动态实时导航在口腔种植领域中的临床应用及新进展

2021-2-19 10:02  来源:口腔疾病防治
作者:满毅 周楠 杨醒眉 阅读量:1978

    随着数字化技术在口腔种植领域内的应用日趋广泛,越来越多的口腔医生开始选择在计算机辅助下完成种植手术。其中静态数字化手术导板和动态实时手术导航是临床医生最常选择的两种能够辅助种植外科手术的数字化手术辅助工具。

    将这种不断发展的数字化技术应用于口腔种植外科,从而辅助种植外科手术的过程,称之为计算机辅助种植外科(computer-aided implant surgery,CAIS)。计算机辅助下的种植诊疗过程包括术前的数字化诊断及设计、术中引导钻针进行窝洞预备以及术后比较实际植体位置与理想设计的植体位置之间的三维空间位置差异。

    静态数字化导板和动态实时导航系统都可以使医生通过配套软件术前的三维重建图像去观察和标记患者术区的骨组织情况和邻近的重要解剖结构,然后模拟放置上部修复部件,并以修复为导向模拟放置种植体,术中辅助医生依照术前设计完成手术。但是,数字化手术导板在临床应用的过程中存在一定局限,包括导板的制作需要额外的费用和时间,导板手术术中存在术区不可视、水冷却困难等问题。而动态实时导航系统在应用的过程中则可以避开这些问题。

    在2000年,动态实时导航系统正式开始在口腔种植学领域得到应用,现在越来越多的临床医生开始使用动态实时导航系统来辅助完成种植手术。本文对种植手术中动态实时导航系统的临床应用进行述评并介绍其在口腔种植领域的新进展。

    1.动态实时导航的临床工作流程

    动态实时导航系统由硬件和软件共同构成,其中硬件主要包括导航仪和导航系统专用的手机、钻针,而软件则主要为导航仪内部计算机自带的专用导航技术软件。医生对于软件和硬件的了解,以及对于整个导航系统的熟悉程度决定了在使用实时导航系统时的操作时间。在医生准备进行种植导航手术前,要先完成术前准备工作。

    首先需要在患者口内安装配准装置,然后患者在佩戴配准装置的情况下接受CBCT的拍摄。将拍摄所得的信息数据导入导航软件中,进而在术前完成患者三维影像的重建。同时,在重建的影像中还包含了配准标记。配准标记一般可以分为侵入性和非侵入性两类,其中侵入性的配准标记包括在牙槽骨内安置的骨内标记,是配准标记精度准确性的金标准,但这种配准方法需要患者在术前就接受一次手术将标记点植入到颌骨内,因此具有侵入性。而非侵入性配准标记则是指位于能够固定于口内或口外的无创性配准装置上的标记点,此种配准方法应用较为广泛。在三维重建的影像上,医生可以对拟种植位点进行分析,同时还可以模拟加入上部修复部件,进行以修复为导向的种植体模拟放置。

    当术前设计完成后,便可以开始准备导航手术。手术前要先让导航仪的光学追踪设备捕捉手机钻头以及患者颌骨的位置,然后进行标定,标定完成后再利用配准标记点将颌骨与三维重建的虚拟影像相匹配。完成标定和配准过程后,在动态实时导航手术中,导航仪的屏幕上便会实时展现钻针与种植术区的情况,并通过误差控制图标来指示医生按照术前设计进行手术,将术前设计精准转移到术中。若术中出现了不同于术前设计的情况,医生可以根据实际情况在导航仪上实时更改手术方案。术后拍摄CBCT后,将术后植体三维影像位置信息导入到导航仪软件中,通过与术前影像相融合比对,还可以计算出实际植体与术前设计植体之间的尖端、入口处以及角度差异。

    2.动态实时导航的应用效果及精度分析

    动态实时导航系统可以使种植手术更加精准、可期及安全。Block等对714颗种植体进行了分组,分别采取全程导航引导下、半程导航引导下和自由手三种种植手术方式,计算每一颗种植体最终植入后的实际位置与术前设计位置在尖端、入口处和角度上的差别,结果发现导航引导下的种植体植入手术精度更高。全程导航肩台处偏差为1.16mm,尖端偏差为1.29mm,角度偏差为2.97°;半程导航肩台处偏差为1.31mm,尖端偏差为1.52mm,角度偏差为3.43°;自由手的肩台处偏差为1.78mm,尖端偏差为2.27mm,角度偏差为6.5°。这个结果同其他学者研究得到的结论是一致的,即在动态实时导航引导下,种植手术的精度会有所提高。

    Kaewsiri等进行了一项随机对照试验,将60例需要进行单颗位点种植的患者随机分成了两组,分别进行动态导航引导下的种植手术和静态导板引导下的种植手术,结果表明两种手术方式下的种植手术精度相近。在这项随机对照试验中,研究者严格控制了静态导板组除了人为因素外的其他由导板手术本身可能带来的误差,包括导板的就位是否密合、患者张口度是否足够等,而相较于导板组而言,导航组则完全可以避免这些问题。动态实时导航在口腔种植外科手术中的应用效果与医生的临床经验关系密切。研究表明,动态导航系统在种植手术中的应用存在学习曲线,对于经验丰富、对导航系统操作更加熟练的医生来说,在进行导航手术的时候精度会更高、效果会更好。

    3.动态实时导航在临床中的应用及不足

    动态实时导航系统目前已在临床上得到应用,其中在对于种植精度要求较高的美学区应用相对较多。较后牙区而言,美学区对植体在近远中向、唇舌向及深度上的位置要求更高,利用动态实时导航系统可以精准地将术前设计转移至术中。除此以外,动态实时导航还特别适宜局部解剖条件复杂的牙列缺损、牙列缺失的种植修复病例,医生在术中可以实时精确地监控备洞钻针的深度、角度及其与重要解剖结构之间的关系,使得手术更加安全。动态实时导航虽然可以提高种植手术的精度与安全性,但是目前仍存在一些需要注意的问题。

    动态导航系统的术前准备工作较为复杂,其工作全流程由许多环节构成,包括术前CT的拍摄、导航系统软件的内部参数设定、标定和配准过程以及术者在手术中的操作表现,任何一个环节的误差都会对最终的导航手术精度产生影响。因此要想保证种植手术的最终精度是可靠有效的,就必须严格控制每一步的精度。此外,术前配准及标定装置的安装、配准过程的实施等环节都需要花费额外的时间和精力,使得目前导航系统在种植手术领域的普及仍存在一定困难。简化导航系统的使用流程、减少术前准备所需花费的时间将成为未来导航系统优化的方向之一。

    4.动态实时导航的新进展

    4.1提高动态实时导航的精度

    种植手术导航的精度受很多因素的影响,其中在配准过程中产生的误差是影响导航精度的一个关键因素。配准误差产生的原因及减小配准误差的方法成为了被关注的问题。Du等研究了不同口内环境下不同配准材料对配准精度的影响,结果显示氮化硅的放射标记物伪影最少,相比较氧化锆、不锈钢、氧化铝可以更好地作为放射阻射材料使用,Chen等提出在利用面部解剖标志点来进行配准时,可以通过对标志点的选择和设定来优化配准精度。导航的误差分为系统偏差、成像误差、配准误差和应用误差。

    ①系统误差与手术导航系统固有的硬件和软件误差相关。以目前常用的光学导航为例,主动式和被动式的追踪原理、追踪元件的坚固固定、追踪范围和追踪距离都会影响导航硬件的系统误差。

    ②成像误差与CBCT或者螺旋CT的成像有关。文献综述认为CBCT和螺旋CT在线性精度方面没有显著性差异,但是在使用中,CBCT的最小层厚可以达到0.08mm,而传统的螺旋CT的层厚最小只能达到0.325~0.6mm;CBCT放射剂量更小、空间分辨率更高、操作更加简便。因此在口腔种植导航中使用CBCT成像较多。

    ③配准误差是影响导航精度最重要的因素,配准是将事前计划于患者术区准确重叠建立联系,目前常用的配准方法分为有标记点的配准和无标记点的配准,前者包括骨内标记点、配准装置、解剖标记点等,后者是用激光对术区进行表面扫描,使用的表面结构需要可重复性高。使用标记点进行配准的误差又分为基准点定位误差、基准点配准误差和目标点配准误差。

    ④应用误差包括配准装置的准确就位、操作者对种植导航系统的熟练掌握程度等。

    4.2导航引导下的无牙颌种植

    无牙颌患者解剖条件复杂、修复难度大,近年来有一些学者开始使用数字化手术导板辅助完成无牙颌患者的种植手术,但是静态导板在用于种植手术的过程中依然存在一些问题,比如对患者张口度要求较高、冷却差和造成术区不可视等,而动态导航的在口内的扩孔操作类似于自由手,受患者张口度、冷却要求及术区可视可见与自由手没有明显差异,因此成为了数字化引导种植的另一种选择方式。目前动态导航系统在无牙颌患者中的使用还非常少,主要是因为缺少了牙齿作为导航系统中追踪装置的放置点。

    Chen等报道了使用头颅定位参考支架来作为上颌无牙颌时导航手术的参考装置,但是此方法对于下颌无牙颌患者来说难以使用。对于下颌无牙颌的病例而言,下颌骨存在的较大动度增加了导航系统参考装置稳定放置的难度。Stefanelli等报道了利用下颌骨正中区域植入的微型种植钉来作为媒介将口外参考装置与下颌骨进行连接,但是此种方法需要开辟第二术区,存在一定创伤。

    本课题组目前已开始使用研发出的新型导航装置来进行下颌无牙颌患者的种植导航手术,术中参考装置被刚性连接在下颌切牙区的最终种植体上,从而获得了稳定的放置点,该种植体后期作为最终种植体与其他植入的种植体一起作为上部修复体的支撑。在该新型导航装置中,连接杆被优化成了弯向下方的形态,同时参考装置的体积被缩小,进而减小了医生在术中误碰下颌骨追踪装置的可能性。在该导航装置辅助下,种植手术成功完成,术后精度验证结果显示植入效果良好,4颗种植体的平均植入误差在种植体入口处、尖端和角度上分别是1.38mm、1.60mm和1.80°。

    4.3导航引导下的穿颧种植

    当患者上颌骨剩余骨量严重不足时,进行颧骨种植可以避免骨增量手术、缩短治疗次数和时间。但颧骨种植存在极大的手术风险,包括可能会伤及眼球及邻近的神经等。近年来,吴轶群教授课题组使用动态实时导航技术来辅助完成穿颧种植手术,将术前设计与术后CBCT进行精度验证,所测得52枚颧种植体的起点误差、终点误差和角度误差分别是1.24mm,1.84mm和2.12°。而将手术导板应用于颧种植中,起点误差、终点误差和角度误差可能分别高达2.77mm、4.46mm和8.06°(矢状面)、11.20°(冠状面)。手术导板的误差在颧种植体中增加,其原因可能是因为颧种植体比常规种植体长4~5倍,起点处的微小偏差可能在根尖处数倍放大;而应用手术导航则可以实时观察扩孔钻的轴向,当扩孔方向有偏离时即可警觉并进行调整,从而提高种植体植入的精确性和安全性。

    本课题组对一例上颌骨缺损的患者实施了动态导航引导下的穿颧种植手术,术前对患者进行口扫及CBCT拍摄,按照口扫模型的最终修复体位置设计种植体的位置,完成配准后,利用患者的骨性结构在口内验证精度,而后在动态导航引导下在一侧颧骨中植入两颗种植体,术后精度良好。Fan等还进行了一项体外实验,专门研究针对穿颧导航时配准标记点的分布构成对手术精度的影响,建议在上颌至少植入5个呈多角形分布的配准点才能获得较小的基准点配准误差。吴轶群教授课题组将动态实时导航与机器人相结合,并在体外模型上模拟了导航引导下的机器人穿颧种植手术,获得了良好的效果,实现了准确的种植体植入。

    5.展望

    现阶段动态实时导航在口腔种植手术中的运用仍存在一定的误差,因此进一步提高导航的精度和准确性将会是未来发展的趋势。此外,动态导航系统现阶段的装置和临床操作流程较为复杂,因此限制了导航系统的普及化,进一步简化导航系统的装置和操作流程将会是导航系统未来的优化方向之一。

编辑: 陆美凤

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