基于数控机床技术的个性化口腔种植导板的设计制造及其辅助种植手术的可行性研究

摘要

种植义齿（Implant Denture）是由种植体（Implant）和种植体支持的上部结构(Superstructure)组成的特殊修复体。与传统义齿相比，种植义齿一般不伤及邻牙、咀嚼效率高、便于清洁、美学效果好、舒适度高，被称为人类的“第三副牙”，利用种植义齿来代替缺失牙齿或修复缺损颌骨的治疗方案已广泛应用于牙科及整形外科。承载种植体的颌骨解剖结构复杂，且有颏孔、下颌神经管、上颌窦、切牙管等重要解剖位点，种植体的成功植入要求术者对植入位点、植入深度以及种植钉方向做出精确判断，术前设计成为影响成功的关键因素。种植钉的置入方法主要为徒手置钉法(Free-hand Implant)和种植导板辅助置钉法。种植导板辅助置钉法又可根据种植导板的种类分为传统种植导板(ConventionalSurgical Guide)辅助置钉法和计算机辅助设计/计算机辅助加工(Computer AidedDesign/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM)种植导板辅助置钉法。徒手置钉法主要依靠术者的手感和经验;传统导板缺乏颌骨内部信息，精确度不高;CAD/CAM种植导板能够较精确的定位置钉道，从而达到较为理想的手术效果。
　　目前，临床上常规应用的CAD/CAM种植导板多为树脂导板:术前CBCT或CT采集患者颌骨及牙体组织数据进行三维重建，在重建好的三维模型上利用逆向工程(Reverse Engineering，RE)软件提取患者颌骨及牙体组织模型的表面轮廓，结合咬合关系和软组织情况，计算最佳钉道位置，通过CAD技术设计个性化的虚拟种植导板，最后通过快速成型(Rapid Prototyping，RP)设备或数控机床（Computer numerical Control，CNC）制备树脂材料的实体导板。CAD/CAM种植导板的设计考虑到骨组织内部情况，有效的提高了种植体置入的安全性和准确性，而且操作简单，只需掌握设计方法即可，医生学习曲线短。因此，受到中外医学工作者的广泛关注。然而，导板设计制作技术多由国外企业垄断，有的还需将数据发送到国外加工，成本高、运输周期长，不利于临床推广。且树脂材料毒理性质不明、存在热加工冷却后回复变形和消毒方法受限等问题。
　　金属导板可规避以上材料问题。设计种植导板时，既要求与组织面贴合、具有稳定固位，又要避免进入倒凹区、保证容易摘戴，使用快速成型金属设备、四轴与五轴CNC加工均可满足该设计要求。但是，考虑到种植导板为一次性消耗品，快速成型金属设备与五轴CNC设备成本高昂，不利于成品的推广，而四轴CNC设备普及广泛，成本低廉。
　　因此，本研究将综合运用三维重建技术、逆向工程技术、计算机辅助设计技术、CNC加工技术、快速成型加工技术等方法设计、制备个性化CNC种植导板和个性化RP种植导板，并将通过尸体标本置钉实验评价这两种个性化种植导板辅助置钉的精确性。
　　目的：
　　本研究建立运用CNC技术设计制造个性化口腔种植导板的方法;分别用CNC法和RP法制作个性化口腔种植导板，并对其置钉准确性进行对照研究。
　　方法：
　　1 标本预处理及分组
　　所有标本的余留牙均采用自凝树脂填塞牙根与牙槽窝的空隙。
　　标本编号1-20，采用EXCEL软件随机分为两组:一组用于数控机床导板实验，称为数控机床导板组（以下简称CNC组）(n1=10);另一组用于快速成型导板实验，称为快速成型导板组（以下简称RP组）（n2=10）。
　　2 CT数据采集
　　所有下颌骨标本进行CT连续断层扫描。
　　扫描条件:电压120kV，电流200mA，探测器0.6mm，螺距0.8，每转0.5s，扫描层厚5mm，重建层厚0.6mm，矩阵320×320。扫描数据以DICOM格式输出保存。
　　3 个性化导板的设计与制造
　　3.1 个性化种植导板的设计
　　将DICOM格式的下颌骨标本CT扫描数据导入三维重建软件Mimics14.11（Materialise公司，比利时）进行三维模型重建。运用Mimics14.11的MedCAD模块设计直径2.0mm，长度30mm的圆柱体导针模拟种植系统中直径2mm的先锋钻，每具标本设计6枚导针，导针均可任意调节位置和方向。按照种植体与邻牙最小间距2mm、种植体与重要解剖结构最小间距2mm、种植体与相邻种植体最小间距3mm的原则，在双侧颏孔间的下颌体上均匀放置6枚导针，通过测量各导针在冠状、矢状、水平面的位置数据来确保导针位于最佳钉道上。
　　将下颌骨三维重建模型和设计好的导针模型以STL格式导入逆向工程软件Geomagic Studio12（Raindrop Geomagic公司，美国）中，测量导板区下颌体数据，求得导板区下颌体内、外接圆半径。运用UG NX6.0(Siemens PLM Sottware公司，德国)软件设计符合CNC工艺特点的初始导板，以STL格式导入GeomagicStudio12中。在Geomagic Studio12中将初始导板移动到适当位置，使导板下表面与下颌骨拟种植区上表面有3mm以上重叠且不进入倒凹区，导板上下表面与导针长轴垂直，并使导针从导板内部穿过。通过布尔减法运算得出带有导管及下颌骨表面信息的反向模板。将导板模型数据分别以STL格式和IGS格式保存。
　　3.2 制作数控机床种植导板
　　将完成导板模型以IGS格式保存，导入NX UG6.0软件进行工艺设计。在NX UG6.0软件中，根据导向模板结构特点以及本实验所采用的四轴VMC650型机床的加工要求进行导板的工艺设计。拟在70mm×40mm×15mm的坯料上进行加工:第一步，在坯料上进行切削出导板的大体轮廓;第二步，对导板的不规则曲面进行精细加工;第三步，采用直径2mm的麻花钻头钻削出导管;最后对导板进行45度倒角，整个过程只需一次夹持。将工艺设计程序以TXT格式保存并导入VMC650四轴数控机床，将一块70 mm×40mm×15mm钢质坯料装夹在操作台上，按照设计的加工工艺进行切削加工。加工完毕后清洗干净导板待用。
　　3.3 制作快速成型种植导板
　　将以上所得STL格式导板数据导入Materialise Magics V13(Materialise公司，比利时)软件进行虚拟堆积，厚度设定为0.05mm，之后应用RS6000立体光固化成型设备进行快速成型，加工出光敏树脂导板待用。
　　4 尸体标本实验与精确性分析
　　4.1 尸体标本的碳纤维杆模拟置钉实验
　　将制作出的个性化导板根据术前设计卡在下颌骨或余留牙上，术者左手协助固定导板，右手持握种植手机，采用直径2.0mm的先锋钻通过导管进行钻削。钻孔内插入直径2mm，长度30mm的圆柱形碳纤维杆替代钛种植钉。
　　4.2 体外种植导板辅助下模拟置钉的精确性分析
　　全部标本钻孔完成后，用同一台CT在相同参数扫描下颌骨标本。再用相同的三维分割与重建方法构建带有碳纤维杆的颌骨三维模型，以STL格式保存。
　　应用逆向工程软件Geomagic Studio12进行个性化种植导板辅助种植手术精确性分析。将术前、术后的标本三维模型以STL格式导入Geomagic软件。定义术前模型上双侧颏孔的中点为新的坐标原点;双侧颏孔连线所在直线为X轴（冠状轴）;过正中联合中下1/3点与双侧颏孔的平面为水平面，该平面大致位于下颌骨体中部;在水平面上过原点的X轴的垂线为Y轴，过原点的水平面的法线为Z轴;X、Y轴所在平面冠状面，Y、Z轴所在平面为矢状面;将X轴上偏向原点左侧的记录为正值，偏向右侧的记录为负值;将Y轴上偏向原点后侧的记录为正值，偏向前侧的记录为负值;将Z轴上偏向原点上侧的记录为正值，偏向下侧的记录为负值。将术后颌骨模型最佳拟合对齐到术前模型上，复制坐标系到术后颌骨模型。用水平面分别裁剪得到术前设计钉道与术后实际钉道的截面。拟合截面为圆形，记录圆心坐标。
　　结果：
　　1.将标本进行CT扫描，获取高质量影像数据，运用Mimics14.11软件分割、重建出精确的标本三维模型。
　　2.利用Mimics14.11、Geomagic Studio12以及UG NX6.0软件设计出符合CNC工艺特点的虚拟种植导板。
　　3.应用RS6000立体光固化成型设备制造出光敏树脂快速成型种植导板。导板表面连续、光滑、无树脂瘤，有一定强度，无变形。
　　4.应用VMC650四轴数控机床制造出医用不锈钢CNC种植导板。导板表面连续、光滑、无锐利边缘、无金属瘤，强度大，无变形，具有较高的稳定性。
　　5.RP组和CNC组共使用个性化种植导板辅助置入120枚(RP组60枚，CNC组60枚)种植螺钉（碳纤维杆）。下颌骨中部水平面上左右侧的绝对偏差在CNC组为(0.133±0.094) mm，在RP组为（0.689±0.301）mm，差异有统计学意义(P=0.000);下颌骨中部矢状面上前后侧的绝对偏差在CNC组为(0.269±0.159)mm，在RP组为(0.935±0.261)mm，差异有统计学意义(P=0.000)。
　　结论：
　　本研究成功设计虚拟种植导板，并分别采用CNC技术制作医用不锈钢、采用RP技术制作光敏树脂个性化口腔种植导板。在体外标本实验中，与RP种植导板相比，CNC种植导板辅助下颌骨种植具有更高的安全性和的精确性。但导板设计方案有待提高，此项技术的临床应用阶段仍需进一步研究探讨。

目录

摘要

前言

第一章 数控机床种植导板与快速成型种植导板的设计与制作

1 引言

2 材料与方法

3 结果

4 讨论

5 结论

第二章 数控机床种植导板与快速成型种植导板辅助种植的体外实验及精确性分析

1 引言

2 材料与方法

3 结果

4 讨论

5 结论

全文总结

中英文对照缩略词表

参考文献

成果

致谢

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