计算机辅助种植外科技术的研究现状及展望

Research Progress and Prospects on Computer-Assisted Implant Surgery

摘要: 随着口腔种植技术的发展，种植体的精准植入逐渐成为口腔种植领域热议的话题。计算机辅助种植(computer-assisted implant surgery, CAIs)技术的出现，从静态导板技术到动态导航技术，再到最近几年兴起的口腔种植机器人，使得种植体的精准植入成为可能。本文就目前存在的三种计算机辅助种植技术在发展分类、操作流程、精度及其影响因素做一综述，并指出了各种技术存在的不足，以期为口腔临床数字化种植的选择提供参考。

Abstract: With the development of oral implant technology, the precise placement of implants is becoming a hot topic of discussion in the field of oral implantology. The emergence of computer-assisted implant surgery (CAIs), from static guides to dynamic navigation, and the rise of dental implant robots in recent years, has made it possible to accurately implant implants. This article reviews the principle classification, workflow, accuracy and its influencing factors of three computer-assisted implant surgery, and points out the shortcomings of each surgery in order to provide reference for the selection of dental clinical digital implant.

1. 引言

种植牙因其优异的美学修复效果和功能恢复，成为牙列缺损和牙列缺失患者的首选修复方式。但是，在传统种植方法(即自由手种植)中，对于种植体安放的三维位置，大部分取决于术者对影像数据及口内条件的正确评估，也就是常说的术者的经验。种植体植入位点的偏差可能导致一系列并发症，如影响美学修复效果、神经麻木、进入上颌窦、下颌下腺窝侧穿等[1] [2]。

随着计算机时代的到来，基于锥形束计算机断层扫描(cone beam computed tomography, CBCT)、口腔扫描技术、增材制造(additive manufacturing, AM)技术，光学导航技术[3] [4]，临床医生可以在术前以修复为导向设计种植体位置，规避重要解剖结构，在术中有物理空间限制或者是计算机精准定位后完成高精度种植。本文旨在阐述静态导板、动态导航，以及口腔种植机器人的分类、工作流程及应用现状，并指出了操作过程中的不足之处，以期为临床计算机辅助种植方式的选择提供依据。

2. 静态导板技术

2.1. 发展历程及分类

1987年Edge根据可摘局部义齿的设计理念，成功制作了第一个口腔种植导板，改变了以往医生仅凭借术前影像学和临床经验的自由手种植方式。传统的外科导板主要包括压膜式和诊断模板式[5]，但是，上述两种方法均不能精确地引导钻针的方向，种植体的植入精度很大程度上还是依靠术者的经验。

1995年，Fortin等人首次将计算机辅助种植引入口腔种植领域，从而衍生出现在常用的数字化口腔种植外科导板技术，即常说的静态导板。它是通过术前获取的CBCT以及口扫数据重建患者的颌骨模型，以修复为导向设计种植体植入位置，然后设计术中所需的导板。术中数字化导板给钻针提供近远中向、颊舌向及垂直向的限制，术中根据术前设计搭配合适的钻针引导器、引导环完成种植窝洞的预备甚至是种植体的植入[6] [7]。

根据导板的支持方式，静态导板可分为：

• 牙支持式导板：通过口内余留牙支持，若口内余留牙出现松动或数量过少，建议增加支持牙数目或者增加额外的固位装置；

• 骨支持式导板：通过术区牙槽骨支持，需要在翻瓣后进行；

• 黏膜支持式导板：通过口腔内黏膜进行支持，黏膜的可让性会影响种植精度，因此往往需要采用辅助固位装置，如固位钉；

• 混合支持式导板：上述三种支持方式搭配使用，以提高导板在患者口内的固位及稳定。

根据引导方式，静态导板可分为：

• 全程引导导板：种植窝洞的预备及种植体的植入均由导板引导；

• 半程引导导板：只限于先锋钻或至某一级扩孔钻在导板下操作，其余扩孔步骤及种植体植入均是自由手操作。

2.2. 操作流程

静态导板是基于CBCT扫描获取患者的颌骨硬组织信息，存为DICOM格式软件；再根据石膏模型仓扫或口内扫描获取咬合关系及软组织信息，存为STL格式文件。然后将上述两种文件导入计算机设计软件并完成配准工作，得到一个反映患者口内软硬组织情况的三维重建模型。在此基础上完成窝洞预备、种植体植入以及静态导板的设计，对于固位效果欠佳的患者，需要设计支抗钉的位置。将上述数据存储为STL格式，通过增材制造(AM)技术得到种植导板。术中先检查试戴导板，确认导板就位、固位、稳定性良好后，方可按照设计进行种植外科操作[8]。对于无牙颌患者，可以采取双CT扫描法获取患者的黏膜和颌骨信息[9]。所谓双CT扫描，就是患者一次拍摄佩戴放射导板的CBCT，一次拍摄放射导板单独的CBCT，两者相减，就可以得到患者的黏膜信息[3]。常见的导板设计系统有：丹麦的3Shape系统、瑞士的NobelGuide系统、Straumann coDiagnostiX系统、比利时的Simplant系统、以色列的Image-guided implantology (IGI)系统、德国的Implant3D系统等[10] [11]。具体操作流程如图1所示。

Figure 1. The workflow of static guide operation

图1. 静态导板手术操作流程图

2.3. 精度及影响因素

大量研究表明，与传统自由手种植相比，导板的应用可以提高种植精度[12] [13]，并且减少术中并发症的发生。Tahmaseb等人[14]对20例临床研究，总共471名患者，共植入了2238枚种植体进行meta分析显示：平均入口、出口和角度偏差分别为1.2 mm (1.04~1.44 mm)，1.4 mm (1.28~1.58 mm)，3.5˚ (3.0˚~3.96˚)。无牙颌和牙列部分缺失病例在精度上有显著差异。Cassetta等人[15]在一项临床随机对照试验中证实了临床医生的经验对静态导板辅助下种植的精度影响不大，但是会影响钻针的定位误差。Carosi等人[16]系统地回顾了2010年至2021年利用黏膜支持式种植导板进行无牙颌全颌种植的精度分析文献，结果显示在277名无牙颌患者中，种植体的平均角度误差、平台误差和根尖误差分别为3.42˚ (95% CI 2.82˚ ~4.03˚)，1.23 mm (95% CI 0.97~1.49 mm)，1.46 mm (95% CI 1.17~1.74 mm)。对于上述误差来源，可归为以下因素[3] [7] [8]：1) 数据获取误差：包括拍摄CBCT时和口腔扫描时存在的误差，佩戴放射导板拍摄CBCT时导板未完全就位而产生的误差；2) 数据融合误差：软硬组织融合时产生的误差；3) 设计产生的误差：设计软件本身存在一定的误差，阈值选择不当会干扰设计的准确性等；4) 导板打印产生的误差；不同的3D打印机、导板后处理工艺均会对精度产生影响；5) 手术过程中产生的误差：包括导板的支持方式，医生的操作是否规范等。但是，研究表明临床医生的经验并不会对种植精度产生明显的影响[15]。

2.4. 优缺点

静态导板为钻针提供了一个物理限制，对于种植初学者来说，无疑是提高种植精度的好方法。精准的设计可以帮助种植体定位、定向、定深，减少手术并发症，并且可以通过不翻瓣实现微创种植[8]。但是，静态导板是通过术前3D打印预制的，其强度与设计及使用的材料有关，若术中出现导板折裂，则手术只能择期进行或者改用自由手种植。此外，术中不能随意更改设计，由于导板存在一定的厚度，限制了其在后牙区的使用，冷却水的冷却效果也受到影响[17] [18]。

3. 动态导航技术

3.1. 发展历程及分类

手术导航系统最初是用于神经外科手术，因为其能避开重要解剖结构，提高手术安全性，减小手术创伤。2000年，手术导航系统首次被引入口腔种植领域，利用CBCT在软件上进行种植体位置的术前规划，术中可以实现追踪钻针和患者颌骨的位置信息，可视化操作流程，但是因其庞大的导航仪体积及复杂的操作界面而限制了其在临床上的应用[19]。随着科技的发展，动态导航系统经过改良，朝着便携化、简易化等方面发展，临床应用逐渐普及化[20]，目前临床上应用的导航系统主要有易植美、X-Guide、Navident等。

穿颧种植是一种用于解决上颌骨量不足的种植技术，通过双侧后牙区各植入一枚穿颧种植体，前牙区段植入2~4枚种植体后，通过一段式修复上颌牙列[21]-[23]。对于前牙区骨量存在不足的患者，Bothur等学者[24]提出单侧颧骨植入多枚种植体的可行性[25]。但是，其出现并发症的风险也较大，动态导航技术通过术前规划，规避植入路径上重要解剖结构，便可提高手术的精准性和安全性[26]。

根据光学感知类型，种植导航系统可以分为可见光导航和不可见光导航，可见光导航容易受外界光线影响，不可见光导航多采用红外线摄像传感器，具有图像清晰、可视范围广泛、精准度高、抗干扰能力强等特点。根据光源位置，种植导航系统可分为主动式导航和被动式导航，主动式导航系统的导航仪通过接收位于手机及颌骨定位装置上发出的光源来获知其位置；而被动式导航通过导航仪发射光源，被手机及颌骨定位装置反射后，再被导航仪接收，其可视角相对缩小[27]。

3.2. 操作流程

动态导航系统工作流程主要包括[28] [29]：1) 术前数据获取与设计：患者佩戴配准装置拍摄CBCT，然后将数据导入软件中以修复为导向进行种植体位置规划(对于多颗牙缺失或无牙颌患者，往往需要进行诊断性排牙通过仓扫或双CT法获取未来修复体信息)；2) 标定和配准：颌骨定位装置与患者牙列或颌骨稳固连接，通过标定颌骨定位装置和手机定位装置后，导航仪可以识别患者颌骨和手机的空间位置信息。患者口内的标志点与CBCT影像标志点配准，可将真实的口腔三维信息与数字化的三维信息进行配准。3) 手术实施：临床医生通过显示器上种植手机的三维位置信息随时调整手机的位置，完成种植手术。4) 术后精度分析：术后患者佩戴配准装置拍摄CBCT，导入软件，分析实际植入位置与设计植入位置的偏差。图2展示的是易植美®导航系统的操作流程。

Figure 2. The workflow of dynamic navigation system

图2. 动态导航系统操作流程图

3.3. 种植精度及影响因素

Kivovics等人[30]的研究中显示动态导航系统在精准度上与静态导板无显著差异，且两者均优于自由手。Yimarj等人[31]通过一项临床随机对照试验证实通过静态导板和动态导航分别植入的两枚种植体具有相似的平行度。但是，一项系统综述纳入了24篇文章使用了9种不同的动态导航系统，平均角度偏差和三维偏差分别为3.68˚ (95% CI 3.61˚~3.74˚)和1.03 mm (95% CI 1.01~1.04 mm)；体外实验显示出更低的偏差，分别为2.01˚ (95% CI 1.95˚~2.07˚)和0.46 mm (95% CI 0.44~0.48 mm)。不同导航系统之间在精准度上没有显著差异，且这些系统的精准度均优于静态导板[32]。研究表明，术者的种植经验对精准度并不会产生显著影响，通过长时间学习的实习医生亦可获得高精度种植[33] [34]。导航产生的误差可能来源于[8] [28]：1) 数据获取的误差即拍摄CBCT和口扫时产生的误差；2) 数据转移即配准过程产生的误差，其中骨内放置标志物被认为是配准的金标准。3) 系统误差：设计软件本身、视觉系统存在的误差；4) 术者的临床经验也是重要的影响因素，因为有种植经验的牙医学习效率更高，学习曲线更短[35]。

3.4. 优缺点

导航可以使术者的备洞和种植操作可视化，增加术中安全性，相较于静态导板，其术中可以随时更改方案，灵活性较大，也不会因患者张口度而限制其在后牙区的使用[36]。其术前准备也相对简单，术前只需拍摄CBCT并完成手术方案规划，当天即可完成手术。但是，临床医生在操作过程中需要频繁地在术区和显示屏做视野转换，其学习曲线较长[33]-[35]。

4. 口腔种植机器人

4.1. 发展历程及分类

2017年，美国Neocis公司的Yomi成为了首个商用口腔种植机器人，并在患者口内取得了喜人的种植精度，从此，口腔种植机器人在计算机辅助种植领域占据越来越重要的地位[37]-[39]。根据感知类型，种植机器人可以分为物理感知型和光学感知型，物理感知型通过触觉反馈获取患者的颌骨位置信息，并据此调整机械臂，从而控制种植体的植入位点、角度和深度。根据控制方式，种植机器人可分为被动式和自主式[40] [41]。

Yomi机器人就是典型的物理感知型、被动式机器人，根据术前的规划限制钻针的位点和轴向，由术者操控种植手机进行钻孔和种植体植入。但是，在手术过程中，坐标测量机(coordinate measurement machine, CMM)始终与患者口内的固定支架相连，这造成了术者操作空间的受限[42] [43]。

瑞医博是一款可见光学感知型种植机器人，作为一款任务自主式机器人，它通过可见光识别佩戴于口内的预制的可见光定位标志物，建立光学跟踪定位仪、机器人及患者之间的准确位置关系，术中实现实时光学跟踪、随动和自动种植[44] [45]。

2013年，赵铱民院士开始致力于口腔种植机器人的研发，并成功研发了一款自主式口腔种植机器人——雅客智慧[46] [47]，它是基于光学导航系统的，通过红外视觉系统获取患者颌骨和机械臂的位置信息，根据录制的进出口路径，可以实现机器人的全自动备洞以及种植体植入，术者在手术过程中只需要更换钻针和监测术区，解放了医生的双手。

4.2. 操作流程

对于不同厂商的口腔种植机器人，其操作有些许的不同，但基本如下：通过术前CBCT数据规划种植体的三维位置及植入步骤，术中患者口内佩戴反映患者颌骨位置信息的患者标志物，视觉系统通过注册标记等过程，将机械臂空间坐标，患者颌骨位置坐标，虚拟种植体位置融合到同一坐标系中。术中小屏幕操控者通过操控小屏幕控制手术进程，术者通过控制脚踏来实现备洞和种植等操作。图3展示的是雅客智慧口腔种植机器人的详细操作流程。

Figure 3. The workflow of dental implant robot

图3. 口腔种植机器人操作流程

4.3. 种植精度及影响因素

2016年，赵铱民院士团队[46]在动物体内的研究表明机器人种植的精准度显著优于静态导板种植，其种植体颈部偏差(0.269 ± 0.152) mm、根部偏差为(0.254 ± 0.218) mm、角度偏差为(0.989˚ ± 0.517˚)。徐淑兰教授团队[44]在终末期牙列患者完成了种植机器人辅助下即刻种植修复，其种植体颈部偏差(0.59 ± 0.24) mm、根部偏差为(0.61 ± 0.23) mm、角度偏差为(0.89˚ ± 0.38˚)。吴轶群教授团队研发了一款人机协同机器人(HRS-DIS)，在一项口外对比实验中，结果显示HRS-DIS比动态导航系统具有更小的入口、出口和角度偏差[48]。对于种植机器人的误差来源，其可能与以下几个过程有关：1) 数据获取[49] [50]：CBCT、口扫产生的误差；2) 数据配准误差；3) 注册标定过程中的误差；4) 机械臂的误差：一般来说，机械臂自由度越高，其灵活度越好，但是也越难操控，目前国内机器人普遍采用UR5机械臂[51]；5) 视觉系统的误差[52]；6) 操作过程中反映患者和机械臂的定位标志物出现轻微的移位便可产生较大的误差。

4.4. 优缺点

口腔种植机器人可以完美地规避静态导板和导航系统的缺点，可以在高度自动化程度下实现高精度种植，最大限度地降低了人为因素的干扰和误差。与静态导板相比，它可以在术中随时调整方案，不影响术中冷却水的进入，受患者开口度的影响也较小。与动态导航技术相比，口腔种植机器人学习曲线相对较短，设置的力反馈、随动系统和急停装置可以有效地保证手术安全。

但是，机器人的手术准备时间较长[46]，已有研究表明口腔种植机器人的术前准备时间为3~23 min，平均8 min [53]，略长于导板组，主要源于机器人注册标定过程。进出口路径的录制虽然使得智能化水平提高，但是，机器人自动进入患者口腔的耗时过长，进出口过程容易受到口内余留牙的阻挡。因此，在保证高精度、微创种植的前提下，应尽量简化术前准备流程，从而实现高效种植。机器人占据空间大，往往需要占据术者和助手位置。此外，在复杂牙槽骨条件下，缺乏力伺服功能，即在骨密度不均匀的情况下，机器人不能具备医生的手感，不能通过向高密度侧施加力的方式来调整因骨密度不均匀而出现种植手机抖动的情况。目前，口腔种植机器人的普及率还比较低，患者的接受程度也较低[40] [41]。

5. 总结与展望

计算机时代的到来使得种植体植入操作变得可视化、精准化、微创化、智能化，在降低手术并发症的同时，为患者提供了满意的修复效果。对于不同技术存在的缺点，临床医生在使用过程中要注意规避，进一步研究提高精准度的方法。目前对于计算机辅助种植的研究主要集中在静态导板技术和动态导航技术的精准度上，对于口腔种植机器人的研究多为回顾性研究，未来需要更多的临床随机对照试验来验证其精准度。

NOTES

^*通讯作者。