【深度解析】3D打印在牙科種植中的應(yīng)用

齒科是非生物3D打印中最有前景的領(lǐng)域之一，3D打印技術(shù)在齒科修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括可摘義齒、矯正器和種植牙，齒科是目前最有希望可以規(guī)模化應(yīng)用的3D打印技術(shù)的醫(yī)療領(lǐng)域，根據(jù)Smartech市場研究報告中的預(yù)測，預(yù)計到2020年，3D打印在牙科行業(yè)的市場規(guī)模將超過23億美元。

一、引言
3D打印技術(shù)又叫“增材制造技術(shù)”，起源于快速成型技術(shù)[1]。在20世紀80年代，伴隨著增材制造（AM）即逐層構(gòu)建物體的思想的出現(xiàn)，世界上第一臺3D打印系統(tǒng)被研發(fā)出來。1986年美國Charles Hull開發(fā)出立體光固化3D打印設(shè)備，并成立了3D Systems公司。目前有許多不同的3D打印技術(shù)和工藝，最早出現(xiàn)的立體光固化（Stereo Lithography Apparatus， SLA），后來Stratasys公司的創(chuàng)始人克朗普發(fā)明了熔融沉積建模（Fused Deposition Modelling， FDM）技術(shù)，之后美國德州大學(xué)奧斯丁分校德克博士發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering， SLS），在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了選擇性激光融化（Selective Laser Melting， SLM）等。3D打印技術(shù)在醫(yī)藥和牙科方面開辟了新道路。

數(shù)字化醫(yī)療3D打印是使用各種3D打印技術(shù)，從醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)出的人體解剖結(jié)構(gòu)的計算機模型，打印制造出精確的人體物理模型。3D打印在牙科應(yīng)用中包括教育、可視化、術(shù)前規(guī)劃、程序演練、仿真、定制醫(yī)療植入物設(shè)計和組織工程等多方面。本文主要通過牙科導(dǎo)板分析和手術(shù)模擬說明3D打印在口腔修復(fù)中的應(yīng)用。

二、口腔種植
20世紀60年代，瑞典Branemark教授創(chuàng)立的骨結(jié)合理論奠定了現(xiàn)在口腔種植學(xué)的生物學(xué)基礎(chǔ)，并于1965年完成了世界上第一例鈦種植體的口腔種植手術(shù)。20世紀80年代，口腔種植學(xué)的發(fā)展使其成為口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最為矚目的新興學(xué)科。種植義齒修復(fù)與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比，種植修復(fù)具有不損傷鄰牙、兼顧美觀和功能、長期效果可靠等諸多優(yōu)點。但在口腔種植手術(shù)中，如何確保種植體植入至理想位置，降低手術(shù)風(fēng)險和并發(fā)癥的發(fā)生，對臨床醫(yī)生是一個挑戰(zhàn)。

臨床醫(yī)生在進行種植手術(shù)前需要考慮以下幾個因素：①種植體周圍有足夠的牙槽骨；②種植手術(shù)不能破壞重要的解剖結(jié)構(gòu)；③種植體的位置、方向、角度及深度應(yīng)滿足修復(fù)和美學(xué)要求。

對于有些骨量不足的患者，手術(shù)中需要最大限度地利用余留的骨，同時確保種植體植入的位置、方向、角度等準(zhǔn)確性，避免損傷重要的解剖結(jié)構(gòu)，這些對臨床醫(yī)生，尤其是經(jīng)驗不足的醫(yī)生無疑是巨大的挑戰(zhàn)。

了解決上述存在問題，1987年，Edge應(yīng)用了可摘局部義齒設(shè)計，根據(jù)模型上的標(biāo)記，用自凝塑料制作了第一個種植導(dǎo)板（圖1）。從此，導(dǎo)板在種植領(lǐng)域中開始得到應(yīng)用。

圖1 Edge 種植導(dǎo)板

（a）壓膜式導(dǎo)板頜面外觀

（b）利用壓膜式導(dǎo)板設(shè)計種植體植入位置及方向

三、數(shù)字化3D打印口腔種植導(dǎo)板
傳統(tǒng)的口腔種植技術(shù)術(shù)前僅拍攝X光片，無法顯示種植區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)。這樣二維平面圖像表達的信息有限，醫(yī)生獲得的術(shù)前信息不夠完整，常造成術(shù)中不確定因素增多、手術(shù)時間延長、療效可預(yù)見性差等問題，種植修復(fù)的精確度無法保證，應(yīng)用受到一定的限制。

隨著計算機斷層掃描技術(shù)（CT）[5]的出現(xiàn)，醫(yī)生可以借助CT影像，在術(shù)前對患者的信息了解得更多、更全面，較傳統(tǒng)的二維平面數(shù)據(jù)更細致，與周圍組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系也更精準(zhǔn)，不但可以顯示三維的圖像，還可以進行精準(zhǔn)測量。它可以顯示骨的實際解剖結(jié)構(gòu)和形態(tài)，使臨床醫(yī)生可以術(shù)前對重要解剖結(jié)構(gòu)進行分析、對骨量及骨的三維結(jié)構(gòu)進行評估(圖2)。但是，在種植手術(shù)的實際操作中，仍然依賴醫(yī)生的經(jīng)驗，然而經(jīng)驗再豐富的醫(yī)生也無法僅依靠CT影像將術(shù)前設(shè)計的種植體位置、方向、角度等準(zhǔn)確無誤地轉(zhuǎn)移到患者口內(nèi)，使得實際植入位置與預(yù)想位置發(fā)生偏差不可避免，嚴重的甚至?xí)�造成重要解剖結(jié)構(gòu)的損傷。

圖2　　三維CT影像顯示各個解剖結(jié)構(gòu)

20世紀90年代以來，CT精度不斷提高，計算機輔助種植設(shè)計軟件以及3D打印設(shè)備的開發(fā)不斷完善，數(shù)字化口腔技術(shù)日臻成熟，使得術(shù)前種植方案精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到患者口內(nèi)成為可能。在口腔種植中，越來越多的臨床醫(yī)生利用三維數(shù)字化方法進行術(shù)前規(guī)劃，通過CT的掃描圖像對骨量及骨的結(jié)構(gòu)進行評估，利用計算機輔助設(shè)計軟件進行術(shù)前的虛擬設(shè)計，確定種植體植入的位置、方向和型號，再利用3D打印技術(shù)制作出種植導(dǎo)板，將設(shè)計程序中的虛擬種植方案精確轉(zhuǎn)移至患者口內(nèi)。數(shù)字化3D打印導(dǎo)板的誕生使醫(yī)生的種植的準(zhǔn)確率和成功率得到極大的提高，幫助醫(yī)生進行精準(zhǔn)種植，以獲得最理想、最精確的種植體三維位置和方向，手術(shù)風(fēng)險大大降低，在臨床上受到廣泛歡迎。

口腔種植手術(shù)數(shù)字化3D打印導(dǎo)向模板，又稱3D打印種植外科導(dǎo)板，簡稱“導(dǎo)板”，是將術(shù)前虛擬設(shè)計的種植體方案精確轉(zhuǎn)移至患者口內(nèi)的個性化手術(shù)輔助工具（圖3）。它可以幫助臨床醫(yī)生在手術(shù)中精確地控制種植體植入的位置、方向、角度甚至深度，輔助醫(yī)生的種植體植入，使最終的種植修復(fù)與術(shù)前的理想設(shè)計方案實現(xiàn)統(tǒng)一。

圖3數(shù)字化3D打印種植導(dǎo)板

3D打印種植外科導(dǎo)板按支撐的形式可分3種類型（圖4）：

①牙支撐式導(dǎo)板: 這種導(dǎo)板可以直接固定在缺牙區(qū)鄰牙上，主要對于單個或少量牙齒缺失的患者較為適用，只需進行微創(chuàng)不翻瓣種植手術(shù)即可完成種植。②黏膜支撐式導(dǎo)板:需要事先了解骨量和黏膜情況,直接將導(dǎo)板固定于缺牙區(qū)牙槽嵴頂黏膜上，對連續(xù)多牙缺失的患者較為適用。
③骨支撐式導(dǎo)板：將導(dǎo)板直接固定于缺牙區(qū)頜骨骨面上,對缺牙多、有骨缺損或不確定的患者，還需要進行常規(guī)翻瓣手術(shù)。
　　
這些導(dǎo)板在制作過程中多采用立體光固化SLA的打印方式，打印精度較高，采用醫(yī)用的光敏樹脂材料，較為安全，成型的導(dǎo)板經(jīng)過消毒處理，可以直接放置在患者口中。此外，用FDM打印也可制作，此方案對于單顆牙齒缺失在設(shè)計和制作流程上比較簡單，加工時間短，正得到廣泛的推廣使用。

手術(shù)中，醫(yī)生將導(dǎo)板固定在牙齒上，然后沿著導(dǎo)板上的引導(dǎo)孔進行鉆孔，以確定種植體的精確位置、方向，最終植入種植體，有了導(dǎo)板的幫助，醫(yī)生可減少手術(shù)時間和術(shù)后反應(yīng)，不須翻瓣種植手術(shù)。

（a）

（b）

圖4 （a）粘膜支撐式導(dǎo)板  （b）牙支撐式導(dǎo)板

如果按導(dǎo)板的定位方式又可分為：半程導(dǎo)航導(dǎo)板、全程導(dǎo)航導(dǎo)板。半程導(dǎo)航導(dǎo)板在術(shù)中僅引導(dǎo)定位鉆定位，定位完成后即取下導(dǎo)板。圖5為半程導(dǎo)板和定位鉆。全程導(dǎo)航導(dǎo)板與導(dǎo)板配套使用的壓板引導(dǎo)多級擴孔鉆，直至引導(dǎo)醫(yī)生完成最后一鉆。圖6為全程導(dǎo)板和配套鉆。

圖5半程導(dǎo)板及定位鉆

圖6全程導(dǎo)航板及全程導(dǎo)航盒

四、3D打印口腔種植導(dǎo)板的優(yōu)勢
口腔種植技術(shù)近年來發(fā)展迅速，適應(yīng)癥越來越廣，但隨之而來的種植并發(fā)癥日益增多附加手術(shù)種類也越來越多。

頜骨中植入種植體，臨床種植醫(yī)生一旦對種植體的植入方向、深度把握不準(zhǔn)，很可能會損傷重要的解剖結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)嚴重的術(shù)中術(shù)后并發(fā)癥[13]。因此，精確地控制種植體植入方向和位置，避開重要的剖結(jié)構(gòu)尤其重要。

臨床實踐證明，種植手術(shù)成功的關(guān)鍵不僅在于術(shù)前做出正確合理的治療方案，還應(yīng)該為該方案確切地實施提供保障和手段，即將設(shè)計好的手術(shù)方案精確地轉(zhuǎn)移到臨床手術(shù)中來，保證種植體植入的位點、方向及角度等與術(shù)前方案一致，使種植方案在患者口內(nèi)得以準(zhǔn)確實現(xiàn)。目前主要有2種方法來實現(xiàn)手術(shù)方案的轉(zhuǎn)移，一種是實時導(dǎo)航，另一種是靜態(tài)數(shù)字化種植外科導(dǎo)板。

在實時導(dǎo)航外科中，成像系統(tǒng)根據(jù)手術(shù)進程實時反饋頜骨實際情況，醫(yī)生可隨時根據(jù)導(dǎo)航信息調(diào)整植入位置、方向及角度，以達最佳的植入定位。理論上，實時導(dǎo)航更符合種植手術(shù)要求，但是研究表明導(dǎo)航系統(tǒng)易產(chǎn)生追蹤誤差、垂直向偏差導(dǎo)致顯示的與實際的不一致，且操作手術(shù)時間延長，無法實現(xiàn)術(shù)前設(shè)計和以修復(fù)體設(shè)計為導(dǎo)向的最佳植入位置，技術(shù)尚不成熟，并非目前國際上主流技術(shù)。而數(shù)字化種植導(dǎo)板技術(shù)可以在術(shù)前根據(jù)患者口腔三維立體的頜骨信息，設(shè)計種植體的植入位點、角度、方向和長度，避開重要的解剖結(jié)構(gòu)和病變區(qū)域，或充分利用患者特有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，將手術(shù)風(fēng)險降到最小，并實現(xiàn)將預(yù)先設(shè)計的修復(fù)體信息融入種植體設(shè)計中，真正實現(xiàn)以修復(fù)為導(dǎo)向的種植體設(shè)計及實施。精確地數(shù)字化導(dǎo)板的設(shè)計，不僅可以減少患者的手術(shù)創(chuàng)傷和風(fēng)險，同時減少了手術(shù)耗時，實現(xiàn)了術(shù)前修復(fù)設(shè)計計劃，提高治療效率和質(zhì)量，增強了醫(yī)生對手術(shù)的把控，使復(fù)雜手術(shù)簡單化。

常用的傳統(tǒng)壓膜式手術(shù)導(dǎo)板，由于只是在診斷模型的黏膜水平上制作的，由于沒有骨組織信息，無法確定重要解剖結(jié)構(gòu)的位置及形態(tài)走向，得不到植入?yún)^(qū)的頜骨及鄰牙等三維信息，種植體最終的植入位置還是主要依賴于醫(yī)生的技術(shù)和經(jīng)驗。

利用3D打印數(shù)字化導(dǎo)板的種植技術(shù)與傳統(tǒng)種植技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢：

①可以將術(shù)前制定的方案準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)移到臨床手術(shù)上，能夠完全保證種植體植入位置、方向及角度的準(zhǔn)確性，大大降低了種植手術(shù)的風(fēng)險，避免重要的解剖結(jié)構(gòu)的損傷。
②可以充分利用余留骨量，減少甚至避免了附加手術(shù)，最大限度減少了手術(shù)創(chuàng)傷。
③對于骨量充足的患者，可不用翻瓣，只需進行微創(chuàng)即可完成種植手術(shù)，減輕了患者痛苦。
④數(shù)字化3D打印的種植導(dǎo)板使得術(shù)前種植設(shè)計方案得以精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移，術(shù)前可根據(jù)方案制備臨時修復(fù)義齒，使術(shù)后即刻修復(fù)成為可能。
⑤實現(xiàn)以修復(fù)為導(dǎo)向的種植方案設(shè)計，提高了修復(fù)后美學(xué)及功能效果的可預(yù)見性；也使醫(yī)技溝通更為直觀、順暢。
⑥手術(shù)前可以利用三維信息，向患者直觀展示手術(shù)方案和術(shù)后效果，便于醫(yī)患溝通，減少糾紛的發(fā)生。

五、數(shù)字化3D打印種植導(dǎo)板的發(fā)展趨勢
自20世紀80年代，Edge制作了第一個種植導(dǎo)板。從此，導(dǎo)板在種植領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越普遍。傳統(tǒng)的種植外科導(dǎo)板是基于平面X光影像的信息，在石膏模型上設(shè)定植入點，采自凝塑料或經(jīng)真空壓膜機熱壓成型。此類傳統(tǒng)簡易導(dǎo)板制作簡單、費用低廉，在一定程度上指導(dǎo)了手術(shù)中種植體的植入位置和方向。但是，此類導(dǎo)板是在石膏模型上定位種植體植入位點與方向，很難將頜骨解剖的三維影像信息精確地轉(zhuǎn)移到導(dǎo)板的設(shè)計及手術(shù)過程中，精度和準(zhǔn)確度欠佳，手術(shù)仍主要依靠臨床醫(yī)生的經(jīng)驗進行，不可預(yù)知性和風(fēng)險性較大。

隨著數(shù)字化信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化設(shè)備日益普及，“數(shù)字醫(yī)學(xué)”作為信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)科技的交叉領(lǐng)域，其理論研究、臨床應(yīng)用實踐與技術(shù)發(fā)展已成為一門迅速發(fā)展的新學(xué)科。在口腔種植領(lǐng)域，從種植方案的設(shè)計到種植手術(shù)的實施再到修復(fù)體的加工設(shè)計都離不開數(shù)字醫(yī)學(xué)。

字化種植技術(shù)，首先需要臨床獲取患者的數(shù)字化信息。傳統(tǒng)的影像學(xué)方法為膠片式平面圖像，例如，牙片、曲面斷層片、咬合翼片、根尖片等。這些平面影像不能夠提供數(shù)字化三維空間信息，如術(shù)區(qū)牙槽骨形態(tài)、上頜竇底的空間形態(tài)、鄰牙牙根走向等。隨著計算機斷層掃描技術(shù)CT在口腔頜面外科領(lǐng)域獲得應(yīng)用，并開始使用該技術(shù)評估種植術(shù)區(qū)的骨質(zhì)、骨量，制訂種植手術(shù)計劃。但由于當(dāng)時應(yīng)用的螺旋CT設(shè)備昂貴、占地面積大、X線劑量大等缺點，嚴重限制了CT技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用。1998年，Mozzo等最早將錐形束CB(cone beam CT ,CBCT)應(yīng)用于口腔領(lǐng)域（圖7），促進了CT技術(shù)在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用，成為口腔醫(yī)學(xué)中重要影像檢查手段之一。與傳統(tǒng)螺旋CT相比，CBCT設(shè)備小、價格相對低，掃描時間短，輻射劑量小，放射劑量低于一次拍攝全口牙片，分辨率高，定位準(zhǔn)確，顯示牙體組織、頜骨組織清晰。目前，CBCT已經(jīng)成為口腔種植術(shù)前檢查的常規(guī)手段。

圖7錐形束CT掃描機

3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它集成了機械工程、CAD/CAM[21]、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料技術(shù)等領(lǐng)域的成果，是20世紀制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。3D打印技術(shù)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最早始于20世紀90年代初，借助于CT及磁共振等三維檢測技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展。即通過計算機軟件對CT或磁共振逐層掃描建立起的三維信息進行轉(zhuǎn)換，得到數(shù)控加工命令，進而逐層加工制作三維模型。近10年間，隨著口腔專用三維影像技術(shù)CBCT及快速成型技術(shù)的不斷進步，數(shù)字化種植技術(shù)得以產(chǎn)生和發(fā)展，其中以數(shù)字化種植外科導(dǎo)板技術(shù)的發(fā)展尤為迅速。在計算機輔助設(shè)計軟件的協(xié)助下，將計算機斷層掃描獲得的三維數(shù)據(jù)信息，結(jié)合以修復(fù)為導(dǎo)向的設(shè)計理念，通過快速成型技術(shù)，制成臨床操作中所需的數(shù)字化種植外科導(dǎo)板。數(shù)字化種植外科導(dǎo)板的主要目的是提高診斷、手術(shù)和修復(fù)的精度，減少創(chuàng)傷和手術(shù)時間，將術(shù)前設(shè)計精確地轉(zhuǎn)移至患者口內(nèi)。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化醫(yī)療3D打印在口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，使得復(fù)雜病例的口腔種植手術(shù)時間大大縮短，風(fēng)險大大降低，手術(shù)效果和遠期修復(fù)效果顯著提高。但應(yīng)該承認，種植導(dǎo)板只是一種口腔種植手術(shù)的輔助工具，最終是依靠臨床醫(yī)生合理的設(shè)計和豐富的經(jīng)驗才能在患者的手術(shù)中成功完成，盡管這種技術(shù)可以擴展，但也不能盲目地把導(dǎo)板作用夸大和擴大化。我們相信，在國內(nèi)科研工作者和口腔臨床醫(yī)生的共同努力下，我們的國產(chǎn)化外科導(dǎo)板技術(shù)會發(fā)展的越來越好。

作者：陳繼民  張成宇
北京工業(yè)大學(xué)北京市數(shù)字化醫(yī)療3D打印工程技術(shù)研究中心