牙種植動(dòng)態(tài)導(dǎo)航配準(zhǔn)方式對(duì)配準(zhǔn)精度的影響

田田 張志宏 劉紅紅

安徽醫(yī)科大學(xué)附屬省立醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)中心 合肥 230001

牙種植術(shù)現(xiàn)已成為修復(fù)牙缺失常見(jiàn)的手術(shù)，數(shù)字化醫(yī)學(xué)的提出及發(fā)展使其可以在可視化下更快速、更準(zhǔn)確地進(jìn)行[1-6]。近年來(lái)，牙種植動(dòng)態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)（dynamic navigation system，DNS）在牙種植術(shù)中可實(shí)時(shí)追蹤鉆針位置，避免損傷鄰近重要的解剖組織，提高了術(shù)后種植體位置、深度和角度的準(zhǔn)確性，大大減少了術(shù)中并發(fā)癥及術(shù)者的操作時(shí)間[7-10]，使其在牙種植學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)。DNS引導(dǎo)牙種植術(shù)中的每一步操作偏差都可能影響到牙種植體的準(zhǔn)確放置，因此種植實(shí)際術(shù)區(qū)與虛擬術(shù)區(qū)之間的精確配準(zhǔn)非常重要[11]。配準(zhǔn)的目的是為確定術(shù)中患者術(shù)區(qū)坐標(biāo)系與虛擬坐標(biāo)系之間的空間關(guān)系。在DNS的引導(dǎo)下，患者術(shù)區(qū)任何一點(diǎn)都能以x-y-z的坐標(biāo)形式與計(jì)算機(jī)三維圖像上相應(yīng)的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。種植術(shù)前進(jìn)行配準(zhǔn)，術(shù)中可實(shí)時(shí)追蹤手術(shù)器械尖端，顯示其所在位置、路徑及周圍解剖結(jié)構(gòu)，術(shù)者可根據(jù)提示及時(shí)調(diào)整器械方向及位置。本文對(duì)配準(zhǔn)方式在牙種植術(shù)中對(duì)配準(zhǔn)精度的影響進(jìn)行綜述。

1 配準(zhǔn)方式

臨床上用于口腔頜面外科的配準(zhǔn)方式有兩種，分別為有標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)（marker-based）和無(wú)標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)（marker-free）。有標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)主要是利用骨標(biāo)記物、咬合夾板、解剖標(biāo)志作為特殊標(biāo)記，并固定在術(shù)區(qū)周圍以實(shí)現(xiàn)術(shù)區(qū)實(shí)際空間位置與虛擬術(shù)區(qū)空間位置的配準(zhǔn)重合。有標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)的配準(zhǔn)過(guò)程如下：1）術(shù)前獲取患者術(shù)區(qū)帶有放射阻射標(biāo)記的三維影像；2）將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃；3）術(shù)區(qū)標(biāo)記點(diǎn)與虛擬三維圖像上標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)重合。無(wú)標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)是利用面融合原理進(jìn)行輪廓匹配來(lái)完成配準(zhǔn)重合的[12]。

1.1 有標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)

1.1.1 骨標(biāo)記物配準(zhǔn) 臨床上采用此方法時(shí)，一般是在患者上頜骨術(shù)區(qū)的非關(guān)鍵區(qū)域植入5～6個(gè)鈦釘[13-14]。如果要達(dá)到更高的精準(zhǔn)度，這些鈦釘需不在同一水平線且分布在不同平面上，術(shù)中可在兩眼眶外側(cè)上緣各加1枚鈦釘來(lái)更好地輔助定位偏高的術(shù)區(qū)。為了達(dá)到整個(gè)術(shù)區(qū)的配準(zhǔn)，術(shù)前需要先對(duì)這些在三維影像上可顯影的定位標(biāo)記物進(jìn)行配準(zhǔn)。Fan等[15]在一項(xiàng)DNS輔助顴種植術(shù)區(qū)定位的體外研究中發(fā)現(xiàn)，術(shù)區(qū)周圍散在分布5個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)時(shí)即可達(dá)到8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)的精度效果，標(biāo)記物越靠近目標(biāo)，并以非線性方式排列標(biāo)記物，則圖像配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性越高。而Hung等[13]利用此配準(zhǔn)方法對(duì)嚴(yán)重萎縮的上頜全口義齒穩(wěn)定性差的患者進(jìn)行顴骨種植體植入，將術(shù)前規(guī)劃虛擬種植體三維影像與術(shù)后實(shí)際種植體三維影像進(jìn)行擬合配準(zhǔn)，結(jié)果表明，52枚顴種植體的起點(diǎn)誤差、止點(diǎn)誤差和角度誤差分別為1.24 mm、1.84 mm和2.12°，與以往在離體頭顱[16]或者3D打印頭顱[17]上研究DNS輔助的顴種植體植入精確性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。骨標(biāo)記法一直被視為臨床配準(zhǔn)金標(biāo)準(zhǔn)[18]，因?yàn)楣菢?biāo)記物在圖像采集及術(shù)中不受位移影響，但屬于一種侵入性的配準(zhǔn)方法，在CT掃描前需要額外的手術(shù)植入標(biāo)記物，且植入時(shí)須考慮此區(qū)骨量，以確保獲得足夠的固位力。

1.1.2 咬合夾板配準(zhǔn) 骨標(biāo)記物配準(zhǔn)具有侵襲性，雖精準(zhǔn)度較高，但會(huì)給患者帶來(lái)身體的創(chuàng)傷和傷痛，一般不為患者所接受，而咬合夾板配準(zhǔn)則克服了這一缺點(diǎn)。咬合夾板配準(zhǔn)方法是在術(shù)前根據(jù)患者牙弓形態(tài)制作個(gè)性化咬合夾板，在其上分布有5～6個(gè)放射阻射標(biāo)記點(diǎn)，作為配準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)定位術(shù)區(qū)。咬合夾板分為牙支持式和黏膜支持式兩種。Eggers等[19]研究的結(jié)果顯示，這種方法的精度誤差為1.53～1.61 mm，可以滿足前顱底手術(shù)范圍的配準(zhǔn)要求，但不滿足側(cè)顱底手術(shù)范圍的配準(zhǔn)要求。也有學(xué)者[20]對(duì)另外兩種不同形態(tài)的咬合夾板配準(zhǔn)精度進(jìn)行研究，一種是利用壓印材料直接在頜骨模型上制作而成的個(gè)性化快速型咬合夾板，另一種是在石膏模型上制成咬合夾板然后在其兩側(cè)各安裝一個(gè)擴(kuò)展器，稱為延伸型咬合夾板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：快速型咬合夾板尺寸較小，夾板附近的誤差較小；而在遠(yuǎn)離夾板的眶頂、顱骨頂和側(cè)顱底區(qū)，延伸型咬合夾板的配準(zhǔn)效果更為精準(zhǔn)。在臨床實(shí)踐中，咬合夾板主要適用于頜面部前部的配準(zhǔn)，而不適用于磨牙后區(qū)的配準(zhǔn)，而且僅在夾板區(qū)域添加更多的標(biāo)記并不能提高配準(zhǔn)精度?；鶞?zhǔn)點(diǎn)跨越的多邊形越大，精準(zhǔn)度才越高。咬合夾板式配準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)是完全無(wú)創(chuàng)的，在成像之前不需要外科手術(shù)；缺點(diǎn)在于術(shù)前需要花費(fèi)額外的時(shí)間和成本來(lái)制作。此外，對(duì)于嚴(yán)重萎縮的牙列缺失者，配準(zhǔn)過(guò)程中咬合夾板可能會(huì)出現(xiàn)不貼合的現(xiàn)象，導(dǎo)致不能精準(zhǔn)定位術(shù)區(qū)空間位置，從而產(chǎn)生較大的誤差。

1.1.3 U型管配準(zhǔn) 由于下頜骨解剖因素的特殊性，術(shù)中很難精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)追蹤定位到患者的下頜術(shù)區(qū)。咬合夾板配準(zhǔn)在臨床上僅適用于上頜中面部的外科手術(shù)。為解決這一問(wèn)題，學(xué)者們?cè)谝Ш蠆A板的基礎(chǔ)上研究出一種牙支持式參考板與小型的“咬合夾板”（即U型管）聯(lián)合應(yīng)用的配準(zhǔn)方法，稱為U型管配準(zhǔn)。在整個(gè)配準(zhǔn)和手術(shù)過(guò)程中，參考板須穩(wěn)固地固定在牙齒上，U型管的小體積特點(diǎn)可使參考板與配準(zhǔn)裝置同時(shí)固定在下頜牙列上。在下頜種植手術(shù)中，經(jīng)過(guò)臨床術(shù)區(qū)空間與虛擬空間配準(zhǔn)后可精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)追蹤定位到下頜術(shù)區(qū)。以DNS輔助單顆牙缺失的種植術(shù)為例，將帶有阻射標(biāo)記點(diǎn)的U型管在成像前用牙科材料固定在缺牙區(qū)，術(shù)前參考板固定在缺牙區(qū)鄰牙或同頜對(duì)側(cè)同名牙上，利用導(dǎo)航種植手機(jī)鉆針點(diǎn)擊U型管上的凹坑，通過(guò)計(jì)算與基準(zhǔn)點(diǎn)的位置距離，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配準(zhǔn)，從而識(shí)別并定位術(shù)區(qū)。臨床研究[7,21-24]證明，牙種植術(shù)中在DNS輔助下并結(jié)合此配準(zhǔn)方法，種植體可較為精準(zhǔn)地放置在理想的規(guī)劃位置。Chen等[9]利用該方法對(duì)50枚種植體進(jìn)行配準(zhǔn)，其起點(diǎn)總誤差、止點(diǎn)總誤差和角度總誤差分別是1.07 mm±0.48 mm、1.35 mm±0.55 mm和4.45°±1.97°。該方法的缺點(diǎn)是，對(duì)無(wú)牙頜患者，此種配準(zhǔn)裝置無(wú)法穩(wěn)固地固定在術(shù)區(qū)周圍的頜骨上。

1.1.4 面部框架式配準(zhǔn) 該配準(zhǔn)方法是一種簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)的方法。術(shù)前將帶有標(biāo)記點(diǎn)的面弓式裝置穩(wěn)定地固定在患者頭部或者粘貼于術(shù)區(qū)周圍，使其基準(zhǔn)標(biāo)記點(diǎn)在頜骨周圍廣泛分布，以提供較大的標(biāo)記范圍。Widmann等[25]通過(guò)體外研究對(duì)3種不同配準(zhǔn)方法的精準(zhǔn)度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，骨標(biāo)記物配準(zhǔn)、咬合夾板配準(zhǔn)和面部框架式配準(zhǔn)的精度誤差分別為0.16～0.34 mm、0.16～0.30 mm、0.29～0.65 mm，均在臨床可接受的范圍之內(nèi)。該方法的缺點(diǎn)在于配準(zhǔn)裝置框架較大，不能夠提供足夠的摩擦力，定位精確度較低，現(xiàn)已很少應(yīng)用。

1.1.5 解剖標(biāo)志點(diǎn)配準(zhǔn) 此方法采用的解剖標(biāo)志點(diǎn)主要分兩類，自身的骨性標(biāo)志點(diǎn)和體表標(biāo)志點(diǎn)。骨性標(biāo)志點(diǎn)配準(zhǔn)法是成像后在規(guī)劃軟件上先標(biāo)記出基準(zhǔn)點(diǎn)，再根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)利用手術(shù)器械點(diǎn)擊與其相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配對(duì)，因其表面軟組織的影響，精準(zhǔn)度不高。體表標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)是利用導(dǎo)航探頭在患者術(shù)區(qū)周圍標(biāo)記出多個(gè)不在同一平面的基準(zhǔn)點(diǎn)，但由于體表標(biāo)記點(diǎn)一般為軟組織隆起處或者凹陷處，在配準(zhǔn)過(guò)程中可能發(fā)生移動(dòng)，因此誤差大小很容易受操作者技術(shù)的影響。有學(xué)者[12,26]通過(guò)體外研究發(fā)現(xiàn)，上頜、顴骨前區(qū)的平均目標(biāo)配準(zhǔn)誤差為0.93 mm±0.31 mm，其他部位誤差較大。綜合考慮，此方法適用于上頜術(shù)區(qū)，但在選擇適用部位時(shí)一定要謹(jǐn)慎。

1.2 無(wú)標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)

無(wú)標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)又稱表面配準(zhǔn)，是通過(guò)特定的激光儀器對(duì)術(shù)區(qū)表面進(jìn)行掃描，利用面融合原理進(jìn)行輪廓匹配。大量研究[27-34]已證實(shí)，此配準(zhǔn)法在臨床上具有足夠的精確度。它的主要優(yōu)點(diǎn)是非侵入性，且在圖像采集前也不需要應(yīng)用任何參考標(biāo)記；缺點(diǎn)在于，術(shù)區(qū)周圍軟組織對(duì)其掃描精度有很大的影響，特別是創(chuàng)傷后，軟組織仍存在腫脹的初期進(jìn)行CT掃描時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致明顯的配準(zhǔn)錯(cuò)誤，而且術(shù)中軟組織狀況也在不斷變化，所以不可能在術(shù)中重新配準(zhǔn)。Marmulla等[35]研究表明：在上頜骨，采用該方法進(jìn)行術(shù)區(qū)配準(zhǔn)，精度誤差為（0.8±0.3）mm；而下頜骨因舌和口底等一些不穩(wěn)定因素存在，無(wú)法作為高精度配準(zhǔn)的自然標(biāo)記。此外，該裝置額外的高成本導(dǎo)致其無(wú)法在牙種植術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

2 配準(zhǔn)誤差

精確性是導(dǎo)航手術(shù)的關(guān)鍵，因?yàn)槊恳徊讲僮鞫伎赡墚a(chǎn)生誤差。在有標(biāo)記點(diǎn)配準(zhǔn)的過(guò)程中，術(shù)區(qū)空間定位誤差主要來(lái)源于基準(zhǔn)點(diǎn)定位誤差（fiducial localization error，F(xiàn)LE）、基準(zhǔn)點(diǎn)配準(zhǔn)誤差（fiducial registration error，F(xiàn)RE）、目標(biāo)點(diǎn)配準(zhǔn)誤差（target registration error，TRE）。

FLE由圖像定點(diǎn)誤差和術(shù)中定點(diǎn)誤差兩部分組成。圖像定點(diǎn)誤差主要來(lái)自導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件識(shí)別不準(zhǔn)確性，圖像體素[36]，標(biāo)記點(diǎn)的數(shù)量、分布及材料性質(zhì)等。圖像分辨率越高，影像中標(biāo)記點(diǎn)越容易被識(shí)別且越規(guī)則，圖像定點(diǎn)誤差就會(huì)越小[37-38]。如果利用系統(tǒng)圖像分割或設(shè)計(jì)相應(yīng)算法自動(dòng)識(shí)別標(biāo)記點(diǎn)，則圖像定點(diǎn)誤差也可相對(duì)減少[39]。Du等[40]通過(guò)對(duì)臨床牙種植術(shù)中U型管配準(zhǔn)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，作為U型管上基準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)記物，氮化硅在成像上產(chǎn)生的偽影少，輻射不透明度高，耐磨性好，是一種配準(zhǔn)性能較好的材料。術(shù)中定點(diǎn)誤差是導(dǎo)航探針在識(shí)別基準(zhǔn)點(diǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，為了使導(dǎo)航探針點(diǎn)與標(biāo)記點(diǎn)中心達(dá)到最佳接觸，減少術(shù)中定點(diǎn)誤差，基準(zhǔn)點(diǎn)一般設(shè)計(jì)成光滑的凹坑樣。

FRE是指配準(zhǔn)完成后所計(jì)算出的標(biāo)記點(diǎn)空間坐標(biāo)與其實(shí)際空間坐標(biāo)的平方差，通常采用均方根來(lái)表示。TRE是指在動(dòng)態(tài)導(dǎo)航過(guò)程中鉆針的真實(shí)位置坐標(biāo)與相應(yīng)的術(shù)區(qū)目標(biāo)真實(shí)位置坐標(biāo)之間的差異，代表整個(gè)導(dǎo)航過(guò)程中所傳遞的最終誤差結(jié)果，是評(píng)價(jià)DNS輔助手術(shù)精確性最客觀的指標(biāo)，對(duì)手術(shù)的安全與精確性至關(guān)重要。諸多研究表明，基于點(diǎn)的配準(zhǔn)方法大大提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的精確性[41]，而配準(zhǔn)過(guò)程中所涉及到的光學(xué)追蹤系統(tǒng)可視范圍大小及離術(shù)區(qū)的距離，定位參考板的位置和穩(wěn)定性，種植手機(jī)翼板設(shè)計(jì)等都可能影響到術(shù)區(qū)實(shí)際位置與虛擬位置的配準(zhǔn)精度。

3 小結(jié)

臨床實(shí)踐[22-23]證明，口腔牙種植術(shù)中應(yīng)用DNS能夠?qū)⑿g(shù)前規(guī)劃準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)移到患者實(shí)際手術(shù)中，大大降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了手術(shù)精度，使得DNS引導(dǎo)的口腔種植術(shù)具備準(zhǔn)確性、可靠性、靈活性。目前口腔種植學(xué)領(lǐng)域現(xiàn)最常使用的是U型管配準(zhǔn)方式。因?yàn)椴煌呐錅?zhǔn)方式在很大程度上會(huì)響其配準(zhǔn)精度，從而影響最終的種植精度，因此臨床醫(yī)生必須了解不同配準(zhǔn)方法的適應(yīng)證和配準(zhǔn)特點(diǎn)等，以期減少配準(zhǔn)誤差。隨著數(shù)字醫(yī)學(xué)的提出與發(fā)展，DNS精度不斷提高，在口腔種植學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用會(huì)愈加廣泛。

該技術(shù)目前的難點(diǎn)在于下頜無(wú)牙頜患者，或者余留牙較少的患者中的應(yīng)用較為困難，目前尚無(wú)明顯突破。因?yàn)轱D下頜關(guān)節(jié)特殊的解剖關(guān)系，目前還沒(méi)有研發(fā)出合適的能穩(wěn)固地固定在下頜骨上的參考板與配準(zhǔn)裝置，致使DNS無(wú)法準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)追蹤定位患者術(shù)區(qū)真實(shí)位置，所以DNS對(duì)于下頜無(wú)牙頜患者的應(yīng)用有待進(jìn)一步探索改進(jìn)。此外，用于DNS的平板顯示器往往與術(shù)者有一段距離，操作者需時(shí)時(shí)移動(dòng)視線，以便將視覺(jué)導(dǎo)航信息與真實(shí)場(chǎng)景相匹配，這可能會(huì)中斷手術(shù)流程。近年來(lái)，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的推廣使用[42-44]，有望解決術(shù)者的手眼協(xié)調(diào)問(wèn)題。