【深度解析】3D打印在牙科種植中的應用

齒科是非生物3D打印中最有前景的領域之一，3D打印技術(shù)在齒科修復領域中的應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)模化應用的3D打印技術(shù)的醫(yī)療領域，根據(jù)Smartech市場研究報告中的預測,，預計到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)學圖像數(shù)據(jù)導出的人體解剖結(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)療植入物設計和組織工程等多方面。本文主要通過牙科導板分析和手術(shù)模擬說明3D打印在口腔修復中的應用,。

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)在口腔種植學的生物學基礎,，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，口腔種植學的發(fā)展使其成為口腔醫(yī)學領域內(nèi)最為矚目的新興學科,。種植義齒修復與傳統(tǒng)修復方法相比,，種植修復具有不損傷鄰牙、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,、角度及深度應滿足修復和美學要求,。

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應用了可摘局部義齒設計，根據(jù)模型上的標記,，用自凝塑料制作了第一個種植導板（圖1）,。從此，導板在種植領域中開始得到應用,。

圖1 Edge 種植導板

（a）壓膜式導板頜面外觀

（b）利用壓膜式導板設計種植體植入位置及方向

三,、數(shù)字化3D打印口腔種植導板
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,、療效可預見性差等問題，種植修復的精確度無法保證,，應用受到一定的限制,。

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)的關系也更精準，不但可以顯示三維的圖像,，還可以進行精準測量,。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)前設計的種植體位置,、方向、角度等準確無誤地轉(zhuǎn)移到患者口內(nèi),，使得實際植入位置與預想位置發(fā)生偏差不可避免,，嚴重的甚至會造成重要解剖結(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,，計算機輔助種植設計軟件以及3D打印設備的開發(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,，利用計算機輔助設計軟件進行術(shù)前的虛擬設計，確定種植體植入的位置,、方向和型號,，再利用3D打印技術(shù)制作出種植導板，將設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打印導板的誕生使醫(yī)生的種植的準確率和成功率得到極大的提高,，幫助醫(yī)生進行精準種植，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打印導向模板,，又稱3D打印種植外科導板，簡稱“導板”,，是將術(shù)前虛擬設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，使最終的種植修復與術(shù)前的理想設計方案實現(xiàn)統(tǒng)一,。

圖3數(shù)字化3D打印種植導板

3D打印種植外科導板按支撐的形式可分3種類型（圖4）：

①牙支撐式導板: 這種導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黏膜支撐式導板:需要事先了解骨量和黏膜情況,直接將導板固定于缺牙區(qū)牙槽嵴頂黏膜上,，對連續(xù)多牙缺失的患者較為適用。
③骨支撐式導板：將導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)生將導板固定在牙齒上，然后沿著導板上的引導孔進行鉆孔,，以確定種植體的精確位置,、方向，最終植入種植體,，有了導板的幫助,，醫(yī)生可減少手術(shù)時間和術(shù)后反應，不須翻瓣種植手術(shù),。

（a）

（b）

圖4 （a）粘膜支撐式導板  （b）牙支撐式導板

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

圖5半程導板及定位鉆

圖6全程導航板及全程導航盒

四,、3D打印口腔種植導板的優(yōu)勢
口腔種植技術(shù)近年來發(fā)展迅速,，適應癥越來越廣，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,，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)成功的關鍵不僅在于術(shù)前做出正確合理的治療方案,，還應該為該方案確切地實施提供保障和手段，即將設計好的手術(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,，一種是實時導航，另一種是靜態(tài)數(shù)字化種植外科導板,。

在實時導航外科中,，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,，實時導航更符合種植手術(shù)要求,，但是研究表明導航系統(tǒng)易產(chǎn)生追蹤誤差、垂直向偏差導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)前設計和以修復體設計為導向的最佳植入位置，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)風險降到最小，并實現(xiàn)將預先設計的修復體信息融入種植體設計中,，真正實現(xiàn)以修復為導向的種植體設計及實施,。精確地數(shù)字化導板的設計，不僅可以減少患者的手術(shù)創(chuàng)傷和風險,，同時減少了手術(shù)耗時,，實現(xiàn)了術(shù)前修復設計計劃，提高治療效率和質(zhì)量,，增強了醫(yī)生對手術(shù)的把控,，使復雜手術(shù)簡單化,。

常用的傳統(tǒng)壓膜式手術(shù)導板，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,、方向及角度的準確性，大大降低了種植手術(shù)的風險,，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打印的種植導板使得術(shù)前種植設計方案得以精準轉(zhuǎn)移,，術(shù)前可根據(jù)方案制備臨時修復義齒,，使術(shù)后即刻修復成為可能。
⑤實現(xiàn)以修復為導向的種植方案設計,，提高了修復后美學及功能效果的可預見性,；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打印種植導板的發(fā)展趨勢
自20世紀80年代,，Edge制作了第一個種植導板,。從此，導板在種植領域中的應用越來越普遍,。傳統(tǒng)的種植外科導板是基于平面X光影像的信息,，在石膏模型上設定植入點，采自凝塑料或經(jīng)真空壓膜機熱壓成型。此類傳統(tǒng)簡易導板制作簡單,、費用低廉,，在一定程度上指導了手術(shù)中種植體的植入位置和方向。但是,，此類導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)移到導板的設計及手術(shù)過程中,，精度和準確度欠佳,，手術(shù)仍主要依靠臨床醫(yī)生的經(jīng)驗進行，不可預知性和風險性較大,。

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

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在口腔頜面外科領域獲得應用，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。但由于當時應用的螺旋CT設備昂貴,、占地面積大,、X線劑量大等缺點，嚴重限制了CT技術(shù)在口腔種植領域的應用,。1998年,，Mozzo等最早將錐形束CB(cone beam CT ,CBCT)應用于口腔領域（圖7），促進了CT技術(shù)在口腔領域的應用，成為口腔醫(yī)學中重要影像檢查手段之一,。與傳統(tǒng)螺旋CT相比,，CBCT設備小、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)等領域的成果，是20世紀制造技術(shù)領域的一次重大突破,。3D打印技術(shù)用于醫(yī)學領域最早始于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)字化種植外科導板技術(shù)的發(fā)展尤為迅速,。在計算機輔助設計軟件的協(xié)助下,，將計算機斷層掃描獲得的三維數(shù)據(jù)信息，結(jié)合以修復為導向的設計理念,，通過快速成型技術(shù),，制成臨床操作中所需的數(shù)字化種植外科導板。數(shù)字化種植外科導板的主要目的是提高診斷,、手術(shù)和修復的精度,，減少創(chuàng)傷和手術(shù)時間，將術(shù)前設計精確地轉(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打印在口腔種植領域的應用越來越普遍，使得復雜病例的口腔種植手術(shù)時間大大縮短，風險大大降低,，手術(shù)效果和遠期修復效果顯著提高,。但應該承認，種植導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)大學北京市數(shù)字化醫(yī)療3D打印工程技術(shù)研究中心