根尖切除手术导板的计算机辅助设计及三维打印
彭俐1, 王祖华1,, 孙玉春2,, 渠薇3, 韩扬3, 梁宇红1,3
1. 北京大学口腔医学院·口腔医院,牙体牙髓科 国家口腔疾病临床医学研究中心 口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室 口腔数字医学北京市重点实验室,北京 100081;
2. 北京大学口腔医学院·口腔医院口腔医学数字化研究中心,口腔修复教研室,北京 100081;
3. 北京大学国际医院口腔科,北京 102206
摘要

目的: 基于多源数据融合、计算机辅助设计(computer aided design,CAD)和熔融沉积工艺制造(fused deposition modeling,FDM)技术,建立一种根尖切除手术导板的设计制作方法,通过离体模型实验初步评价导板的可行性。方法: 将一颗已完善根管治疗的离体上前牙经光学扫描后,灌入根尖切除手术石膏模型,进行该石膏模型的锥形束CT(cone-beam computed tomography, CBCT)扫描和光学扫描,将各种数据导入Geomagic Studio 2012软件中,利用多源数据融合技术虚拟还原离体牙、牙列、牙槽骨和牙龈的三维位置关系,完成根尖切除手术导板三维设计。运用FDM技术,三维打印聚乳酸(polylactic acid,PLA)材质的根尖切除手术导板。在手术导板引导下于石膏模型上行根尖切除,术后抠除离体上前牙,进行光学扫描。通过测量距离、测量夹角功能来计算根尖切除长度和角度,并与预设切除长度和角度进行对比。结果: 沿预设的牙长轴方向,根尖切除长度为2.88 mm,与预设切除的3 mm相差0.12 mm,根尖切除平面与牙长轴夹角为77.9°,与预设切除的90°相差12.1°。结论: 结合多源数据融合、CAD及FDM技术,成功建立了一种根尖切除手术导板的数字化设计和制作方法,设计路线和制作方法可行,为国产根尖切除手术导板数字化设计专用软件的开发提供了技术和方法的参考。

关键词: 根尖切除术; 多源数据融合; 计算机辅助设计; 打印; 三维
中图分类号:R781.05 文献标志码:A 文章编号:1671-167X(2018)05-0905-06
Computer aided design and three-dimensional printing forapicoectomy guide template
PENG Li1, WANG Zu-hua1,, SUN Yu-chun2,, QU Wei3, HAN Yang3, LIANG Yu-hong1,3
1. Department of Conservative Dentistry and Endodontics, Peking University School and Hospital of Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases & National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology & Beijing Key Laboratory of Digital Stomatology, Beijing 100081, China
2. Center for Digital Dentistry, Department of Prosthodontics, Peking University School and Hospital of Stomatology, Beijing 100081, China
3. Department of Stomatology, Peking University International Hospital, Beijing 102206, China
△ Corresponding author’s e-mail, wangzuhua@pkuss.bjmu.edu.cn, polarshining@163.com
Abstract

Objective: To establish an apicoectomy guide template design and manufacturing method, based on multi-source data fusion, computer aided design (CAD) and fused deposition modeling (FDM). The feasibility of the guide template was preliminary evaluated by the in vitro model experiment.Methods: An extracted upper anterior tooth, after root canal treatment, was optical scanned, after which the extracted upper anterior tooth was poured in an apicoectomy plaster model. Cone-beam computed tomography (CBCT) scanning of the apicoectomy plaster model was performed, after which optical scanning of the plaster model for apical resection surgery was carried out. All of the relevant CBCT and optical scanning data of the extracted upper anterior tooth and the apicoectomy plaster model were introduced into the Geomagic Studio 2012 software. The multi-source data fusion technology was used to virtually simulate the three-dimensional positional relationship of the extracted tooth, the dentition, the alveolar bone and the gingival, based on which, the three-dimensional design of the apicoectomy guide template was completed in the Geomagic Studio 2012 software. With the technology of fused deposition modeling, the apical resection surgical guide template was three-dimensionally printed with the material of polylactic acid (PLA). Under the guidance of the surgical guide template, the root apical resection was performed on the plaster model. After the apicoectomy, the extracted upper anterior tooth was taken off from the apicoectomy plaster model and then was given the optical scanning. The apical resection length and angle were calculated by the function of distance measurement and angle measurement, and the results were compared with the preset values.Results: The length of the apical resection was 2.88 mm along the direction of the long axis of the tooth, which was 0.12 mm lower than the preset 3 mm. The included angle between the apical resection plane and the long axis of the tooth was 77.9°, 12.1° lower than the preset 90°.Conclusion: This study successfully established a digital design and production method of apicoectomy guide template by combing the multi-source data fusion, CAD and FDM technology. The design route and the production method are feasible. The study will provide a technology and methodology reference for the development of domestic special software for the digital design of apicoectomy guide template.

Key words: Apicoectomy; Multi-source data fusion; Computer-aided design; Printing; three-dimensional

近年来, 随着口腔显微镜、配套显微外科器械和生物性能良好的倒充填材料在根尖手术领域中的应用, 手术的成功率明显提高, 可达90%以上[1, 2, 3], 是牙髓治疗体系中的重要方法。

根尖切除是根尖手术的关键步骤, 根据机械原则和生物原则的要求, 现代根尖手术要求根尖切除长度一般为3 mm, 切除平面沿垂直于牙长轴的方向, 倾斜不超过10° , 可以保证在根尖切除充分的前提下最大程度地保存剩余牙体组织, 并且牙本质小管不至于暴露过多, 从而降低发生微渗漏的可能性[4, 5, 6]

手术前拍摄锥形束CT(cone-beam computed tomography, CBCT), 能够对牙根的结构、走形及与标志点的三维关系进行初步的了解与判别, 为术中切除根尖提供参考, 但还是无法通过三维影像直接指导手术操作, 根尖切除的长度及角度仍很难精确确定, 操作存在一定的风险。

目前, 随着数字化技术的发展, 计算机辅助设计(computer aided design, CAD)和三维打印导板在根尖手术的临床应用中已有一些报道, 一定程度上实现了根尖病变区的精准定位、减少了手术创伤、保护了相邻组织结构, 但均未能实现对根尖切除长度和角度的精确控制[7, 8, 9]

本研究基于多源数据融合技术, 利用CAD和熔融沉积工艺制造(fused deposition modeling, FDM)制作出根尖切除手术导板, 在一例体外模型上运用根尖切除手术导板控制根尖切除的长度和角度, 以期为国产根尖切除手术导板数字化设计专用软件的开发提供技术和方法的参考。

1 材料与方法
1.1 实验设备及材料

实验材料主要包括:牙根完整、根管治疗完善的离体上前牙, 牙科模型石膏(Die.Stone, Heraeus Kulzer, 美国), 标准牙颌硅橡胶阴模(上海颐诺医学教学发展实业有限公司), 嵌体蜡(广州市万颖齿科材料有限公司), 聚乳酸打印材料 (Nature Works LLC, 美国), 高速钨钢裂钻(SBT, 德国, 直径1.6 mm), 深度限位器(Nobel Biocare, 瑞典)。

实验仪器主要包括:牙颌模型三维扫描仪(Activity 880, Smartoptics公司, 德国, 精度 0.02 mm), CBCT机(NewTom VGi, QR公司, 意大利, 分辨率0.076 mm, 电压110 kV, 电流0.56 mA), 由北京实诺泰克科技有限公司生产的北京大学口腔医院医学数字化研究中心自主研发的FDM三维打印机(灵通Ⅲ 型)[10], 高速涡轮牙科手机(Pana Max, 日本), 计算机(Intel® CoreTM i5-6200U处理器, 内存 8 GB, 硬盘256 GB, 夏普SHP1447彩色显示器)。

1.2 软件

实验数据处理采用逆向工程软件(Geomagic Studio 2012, Raindrop公司, 美国), 由山东山大华天软件有限公司生产的北京大学口腔医院口腔医学数字化研究中心自主研发的CT三维可视化软件(2016版), 以及由北京实诺泰克科技有限公司生产的北京大学口腔医院口腔医学数字化研究中心自主研发的FDM三维打印机配套切片生成软件(Dental 100)[10]

1.3 样本制取及三维数据获取

对1颗牙根完整的离体上前牙进行根管治疗, 使用牙颌模型三维扫描仪获得离体上前牙的术前光学扫描数据, 以三角网格数据(stereolithography, STL)格式保存, 然后将离体上前牙于阴模中就位, 灌制石膏模型, 抠出牙龈空间, 以嵌体蜡模拟牙龈, 完成上颌根尖切除手术石膏模型的制备。

对上颌根尖切除手术石膏模型进行CBCT扫描(图1), 以医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine, DICOM)格式保存, 对上颌根尖切除手术石膏模型进行三维光学扫描, 以STL格式保存。将石膏模型的CBCT扫描数据导入CT三维可视化软件中, 通过三维重建获得上颌根尖切除手术石膏模型硬组织轮廓和离体上前牙的CT三维重建虚拟模型, 以STL格式保存。

图1 根尖切除手术石膏模型CBCTFigure 1 CBCT of the apicoectomy plaster model
A, coronal plane; B, sagittal plane; C, axial plane (the arrow shows the upper extracted anterior tooth for apicoectomy). CBCT, cone-beam computed tomography.

1.4 根尖切除手术导板的CAD

将硬组织轮廓和离体上前牙的CT三维重建虚拟模型、根尖切除手术石膏模型的光学扫描数据及离体上前牙的光学扫描数据一同调入Geomagic Studio 2012 软件中, 利用多源数据融合技术, 应用最佳拟合配准命令, 将上颌根尖切除手术石膏模型的光学扫描数据配准于硬组织轮廓的CT三维重建虚拟模型上, 将离体上前牙的光学扫描数据配准于离体上前牙的CT三维重建虚拟模型上, 虚拟还原离体牙、牙列、牙槽骨和牙龈的三维位置关系。以上颌根尖切除手术石膏模型的光学扫描数据为基础, 保留包括离体上前牙及其双侧均至少1/2邻牙在内的目标范围, 完成根尖切除手术导板边界的提取。选取一个合适的就位方向, 圈选并删除倒凹区域, 以填补空洞的方式去除上颌根尖切除手术石膏模型的光学扫描数据的倒凹, 获得中间导板, 向外表面进行整体抽壳1.5~2.5 mm, 对应于根尖4 mm的部分, 进一步向外表面加厚4~5 mm, 并采用离体上前牙唇向距牙长轴9~13 mm的冠状面进行截取, 保留内侧面的部分, 封闭截面, 获得根尖切除手术导板的主体部分。沿离体上前牙冠状面的方向, 以离体上前牙距根尖1.4 mm的轴面、距根尖3 mm的轴面、距根尖3 mm轴面远中边缘1 mm的矢状面、距根尖3 mm轴面近中边缘1 mm的矢状面截取根尖切除手术导板的主体部分, 平面填充所截空洞, 获得根尖切除手术导板的切口。运用区域变形命令在根尖切除手术导板内侧切口范围附近形成类球形凸起, 与硬组织轮廓的CT三维重建虚拟模型表面形成点状接触, 支撑起牙龈缝隙, 完成根尖切除手术导板的三维设计数据, 以STL格式保存(图2)。

图2 使用Geomagic Studio 2012软件进行根尖切除手术导板的计算机辅助设计流程Figure 2 Computer aided design process of apicoectomy guide template in Geomagic Studio 2012 software
A, the virtual three-dimensional positional relationship of the upper extracted anterior tooth, the dentition, the alveolar bone, and the gingival: ① the optical scanning data of the apicoectomy plaster model, ② the gingival, ③ the three-dimensional reconstructed CBCT virtual model of the hard tissue contour of apicoectomy plaster model, ④ the optical scanning data and the three-dimensional reconstructed CBCT virtual model of the upper extracted anterior tooth; B, the intermediate apicoectomy guide template, i.e. the optical scanning data of the apicoectomy plaster model after drawing the boundary and filling undercut; C, the intermediate apicoectomy guide template after bodily shell and local upset; D, the guide template body (the blue one), i.e. the intermediate apicoectomy guide template after bodily shell, local upset and cut off by the coronal plane (the green one); E, the guide template body with the guide path: ① the axial plane 1.4 mm from the apex, ② the axial plane 3 mm from the apex, ③ the sagittal plane 1 mm to the distal edge of the axial plane 3 mm from the apex, ④ the sagittal plane 1 mm to the mesial edge of the axial plane 3 mm from the apex; F, the completed apicoectomy guide template (the blue one). CBCT, cone-beam computed tomography.

1.5 根尖切除手术导板三维打印

将根尖切除手术导板设计数据导入Dental 100软件中, 调整打印角度为离体上前牙冠状面与打印平台垂直, 分层精度设定为0.1 mm, 然后导入配套的FDM 三维打印机(灵通Ⅲ 型), 打印聚乳酸材质的根尖切除手术导板。

1.6 导板引导下在石膏模型上行根尖切除

去除上颌根尖切除手术石膏模型上的模拟牙龈, 将根尖切除手术导板于上颌根尖切除手术石膏模型上就位, 依据导板切口判断根尖区的位置, 移除导板, 行骨开窗暴露根尖区, 以模拟临床常见的骨开窗情况将导板再次就位, 深度限位器在高速钨钢裂钻车针上就位, 车针贴于根尖切除手术导板的切口轴壁进行根尖切除, 直至深度限位器下边缘平面能够贴于根尖切除手术导板切口表面平面, 完成根尖切除(图3)。

图3 导板引导下在上颌根尖切除手术石膏模型上行根尖切除Figure 3 The apicectomy on the apicoectomy plaster model under the guidance of the apicoectomy guide template
A, theapicoectomy guide template fit in with the apicoectomy plaster model; B, the depth localizer located in the bur; C, the apicectomy on the apicoectomy plaster model; D, the apicoectomy guide template on the apicoectomy plaster model after surgery; E, the upper extracted anterior tooth after surgery.

1.7 根尖切除长度和角度的术后评估

抠出离体上前牙, 切端固定于牙颌模型三维扫描仪底座上, 获取离体上前牙的术后光学扫描数据, 导入Geomagic Studio 2012软件中, 基于共同区域, 应用最佳拟合配准命令, 将离体上前牙的术前和术后三维光学扫描数据进行配准, 通过测量距离命令来计算沿预设的牙长轴方向的根尖切除长度, 并与预设切除长度(3 mm)进行对比, 通过测量夹角功能来计算根尖切除平面和牙长轴的夹角, 并与预设切除角度(90° )进行对比(图4)。

图4 使用Geomagic Studio 2012软件进行根尖切除长度和角度的术后评估Figure 4 The removal length and angle measured after apicectomy in Geomagic Studio 2012 software
A, the apical resection length (red line); B, the apical resection angle (θ ).

2 结果

本研究利用多源数据融合技术和CAD技术, 通过逆向工程软件Geomagic Studio 2012成功建立了一种根尖切除手术导板的数字化设计方法, 并利用FDM技术成功制作出聚乳酸材质的根尖切除手术导板, 在一例离体上前牙的根尖切除手术石膏模型上初步验证设计路线和制作方法可行:就位方便, 固位性及稳定性良好, 沿预设的牙长轴方向, 根尖切除长度为2.88 mm, 与预设切除的3 mm相差0.12 mm, 根尖切除平面与牙长轴夹角为77.9° , 与预设切除的90° 相差12.1° , 可以满足临床要求。

3 讨论

根尖切除长度和角度的精准控制是根尖手术的难点, 较大的误差会导致牙根切除偏差, 影响感染的控制及牙齿稳定性, 并可能会导致相邻重要结构的破坏, 如邻牙损伤、上颌窦穿孔、神经损伤等。目前, 随着数字化技术的发展, CAD和三维打印导板在根尖手术临床应用已有报道, 但未定量评估其对根尖切除长度和角度的控制[7, 8, 9]

本研究的根尖切除手术导板在数字化设计过程中, 运用空间几何关系进行了根尖切除长度和角度的控制。导板切口为“ 沟槽形” 设计, 轴壁均垂直于离体上前牙牙长轴, 切口宽度和车针直径相等, 为1.6 mm, 切口下壁平面距根尖3 mm, 车针沿“ 沟槽” 切割既能保证根尖切除长度为3 mm, 又能保证垂直于牙长轴切除根尖, 另外, 切口表面为离体上前牙的冠状面, 根尖切除时深度定位器紧贴该面进一步保证了切除平面垂直于牙长轴。与临床上常规依据CBCT三维影像进行粗略判断和引导相比, 根尖切除手术导板的应用使得根尖切除更加直观、可控。

不同于以往有些报道[7, 8, 9]通过国外商品化的种植设计软件(coDiagnostiX和Simplant)或逆向工程软件3-maitc来实现根尖手术导板的设计, 本研究是在通用型逆向工程软件Gemomagic Studio 2012中探索出了一种新的根尖切除手术导板的设计路线, 为国产根尖切除手术导板数字化设计专用软件的开发提供了技术和方法的参考。

本研究中根尖切除手术导板设计的基础为多源数据融合技术, 是将各种不同来源的数据信息进行配准、融合, 获得更加丰富的信息。本研究综合运用了根尖切除手术石膏模型的光学扫描、CBCT扫描及离体上前牙的术前光学扫描, 其中光学扫描采用光学、电学原理以非接触式精确采集物体表面三维信息, CBCT扫描依据物体不同的阻射性反映物体的内部信息, 配准后虚拟还原了离体上前牙、牙槽骨、牙龈的空间位置关系, 是根尖切除手术导板设计的基础。上颌根尖切除手术模型表面光学扫描数据经过边界选取、倒凹填充、抽壳加厚、区域变形等步骤形成导板, 是根尖切除手术导板的直接依据, 保证了导板内表面与牙冠及牙槽骨形态的一致性, 经1例离体上前牙的根尖切除手术石膏模型的试验, 初步验证了该设计方法制作的导板能够实现顺利就位, 且固位性及稳定性良好。

离体上前牙术前、术后的光学扫描保证了评估的可靠性。本研究在根尖切除手术石膏模型上进行根尖切除术, 使得以精度达20 μ m的光学扫描手段评估根尖切除的长度和角度成为可能, 即术后从根尖切除手术石膏模型上抠出离体上前牙, 行光学扫描, 与术前光学扫描数据一同导入Geomagic Studio 2012软件中, 虚拟配准, 依据术前定义的牙长轴进行定量评估, 保证了术前、术后牙长轴的一致性。

本研究中, 牙长轴定义为影像学根尖点与距根尖约3 mm处牙根轴面中心点的连线方向, 具体实现方法为:在Geomagic Studio 2012软件中, 通过创建平面特征按钮建立基本等分根尖3 mm的冠状面和矢状面, 二者的交线即为牙长轴。本研究结果基本满足临床精度要求, 沿预设的牙长轴方向, 根尖切除长度为2.88 mm, 与预设切除的3 mm相差0.12 mm, 根尖切除平面与牙长轴夹角为77.9° , 与预设切除的90° 相差12.1° 。分析数字化设计和制作流程, 可能产生误差的因素主要包括CT扫描和重建误差、光学扫描误差、数据配准误差、三维打印误差、操作误差、根尖切除手术导板材料硬度不足。

CT扫描和重建、光学扫描及数据配准三项的误差为-(0.047± 0.138) mm[11], 是产生较大误差的步骤, 有待进一步的研究控制或验证。本研究所用灵通Ⅲ 型打印机打印的全口义齿PLA蜡型与CAD数据的全表面整体3D偏差分析结果约为0.013 mm[12], 相对于其他来源的误差基本可以忽略不计。操作方面, 主要指导板切口的“ 沟槽形” 设计理论上能够实现对根尖切除长度、角度的精准控制, 但在实际操作时不能完全控制车针的三维摆动, 具体表现为根尖切除具有一定的深度, 车针上方轻微的摆动可以造成下方切割刃处较大的偏差, 影响切割长度和角度, 可通过增加导板厚度减小车针摆动造成的误差。另外, PLA材料的硬度小于高速钨钢裂钻, 操作时一定程度上会磨损导板的切口轴壁, 对根尖切除长度和角度均会带来偏差, 有研究以金属套筒内衬于开髓导板引导轨道轴壁, 术后髓腔通路与术前虚拟设计的髓腔通路之间误差很小, 牙钻末端平均偏差量为 0.12~0.13 mm, 平均角度偏差为1.59° [13]。今后的根尖切除手术导板研究中可以考虑切口轴壁处更换成金属套筒, 以减小车针对PLA导板轴壁的磨损, 减小实验误差。

综上所述, 本研究在根尖切除手术石膏模型上初步实现了根尖切除长度和角度的控制, 降低了根尖手术中根尖切除步骤的技术敏感性, 但仍需进一步控制精度, 尤其是根尖切除角度的精度, 并且通过扩大实验验证导板精度的可重复性。本研究通过通用型逆向工程软件Geomagic Studio 2012成功建立了一种根尖切除手术导板的设计方法, 为国产根尖切除手术导板数字化设计专用软件的开发提供了技术和方法的参考。

(本文编辑:任英慧)

The authors have declared that no competing interests exist.

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