动态导航引导颧种植体植入的临床工作流程

    口腔种植修复技术已经成为治疗牙列缺损或牙列缺失的常见手段。但临床上，对严重萎缩的上颌牙列缺失患者采取种植修复仍极具挑战。1998年，Brånemark开创性地研发了颧种植体（zygomatic implant,ZI），将其运用于上颌骨缺损和严重萎缩上颌牙列缺失患者的修复重建。
    颧种植体长度是常规种植体长度的数倍，经典术式经由牙槽嵴的腭侧穿越上颌窦后进入颧骨。与复杂的骨增量相比，颧种植技术能够减少手术次数，避免了取骨供区并发症风险，同时能有效缩短愈合时间，为即刻负荷提供了可行性。但颧种植体扩孔路径长，毗邻一些重要的解剖结构，如眶侧壁、颞下窝等，同时，颧骨解剖形状不规则，且宽度、厚度有限，因此，能否将颧种植体植入到设计的理想位置获得最佳的颧骨-种植体接触面积成为了颧种植手术成功的关键。
    随着数字化技术的应用日趋广泛，越来越多的口腔医生开始选择在手术导板或动态导航系统的辅助下完成种植手术。有学者尝试采用手术导板辅助颧种植体植入，但颧种植体比常规种植体长4~5倍，任何在入口位置产生的放置偏差都会导致颧骨段的偏差加大；同时导板难以在重度萎缩上颌稳定放置。Chrcanovic等报道了在尸体上使用手术导板植入16颗颧种植体的结果，术前规划与术后颧种植体实际位置之间有8.06°的角度偏差，其中有两颗颧种植体分别穿通颞下窝和眼眶。
    另一项临床研究也指出，使用手术导板进行颧种植手术时，入口和顶点存在偏差，分别为2.77 mm和4.46 mm，造成这些偏差的主要原因是缺乏控制钻头末端位置的有效机制，因此常规的手术导板难以将颧种植体准确放置到预先设计的位点上。动态导航是一种计算机辅助外科手术的方法，多年来，高精度的动态追踪技术已应用于复杂的临床外科手术，如脊柱外科、整形外科、神经外科、内镜手术以及颅颌面外科手术，主要用于定位手术解剖结构及手术切口。
    在计算机辅助种植手术（computer-assisted implant surgery, CAIS）中，导航系统主要运用其动态追踪技术，在整个手术过程中实时追踪钻头和患者的位置，监控种植路径并指导手术医生进行即时调整，最终在追踪下实现种植窝洞预备与种植体植入。2000 年，Schramm等首先报道了通过动态导航系统进行颧种植体植入手术的案例，该案例使用Stryker Leibinger/Zeiss动态导航系统对上颌骨次全切除术的患者进行了术前规划和术中引导，并实现了颧种植体的精准植入。随后更多学者进行了相关体外实验与临床试验，在动态导航的引导下，颧种植体植入手术在上颌骨缺损和无牙颌患者中均显示了较高的精确性，证实了该方法应用于颧种植手术的临床可行性。
    1.动态导航系统组成
    动态导航系统一般由红外摄像机和计算机两个组件组成。红外摄像机用于追踪病人和手术器械的位置，而计算机可以处理三者之间的坐标关系，在屏幕上实时显示患者图像和器械位置。导航中的光学追踪方式可以分为主动追踪和被动追踪。在主动追踪时，红外摄像机捕捉手术器械和自发光参考板的红外光；被动追踪则是通过监测手术器械和患者参考板上的光反射球反光，推算红外摄像机产生红外光的相对位置。该装置使用反射球代替自发光装置，可以减少手持器械的重量，但两者皆存在光源容易被遮挡的问题，因此在导航手术期间需避免遮挡跟踪设备和红外摄像机之间的光学路径。
    在导航手术中，摄像机主要追踪三种器械：①带有反射球的参考架/自发光参考板；②导航探针；③固定在种植手机上带有反光球的支架/自发光参考板。在导航手术过程中，为实现对患者和种植手机位置的实时追踪，患者参考架与患者、种植手机参考架与种植手机都须保持相对位置的固定。
    2.配准流程
    用图像所引导手术时应将图像数据与患者位置进行匹配，即通过配准统一影像虚拟坐标系和患者实体坐标系。首先将配准标记物进行点对点的配准，随后可建立虚拟坐标系和手术区域之间的关系。通过导航的设备和程序，可以在屏幕上实时反映在矢状面、冠状面、水平面的钻孔轨迹和三维重建图像。因此，配准是导航手术的关键步骤。严重萎缩无牙颌或终末牙列阶段存在有上颌骨严重萎缩的患者，临床医生难以获得稳定的骨性上颌骨解剖标志和天然基牙作为配准标记点。因此，采用基于解剖标志或者咬合垫的配准方法无法提供足够的精度来实现导航手术。
    激光扫描配准在神经外科中使用较多，但不适用于表面凹凸不平或活动度大的颌面部软组织，在口腔种植临床手术中应用较少。对于这类严重萎缩无牙上颌患者，主要通过在术区周围植入微型钛钉来进行配准。钛钉配准法通过将微型钛钉植入术区口内剩余牙槽骨来进行点对点配准。
    配准标记物的放置和数量应基于West准则：①配准标记物应尽量广泛分布；②配准标记物应尽可能靠近关键手术区域放置；③应避免线性或近线性分布配准标记物；④目标区域周围应尽量放置更多配准标记物。在最近完成的体外模型研究中，作者所在的研究小组在上颌牙列缺失模型上评估了配准标记物的数量与分布对颧种植导航精度的影响，结果表明导航在颧骨区的精度取决于配准标记物的数量和分布。
    当在口内植入8 颗以上的钛钉并使其形成多边形排列分布时，可明显降低目标配准误差。临床应用中应依据剩余的骨量及其密度决定微型钛钉植入部位。在严重萎缩的上颌牙列缺失中，为了使微型钛钉有足够稳定性，又需要避免阻挡颧种植体扩孔路径和种植体放置，植入微型钛钉的区域较有限，一般会考虑选用双侧前鼻嵴、双侧上颌结节和腭中缝的区域。
    3.动态导航辅助颧种植体植入工作流程
    术前的路径规划与术中导航需要一系列准备工作：①上颌牙列缺失的患者，在术前设计时可制作硫酸钡义齿，满足以修复引导外科的要求；②在局麻下将微型钛钉植入上述区域内。在临床程序中，微型钛钉的稳定性易受到剩余的骨量和骨密度的影响，手术期间，一些微型钛钉会在切开翻瓣时发生移位甚至脱落。为提高导航手术的精度，在微型钛钉植入后必须检查其稳定性，在骨量充足的区域可植入两枚以上的微型钛钉，以确保有数量充足且稳定的配准标记物；③拍摄CT或CBCT时将硫酸钡义齿戴入患者口内，影像拍摄范围需包含所有手术区域及配准钉。进行初步设计时，将CT或CBCT扫描中提取的数据导入术前规划软件，并完成配准标记物的标记，根据硫酸钡义齿，确定颧种植体口内入口的位置。
    微型钛钉的分布和数量可基于上述配准原则。但关于种植导航手术螺旋CT或CBCT扫描所需的层厚度、体素大小和图像分辨率参数还没有指南或共识。本研究小组收录了23 例颧种植手术病例，总计植入了72 颗颧种植体，12 名患者术前采用了螺旋CT进行扫描，11 名采用CBCT，术后测量颧种植体植入精度。结果显示：采用CBCT在动态导航引导下上颌牙列缺失颧种植体植入术的准确性可能高于螺旋CT，但由于样本数量有限，需要纳入更多的病例获得更可靠的结果。
    理论上，导航手术的总体误差是从每个步骤中逐步累积而成的。在临床实践中，螺旋CT拍摄的层厚和CBCT重建的体素尺寸通常设定为0.625~1.0 mm和0.3~0.5 mm，该参数设定主要基于导航软件对影像数据的要求。从临床实践中来看，上述图像参数在导航手术中提供的准确性似乎可以接受。
    然而，图像误差不仅来自拍摄机器的参数质量，在拍摄期间患者的移动、操作者使用软件将多组数据拟合过程中都可能产生误差。在完成路径规划和配准后，颧种植手术一般行上颌牙槽嵴区域、中线和两侧垂直附加切口，钝性分离黏骨膜瓣，暴露出上颌窦前外侧壁和部分颧骨，根据颧种植路径和上颌窦侧壁的关系决定是否进行上颌窦侧壁开窗。
    一般来说，对于窦内型和窦壁型的种植路径均需在上颌窦前外侧壁进行骨窗制备，而一部分窦外型仅需在上颌骨颧突近颧骨体部交界处进行一小骨窗的制备。在导航手术中，上颌窦侧壁开窗的目的主要是确保钻孔过程中钻针的冷却，防止出现热损伤，而不是通过开窗来获得足够的术区视野。因此导航手术利于进一步缩小开窗的面积，实现颧种植手术微创化。在导航手术的过程中，有时可以结合使用探针或者手术导板来确定种植窝洞的入口。与钻孔的过程相比，确认颧骨区入口时长的扩孔钻容易在骨面出现打滑，易导致定位不准。必须在精确确定入口后，才可进行窝洞的预备。
    在颧种植的备洞过程中，由于钻头的直径和长度不同，每次更换钻头时都需要执行钻头的标定，标定时，需选择相应直径的轴向孔，将钻头的轴线插入轴向孔中，从而获得钻头相对于参考坐标系的方向矢量，实现钻头的实时追踪。整个备洞过程应遵循术前计划的轨迹，最终在导航引导下或徒手植入已规划好长度的颧种植体。如果所植入的单个种植体的扭矩超过30~35 N·cm，可进行即刻负荷；如果手术中种植体不能达到足够的初始稳定性，则需选择延期负荷。当患者出现明显的副功能咬合问题时，也需考虑进行延期负荷。
    4.颧种植导航手术的精度评估
    导航过程中存在的误差主要包含：标记定位误差（fiducial location error，FLE）、标记配准误差（fiducial registration error，FRE）和目标配准误差（target registration error，TRE）。FLE是医生在影像数据中选取的标记点和实际位置的偏差，取决于图像像素大小，也取决于配准标记物的设计是否有利于识别。
    FRE表示影像中选取的配准点的位置和采用探针选取的实际配准点位置的均方根值。TRE是指导航手术工具的坐标与手术目标的相应坐标之间的差异，直接反映了影像与术区的导航精度，因此TRE值对手术的安全性和准确性至关重要。导航手术的准确性评估通常由体外实验开始，导航过程中出现的系统误差则来源于配准的每个步骤与导航部件之间的结合，诸如拍摄CT/CBCT影像的质量、光学跟踪装置的精度、配准的精确度、手术器械的标定等，并最终通过在实验中完成配准后测定TRE来确定该动态导航系统是否能应用于临床。
    然而，验证种植手术的精度最有效的方法是拟合并比较种植体术前规划和术后位点，评估最终种植体是否按规划路径植入。在前期完成的模型实验中，我们采用上颌牙列缺失模型，模拟进行了导航引导下的颧种植手术，比较了术前规划与最终获得的术后颧种植体位置，平均入口与顶点偏差分别为1.36 mm和1.57 mm，角度偏差为4.1°。
    事实上，在导航系统临床实际应用中，存在有几个因素会导致导航手术在临床病例中的精确性低于体外研究的数据结果，比如钻孔路径中骨的表面形貌复杂、骨密度不同、钻孔过程中钻头的变形与偏离、有限的手术视野、参考架的移位以及切开翻瓣引起配准标记物的移位等，都可能造成术者无法将术前计划精确地转移到手术部位。这些因素属于非系统性误差的范畴，在不同的临床条件下会有很大差异。
    在我们之前报道的一项临床研究中，双侧双颧（quad approach）种植手术的平均入口、出口和角度偏差分别为1.35 mm、2.15 mm和2.05°，出口偏差明显大于入口偏差，但在计算机辅助种植手术中尚可以接受。由于患者颧骨的骨宽度不均，解剖结构较复杂，在一侧放置两颗颧种植体仍极具挑战，需要患者有足够的颧骨宽度。结合模型实验和人体研究的结果，我们建议在规划颧种植体的植入路径时，颧种植出口，即其尖端的设计一般要确保与重要解剖结构3 mm的安全距离较为合理。
    5.导航引导下颧种植手术的不足与未来发展
    除设备成本外，导航手术的成本还包括培训成本，因此更加昂贵。研究报告称，术者需在临床上使用导航植入20 颗常规种植体，植入准确性才能明显提高。但颧种植体的钻孔路径长、解剖结构复杂，术者需要更长的时间学习。在维持机头稳定的情况下，将手术视图从导航显示器转移到手术部位较困难，医生需要频繁切换视角，这是当前可视化技术最主要的缺点。增强现实技术使外科医生在可穿戴设备的辅助下，能同时将手术区域与术前计划可视化。
    该集成可在患者身上同时显示相邻的解剖结构、计划轨迹和术中程序，避免术者在备洞期间需要频繁切换视角。此外，该技术也能改善口腔种植手术的教育和培训流程。在导航系统中加入增强现实和虚拟现实后，本科生可以在不伤害患者的情况下，在虚拟环境中进行手术练习，学习手术工具的应用。
    之前的一项研究显示，基于导航的颅颌面外科手术在计划阶段和手术过程中均耗时更长，因此医生就更需要相应增加该项手术训练时间。利用微型钛钉的点对点配准是目前最精确的配准方法，但微型钛钉植入的过程具有侵入性，会给患者带来额外的创伤与不适，甚至有患者因这一原因拒绝导航手术。同时，导航手术中配准的误差、术中钻头的滑动等应用误差与外科医生的操作熟练度、规范性相关，在现阶段的动态导航辅助种植手术中还未能完全解决。
    为了最大限度地减少人为误差，几个研究小组一直在开发口腔外科手术机器人，目前已成功达到临床的精度要求。随着技术的发展，期待未来的颧种植体植入术也能逐步实现微创化、精准化操作。