计算机辅助规划设计助力精准种植与长期稳定

    随着口腔种植临床技术的迅速发展与普及，种植修复并发症逐渐成为影响患者种植修复治疗长期稳定性的重要因素，尤其是对于缺乏经验的临床医师，“规范、精准”的种植修复治疗是减少并发症、保证长期稳定的关键。
    计算机辅助种植虚拟规划与设计（computer-aided design and computer-aided manufacturing，CAD/CAM）允许医生使用计算机、图形设备以及专业软件重建患者口内软硬组织的三维信息，完成虚拟修复体设计，进而“以修复为导向”进行虚拟种植体的三维位置规划，最终可实现虚拟种植外科规划向临床实际外科操作中的精准转移，有助于获得可预期的精准、美学的种植修复效果，并进一步助力实现种植修复的长期稳定。
而要实现计算机辅助的精准种植这一目标，完善精细的种植修复术前规划与设计是关键步骤之一，其数字化的流程包括了数字化信息采集、美学分析设计、种植外科与修复规划设计等环节，本文将就计算机辅助种植规划与设计的各个环节的相关概念及临床应用作一阐述。
    1.数字化信息采集
    1.1 数字化信息采集的概念
    数字化信息采集是指通过计算机断层扫描、光学表面扫描、三维立体摄影、下颌运动轨迹描记等方法来分别获取颌骨结构、牙列及黏膜形态、面部软组织三维图像以及下颌运动状态等数据的过程，用于后续的数据融合及CAD/CAM。包括体层数据获取技术、面数据获取技术、数字化面部体表信息获取技术、面部三维动态信息捕捉计算技术、下颌运动数据获取技术等。
    1.2 数字化信息采集系统分类、特点及在口腔种植中的应用
    1.2.1 数字化印模系统
    数字化印模能在最大程度上减少椅旁时间，效率提升显著，同时降低修复体制作的时间及经济成本，提高口腔治疗质量，提供更好的患者体验，促进生产效率及经济效益提升。依据2018年ITI共识，数字化印模技术可作为常规方法应用于种植单冠修复。
但对于大范围牙列缺损或无牙颌的种植修复，数字化印模的精度尚存在争议。研究认为，尽管口内扫描的精度可以满足临床需求，但数字化印模技术的精度尚不足以取代传统印模，其广泛应用仍缺乏足够的证据支持。
    1.2.2 面部三维立体摄影测量系统
    现代数字立体摄影测量技术是利用多种能量光源、光学传感器和计算机来进行三维测量，其原理均基于三角测距算法。根据图像收集方法的不同，扫描技术分为激光扫描技术和结构光投影技术。
    1.2.2.1 激光扫描
    基本的激光扫描仪由激光光源、光学传感器（相机）和扫描对象（面部）组成。激光发射器将点状或线状的激光束照射到患者面部，然后通过与激光光源有特定距离及角度的相机收集反射激光。面部、相机和激光源三者组成三角形，通过三角测距原理计算激光源和面部之间的距离，在激光快速扫描面部的过程中不断进行线性重复，最后形成3D坐标。
    该方法的优点是：（1）可快速准确多角度地进行面部扫描且不受环境光线的影响；（2）激光扫描设备可以是便携式，利于在空间狭窄的办公场所中使用；（3）不需要对采集到的多视图进行后续的处理及合并。
    该方法的缺点是：（1）不能即刻获取图像，拍摄时间较长，运动伪影会显著影响精度；（2）激光对眼睛具有潜在的伤害风险；（3）只能捕捉表面形貌，无法观察软组织质地，在表面定点时可能会产生误差。
    1.2.2.2 结构光扫描
    包括摩尔纹测量、被动立体摄影、混合式立体摄影。摩尔纹轮廓测量法是一种特殊的结构光测量，指将光线投照到面部附近的光栅产生扭转的光带，然后使用相机捕捉扭曲的光带来生成面部三维图像。其能够捕捉细微的扭曲光带来实现更高分辨率的扫描，从而使临床图像的即时获取成为可能；但是所需硬件设备复杂且昂贵，对操作者的经验要求高，图像获取速度慢于其它结构光技术，易受运动伪影的影响。
    被动立体摄影测量是指通过两台或多台相机瞬时捕捉多张高分辨率二维照片，然后通过特殊的计算方法合成三维图像，不需要投照激光或结构光。该系统扫描时间短，硬件设备简单，自动化程度较高；其缺点是需要后续处理计算。
    混合式立体摄影包括主动立体摄像测量和被动立体摄像测量，通过将比激光更为安全的白光或蓝光投照到面部，产生与面部轮廓自然曲率相适应的扭转光带条纹，然后通过相机捕捉扭转的光带条纹，获取面部的三维表面数据，并在此过程中同时拍摄多张高清晰的二维照片，最后将三维表面数据映射到二维的照片上生成三维立体彩色图像，其原理也是三角形间距测量。该系统的优点是三维表面图像的质量和精度最高；缺点是硬件成本高，占地面积大。
    1.2.2.3 面部四维立体摄影测量系统
    面部四维立体摄影测量（4D stereophotogrammetry）是指通过跟踪面部标记点的实时位置来准确记录面部肌肉的运动轨迹，从而精确构建面部动态三维形态的技术，主要有3dMD dynamic 4D系统和DI4DTM-4D捕捉系统两种。3dMD dynamic 4D可在10min内连续捕捉60帧/秒的三维表面图像；DI4DTM（被动立体摄影测量系统）系统利用数字摄像机，以60张/秒的速度捕捉面部运动过程中的高分辨率（2048×2048像素）照片，最终生成动态变化表面的三维视频序列。
    1.2.2.4 下颌运动轨迹描记系统
    按照观测部位可分为切牙运动描记和髁突运动描记。切牙运动描记是以下颌切牙区的运动信息来反映整个下颌的运动状态，是一种磁电量转换方式的描记仪，可以从矢状面、冠状面、水平面观测下颌中切牙的运动轨迹，不仅不会干扰对颌牙，也不会限制下颌运动，并且能够与计算机、肌电图仪和肌松弛仪等同步相连。
    但是切牙运动描记不能反映两侧髁突各自的运动特征，在下颌侧向运动研究以及双侧关节、肌肉的形态或功能不对称时，需要使用髁突描记仪来分别记录左右髁突的运动轨迹，包括机械描记仪和电子面弓描记仪。机械描记仪通过固定在双侧耳前方的描记板和固定在下颌牙列的面弓夹板上的描记笔来记录下颌的运动轨迹，该描记仪的缺点是只能记录髁突运动的最终结果，并且描记针和描记板之间的机械接触限制了髁突的三维运动。
    电子面弓描记仪与机械描记仪的原理相似，将机械描记针及描记板替换为压电感应装置，髁突运动不再受描记针和描记板的制约，并能显示髁突运动的三维空间轨迹及髁突运动的时相特征。
    2.美学分析设计
    2.1 美学分析设计的概念
    数字化微笑设计（digital smile design，DSD）是一种数字化美学分析设计手段，利用诸如Keynote、Photoshop或其他专业的数字化设计软件，将收集的患者术前临床资料整合，进行牙齿和微笑的美学分析设计，并对美学修复治疗的结果进行可量化的数码模拟，获得直观的数字化修复效果。
    近年来，一些数字微笑设计的计算机软件程序已被引入临床实践和研究，它们是多用途的概念工具，可以通过仔细分析患者的面部和牙齿特征，加强诊断视力，改善沟通，提高治疗的可预见性。
    2.2 美学分析设计在口腔种植中的应用
    数字化时代的到来，为美学种植增添了新的内涵，通过数字化数据采集、数字化美学分析、数字化种植外科、数字化种植修复等贯穿数字化美学区种植的全过程，从而实现“以美学修复为导向”的种植理念。
    医生可通过美学分析设计进行美学区数字化术前诊断、评估与信息获取，之后利用软件中的虚拟排牙或虚拟数字化蜡型设计来确定理想的修复体位置，并根据虚拟修复体来指导美学区种植体的精准三维位置虚拟规划，同时还可以此为参考完成虚拟骨增量设计、数字化印模制取、CAD/CAM 个性化切削等技术，并借助计算机辅助静态导板或动态导航技术保证精准种植外科的实施，通过各个环节的精准设计与精准实施，最终获得种植修复可预期的美学效果和长期稳定。
    3.外科辅助规划及设计
    3.1 外科辅助规划及设计的概念
    计算机辅助设计（CAD）是利用计算机、图形设备以及专业软件辅助设计人员进行设计的技术，可通过交互式软件和虚拟仿真技术对患者的口腔软硬组织进行重建，为临床医生提供可视化的颌骨三维结构信息，并可完成未来修复体的解剖和参数设计，进而帮助确定以修复为导向的种植体的虚拟规划。
    利用外科辅助规划与设计软件进行可预测的种植体的虚拟规划具有以下优点：（1）避免损伤下颌神经管、上颌窦等重要的解剖结构，避开邻牙，提高了手术的安全性。（2）完善的术前计划实现了更精确的种植体植入。（3）实现了“以修复为导向”的理想三维位置的种植体的植入。（4）可实现微创手术，减轻患者术后不适、肿胀和疼痛，提高医生的工作效率，提高患者的接受度和满意度，同时降低手术风险。（5）在某些特殊情况下，可利用现有的骨质条件摆放种植体，尽量减少或不做额外的骨增量手术，减少了手术切口、手术时间和就诊次数。
    3.2 外科辅助规划及设计在口腔种植中的应用
    在口腔种植外科中，通常应用口腔种植规划软件进行种植术前虚拟设计，多为第三方软件系统，含有颌骨测量、颌骨三维重建、神经/血管识别、虚拟种植体放置、手术分析、模拟治疗、修复体设置等工具包及多种种植系统、修复体形态、手术附件数据库。
    数字化信息数据获取后，图像输出为与规划设计软件兼容的DICOM 格式数据，上传至内置种植规划软件或第三方种植规划软件，获得颌骨的横断面、曲断面和多平面重建虚拟图像，进行三维虚拟重建。重建的三维层面包含轴向位、冠向位和矢状位，不同的层面显示不同的颌骨解剖结构，使医生更直观地了解颌骨解剖形态、测量缺牙区骨的高度和宽度，实现可视下虚拟种植体三维位点的设计、术前分析及模拟治疗。最终通过3D打印技术制作种植手术导板，以指导种植外科手术操作，进而获得以修复为导向的理想种植位点和种植修复的长期稳定。
    4.种植修复设计
    随着计算机图形技术和光学扫描技术的进步，种植支持式上部修复设计愈加成熟，种植修复设计可通过就位道设置、穿龈线绘制、基台设计、解剖形态设计、桥体设计、回切功能、支架设计、杆卡设计、虚拟牙龈设计等功能，用于种植体上部基台、冠桥、支架、杆卡等修复类型的数字化虚拟设计。
    通常来讲，大部分种植修复设计软件和常规冠桥修复类软件相互交叉融合，设计类型也逐步多样化，并且辅助工具愈渐丰富，例如通过虚拟牙合架功能对种植上部修复体进行咬合调整、结合面部扫描进行前牙区数字美学设计以及链接数字化种植外科手术导板设计软件进行术前临时义齿的设计等。
    对于种植修复设计而言，数字化的设计可包含设计个性化基台、螺丝固位冠以及种植修复支架等，为满足不同患者的牙龈条件、穿龈轮廓、种植体角度与轴向情况及患者美观要求等个性化特征，个性化基台越来越广泛地运用于种植上部修复。
    通常可通过研磨、铸造及CAD/CAM三种方式制作个性化基台，而CAD/CAM 技术相对于其他方式具有快速、高效、高精度等优势，逐步替代其他方法成为目前较为常用的个性化基台制作技术。
    种植修复设计软件功能除了个性化基台设计外，螺丝固位冠也是较为常用的一种数字化种植修复方法，此外，无牙颌患者种植上部修复方式根据垂直修复空间、软组织缺损及牙周状态等条件的不同可选择钛支架上人工牙排列后注塑充胶、氧化锆支架上直接饰瓷、钛支架回切后进行单颗牙冠修复、钛制杆卡上覆盖义齿修复等多种类型的数字化解决方案，而不同的修复方案设计标准相差巨大。
    5.总结与展望
    在临床实践中，口腔医生应该借助于数字化扫描数据及虚拟设计软件平台，充分了解并尽量避免可能产生的偏差与并发症，采取预防措施，正确选择适应症，严密规划手术方案，以获得以修复为导向的精准种植。在未来，计算机辅助下的数字化医疗无论是从术前检查、诊断、设计，还是术中操作，以及后期的上部结构制作与修复、患者管理与种植体周维护，都会将数字化、信息化贯穿诊疗的全程，实现真正的数字化精准种植，并助力种植修复的长期稳定。