2019-07-22 23:02:42 热度:

锥形束CT及种植导板设计软件的临床应用

口腔医学的发展经历了漫长的时光,但口腔种植却仿佛在一夜之间驶进了时空的快速通道,这一切源于锥形束CT(CBCT)的出现,随着CBCT设备的广泛普及,相应的各类第三方种植辅助设计软件也孕育而生,现阶段CBCT搭配这些软件的应用显著提高了种植体植入的准确性、减小了手术风险、缩短了手术时间,提高了医师的工作效率。本期《今日口腔》将与大家共同分享由王虎教授和欧国敏教授主编,人民卫生出版社出版的《口腔种植影像学》一书中锥形束CT及种植导板设计软件在种植治疗中的临床应用,希望对各位医生有所帮助。

 

CBCT数据的导入

 

 

目前利用CBCT和计算机软件进行辅助种植手术主要包括以下步骤:①CBCT数据的导入、图像分割及图像融合;②第三方软件进行种植体位置设计;③种植导板的制作;④种植导板的快速成型制造;⑤种植导板临床应用。

各大品牌的CBCT都配有自己的影像数据处理软件,但多数软件功能有限仅具备一些基本的三维重建、测量和数据存储转换等功能,对于一些复杂的三维设计需要依托其他第三方软件进行处理。将CBCT数据与第三方软件之间进行传输就需要将CBCT的影像资料转换成软件能识别的特定格式——DICOM(digitalimagingandcommunicationsinmedicine)格式。DICOM格式是由美国放射学会(AmericanCollegeofRadiology,ACR)和美国电器制造商协会(NationalElectricalManufacturersAssociation,NEMA)组织制定的专门用于医学图像的存储和传输的标准名称。经过10多年的发展,该标准已经被医疗设备生产商和医疗界广泛接受,在医疗仪器(CBCT、CT、MRI)得到普及和应用,在医疗信息系统数字网络化中起重要的作用。每次CBCT扫描后的DICOM数据由几十个到几百个文件组成(视扫描时选择的空间分辨率等参数而定),扫描精度越高文件数量越多,一次扫描的数据一般需要几百兆字节(MByte)的磁盘存储空间(图1),要处理这些大容量的数据也对计算机硬件有较高的配置要求。

 

图1每次扫描的DICOM数据由几百个文件组成,数据量较大

 

CBCT图像分割

 

将DICOM数据导入第三方软件后可以显示出三个方向上的断面图像(图2),而断面图像无法给操作者提供直观的空间感受,所以需要对图像进行三维重建(3D-reconstruction)。而进行三维重建前首先需要选择一个适当的重建阈值(即CT值)以便对不同密度的图像进行分割。这一阈值的大小对应的CBCT数据的灰度值,灰度值大的组织(偏白)对应的阈值较大,即密度较高;灰度值小的组织(偏黑)对应的阈值较小,即密度较低。对于种植手术来说,需要三维重建的组织为密度较高的硬组织(牙槽骨、牙齿),故在阈值选择时可适当选择高阈值范围进行重建以便分割掉软组织的图像。由于CT值计算依据的是X射线在不同组织间的衰减系数,这与CBCT所采用的管电压(tubevoltage)有关,而目前各品牌CBCT间所采用的管电压相差较大,因此同一种组织的CT值在不同CBCT扫描下会有较大的变化。由于目前并无统一的CBCT各组织的阈值标准,所以在对CBCT图像进行三维重建时需要依据图像的具体表现进行手动调节来选择适当的重建阈值。

 

 

图2DICOM数据导入Simplant软件后在三个视窗内显示各个方向上的断面图像

 

CBCT图像融合

 

在选定好合适的阈值后可对所选区域进行三维重建,三维重建后的模型会显示在软件的三维视窗内,操作者可对其进行各方向的旋转观察(图3)。

 

图3在Simplant软件内选择适合的阈值范围对牙齿及颌骨进行三维重建

 

CBCT扫描空间分辨率一般为0.076~0.4mm,扫描视野(fieldofview)越小可选择的空间分辨率(voxelsize)越高,而相应扫描时间及辐射剂量越大。一般满足种植体导板设计需要选择中等大小的扫描视野(即一次扫描可拍摄上、下牙列及颌骨),在该视野下的扫描精度一般在0.2~0.4mm。但在这一精度下扫描的牙列图像较为模糊(图4),同时牙釉质伪影、金属修复体等伪影会对图像有较大的影响,无法用于后期的导板设计,所以需要采用精度更高的激光扫描(laserscan)的牙列图像来替代CBCT扫描的牙列图像。激光扫描仪可以直接对印模或者石膏进行快速扫描,扫描时间一般在几十秒内,精度可达到0.02mm,此外也可以采用口内扫描(intraoralscan)直接对患者在椅旁进行口内扫描来获取牙列模型。激光扫描或口内扫描的牙列模型可以直接以STL格式的文件导出存盘,然后再输入第三方种植体导板设计软件进行模型拼接,即图像融合,用精度较高的模型数据替代精度低的模型数据。

 

图4CBCT扫描重建的牙列图像精度较差

 

激光扫描的牙列模型和CBCT扫描的模型进行图像融合(imagefusion)有两种常用方法:第一种是通过设置X线阻射的标志点进行图像融合(图5);另一种是直接依据牙列上的相同解剖标志点进行图像融合(图6)。第1种方法由于操作较为烦琐,但精度较高不会受到牙列上金属伪影的影响;第二种方法操作简便,但会受到金属等修复体伪影的干扰,影响拼接精度。

 

图5通过设置X线阻射的标志点进行图像融合

图6依据牙列上的相同解剖标志点将CBCT牙列模型与激光扫描牙列模型进行融合,用激光扫描的牙列替换CBCT的牙列

 

第三方软件设计种植体位置

 

在选择种植体前,需要对植入部位的骨量及重要解剖结构进行分析。对于上颌后牙区种植体的选择,可以在CBCT的断面图像测量出牙槽嵴顶到上颌窦底的距离(图7),以此来选择合适长度的种植体。此外,在软件内还可以测定种植体植入区域牙槽骨的阈值,此值可以在一定程度上反映植入区域骨的密度(图8)。但由于CBCT与螺旋CT不同,各品牌CBCT间管电压不统一,该阈值所反映的骨密度无法在不同品牌CBCT间进行比较,同品牌的CBCT扫描的结果也只能做一定的参考。对于下颌后牙区种植钉的选择,首先需标记出下颌神经管的走向。由于神经组织密度较低,在CBCT图像上表现出低密度影像,可以在各个连续断层图像上选出神经管的影像,然后经过三维重建可以在颌骨里标记出下颌神经管的走向(图9)。标记完神经管的位置后,可以选择合适长度的种植体并调整种植体的方向以避开神经管(图10)。在Simplant软件内包括各大种植体品牌的各种型号的种植体,并标注了种植体的直径及长度,医师可以根据需要选择合适的种植体进行模拟植入。

 

图7在CBCT的断面图像上测量出牙槽嵴顶到上颌窦底的距离

 

图8在CBCT的断面图像上测定种植体植入区域牙槽骨的阈值

 

图9在Simplant软件内标记出下颌神经管的走向

 

图10在Simplant软件内选择合适长度的种植体并调整种植体的方向和位置以避开下颌神经管

 

种植导板的制作

 

在完成种植体位置的设计后,软件可直接形成一个覆盖在牙列上的虚拟导板(图11),在需要植入种植体的部位预留有植入的空洞(图12)。

 

图11Simplant软件直接形成一个覆盖在牙列上的虚拟导板

 

图12导板在需要植入种植体的部位预留有植入的空洞

 

种植导板的快速成型制造度

 

将设计好的种植体导板同样以STL格式导入三维打印控制软件内,三维打印机可直接进行逐层打印,形成导板的实体,打印精度可以达到0.02mm(图13)。

 

图13种植导板三维打印制作

临床应用锥形束CT种植导板设计软件

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