深度解析 | 3D圖像,、3D打印,、3D虛擬在牙髓病學(xué)中的應(yīng)用

作者：姚麗萍 盧志山

近年來(lái),，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于口腔中,，如3D打印,，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于并深刻影響了種植,、口腔頜面外科,、正畸和牙周的臨床教學(xué)和臨床病例的診療。通過(guò)一些輔助的軟件和設(shè)備,，能夠改進(jìn)教學(xué)管理和臨床診療的各種方法,，這些輔助工具包括錐型束計(jì)算機(jī)斷層掃描（CBCT）、3D打印等,。

CBCT通過(guò)創(chuàng)建3D圖像來(lái)評(píng)估牙齒與相鄰軟硬組織的關(guān)系,。在牙髓病學(xué)中，與傳統(tǒng)的二維圖像相比,，CBCT提高了對(duì)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的理解,。因此，有利于教學(xué)和病例管理,，包括制定治療計(jì)劃和隨訪,。在全球范圍內(nèi)，CBCT在牙髓病學(xué)中的應(yīng)用正在迅速增加，已經(jīng)發(fā)表了各種指南和方針以幫助臨床醫(yī)生進(jìn)行病例選擇和促進(jìn)其安全使用,。包括美國(guó)牙髓病學(xué)會(huì)（AAE）,、美國(guó)口腔頜面放射學(xué)學(xué)會(huì)（AAOMR）、歐洲放射防護(hù)委員會(huì)172號(hào)準(zhǔn)則,、英國(guó)教師一般牙科實(shí)踐CBCT選擇標(biāo)準(zhǔn),、歐洲牙髓病學(xué)會(huì)立場(chǎng)聲明（ESE）。
一,，背景
3D打印是基于牙體和相關(guān)骨骼組織的虛擬（計(jì)算機(jī)生成的）效果圖通過(guò)自動(dòng)化過(guò)程生成的模型,。自動(dòng)化過(guò)程涉及設(shè)備（3D打印機(jī)），它利用各種3D打印技術(shù)來(lái)制作物品,。觸覺(jué)模擬器是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，通過(guò)模擬各種治療過(guò)程中可能遇到的挑戰(zhàn)，并提供實(shí)時(shí)的多感官圍手術(shù)期反饋,，對(duì)牙齒和骨骼組織進(jìn)行交互式三維虛擬仿真,。3D打印的設(shè)計(jì)和制作以及觸覺(jué)模擬器的操作依賴于3D成像、3D虛擬設(shè)計(jì)和/或3D打印技術(shù)之間的數(shù)字信息（數(shù)據(jù)）交換,。

在多篇文獻(xiàn)中,，CBCT掃描相對(duì)于二維放射成像的優(yōu)勢(shì)及其在牙髓病學(xué)中的應(yīng)用得到了廣泛的綜述和討論。然而,，由于3D打印和觸覺(jué)模擬器的引進(jìn)相對(duì)較晚,，在牙髓病學(xué)方面發(fā)表的文獻(xiàn)較少。只有少數(shù)病例報(bào)告詳細(xì)描述了3D打印導(dǎo)航的應(yīng)用,、3D打印的實(shí)驗(yàn)研究和觸覺(jué)模擬器的有效性,。因此，本文將提供相關(guān)文獻(xiàn)說(shuō)明設(shè)計(jì)和生產(chǎn)3D打印和操作觸覺(jué)模擬器的技術(shù)并討論3D打印和觸覺(jué)模擬器系統(tǒng)在牙髓病學(xué)中的應(yīng)用,。
鑒于范圍廣泛,，本綜述將主要集中在髓腔入口預(yù)備和根尖手術(shù)方面。

二,、3D打印的設(shè)計(jì)與制作
信息技術(shù)的進(jìn)步,，包括廉價(jià)/開(kāi)源軟件的使用，使3D成像設(shè)備,、3D虛擬系統(tǒng)和3D打印機(jī)之間的相互操作性得以有效地創(chuàng)建,、操作和處理數(shù)據(jù)，最終用于3D打印的設(shè)計(jì)和生產(chǎn),。CBCT掃描的三維成像數(shù)據(jù)以DICOM或?qū)Ｓ懈袷酱嬖�,。DICOM格式有助于在不同制造商制造的、在不同平臺(tái)上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)設(shè)備之間傳輸醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)數(shù)據(jù),。

  3D虛擬導(dǎo)航系統(tǒng)獲取CBCT掃描的體積數(shù)據(jù)（DICOM格式）,，該系統(tǒng)使用專用軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的STL文件格式,。3D虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)還可以獲取以STL格式存在的口腔/石膏模型掃描的三維成像數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)牙冠等解剖標(biāo)志物的精確比對(duì),，使用專用軟件將CBCT及相應(yīng)的口腔/石膏模型STL數(shù)據(jù)集進(jìn)行匹配,，消除金屬修復(fù)體引起的條紋和人工空洞。然后用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或種植規(guī)劃軟件對(duì)生成的3D圖像進(jìn)行編輯,，以創(chuàng)建3D打印的藍(lán)圖。最后的設(shè)計(jì)被數(shù)字化切片并導(dǎo)出到3D打印機(jī)中進(jìn)行制作,。圖1總結(jié)了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)3D打印的關(guān)鍵步驟,。

三、3D打印在牙髓病學(xué)中的應(yīng)用
3D打印在正畸,，正頜,，顱面，口腔頜面手術(shù)這些學(xué)科的教學(xué)和治療過(guò)程中的好處已經(jīng)被廣泛報(bào)道,。同樣,，3D打印在牙髓病學(xué)應(yīng)用中也有類似的好處，包括簡(jiǎn)單,、微創(chuàng),、更精確、減少手術(shù)時(shí)間,、改善病人舒適度和促進(jìn)操作者技能的發(fā)展,。

復(fù)雜的牙體治療，例如在非手術(shù)口內(nèi)治療,、鈣化,、牙根縱裂、發(fā)育異常,，或在口腔內(nèi)手術(shù),、根尖接近重要解剖結(jié)構(gòu)或皮質(zhì)骨較厚等，都會(huì)使病人風(fēng)險(xiǎn)增加,、影響治療效果,。這些病例對(duì)大多數(shù)操作人員來(lái)說(shuō)是具有挑戰(zhàn)性的。因此,，使用3D打印模型和導(dǎo)板作為學(xué)習(xí)和治療的輔助,，有能促進(jìn)提高治療結(jié)果和幫助操作員技能的發(fā)展。下面討論3D打印模型和導(dǎo)航在牙髓學(xué)中的應(yīng)用,。

（一）3D打印模型
石膏模型可以用來(lái)教育學(xué)生和患者,，也可以用于記錄、評(píng)估潛在的操作困難以及制作定制導(dǎo)航或夾板,。但石膏模型不能顯示內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu),；不能精確復(fù)制及用不同的顏色,、紋理和透明度等來(lái)制作，因此用于模擬牙科手術(shù)并不可靠,。此外,，它們需要專用的存儲(chǔ)空間，而且石膏模型也需要規(guī)范化的銷毀,。

3D打印模型和數(shù)字打印模型可以克服上述局限性,，具有與石膏模型相同的功能：
1、 數(shù)字文件可以方便地復(fù)制,、存儲(chǔ)和電子轉(zhuǎn)換,；
2、根據(jù)3D打印需要,，可以制作成多種顏色,、紋理、透明度和/或適合模擬或消毒的機(jī)械特性的模型,。

使用SLG,、DLP、MJM和PBP制作的3D打印模型與石膏模型的精度相當(dāng),。此外,，這些模型可以在后處理階段染色，或者在制作過(guò)程中加入不同的顏色和/或紋理,，以幫助區(qū)分組織類型（圖4）,。因此，3D打印模型可以作為一種教學(xué)輔助手段,，幫助學(xué)生提高對(duì)牙齒,、牙根、根管形態(tài)的認(rèn)識(shí),，并模擬進(jìn)入髓腔和根管預(yù)備,。復(fù)制的3D打印模型可用于評(píng)估個(gè)別學(xué)生或群體的技能進(jìn)展，以及標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)偏倚技能評(píng)估,。

（二）3D打印導(dǎo)板
當(dāng)根管沒(méi)有明顯縮窄,、鈣化時(shí)，非手術(shù)的牙髓病學(xué)可以相對(duì)容易進(jìn)行,。同樣,，前牙根尖手術(shù)的難度也較低，因?yàn)榍把赖牟∽兛赡芤呀?jīng)穿透了皮質(zhì)骨,，使去骨部位更容易定位,。

對(duì)于根管閉塞（PCO）、發(fā)育異常以及存在并發(fā)癥的病例,，定位根管口和疏通牙根存在一些困難,。由于臨近關(guān)鍵解剖結(jié)構(gòu),、皮質(zhì)骨厚度、牙位,、根尖方向等因素,，也難以準(zhǔn)確定位去骨部位和根尖切除的正確程度。操作者的技能,、經(jīng)驗(yàn)和病人的合作也可能不同,，這些將影響治療的結(jié)果�,；�于類似于種植導(dǎo)航手術(shù)原則的3D打印導(dǎo)航或手術(shù)導(dǎo)航可能有助于克服這些困難,，并對(duì)具有挑戰(zhàn)性的牙體病例進(jìn)行優(yōu)化。

CBCT和種植導(dǎo)航軟件的應(yīng)用支持了3D打印手術(shù)導(dǎo)板在種植導(dǎo)航手術(shù)中的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,。使用植入設(shè)計(jì)軟件，例如coDiagnostiX™和Simplant®牙科設(shè)計(jì)軟件,，將CBCT和數(shù)字化石膏模型掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,，設(shè)計(jì)制作種植導(dǎo)板。

3D打印手術(shù)導(dǎo)板的主要目的是通過(guò)制定虛擬治療計(jì)劃,，精確引導(dǎo)種植體手術(shù)和套筒放置,。因此，3D打印手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的骨骼,、牙齒或粘膜的匹配支持,，并指導(dǎo)種植體的制備和特定定位套筒的放置。套筒包括一個(gè)預(yù)制的圓柱形或一個(gè)用CAD/CAM設(shè)備制造定制的金屬管,。通過(guò)虛擬軟件里的參照物來(lái)選擇校準(zhǔn)鉆,，校準(zhǔn)鉆通過(guò)帶標(biāo)記鉆的套筒準(zhǔn)備成骨，指導(dǎo)鉆孔過(guò)程,。圖5演示了Dentsply Sirona Simplant®導(dǎo)板構(gòu)成

相比粘膜或骨支持的導(dǎo)板,，牙齒支持式的3D打印手術(shù)導(dǎo)板已被證明是種植體精度偏差最小的。穩(wěn)定性,、材料剛度,、套筒或鉆頭的長(zhǎng)度、加工誤差,、操作者和患者因素也會(huì)影響其精度,。因此，要考慮到術(shù)前治療計(jì)劃的任何偏差,，建議2毫米的安全距離以避免損傷關(guān)鍵的解剖結(jié)構(gòu),。

基于導(dǎo)航種植體手術(shù)的設(shè)計(jì)和制作原則的3D打印導(dǎo)板已被用于導(dǎo)航非手術(shù)和根尖外科手術(shù)。

（三）導(dǎo)板用于非手術(shù)牙髓病治療
當(dāng)非手術(shù)根管治療存在明顯的并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)時(shí),，包括側(cè)穿等可能嚴(yán)重影響治療結(jié)果,，3D打印導(dǎo)板可以用來(lái)定位根管,。最近，已經(jīng)有病例報(bào)道,，描述了牙支持式3D打印導(dǎo)航成功定位前牙根管的病例,。在這些報(bào)告中，將CBCT掃描,、口腔內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)或石膏模型的光學(xué)掃描進(jìn)行匹配,，使用種植體設(shè)計(jì)/CAD軟件設(shè)計(jì)虛擬導(dǎo)航方向，選擇深度校準(zhǔn)的種植體鉆/車針,。該導(dǎo)板是包括多顆牙的牙齒支持并且遠(yuǎn)端穩(wěn)定,。采用SLG或MJM制作的3D打印定向?qū)О澹�預(yù)制或CAD/CAM圓柱形金屬管插入套筒,。

使用3D打印的定向?qū)О鍎?chuàng)建精確且微創(chuàng)的開(kāi)髓洞口,，使用深度校準(zhǔn)的種植鉆/車針進(jìn)入根管，能夠獲得良好的治療效果,。此外,，研究還發(fā)現(xiàn)，還能減少操作次數(shù),，避免牙齒結(jié)構(gòu)損傷,，降低側(cè)穿的風(fēng)險(xiǎn)。

此外,，使用單次車針/鉆或兩個(gè)鉆頭確保了鉆磨過(guò)程的準(zhǔn)確性,。Zehnder等人的體外研究表明，使用3D打印定向?qū)О宓拈_(kāi)髓過(guò)程準(zhǔn)確性高于種植體,，因?yàn)橹皇褂昧艘粋�(gè)入口車針或鉆,。雖然設(shè)計(jì)和制造過(guò)程延長(zhǎng)了總治療時(shí)間，增加了費(fèi)用,，而且即使使用深度校準(zhǔn)的鉆/車針仍然可能會(huì)出現(xiàn)牙本質(zhì)裂紋,，但保守的髓腔制備和避免的并發(fā)癥超過(guò)了這些缺點(diǎn)。

因此,，3D打印導(dǎo)板可以幫助安全,、經(jīng)濟(jì)、有效地治療根管系統(tǒng)發(fā)育異常的牙齒,。它們也可用作培訓(xùn)的教具,，特別是研究生，以培養(yǎng)克服這些治療困難的技能,。然而,，有必要進(jìn)一步確定它們的準(zhǔn)確性和與使用深度校準(zhǔn)的鉆/車針有關(guān)牙本質(zhì)裂紋的發(fā)生率及評(píng)估其他治療例如臺(tái)階、器械分離等的臨床可行性,。還要考慮臨床便利性,。表1總結(jié)了這些報(bào)告（見(jiàn)下面幾張圖,，之前我們也學(xué)習(xí)過(guò)這幾篇文獻(xiàn)），圖6演示了非手術(shù)口內(nèi)治療的主要原理,。

（三）手術(shù)牙髓病學(xué)導(dǎo)航

3D打印的手術(shù)導(dǎo)板可適用于有難度的根尖手術(shù),，例如復(fù)雜病例的去骨部位和根尖切除水平。導(dǎo)航下的根尖手術(shù)和其他導(dǎo)航手術(shù)一樣：
1,、都依賴于細(xì)致的治療計(jì)劃,，包括完成3D打印外科導(dǎo)板的設(shè)計(jì)、使用與CBCT和光學(xué)掃描數(shù)據(jù)相匹配的種植體設(shè)計(jì)軟件,；
2,、在治療過(guò)程中，套筒在皮質(zhì)骨上的位置有助于識(shí)別去骨部位,；
3,、用于去骨的深度校準(zhǔn)鉆或壓電器械與套筒保持平行，從而將其尺寸限制在4毫米,。
4,、如有必要，可使用定位鉆在預(yù)定的水平和角度指導(dǎo)根尖切除,。

圖7總結(jié)了通過(guò)導(dǎo)板進(jìn)行根尖外科手術(shù)的一般步驟。

最近,，Strbac等的一個(gè)病例報(bào)告描述了3D打印手術(shù)導(dǎo)板的治療計(jì)劃和應(yīng)用,，該導(dǎo)板對(duì)根尖周病變的上頜骨后牙（第一磨牙和第二前磨牙）進(jìn)行預(yù)設(shè)的截骨和根尖切除。手術(shù)導(dǎo)板也被用于定位超充材料,，以便精確地去除超充材料,，而不穿通上頜竇。根尖周圍病變的愈合在1年后的隨訪中得到了影像學(xué)上的證實(shí),。導(dǎo)航下根尖手術(shù)的潛在好處包括縮短手術(shù)時(shí)間,、提高準(zhǔn)確性和減少術(shù)后不適。

目前還沒(méi)有3D打印導(dǎo)板在牙體根尖外科手術(shù)上的應(yīng)用的其他病例報(bào)告,。（說(shuō)的不大對(duì),，實(shí)際上已經(jīng)有了不少，包括國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)）此外,，由于牙體根尖外科手術(shù)不太常見(jiàn),，需要3D打印的外科導(dǎo)板來(lái)幫助獲取技能經(jīng)驗(yàn)并促進(jìn)復(fù)雜病例的管理。因此,，需要進(jìn)一步研究導(dǎo)航技術(shù)在根尖外科手術(shù)及其在牙科教育中的潛在益處,。

四、操作觸覺(jué)模擬器
（一）基本情況
虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)已被用于培訓(xùn)外科醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生,。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)生成視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)環(huán)境模擬,，并允許通過(guò)特殊的外圍設(shè)備（如觸覺(jué)設(shè)備）進(jìn)行互動(dòng),。

觸覺(jué)裝置與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)、觸覺(jué)模擬器相聯(lián)系,，通過(guò)實(shí)時(shí)的機(jī)器人反饋系統(tǒng)來(lái)刺激感覺(jué),、觸覺(jué)體驗(yàn)，能夠產(chǎn)生振動(dòng)和反饋,。大多數(shù)觸覺(jué)裝置提供6個(gè)空間運(yùn)動(dòng)自由度,，而力反饋提供3個(gè)自由度，所以真實(shí)感有限,。觸覺(jué)設(shè)備以（圖8）:Geomagic® Touch™ and Touch™ X （3D Systems Inc.,， Rock Hill， SC,， USA）,，以前被稱為PHANToM® Omni and PHANToM® Desktop和 Virtuose™ 6D Desktop 為代表，分別Virtuose™6 d桌面（Haption S.A.,， Soulgé-surOuette,， France）。

觸覺(jué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合與三維成像數(shù)據(jù)在牙科領(lǐng)域的結(jié)合,，導(dǎo)致了牙齒觸覺(jué)仿真器的出現(xiàn),，可以創(chuàng)造虛擬口腔解剖，并通過(guò)實(shí)時(shí)的視覺(jué),、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋,，來(lái)模擬牙科治療過(guò)程（3D虛擬設(shè)計(jì)）。因此,，這些設(shè)備主要用于口腔教學(xué)和3D虛擬設(shè)計(jì),。

   觸覺(jué)模擬器的設(shè)備設(shè)置隨著開(kāi)發(fā)階段的不同而變化很大。為了再現(xiàn)真實(shí)感,，大多數(shù)商用設(shè)備都將交互式3D虛擬模擬投射到半透明的鏡子上,，并在鏡子下方安裝一個(gè)觸覺(jué)裝置，以復(fù)制觀察角度,、病人頭部位置和操作者手的方向,。這類設(shè)備還可以配置附件監(jiān)視器來(lái)顯示課件和/或其他帶有虛擬牙科鏡子的觸覺(jué)設(shè)備，以提高對(duì)間接視覺(jué)和雙手操作的適應(yīng),。兩個(gè)典型的觸覺(jué)模擬器Simodont® Dental Trainer 和Voxel-Man system（見(jiàn)圖9和圖10）,。

   （二）在牙髓病學(xué)中的應(yīng)用
根管治療要求術(shù)者具備良好的解剖知識(shí)、正確解讀放射影像和CBCT,、動(dòng)手能力強(qiáng),、有良好的手眼協(xié)調(diào)能力、正確處理根管和手術(shù)器械、熟悉治療過(guò)程中的視覺(jué),、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)反饋,。因此，在牙髓病治療的教學(xué)中,，觸覺(jué)模擬器能夠理想地提供各種非手術(shù)和手術(shù)治療過(guò)程的真實(shí)模擬,。然而，觸覺(jué)模擬器只有在開(kāi)髓進(jìn)入根管,、骨切除和根尖切除方面有商業(yè)應(yīng)用,。包括VirTeaSy Dental （HRV， Laval cedex,， France） 和 Simodont®Dental Trainer 兩家公司,。

  為了測(cè)試兩個(gè)實(shí)驗(yàn)觸覺(jué)模擬器，HVRS和Voxel-Man,，分別將他們用于非手術(shù)和手術(shù)口內(nèi)治療（表2）,。這些研究表明，觸覺(jué)模擬器可以作為一種教學(xué)工具,，用于口內(nèi)治療,，包括髓腔制備、骨切除和根尖切除,。然而,，這些研究參與者較少、帶有主觀性和/或缺乏隨機(jī)對(duì)照,、操作者的熟練程度缺乏一致性,，因此需要更大樣本、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)提高研究的質(zhì)量,。

五,、結(jié)論
隨著3D成像,、3D打印和3D虛擬導(dǎo)航的不斷改進(jìn),，再加上以優(yōu)化治療結(jié)果和改善患者的舒適程度為目的的技能開(kāi)發(fā)需求，使用這些技術(shù)進(jìn)行非手術(shù)和根尖外科手術(shù)的教學(xué)和臨床病例治療帶來(lái)潛在的好處,。

作者： 姚麗萍 盧志山