研究結果表明靜態導板組和動態導航組在種植體植入點誤差和末端點誤差方面均沒有發現顯著差異,但動態導航與靜態導板引導下種植體植入的角度誤差具有統計學差異(P<0.001)。這具有臨床意義,并表明動態導航系統引導下種植體植入的角度誤差小于靜態導板系統。重要的是,當需要將種植體放置在重要的解剖結構(如下牙槽神經)附近時,應始終保持2 mm的安全距離[18-20]。最近的一項體外研究在與本研究類似的研究設置中比較了靜態導板與動態導航方法,他們也報道了動態導航系統引導下種植體植入相較于靜態導板方式,在植入點誤差和末端點誤差方面二者相似,而在角度誤差方面前者略小[6]。 Wu等[21]也報道了動態導航系統引導下的種植體的角度誤差更小。然而, 有報道認為動態導航系統與靜態導板系統引導種植體植入在植入點誤差、末端點誤差和角度誤差方面均無統計學意義,與本研究結果相比這些值顯示出更小的精度[8-9,22-23]。本研究的更高準確性并不令人驚訝,因為它是一項在模型中進行的體外研究,模型中的種植體的放置不涉及手術區域管理和患者移動,也沒有會影響手術放置條件和準確性的軟組織、唾液和血液,并且在相同條件下重復手術也降低了術者操作錯誤的風險,而且種植體在體外環境中的放置比在患者體內放置時的壓力要小得多。另外,體外實驗的模型多模擬接近理想的骨嵴形態,來用于垂直于骨表面的鉆孔和種植體放置,并且具有足夠的骨寬度,而在臨床環境中牙槽骨由于萎縮,其寬度通常會受到限制,并且鉆孔和種植體放置的要求更高[2]。這些因素使得體外研究的結果可能與實際臨床情況有很大的不同,這一點也可以在一些系統評價中得到反映[2,16]。

正如預期的那樣,種植體植入方向對靜態導板組的種植體植入點的精確度沒有影響,因為種植體位置是由軟件計算并傳輸到手術導板的。相比之下,在動態導航組中,軸向和斜向種植體之間的差異也是沒有顯著性的統計學意義,因為動態導航組的植體位置是由軟件計算并實時顯示在計算機上的。

據報道,在使用靜態導板和動態導航引導種植手術時,有幾個因素會影響與計劃種植體位置的誤差值[5-6,22-23]。如CBCT成像、配準技術等。在使用靜態導板時,最常見的限制或潛在的錯誤是內在錯誤,例如導板或金屬套筒和鉆頭的裝配不當,其他錯誤源也可能與手術有關,例如手術導板的位置錯誤以及對牙列的干擾阻礙了鉆頭和種植體的正確定位[23]。在使用動態導航過程中,常見的限制和錯誤包括跟蹤系統的目標配準誤差(target registration error,TRE)[25]。因此,本研究中使用的手術導板是完全引導下的支撐。動態導航的配準方法是在模型上放置四個鈦螺釘作為基準標記。另外人為因素會影響計算機輔助植入系統的性能,尤其是在種植導航系統中。為了通過牙種植導航系統成功地將術前計劃轉移到臨床應用中,需要術者進行眼手協調,以便可以在導航過程中立即監控導航系統和處理鉆孔過程中的數據。Cassetta等[26]證明了在有經驗和沒有經驗的術者之間,使用靜態導板系統在牙列缺失患者中種植體的精確性沒有顯著差異。Block等[27]報道了具有豐富手術經驗的術者比沒有經驗的術者顯示出了更高的精確性。因此,本研究所有手術均由同一位經過一定次數培訓的術者來進行。未來的研究應該評估術者經驗對種植導航系統引導種植體植入精度的影響。此外,未來的研究應該解決更復雜的種植體植入場景,例如使用種植導航系統進行顴種植體種植。當然,本實驗仍有一些局限性,如樣本量較少,且模型實驗難以模擬口腔內實際情況。

4 結 論

在本研究中,結果顯示與靜態導板組相比,動態導航組的實際種植體與計劃種植體的角度誤差更小,而兩組的植入點誤差與末端點誤差沒有統計學意義。在靜態導板組和動態導航組中,種植體的植入方向對植入點誤差、末端點誤差和角度誤差沒有影響。這些發現的臨床影響仍有待臨床研究進行調查。