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实现精确种牙的现代设计与制造技术
摘要：针对国内种牙手术中普遍存在的依赖医生临床经验进行操作，手术的精确度和质量有待改善的问题，将图像处理、三维重建、快速成形制造等现代设计与制造技术与医学结合，构建精确种牙技术体系。对系统框架、口腔三维重建、手术导板设计、物理模型制造等关键问题进行了深入研究，实现了种牙导板的设计与制造，并在11例种牙手术中得到了应用。临床应用实例表明，应用精确种牙技术体系，种牙的效率和质量可以得到有效提高。
关键词：设计 制造 精确种牙 快速成形
0 前言
20世纪50年代，被誉为种植牙鼻祖的瑞典哥德堡大学教授BRANEMARK发明钛金属与骨的结合并提出了“骨整合”的概念，从而奠定了现代种植学的发展方向。人工种牙就是在缺牙区的齿槽骨里植入能与骨头结合良好的钛金属牙根，即种植体，经过3～6个月的逾合期，钛金属牙根和周围的牙床骨完全结合，成为坚固且能承受巨大咬合力的人工牙根，然后在人工牙根上通过基台联接氧化铝等材料做成的人工牙冠，这样就在坚固的牙根上再造出美观、舒适、感受很像真牙的牙齿，如图1a所示【l】。由于钛金属具有良好的生物相容性，不被排斥，可与骨内的骨细胞相结合而牢牢地固定在颌骨内，因此人工牙根具有良好的固定力，可支撑咀嚼时所需的各种假牙。
种牙时，怎样确定人工牙根植入的位置、角度、深度等参数是非常重要的问题，这将直接影响种牙后牙齿的咬合情况，进而影响牙齿的使用。目前的种牙手术中，医生通过二维X光片进行分析并制定方案，即术前须做口腔曲面全景体层摄影检查，虽然x线曲面体层片能显示种植区域周围骨关系的一定信息，但该方法仅能提供二维平面图像，医生只能间接通过二维图像来推测三维解剖结构关系，即所谓的“思维三维”，并且缺乏相关计算机辅助设计和制造技术的支持，实际临床手术时，所有的操作只能靠医生经验进行，制定的方案无法得到精确实施。
随着现代工程技术的应用和发展，各种计算机辅助技术如图像处理、反求工程(Reverseengineering，RE)、计算机辅助设计(Computer aideddesign，CADy计算机辅助制造(Computer aidedmanufacture，CAM)、快速成形(Rapid prototyping，RP)等在医学领域得到了广泛应用，牙科特别是种植牙手术中也逐渐应用到这些先进工程技术，并形成了计算机辅助种牙方法。目前，国外计算机辅助种牙技术已经有比较成熟的解决方案和应用实例，比较有影响的是瑞典的Nobel Biocare公司ProceraⅢ牙科解决方案和比利时Materlise公司的SimplaIlt圆牙科解决方案，为世界各地的医生和患者提供种植所需的数据处理服务、手术导板和种植体等产品。由于国内缺乏相关的研究和技术支持，种植中所需的数据处理服务、导板和种植体等产品都依赖进口，费用高昂，且周期较长，因此国内种植界大多采用常规方法进行种植，手术效果得不到保证。图1b、lc是常用种牙手术和国外在导板支持下的种牙手术的比较，导板是通过在骨骼三维重建的基础上进行理论分析和计算得到种牙参数的基础上设计出来的，种植时将导板置于患者口腔中固定，种植的角度、深度完全由导板上的钻套确定和保证，医生根本无须考虑；而国内种牙手术中通过一些粗略的估计和汁算确定人工种植的位置和方向，临床手术中完全靠医生的经验进行操作。
随着医学技术与工程技术的不断交叉与融合，反求工程、快速成形等现代设计与制造技术在医学领域的应用已经得到了广泛研究。HIEU掣¨1利用快速成形等技术实现了颅颌面缺损修复个性化植入体的设计和制造，并在临床手术中得到了成功应用。LIU等【5】详细探讨了快速成形的各种原理以及在牙科中应用的可行性，分析了实现精确种牙的工程技术方法。国内研究主要集中在三维重建、生物力学分析等方面，柏钢等【6】研究了下颌神经管的CT扫描、重建方法及在后牙种植中的应用。游素兰等【7J利用Mimics软件建立了下颌的三维有限元模型，用于生物力学分析。林艳萍等【8】研究了正颌外科手术中计算机生成牙合板的方法，临床应用表明手术精度和效率都得到了提高。分析国内外的研究现状表明，在利用现代设计与制造技术实现精确种牙方面，目前还缺乏有针对性的系统研究。
针对目前国内牙种植的现状和世界种牙技术的发展趋势，基于医学图像处理、三维模型重建、复杂产品快速设计与快速制造等工程技术，构建精确种牙技术体系，重点研究利用现代设计和制造技术解决其中的种牙方案制定、数据处理、导板设计、导板制造等关键问题，使先进的工程技术在种牙中得到应用，提高牙种植的精确性、手术效率和质量，减小手术过程中对医生经验的依赖，实现精确种牙，并为国内精确外科手术的发展提供借鉴。
1 精确种牙体系框架
精确种牙是利用图像处理、三维模型重建、曲面与实体造型设计、有限元分析等现代设计技术和快速成形、数控加工等现代制造技术，基于三维计算机模型和快速成形的实体模型以及手术辅助导板，辅助完成种牙的外科手术，使手术基于一定的理论计算和分析，并通过一系列精度保障方案得到精准实施。
精确种牙需要在医生、患者和工程技术人员的协作和参与下，以计算机断层扫描(Computerizedtomography，CT)／核磁共振(Nuclear magnetic resonanceimaging，MRI)图像设备、计算机工作站、快速成形设备、三维激光扫描设备、图像处理软件、三维设计和有限元分析软件等软硬件为基础，，将医学图像获取、模型重建、导板设计与制造等功能模块统一在一个平台下，实现其总体流程和框架，如图2所示。前期的诊断、石膏模型制作、CT测量由医生完成，然后在医生的指导下进行医学图像数据处理、数据分离和人体组织三维重建；在此基础上进行手术方案设计，通过有限元分析、骨量测量等确定种牙的数量、角度、深度等参数并设计出手术导板；然后利用快速成形技术和数控加工技术制造出导板基体和钻套；最后由医生在导板的支持下完成植入手术。另外，在方案设计和手术模拟时，可以通过快速成形技术制造出患部的骨骼模型，医生可以在此模型上进行外科手术的预演，以检验所设计的方案可行性，并提高医生手术的效率。虽然现在通过软件进行虚拟种牙的修复设计已经可以实现，但医生在面弓、咬合架等工具的辅助下进行修复设计仍然是比较常用、有效的方法。因此在术前通过医生获取患者口腔表面数据做成石膏模型，在此基础上进行缺失牙的修复，获得未来修复后的牙冠数据，用于加工修复牙冠，可以加速种植牙修复的进程。另外，为了得到口腔表面和修复石膏模型比较精确的CT图像，需要对修复石膏模型进行显影处理，一般是在其中加入一定比例的硫酸钡作为显影剂。
2 精确种牙体系中的设计技术
2．1 口腔的三维模型重建CT／MRI由于支持组织的三维重建，是近年来应用最广泛的医学图像之一，国内外对基于CT／MRI的组织三维重建进行了广泛而深入的研究，在图像配准、融合、感兴趣区域(Region ofinteresting，ROI)提取、三维生长与分离等核心算法方面取得了丰富的研究成果，这些算法已在相关的图像处理和三维重建软件中实现，如比利时口腔组织三维重建流程如下所述。
(1)放射板设计：由牙医根据患者口腔病变情况制定修复计划，设计并制作出修复放射模板，该模型是医生在咬合架上根据患者口腔的结构和缺牙情况制作出可以用于CT扫描的假牙(含部分硫酸钡在CT中显影)。通过佩戴l临时假牙，为种植与修复之间架起桥梁，得到美观修复的效果。
(2)数据测量：分剐测量口腔(自然咬合状态)、口腔加戴放射模板的CT图像，以及放射模板的三维表面点云数据。
(3)组织重建：CT图像利用Mimics软件进行三维重建，得到颌骨和牙齿等硬组织的三维模型，放射模板的点云数据则用专业的反求工程软件如Geomagic进行处理。然后通过三维模型间的布尔运算，得到口腔黏膜组织的表面模型。由于CT扫描存在切层厚度问题，因此牙齿特别是咬合面的细节很难通过CT精确重建，而通过三维激光扫描修复放射模型得到的点云数据可以重建出精确的牙齿形状。7重建的三维模型可以通过快速成形三角网格文件(Sterolithography,STL)格式输出到3-marie、MagicRP、Geomagic等基于三角网格的软件中进行设计和修改，用于设计种牙导板，也可以直接将STL文件输出到快速成形机中用于物理模型的制作。
2．2基于三角网格的导板设计在精确种牙中，种牙方案的制订和精准实施起着关键的作用，而这都是通过种牙导板实现的。在临床手术时，导板将保证预先设计的方案中种植体植入的角度、方向和深度。根据支撑的方式不同导板分为黏膜支撑、牙齿支撑和骨支撑三种lz，引。黏膜支撑的导板用于全牙缺失的种牙手术中，为了重建出患者口腔表面的黏膜，需要在CT扫描时带上不透辐射的口腔放射模型，这样得到的图像能清楚地看到设计的牙齿形状和粘膜轮廓。手术时直接将导板固定在口腔中，无须进行翻瓣手术。牙齿支撑的导板安置于患者部分无牙的颌面软组织和残留牙齿上，它应用于患者只有一个或少量牙齿缺失，牙齿支撑的导板是微创手术的较好选择，因为种植方案事先在电脑中预先设计，并且完全预测到骨信息，无须在骨边缘切割进行钻孔和放置种植体。只需通过粘膜穿一小孔，就能引导种植体的精确放置。骨支撑的导板安置在患者的颌骨上，因此需要进行翻瓣手术，适用于无牙或部分无牙患者。
与工业产品相比，人体组织结构非常复杂，如果用传统的四边域曲面如非均匀有理B样条(Non-uniform rational B．splines。卜rORBS)曲面表达非常困难，且精确性低。由于三角曲面比四边域曲面具有更宽松的拓扑要求以及更好的边界适应性，在基于散乱数据的反求工程建模中得到了广泛的应用，非常适合用于人体结构的表达【l 01。比利时Materialise公司的3-matic软件作为基于三角网格的正向设计软件，可以输入STL格式的人体组织三维结构，在此基础上进行编辑、修改，同时支持复杂产品的仓H新设计，因此非常适合用于种牙导板的设计。图3是导板的设计流程：首先，在口腔组织三维重建的基础上，根据颌面骨骼和牙缺失情况，在医生的指导下进行种植方案规划，确定种植体个数和位置，选择种植体并进行简化设计f如圆柱)，调整种植体的位置、角度，在此基础上进行种植合理性分析包括用有限元方法进行骨一种植体结合力分析、咬合面分析、种植体间冲突分析等，经过不断的调整和修改，得到最终的种植体的位置和尺寸参数；然后，根据导板的种类，分别提取骨骼表面(骨支撑导板)、黏膜表面(黏膜支撑导板)、牙齿表面(牙支撑导板)，进行加厚、切除等运算和操作，生成导板的基体；另一方面，根据所选种植体的尺寸，确定钻孔的布骤：骨骼上钻孔时必须控制钻削加工余量以避免余量过大使产生的加工热量对骨骼造成烧伤，因此钻头必须由小到大逐步钻削，由此产生一组直径均匀变化的钻套；在导板基体和钻套的基础上，就可以设计出一组种牙导板用于种牙中的钻孔定位了。图4是一个基于牙齿支撑的导板的设计过程，在图4a、4b中，先根据放射导板提取待种牙的表面，然后进行加厚处理，得到导板基体的实体模型，最后根据修复的牙齿的角度和种植体的尺寸设计钻套，如图4d所示。对于黏膜支撑的导板，临床手术中，必须在口腔中固定才能使用，因此还须根据口腔和导板三维模型设计导板固定方式和方向，将固定螺钉装配在导板三维模型上。
3 精确种牙体系中的制造技术
现代医学的发展离不开先进制造技术的支持，目前国内的种植体之所以完全依赖进口很大程度上就是因为制造技术的制约。在精确种牙技术体系中，制造技术主要完成颌面骨骼的制造和导板的制造，这主要是通过快速成形技术实现的。
3．1骨骼模型制造三维计算机模型虽然比传统的二维x光片有了更丰富的信息表达，但仍存在一些不足，而医学实物模型可以给医生和患者更直观的理解和观测，有着同样重要的作用。由于人体骨骼几何结构的复杂性，传统的基于NC的制造技术很难适用于其制造。20世纪80年代晚期，随着RP技术引入医学领域，医学模型制造有了新的途倒¨d21。外科学是RP技术最早在医学应用的领域，特别是对于骨外科、颌面外科、整形外科等临床实践。在RP方法中，CT图像在几个小时被准确复制成物理模型，该模型可以为外科医生进行操作练习。对于最复杂的三维器官，可以为手术操作过程的准确规划和练习提供实时和直观的理解。另外，RP方法可以生成包含极端细节化的模型用作生成用户植入物的模板。准确的物理模型可以为植入物的尺寸和类型提供准确的预测，并且提供有手感的手术规划和预演pJ。
这些都是从屏幕图像上很难实现的。另外，RP解剖模型还可以显示感兴趣的局部区域，例如医生在CT图像上画出肿瘤的大致范围并在模型上构建出来作为医学诊断。
快速成形制造技术根据成形的原理不同可以分为光固化(Stereo lithography apparatus，SLA)、熔融沉积(Fused deposition modeling，FDM)、选择性激光烧结(Selective laser sintering，SLS)等，它们的基本原理相同，即通过对CAD模型用平面进行分层切割，得到一系列的二维截面形状，然后对每一个二维截面形状进行成形，并在高度方向进行堆积，得到实物模型。在各种快速成形方法中，SLS和SLA较为适合骨骼的制造，SLS成形模型强度较好，同时可以成形尼龙、金属等多种材料，SLA成形模型为半透明，可以显示组织内部结构且精确度高。图5是利用SLA方法制造骨骼模型的实例，图5a中的三维计算机模型中通过透明显示技术显示出的下颌神经管在图5b中的SLA制造模型中同样可以清晰的显示出来，这为种牙规划和预演提供了较好的支持，避免临床手术时伤及神经。
3．2导板制造导板的形状与口腔内部形状相似，比较复杂，用常规的加工方法难以制造，RP制造技术由于具有对任意复杂结构的适应性，因此导板的制造必须借助RP制造技术才能实现。导板属于与人体一次性接触的第二类医学用品，其材料必须是能够应用于人体的生物适应性材料，即需要满足美国食品药品管理局(Food and Drug Admistraton，FDA)要求的第六类材料，由美国3D公司提供的用于SLS制造的DuraForm尼龙材料满足该要求，且模型具有较好的强度，是导板基体制造的首选方案。
导板上的钻套是实现钻孔定位的核心元件，其材料同样必须满足医学应用要求，选用医学应用级别的各种规格尺寸的不锈钢管，用线切割技术切割成一定高度尺寸元件，然后通过挤压装配，制造出最终的导板。，图6是利用SLS快速成形制造导板的实例。首先根据图6a中的导板的三维设计模型和钻孔尺寸需求设计出一组具有不同孔径的导板。然后通过SLS方法制造出局部骨骼和一组导板，并将具有一定高度的不锈钢钻套与导板按孔径不同进行装配，如图6b所示。最后对骨骼和导板的配合情况进行检查，并对导板进行局部打磨修整，使其配合良好。
4 应用实例
基于现代设计与制造技术的精确种牙体系通过浙江工业大学数字化医学工程研究室和浙江大学医学院附属第一医院、浙江绿城医院、南京同仁医院等单位的合作研究，已经初步实现。浙江工业大学数字化医学工程研究室隶属于特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，拥有SLS快速成形机(美国3D公司)、柔性臂式激光扫描仪(美国FARO)、Mimics＼3．maticLMagicsRP系列软件r比利时Materia-lise NV公司)等先进设备和软件。利用这些条件，在医生指导下已经完成了11例精确种牙的数据准备、三维建模、种植规划、手术模拟和用于手术钻孔时精确导向的种牙导板的设计与制造。这11例手术在精确种牙体系的支持下，以医生丰富的临床经验为保障，目前都取得了良好的效果。种植牙根与患者骨骼结合良好，并且得到了人工牙冠较好的咬合效果。
下表是已经完成的1l例手术中导板的使用情况统计。在其中的9例部分牙缺失的病例中，有7例通过手术规划和模拟，采用了骨支撑的导板作为手术辅助工具，另2例采用牙支撑导板。7例骨上导板中，有4例在临床手术中得到了成功应用，有3例应用不成功；2例牙上导板有1例成功应用。全牙缺失的病例共完成了2例，采用骨上导板并都到了成功应用。在总共4例导板未能成功应用的种牙手术中，医生只能根据预先设计的手术方案施行常规手术，即在临床经验的基础上，依据x光片、直尺等辅助工具大致确定种植位置和角度，不能做到精确定位，但由于医生具有长期种牙积累下的丰富的临床经验，这4例手术同样取得了较好的效果，只是花费的手术时间较长。
对4例导板定位不成功的实例进行分析后，总结出其主要原因在于以下几点。
(1)骨上导板定位面太宽，超过了实际进行翻瓣手术后露出的骨面，这样导致导板不能完全戴在患者的牙颌骨上。
(2)CT扫描和重建过程存在误差，使得重建后骨骼与患者实际的骨骼形状有微小差异，特别是当患者戴有金属假牙时CT扫描存在散影，使重建后骨骼存在较大形状误差，这导致根据重建骨骼外形生成的手术导板无法与手术中实际骨骼形状匹配。
(3)骨支撑导板在横向定位时需要用到患者牙齿的侧面，而CT图像中牙齿数据存在较大误差，导致手术导板侧面无法定位。l例牙上导板定位不成功的原因也是由于CT扫描的牙齿数据存在误差造成的，后来采用激光扫描患者口腔石膏模的方法重建出了较为精确的牙齿三维模型，使设计的导板得到了成功应用。
图是在精确种牙体系支持下种牙的应用实例。该患者基本已经全牙缺失，上下颌都需要种牙。根据医生要求，对患都下颌牙的种植进行了方案设计：首先通过CT图像处理，重建出患者骨骼三维模型，并重建出下颌神经管，如图7a、7b所示，三维模型可以清晰地反映出骨骼的骨量、神经管位置等情况，在此基础上制订出种植方案，并设计出手术辅助定位的种牙导板，如图7c所示。对导板的定位进行分析和设计以及钻套孔设计后，利用SLS快速成形机制作出导板和部分骨骼的物理模型，如图7d所示。此模型上，医生根据设计的种植方案，可以进行手术预演，即所谓的模型外科手术，以进一步验证方案的正确性。图7e、7f是手术前和手术中患者口腔的照片，可以看到设计的导板在患者翻瓣手术后的骨骼上定位很好。由于预先进行了大量的计算和模拟工作，手术的时间大为缩短，手术质量变得可控。图79、7h是种植体全部植入后的照片和X光片，由于手术中有导板的支持，因此预先设计的方案在术中得以完全实现，种植体的植入角度非常理想，手术取得了令医生和患者都满意的效果。
5 结论
(1)基于医学图像处理、三维模型重建、曲面及实体造型、快速成形制造等现代设计与制造技术构建精确种牙技术体系，通过术前的手术方案制订和导板设计与制造、术中的基于导板的方案实施，改造提升常规的种牙手术，使手术的精确性大为提高。
(2)在精确种牙体系支持下的11例临床应用实例表明，在种牙导板能够正确就位的情况下，手术方案能够准确地在临床手术中实现，手术质量和效率能够得到较大提高。
(3)手术中用于钻孔辅助定位的导板是实现精确种牙手术的关键元件，其设计与制造技术是实现精确种牙体系的核心技术。由于导板在骨骼r或牙齿、黏膜)上的定位是通过曲面贴合实现的，而曲面定位是定位自由度分析中的一个难点，需要进一步研究解决，以提高导板定位的稳定性。
(4)未来的研究将在种植体、基台、牙冠等的设计与制造方面开展，提升我国种牙产品的整体设计和制造水平，实现种牙的产品和服务完全自主化和国产化。虽然国外的相关研究已经较为成熟且应用于临床，但我们的研究还处于起步阶段。我国的种牙技术由于长期依赖国外技术和产品，成本高昂，’大多数患者得不到治疗，因此希望相关研究工作的开展可以为我国探索出低成本实现先进种牙技术的道路。
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