基于數(shù)控機(jī)床技術(shù)的個(gè)性化口腔種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)制造及其輔助種植手術(shù)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(jié)構(gòu)(Superstructure)組成的特殊修復(fù)體。與傳統(tǒng)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(xué)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(fù)缺損頜骨的治療方案已廣泛應(yīng)用于牙科及整形外科。承載種植體的頜骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且有頦孔、下頜神經(jīng)管、上頜竇、切牙管等重要解剖位點(diǎn)，種植體的成功植入要求術(shù)者對(duì)植

2、入位點(diǎn)、植入深度以及種植釘方向做出精確判斷，術(shù)前設(shè)計(jì)成為影響成功的關(guān)鍵因素。種植釘?shù)闹萌敕椒ㄖ饕獮橥绞种冕敺?Free-hand Implant)和種植導(dǎo)板輔助置釘法。種植導(dǎo)板輔助置釘法又可根據(jù)種植導(dǎo)板的種類分為傳統(tǒng)種植導(dǎo)板(ConventionalSurgical Guide)輔助置釘法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助加工(Computer AidedDesign/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM)

3、種植導(dǎo)板輔助置釘法。徒手置釘法主要依靠術(shù)者的手感和經(jīng)驗(yàn);傳統(tǒng)導(dǎo)板缺乏頜骨內(nèi)部信息，精確度不高;CAD/CAM種植導(dǎo)板能夠較精確的定位置釘?shù)溃瑥亩_(dá)到較為理想的手術(shù)效果。
　　目前，臨床上常規(guī)應(yīng)用的CAD/CAM種植導(dǎo)板多為樹脂導(dǎo)板:術(shù)前CBCT或CT采集患者頜骨及牙體組織數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)合咬合關(guān)系和軟組織情

4、況，計(jì)算最佳釘?shù)牢恢?，通過CAD技術(shù)設(shè)計(jì)個(gè)性化的虛擬種植導(dǎo)板，最后通過快速成型(Rapid Prototyping，RP)設(shè)備或數(shù)控機(jī)床（Computer numerical Control，CNC）制備樹脂材料的實(shí)體導(dǎo)板。CAD/CAM種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)考慮到骨組織內(nèi)部情況，有效的提高了種植體置入的安全性和準(zhǔn)確性，而且操作簡(jiǎn)單，只需掌握設(shè)計(jì)方法即可，醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線短。因此，受到中外醫(yī)學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。然而，導(dǎo)板設(shè)計(jì)制作技術(shù)多由國(guó)外企業(yè)壟斷

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

6、廣泛，成本低廉。
　　因此，本研究將綜合運(yùn)用三維重建技術(shù)、逆向工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、CNC加工技術(shù)、快速成型加工技術(shù)等方法設(shè)計(jì)、制備個(gè)性化CNC種植導(dǎo)板和個(gè)性化RP種植導(dǎo)板，并將通過尸體標(biāo)本置釘實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)這兩種個(gè)性化種植導(dǎo)板輔助置釘?shù)木_性。
　　目的：
　　本研究建立運(yùn)用CNC技術(shù)設(shè)計(jì)制造個(gè)性化口腔種植導(dǎo)板的方法;分別用CNC法和RP法制作個(gè)性化口腔種植導(dǎo)板，并對(duì)其置釘準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)照研究。
　　方法：

7、r>　　1 標(biāo)本預(yù)處理及分組
　　所有標(biāo)本的余留牙均采用自凝樹脂填塞牙根與牙槽窩的空隙。
　　標(biāo)本編號(hào)1-20，采用EXCEL軟件隨機(jī)分為兩組:一組用于數(shù)控機(jī)床導(dǎo)板實(shí)驗(yàn)，稱為數(shù)控機(jī)床導(dǎo)板組（以下簡(jiǎn)稱CNC組）(n1=10);另一組用于快速成型導(dǎo)板實(shí)驗(yàn)，稱為快速成型導(dǎo)板組（以下簡(jiǎn)稱RP組）（n2=10）。
　　2 CT數(shù)據(jù)采集
　　所有下頜骨標(biāo)本進(jìn)行CT連續(xù)斷層掃描。
　　掃描條件:電壓120kV，電流200

8、mA，探測(cè)器0.6mm，螺距0.8，每轉(zhuǎn)0.5s，掃描層厚5mm，重建層厚0.6mm，矩陣320×320。掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出保存。
　　3 個(gè)性化導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與制造
　　3.1 個(gè)性化種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)
　　將DICOM格式的下頜骨標(biāo)本CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics14.11（Materialise公司，比利時(shí)）進(jìn)行三維模型重建。運(yùn)用Mimics14.11的MedCAD模塊設(shè)計(jì)直徑2.0mm，長(zhǎng)度30mm

9、的圓柱體導(dǎo)針模擬種植系統(tǒng)中直徑2mm的先鋒鉆，每具標(biāo)本設(shè)計(jì)6枚導(dǎo)針，導(dǎo)針均可任意調(diào)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(jié)構(gòu)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(cè)頦孔間的下頜體上均勻放置6枚導(dǎo)針，通過測(cè)量各導(dǎo)針在冠狀、矢狀、水平面的位置數(shù)據(jù)來確保導(dǎo)針位于最佳釘?shù)郎稀?br>　　將下頜骨三維重建模型和設(shè)計(jì)好的導(dǎo)針模型以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio12（Raindr

10、op Geomagic公司，美國(guó)）中，測(cè)量導(dǎo)板區(qū)下頜體數(shù)據(jù)，求得導(dǎo)板區(qū)下頜體內(nèi)、外接圓半徑。運(yùn)用UG NX6.0(Siemens PLM Sottware公司，德國(guó))軟件設(shè)計(jì)符合CNC工藝特點(diǎn)的初始導(dǎo)板，以STL格式導(dǎo)入GeomagicStudio12中。在Geomagic Studio12中將初始導(dǎo)板移動(dòng)到適當(dāng)位置，使導(dǎo)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(jìn)入倒凹區(qū)，導(dǎo)板上下表面與導(dǎo)針長(zhǎng)軸垂直，并使導(dǎo)針從導(dǎo)板內(nèi)部穿過。通

11、過布爾減法運(yùn)算得出帶有導(dǎo)管及下頜骨表面信息的反向模板。將導(dǎo)板模型數(shù)據(jù)分別以STL格式和IGS格式保存。
　　3.2 制作數(shù)控機(jī)床種植導(dǎo)板
　　將完成導(dǎo)板模型以IGS格式保存，導(dǎo)入NX UG6.0軟件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。在NX UG6.0軟件中，根據(jù)導(dǎo)向模板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及本實(shí)驗(yàn)所采用的四軸VMC650型機(jī)床的加工要求進(jìn)行導(dǎo)板的工藝設(shè)計(jì)。擬在70mm×40mm×15mm的坯料上進(jìn)行加工:第一步，在坯料上進(jìn)行切削出導(dǎo)板的大體輪廓;第二步，

12、對(duì)導(dǎo)板的不規(guī)則曲面進(jìn)行精細(xì)加工;第三步，采用直徑2mm的麻花鉆頭鉆削出導(dǎo)管;最后對(duì)導(dǎo)板進(jìn)行45度倒角，整個(gè)過程只需一次夾持。將工藝設(shè)計(jì)程序以TXT格式保存并導(dǎo)入VMC650四軸數(shù)控機(jī)床，將一塊70 mm×40mm×15mm鋼質(zhì)坯料裝夾在操作臺(tái)上，按照設(shè)計(jì)的加工工藝進(jìn)行切削加工。加工完畢后清洗干凈導(dǎo)板待用。
　　3.3 制作快速成型種植導(dǎo)板
　　將以上所得STL格式導(dǎo)板數(shù)據(jù)導(dǎo)入Materialise Magics V13(Ma

13、terialise公司，比利時(shí))軟件進(jìn)行虛擬堆積，厚度設(shè)定為0.05mm，之后應(yīng)用RS6000立體光固化成型設(shè)備進(jìn)行快速成型，加工出光敏樹脂導(dǎo)板待用。
　　4 尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)與精確性分析
　　4.1 尸體標(biāo)本的碳纖維桿模擬置釘實(shí)驗(yàn)
　　將制作出的個(gè)性化導(dǎo)板根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)卡在下頜骨或余留牙上，術(shù)者左手協(xié)助固定導(dǎo)板，右手持握種植手機(jī)，采用直徑2.0mm的先鋒鉆通過導(dǎo)管進(jìn)行鉆削。鉆孔內(nèi)插入直徑2mm，長(zhǎng)度30mm的圓柱形碳纖維桿

14、替代鈦種植釘。
　　4.2 體外種植導(dǎo)板輔助下模擬置釘?shù)木_性分析
　　全部標(biāo)本鉆孔完成后，用同一臺(tái)CT在相同參數(shù)掃描下頜骨標(biāo)本。再用相同的三維分割與重建方法構(gòu)建帶有碳纖維桿的頜骨三維模型，以STL格式保存。
　　應(yīng)用逆向工程軟件Geomagic Studio12進(jìn)行個(gè)性化種植導(dǎo)板輔助種植手術(shù)精確性分析。將術(shù)前、術(shù)后的標(biāo)本三維模型以STL格式導(dǎo)入Geomagic軟件。定義術(shù)前模型上雙側(cè)頦孔的中點(diǎn)為新的坐標(biāo)原點(diǎn);雙側(cè)頦孔

15、連線所在直線為X軸（冠狀軸）;過正中聯(lián)合中下1/3點(diǎn)與雙側(cè)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(diǎn)的X軸的垂線為Y軸，過原點(diǎn)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(diǎn)左側(cè)的記錄為正值，偏向右側(cè)的記錄為負(fù)值;將Y軸上偏向原點(diǎn)后側(cè)的記錄為正值，偏向前側(cè)的記錄為負(fù)值;將Z軸上偏向原點(diǎn)上側(cè)的記錄為正值，偏向下側(cè)的記錄為負(fù)值。將術(shù)后頜骨模型最佳擬合對(duì)齊到術(shù)前模型上，復(fù)制坐標(biāo)系到

16、術(shù)后頜骨模型。用水平面分別裁剪得到術(shù)前設(shè)計(jì)釘?shù)琅c術(shù)后實(shí)際釘?shù)赖慕孛妗M合截面為圓形，記錄圓心坐標(biāo)。
　　結(jié)果：
　　1.將標(biāo)本進(jìn)行CT掃描，獲取高質(zhì)量影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mimics14.11軟件分割、重建出精確的標(biāo)本三維模型。
　　2.利用Mimics14.11、Geomagic Studio12以及UG NX6.0軟件設(shè)計(jì)出符合CNC工藝特點(diǎn)的虛擬種植導(dǎo)板。
　　3.應(yīng)用RS6000立體光固化成型設(shè)備制造出光敏樹脂

17、快速成型種植導(dǎo)板。導(dǎo)板表面連續(xù)、光滑、無樹脂瘤，有一定強(qiáng)度，無變形。
　　4.應(yīng)用VMC650四軸數(shù)控機(jī)床制造出醫(yī)用不銹鋼CNC種植導(dǎo)板。導(dǎo)板表面連續(xù)、光滑、無銳利邊緣、無金屬瘤，強(qiáng)度大，無變形，具有較高的穩(wěn)定性。
　　5.RP組和CNC組共使用個(gè)性化種植導(dǎo)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(cè)的絕對(duì)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000);下頜骨中部矢狀面上前后側(cè)的絕對(duì)偏差在CNC組為(0.269±0.159)mm，在RP組為(0.935±0.261)mm，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)。
　　結(jié)論：
　　本研究成功設(shè)計(jì)虛擬種植導(dǎo)板，并分別采用CNC技術(shù)制作醫(yī)用不銹鋼、采用RP技術(shù)制作光敏樹脂個(gè)性化口腔種植導(dǎo)板。在體外標(biāo)本實(shí)驗(yàn)中，與RP種植導(dǎo)板相比，CNC種植導(dǎo)板輔助下頜骨種植具有更高的安全性和的