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深度解析 | 3D图像、3D打印、3D虚拟在牙髓病学中的应用

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作者:姚丽萍 卢志山

近年来,数字技术已经广泛应用于口腔中,如3D打印,已经广泛的应用于并深刻影响了种植、口腔颌面外科、正畸和牙周的临床教学和临床病例的诊疗。通过一些辅助的软件和设备,能够改进教学管理和临床诊疗的各种方法,这些辅助工具包括锥型束计算机断层扫描(CBCT)、3D打印等。
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CBCT通过创建3D图像来评估牙齿与相邻软硬组织的关系。在牙髓病学中,与传统的二维图像相比,CBCT提高了对复杂解剖结构的理解。因此,有利于教学和病例管理,包括制定治疗计划和随访。在全球范围内,CBCT在牙髓病学中的应用正在迅速增加,已经发表了各种指南和方针以帮助临床医生进行病例选择和促进其安全使用。包括美国牙髓病学会(AAE)、美国口腔颌面放射学学会(AAOMR)、欧洲放射防护委员会172号准则、英国教师一般牙科实践CBCT选择标准、欧洲牙髓病学会立场声明(ESE)。
一,背景
3D打印是基于牙体和相关骨骼组织的虚拟(计算机生成的)效果图通过自动化过程生成的模型。自动化过程涉及设备(3D打印机),它利用各种3D打印技术来制作物品。触觉模拟器是一种计算机系统,通过模拟各种治疗过程中可能遇到的挑战,并提供实时的多感官围手术期反馈,对牙齿和骨骼组织进行交互式三维虚拟仿真。3D打印的设计和制作以及触觉模拟器的操作依赖于3D成像、3D虚拟设计和/或3D打印技术之间的数字信息(数据)交换。
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在多篇文献中,CBCT扫描相对于二维放射成像的优势及其在牙髓病学中的应用得到了广泛的综述和讨论。然而,由于3D打印和触觉模拟器的引进相对较晚,在牙髓病学方面发表的文献较少。只有少数病例报告详细描述了3D打印导航的应用、3D打印的实验研究和触觉模拟器的有效性。因此,本文将提供相关文献说明设计和生产3D打印和操作触觉模拟器的技术并讨论3D打印和触觉模拟器系统在牙髓病学中的应用。
鉴于范围广泛,本综述将主要集中在髓腔入口预备和根尖手术方面。

二、3D打印的设计与制作

信息技术的进步,包括廉价/开源软件的使用,使3D成像设备、3D虚拟系统和3D打印机之间的相互操作性得以有效地创建、操作和处理数据,最终用于3D打印的设计和生产。CBCT扫描的三维成像数据以DICOM或专有格式存在。DICOM格式有助于在不同制造商制造的、在不同平台上运行的计算机设备之间传输医学图像和相关数据。
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  3D虚拟导航系统获取CBCT扫描的体积数据(DICOM格式),该系统使用专用软件将数据转换为标准的STL文件格式。3D虚拟设计系统还可以获取以STL格式存在的口腔/石膏模型扫描的三维成像数据。通过对牙冠等解剖标志物的精确比对,使用专用软件将CBCT及相应的口腔/石膏模型STL数据集进行匹配,消除金属修复体引起的条纹和人工空洞。然后用计算机辅助设计(CAD)或种植规划软件对生成的3D图像进行编辑,以创建3D打印的蓝图。最后的设计被数字化切片并导出到3D打印机中进行制作。图1总结了设计和生产3D打印的关键步骤。
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三、3D打印在牙髓病学中的应用
3D打印在正畸,正颌,颅面,口腔颌面手术这些学科的教学和治疗过程中的好处已经被广泛报道。同样,3D打印在牙髓病学应用中也有类似的好处,包括简单、微创、更精确、减少手术时间、改善病人舒适度和促进操作者技能的发展。

复杂的牙体治疗,例如在非手术口内治疗、钙化、牙根纵裂、发育异常,或在口腔内手术、根尖接近重要解剖结构或皮质骨较厚等,都会使病人风险增加、影响治疗效果。这些病例对大多数操作人员来说是具有挑战性的。因此,使用3D打印模型和导板作为学习和治疗的辅助,有能促进提高治疗结果和帮助操作员技能的发展。下面讨论3D打印模型和导航在牙髓学中的应用。

(一)3D打印模型

石膏模型可以用来教育学生和患者,也可以用于记录、评估潜在的操作困难以及制作定制导航或夹板。但石膏模型不能显示内部解剖结构;不能精确复制及用不同的颜色、纹理和透明度等来制作,因此用于模拟牙科手术并不可靠。此外,它们需要专用的存储空间,而且石膏模型也需要规范化的销毁。
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3D打印模型和数字打印模型可以克服上述局限性,具有与石膏模型相同的功能:
1、 数字文件可以方便地复制、存储和电子转换;
2、根据3D打印需要,可以制作成多种颜色、纹理、透明度和/或适合模拟或消毒的机械特性的模型。

使用SLG、DLP、MJM和PBP制作的3D打印模型与石膏模型的精度相当。此外,这些模型可以在后处理阶段染色,或者在制作过程中加入不同的颜色和/或纹理,以帮助区分组织类型(图4)。因此,3D打印模型可以作为一种教学辅助手段,帮助学生提高对牙齿、牙根、根管形态的认识,并模拟进入髓腔和根管预备。复制的3D打印模型可用于评估个别学生或群体的技能进展,以及标准化的无偏倚技能评估。
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(二)3D打印导板
当根管没有明显缩窄、钙化时,非手术的牙髓病学可以相对容易进行。同样,前牙根尖手术的难度也较低,因为前牙的病变可能已经穿透了皮质骨,使去骨部位更容易定位。

对于根管闭塞(PCO)、发育异常以及存在并发症的病例,定位根管口和疏通牙根存在一些困难。由于临近关键解剖结构、皮质骨厚度、牙位、根尖方向等因素,也难以准确定位去骨部位和根尖切除的正确程度。操作者的技能、经验和病人的合作也可能不同,这些将影响治疗的结果。基于类似于种植导航手术原则的3D打印导航或手术导航可能有助于克服这些困难,并对具有挑战性的牙体病例进行优化。

CBCT和种植导航软件的应用支持了3D打印手术导板在种植导航手术中的开发和应用。使用植入设计软件,例如coDiagnostiX™和Simplant®牙科设计软件,将CBCT和数字化石膏模型扫描数据进行匹配,设计制作种植导板。

3D打印手术导板的主要目的是通过制定虚拟治疗计划,精确引导种植体手术和套筒放置。因此,3D打印手术导板的设计应有足够的骨骼、牙齿或粘膜的匹配支持,并指导种植体的制备和特定定位套筒的放置。套筒包括一个预制的圆柱形或一个用CAD/CAM设备制造定制的金属管。通过虚拟软件里的参照物来选择校准钻,校准钻通过带标记钻的套筒准备成骨,指导钻孔过程。图5演示了Dentsply Sirona Simplant®导板构成

相比粘膜或骨支持的导板,牙齿支持式的3D打印手术导板已被证明是种植体精度偏差最小的。稳定性、材料刚度、套筒或钻头的长度、加工误差、操作者和患者因素也会影响其精度。因此,要考虑到术前治疗计划的任何偏差,建议2毫米的安全距离以避免损伤关键的解剖结构。

基于导航种植体手术的设计和制作原则的3D打印导板已被用于导航非手术和根尖外科手术。

(三)导板用于非手术牙髓病治疗
当非手术根管治疗存在明显的并发症风险时,包括侧穿等可能严重影响治疗结果,3D打印导板可以用来定位根管。最近,已经有病例报道,描述了牙支持式3D打印导航成功定位前牙根管的病例。在这些报告中,将CBCT扫描、口腔内解剖结构或石膏模型的光学扫描进行匹配,使用种植体设计/CAD软件设计虚拟导航方向,选择深度校准的种植体钻/车针。该导板是包括多颗牙的牙齿支持并且远端稳定。采用SLG或MJM制作的3D打印定向导板,预制或CAD/CAM圆柱形金属管插入套筒。

使用3D打印的定向导板创建精确且微创的开髓洞口,使用深度校准的种植钻/车针进入根管,能够获得良好的治疗效果。此外,研究还发现,还能减少操作次数,避免牙齿结构损伤,降低侧穿的风险。
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此外,使用单次车针/钻或两个钻头确保了钻磨过程的准确性。Zehnder等人的体外研究表明,使用3D打印定向导板的开髓过程准确性高于种植体,因为只使用了一个入口车针或钻。虽然设计和制造过程延长了总治疗时间,增加了费用,而且即使使用深度校准的钻/车针仍然可能会出现牙本质裂纹,但保守的髓腔制备和避免的并发症超过了这些缺点。

因此,3D打印导板可以帮助安全、经济、有效地治疗根管系统发育异常的牙齿。它们也可用作培训的教具,特别是研究生,以培养克服这些治疗困难的技能。然而,有必要进一步确定它们的准确性和与使用深度校准的钻/车针有关牙本质裂纹的发生率及评估其他治疗例如台阶、器械分离等的临床可行性。还要考虑临床便利性。表1总结了这些报告(见下面几张图,之前我们也学习过这几篇文献),图6演示了非手术口内治疗的主要原理。
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(三)手术牙髓病学导航


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3D打印的手术导板可适用于有难度的根尖手术,例如复杂病例的去骨部位和根尖切除水平。导航下的根尖手术和其他导航手术一样:
1、都依赖于细致的治疗计划,包括完成3D打印外科导板的设计、使用与CBCT和光学扫描数据相匹配的种植体设计软件;
2、在治疗过程中,套筒在皮质骨上的位置有助于识别去骨部位;
3、用于去骨的深度校准钻或压电器械与套筒保持平行,从而将其尺寸限制在4毫米。
4、如有必要,可使用定位钻在预定的水平和角度指导根尖切除。


图7总结了通过导板进行根尖外科手术的一般步骤。
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最近,Strbac等的一个病例报告描述了3D打印手术导板的治疗计划和应用,该导板对根尖周病变的上颌骨后牙(第一磨牙和第二前磨牙)进行预设的截骨和根尖切除。手术导板也被用于定位超充材料,以便精确地去除超充材料,而不穿通上颌窦。根尖周围病变的愈合在1年后的随访中得到了影像学上的证实。导航下根尖手术的潜在好处包括缩短手术时间、提高准确性和减少术后不适。
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目前还没有3D打印导板在牙体根尖外科手术上的应用的其他病例报告。(说的不大对,实际上已经有了不少,包括国内的文献)此外,由于牙体根尖外科手术不太常见,需要3D打印的外科导板来帮助获取技能经验并促进复杂病例的管理。因此,需要进一步研究导航技术在根尖外科手术及其在牙科教育中的潜在益处。

四、操作触觉模拟器
(一)基本情况
虚拟现实仿真系统已被用于培训外科医生和医学生。虚拟现实仿真系统生成视觉和听觉环境模拟,并允许通过特殊的外围设备(如触觉设备)进行互动。
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触觉装置与虚拟现实仿真系统、触觉模拟器相联系,通过实时的机器人反馈系统来刺激感觉、触觉体验,能够产生振动和反馈。大多数触觉装置提供6个空间运动自由度,而力反馈提供3个自由度,所以真实感有限。触觉设备以(图8):Geomagic® Touch™ and Touch™ X (3D Systems Inc., Rock Hill, SC, USA),以前被称为PHANToM® Omni and PHANToM® Desktop和 Virtuose™ 6D Desktop 为代表,分别Virtuose™6 d桌面(Haption S.A., Soulgé-surOuette, France)。

触觉和虚拟现实技术的融合与三维成像数据在牙科领域的结合,导致了牙齿触觉仿真器的出现,可以创造虚拟口腔解剖,并通过实时的视觉、触觉和听觉反馈,来模拟牙科治疗过程(3D虚拟设计)。因此,这些设备主要用于口腔教学和3D虚拟设计。

   触觉模拟器的设备设置随着开发阶段的不同而变化很大。为了再现真实感,大多数商用设备都将交互式3D虚拟模拟投射到半透明的镜子上,并在镜子下方安装一个触觉装置,以复制观察角度、病人头部位置和操作者手的方向。这类设备还可以配置附件监视器来显示课件和/或其他带有虚拟牙科镜子的触觉设备,以提高对间接视觉和双手操作的适应。两个典型的触觉模拟器Simodont® Dental Trainer 和Voxel-Man system(见图9和图10)。
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   (二)在牙髓病学中的应用
根管治疗要求术者具备良好的解剖知识、正确解读放射影像和CBCT、动手能力强、有良好的手眼协调能力、正确处理根管和手术器械、熟悉治疗过程中的视觉、听觉和触觉反馈。因此,在牙髓病治疗的教学中,触觉模拟器能够理想地提供各种非手术和手术治疗过程的真实模拟。然而,触觉模拟器只有在开髓进入根管、骨切除和根尖切除方面有商业应用。包括VirTeaSy Dental (HRV, Laval cedex, France) 和 Simodont®Dental Trainer 两家公司。
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  为了测试两个实验触觉模拟器,HVRS和Voxel-Man,分别将他们用于非手术和手术口内治疗(表2)。这些研究表明,触觉模拟器可以作为一种教学工具,用于口内治疗,包括髓腔制备、骨切除和根尖切除。然而,这些研究参与者较少、带有主观性和/或缺乏随机对照、操作者的熟练程度缺乏一致性,因此需要更大样本、更严谨的实验设计来提高研究的质量。

五、结论
随着3D成像、3D打印和3D虚拟导航的不断改进,再加上以优化治疗结果和改善患者的舒适程度为目的的技能开发需求,使用这些技术进行非手术和根尖外科手术的教学和临床病例治疗带来潜在的好处。
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作者: 姚丽萍 卢志山



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