【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)�；瘧�用的3D打印技術的醫(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打印技術又叫“增材制造技術”，起源于快速成型技術[1]。在20世紀80年代，伴隨著增材制造（AM）即逐層構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，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，從醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)導出的人體解剖結(jié)構的計算機模型，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。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。但在口腔種植手術中，如何確保種植體植入至理想位置，降低手術風險和并發(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種植手術不能破壞重要的解剖結(jié)構；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，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)的口腔種植技術術前僅拍攝X光片，無法顯示種植區(qū)域的三維結(jié)構。這樣二維平面圖像表達的信息有限，醫(yī)生獲得的術前信息不夠完整，常造成術中不確定因素增多、手術時間延長、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（CT）[5]的出現(xiàn)，醫(yī)生可以借助CT影像，在術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)構和形態(tài)，使臨床醫(yī)生可以術前對重要解剖結(jié)構進行分析、對骨量及骨的三維結(jié)構進行評估(圖2)。但是，在種植手術的實際操作中，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)構的損傷。

圖2　　三維CT影像顯示各個解剖結(jié)構

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)字化口腔技術日臻成熟，使得術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)字化方法進行術前規(guī)劃，通過CT的掃描圖像對骨量及骨的結(jié)構進行評估，利用計算機輔助設計軟件進行術前的虛擬設計，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，手術風險大大降低，在臨床上受到廣泛歡迎。

口腔種植手術數(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)的個性化手術輔助工具（圖3）。它可以幫助臨床醫(yī)生在手術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。
　　
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)生可減少手術時間和術后反應，不須翻瓣種植手術。

（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，出現(xiàn)嚴重的術中術后并發(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)構尤其重要。

臨床實踐證明，種植手術成功的關鍵不僅在于術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，即將設計好的手術方案精確地轉(zhuǎn)移到臨床手術中來，保證種植體植入的位點、方向及角度等與術前方案一致，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，且操作手術時間延長，無法實現(xiàn)術前設計和以修復體設計為導向的最佳植入位置，技術尚不成熟，并非目前國際上主流技術。而數(shù)字化種植導板技術可以在術前根據(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)構和病變區(qū)域，或充分利用患者特有的結(jié)構優(yōu)勢，將手術風險降到最小，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創(chuàng)傷和風險，同時減少了手術耗時，實現(xiàn)了術前修復設計計劃，提高治療效率和質(zhì)量，增強了醫(yī)生對手術的把控，使復雜手術簡單化。

常用的傳統(tǒng)壓膜式手術導板，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)生的技術和經(jīng)驗。

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

①可以將術前制定的方案準確地轉(zhuǎn)移到臨床手術上，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的風險，避免重要的解剖結(jié)構的損傷。
②可以充分利用余留骨量，減少甚至避免了附加手術，最大限度減少了手術創(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，減輕了患者痛苦。
④數(shù)字化3D打印的種植導板使得術前種植設計方案得以精準轉(zhuǎn)移，術前可根據(jù)方案制備臨時修復義齒，使術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手術前可以利用三維信息，向患者直觀展示手術方案和術后效果，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過程中，精度和準確度欠佳，手術仍主要依靠臨床醫(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，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CT在口腔頜面外科領域獲得應用，并開始使用該技術評估種植術區(qū)的骨質(zhì)、骨量，制訂種植手術計劃。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)成為口腔種植術前檢查的常規(guī)手段。

圖7錐形束CT掃描機

3D打印技術是一種增材制造技術，它集成了機械工程、CAD/CAM[21]、數(shù)控技術、激光技術及材料技術等領域的成果，是20世紀制造技術領域的一次重大突破。3D打印技術用于醫(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CBCT及快速成型技術的不斷進步，數(shù)字化種植技術得以產(chǎn)生和發(fā)展，其中以數(shù)字化種植外科導板技術的發(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，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、手術和修復的精度，減少創(chuàng)傷和手術時間，將術前設計精確地轉(zhuǎn)移至患者口內(nèi)。

隨著3D打印技術的發(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時間大大縮短，風險大大降低，手術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中成功完成，盡管這種技術可以擴展，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打印工程技術研究中心