基于數控機床技術的個性化口腔種植導板的設計制造及其輔助種植手術的可行性研究.pdf

1、種植義齒（Implant Denture）是由種植體（Implant）和種植體支持的上部結構(Superstructure)組成的特殊修復體。與傳統義齒相比，種植義齒一般不傷及鄰牙、咀嚼效率高、便于清潔、美學效果好、舒適度高，被稱為人類的“第三副牙”，利用種植義齒來代替缺失牙齒或修復缺損頜骨的治療方案已廣泛應用于牙科及整形外科。承載種植體的頜骨解剖結構復雜，且有頦孔、下頜神經管、上頜竇、切牙管等重要解剖位點，種植體的成功植入要求術者對植

2、入位點、植入深度以及種植釘方向做出精確判斷，術前設計成為影響成功的關鍵因素。種植釘的置入方法主要為徒手置釘法(Free-hand Implant)和種植導板輔助置釘法。種植導板輔助置釘法又可根據種植導板的種類分為傳統種植導板(ConventionalSurgical Guide)輔助置釘法和計算機輔助設計/計算機輔助加工(Computer AidedDesign/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM)

3、種植導板輔助置釘法。徒手置釘法主要依靠術者的手感和經驗;傳統導板缺乏頜骨內部信息，精確度不高;CAD/CAM種植導板能夠較精確的定位置釘道，從而達到較為理想的手術效果。
　　目前，臨床上常規(guī)應用的CAD/CAM種植導板多為樹脂導板:術前CBCT或CT采集患者頜骨及牙體組織數據進行三維重建，在重建好的三維模型上利用逆向工程(Reverse Engineering，RE)軟件提取患者頜骨及牙體組織模型的表面輪廓，結合咬合關系和軟組織情

4、況，計算最佳釘道位置，通過CAD技術設計個性化的虛擬種植導板，最后通過快速成型(Rapid Prototyping，RP)設備或數控機床（Computer numerical Control，CNC）制備樹脂材料的實體導板。CAD/CAM種植導板的設計考慮到骨組織內部情況，有效的提高了種植體置入的安全性和準確性，而且操作簡單，只需掌握設計方法即可，醫(yī)生學習曲線短。因此，受到中外醫(yī)學工作者的廣泛關注。然而，導板設計制作技術多由國外企業(yè)壟斷

5、，有的還需將數據發(fā)送到國外加工，成本高、運輸周期長，不利于臨床推廣。且樹脂材料毒理性質不明、存在熱加工冷卻后回復變形和消毒方法受限等問題。
　　金屬導板可規(guī)避以上材料問題。設計種植導板時，既要求與組織面貼合、具有穩(wěn)定固位，又要避免進入倒凹區(qū)、保證容易摘戴，使用快速成型金屬設備、四軸與五軸CNC加工均可滿足該設計要求。但是，考慮到種植導板為一次性消耗品，快速成型金屬設備與五軸CNC設備成本高昂，不利于成品的推廣，而四軸CNC設備普及

6、廣泛，成本低廉。
　　因此，本研究將綜合運用三維重建技術、逆向工程技術、計算機輔助設計技術、CNC加工技術、快速成型加工技術等方法設計、制備個性化CNC種植導板和個性化RP種植導板，并將通過尸體標本置釘實驗評價這兩種個性化種植導板輔助置釘的精確性。
　　目的：
　　本研究建立運用CNC技術設計制造個性化口腔種植導板的方法;分別用CNC法和RP法制作個性化口腔種植導板，并對其置釘準確性進行對照研究。
　　方法：

7、r>　　1 標本預處理及分組
　　所有標本的余留牙均采用自凝樹脂填塞牙根與牙槽窩的空隙。
　　標本編號1-20，采用EXCEL軟件隨機分為兩組:一組用于數控機床導板實驗，稱為數控機床導板組（以下簡稱CNC組）(n1=10);另一組用于快速成型導板實驗，稱為快速成型導板組（以下簡稱RP組）（n2=10）。
　　2 CT數據采集
　　所有下頜骨標本進行CT連續(xù)斷層掃描。
　　掃描條件:電壓120kV，電流200

8、mA，探測器0.6mm，螺距0.8，每轉0.5s，掃描層厚5mm，重建層厚0.6mm，矩陣320×320。掃描數據以DICOM格式輸出保存。
　　3 個性化導板的設計與制造
　　3.1 個性化種植導板的設計
　　將DICOM格式的下頜骨標本CT掃描數據導入三維重建軟件Mimics14.11（Materialise公司，比利時）進行三維模型重建。運用Mimics14.11的MedCAD模塊設計直徑2.0mm，長度30mm

9、的圓柱體導針模擬種植系統中直徑2mm的先鋒鉆，每具標本設計6枚導針，導針均可任意調節(jié)位置和方向。按照種植體與鄰牙最小間距2mm、種植體與重要解剖結構最小間距2mm、種植體與相鄰種植體最小間距3mm的原則，在雙側頦孔間的下頜體上均勻放置6枚導針，通過測量各導針在冠狀、矢狀、水平面的位置數據來確保導針位于最佳釘道上。
　　將下頜骨三維重建模型和設計好的導針模型以STL格式導入逆向工程軟件Geomagic Studio12（Raindr

10、op Geomagic公司，美國）中，測量導板區(qū)下頜體數據，求得導板區(qū)下頜體內、外接圓半徑。運用UG NX6.0(Siemens PLM Sottware公司，德國)軟件設計符合CNC工藝特點的初始導板，以STL格式導入GeomagicStudio12中。在Geomagic Studio12中將初始導板移動到適當位置，使導板下表面與下頜骨擬種植區(qū)上表面有3mm以上重疊且不進入倒凹區(qū)，導板上下表面與導針長軸垂直，并使導針從導板內部穿過。通

11、過布爾減法運算得出帶有導管及下頜骨表面信息的反向模板。將導板模型數據分別以STL格式和IGS格式保存。
　　3.2 制作數控機床種植導板
　　將完成導板模型以IGS格式保存，導入NX UG6.0軟件進行工藝設計。在NX UG6.0軟件中，根據導向模板結構特點以及本實驗所采用的四軸VMC650型機床的加工要求進行導板的工藝設計。擬在70mm×40mm×15mm的坯料上進行加工:第一步，在坯料上進行切削出導板的大體輪廓;第二步，

12、對導板的不規(guī)則曲面進行精細加工;第三步，采用直徑2mm的麻花鉆頭鉆削出導管;最后對導板進行45度倒角，整個過程只需一次夾持。將工藝設計程序以TXT格式保存并導入VMC650四軸數控機床，將一塊70 mm×40mm×15mm鋼質坯料裝夾在操作臺上，按照設計的加工工藝進行切削加工。加工完畢后清洗干凈導板待用。
　　3.3 制作快速成型種植導板
　　將以上所得STL格式導板數據導入Materialise Magics V13(Ma

13、terialise公司，比利時)軟件進行虛擬堆積，厚度設定為0.05mm，之后應用RS6000立體光固化成型設備進行快速成型，加工出光敏樹脂導板待用。
　　4 尸體標本實驗與精確性分析
　　4.1 尸體標本的碳纖維桿模擬置釘實驗
　　將制作出的個性化導板根據術前設計卡在下頜骨或余留牙上，術者左手協助固定導板，右手持握種植手機，采用直徑2.0mm的先鋒鉆通過導管進行鉆削。鉆孔內插入直徑2mm，長度30mm的圓柱形碳纖維桿

14、替代鈦種植釘。
　　4.2 體外種植導板輔助下模擬置釘的精確性分析
　　全部標本鉆孔完成后，用同一臺CT在相同參數掃描下頜骨標本。再用相同的三維分割與重建方法構建帶有碳纖維桿的頜骨三維模型，以STL格式保存。
　　應用逆向工程軟件Geomagic Studio12進行個性化種植導板輔助種植手術精確性分析。將術前、術后的標本三維模型以STL格式導入Geomagic軟件。定義術前模型上雙側頦孔的中點為新的坐標原點;雙側頦孔

15、連線所在直線為X軸（冠狀軸）;過正中聯合中下1/3點與雙側頦孔的平面為水平面，該平面大致位于下頜骨體中部;在水平面上過原點的X軸的垂線為Y軸，過原點的水平面的法線為Z軸;X、Y軸所在平面冠狀面，Y、Z軸所在平面為矢狀面;將X軸上偏向原點左側的記錄為正值，偏向右側的記錄為負值;將Y軸上偏向原點后側的記錄為正值，偏向前側的記錄為負值;將Z軸上偏向原點上側的記錄為正值，偏向下側的記錄為負值。將術后頜骨模型最佳擬合對齊到術前模型上，復制坐標系到

16、術后頜骨模型。用水平面分別裁剪得到術前設計釘道與術后實際釘道的截面。擬合截面為圓形，記錄圓心坐標。
　　結果：
　　1.將標本進行CT掃描，獲取高質量影像數據，運用Mimics14.11軟件分割、重建出精確的標本三維模型。
　　2.利用Mimics14.11、Geomagic Studio12以及UG NX6.0軟件設計出符合CNC工藝特點的虛擬種植導板。
　　3.應用RS6000立體光固化成型設備制造出光敏樹脂

17、快速成型種植導板。導板表面連續(xù)、光滑、無樹脂瘤，有一定強度，無變形。
　　4.應用VMC650四軸數控機床制造出醫(yī)用不銹鋼CNC種植導板。導板表面連續(xù)、光滑、無銳利邊緣、無金屬瘤，強度大，無變形，具有較高的穩(wěn)定性。
　　5.RP組和CNC組共使用個性化種植導板輔助置入120枚(RP組60枚，CNC組60枚)種植螺釘（碳纖維桿）。下頜骨中部水平面上左右側的絕對偏差在CNC組為(0.133±0.094) mm，在RP組為（0.6

18、89±0.301）mm，差異有統計學意義(P=0.000);下頜骨中部矢狀面上前后側的絕對偏差在CNC組為(0.269±0.159)mm，在RP組為(0.935±0.261)mm，差異有統計學意義(P=0.000)。
　　結論：
　　本研究成功設計虛擬種植導板，并分別采用CNC技術制作醫(yī)用不銹鋼、采用RP技術制作光敏樹脂個性化口腔種植導板。在體外標本實驗中，與RP種植導板相比，CNC種植導板輔助下頜骨種植具有更高的安全性和的