3D打印个性化钛网应用于引导骨再生术的精度研究.pdf
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1、基金 项 目 辽 宁 省 医 工 联 合 创 新 基 金(编 号:DMU-1&D I C P UN 2 0 2 2 1 0)国家自然科学基金面上项目(编号:1 1 8 7 2 1 3 5,1 2 0 7 2 0 5 5)北京市自然科学基金(编号:L 2 1 2 0 6 3)作者简介 程熠(1 9 9 6),女,河南新乡人,硕士在读,研究方向:口腔颌面外科学,口腔种植学。*通信作者 黄海涛,E-m a i l:h h t 9 4 5h o t m a i l.c o m3 D打印个性化钛网应用于引导骨再生术的精度研究程熠1 陈岗1 赵鹏宇1 赵楠1 王超2 陈丹2 黄海涛1*1.大连医科大学附属
2、第一医院 1 1 6 0 0 0;2.北京航空航天大学 生物与医学工程学院 医学科学与工程学院 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 目的:研究3 D打印个性化钛网(3 D p r i n t i n g i n d i v i d u a l i z e d t i t a n i u m m e s h)在牙槽骨引导骨再生手术过程中的植入精度。方法:将9例因严重牙槽骨缺损而使用3 D打印个性化钛网作为支架材料进行引导骨再生术(g u i d e d b o n e r e g e n e r a t i o n,G B R)患者的术后即刻和术后69个月的C B C T数据进行三维重建,将实际
3、钛网与术前设计钛网模型进行数字化拟合,比较钛网整体偏差及形变角度。结果:G B R术后即刻钛网与术前设计钛网之间平均偏差为(0.7 60.2 3)mm;术后69个月钛网与术前设计钛网之间平均偏差为(0.7 10.1 9)mm;术后69个月钛网与术后即刻钛网之间平均偏差为(0.3 50.1 1)mm。最大偏差值出现在术后即刻钛网与术前设计钛网之间,为3.5 0 mm。钛网形变角度结果显示,与术前设计相比,G B R术后即刻钛网的形变角度最大为2 1.4 9,最小为0,平均为(9.9 28.7 2)。钛网形变角度与平均偏差相关性分析结果显示,钛网形变角度越大,其与设计钛网产生的偏差越大。结论:3
4、D打印个性化钛网应用于牙槽骨引导骨再生术,钛网实际位置及形态较术前设计存在偏差,需要进一步研究提高3 D打印个性化钛网在G B R中的植入精度。关键词 3 D打印个性化钛网;引导骨再生;精度;数字化 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 17 6 5 1(2 0 2 3)1 00 8 8 00 6d o i 1 0.1 3 7 0 1/j.c n k i.k q y x y j.2 0 2 3.1 0.0 0 6R e s e a r c h o n I m p l a n t a t i o n A c c u r a c y o f 3 D P r i n t i n g I n d i
5、v i d u a l i z e d T i t a n i u m M e s h i n G u i d e d B o n e R e g e n e r a t i o n.CHENG Y i1,CHEN G a n g1,ZHA O P e n g y u1,ZHA O N a n1,WANG C h a o2,CHEN D a n2,HU ANG H a i-t a o1*.1.T h e F i r s t A f f i l i a t e d H o s p i t a l o f D a l i a n M e d i c a l U n i v e r s i t y,
6、D a l i a n 1 1 6 0 0 0,C h i n a;2.S c h o o l o f B i o-l o g i c a l S c i e n c e a n d M e d i c a l E n g i n e e r i n g,B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a.A b s t r a c t O b j e c t i v e:T o i n v e
7、s t i g a t e t h e a c c u r a c y o f t h r e e d i m e n s i o n a l p r i n t i n g i n d i v i d u a l i z e d t i t a n i u m m e s h(3 D-P I TM)i n a l v e o l a r b o n e g u i d e d b o n e r e g e n e r a t i o n s u r g e r y.M e t h o d s:C B C T d a t a o f 9 p a t i e n t s w h o u n d
8、 e r w e n t g u i d e d b o n e r e g e n e r a t i o n u s i n g 3 D-P I TM a s s c a f f o l d m a t e r i a l d u e t o s e v e r e a l v e o l a r b o n e d e f e c t s w e r e r e c o n s t r u c t e d i n t h r e e d i m e n s i o n s i mm e d i a t e l y a f t e r s u r g e r y a n d 6-9 m o
9、 n t h s a f t e r s u r g e r y,a n d t h e a c t u a l t i t a n i u m m e s h w a s d i g i t a l l y f i t t e d w i t h t h e p r e o p e r a t i v e d e s i g n e d t i t a n i u m m e s h m o d e l t o c o m p a r e t h e o v e r a l l d e v i a t i o n a n d d e f o r m a t i o n o f t h e t
10、 i t a n i u m m e s h.R e s u l t s:T h e a v e r a g e d e v i a t i o n o f t i t a n i u m m e s h b e t w e e n i mm e d i a t e p o s t-G B R s u r g e r y a n d p r e o p e r a t i v e d e-s i g n w a s(0.7 60.2 3)mm;b e t w e e n 6-9 m o n t h s p o s t-G B R s u r g e r y a n d p r e o p e
11、r a t i v e d e s i g n w a s(0.7 10.1 9)mm;a n d b e t w e e n 6-9 m o n t h s p o s t-G B R s u r g e r y a n d i mm e d i a t e p o s t-G B R s u r g e r y w a s(0.3 50.1 1)mm.T h e l a r g e s t d e v i a t i o n v a l u e o c c u r r e d b e t w e e n i mm e d i a t e p o s t-G B R s u r g e r
12、y a n d t h e p r e o p e r a t i v e d e s i g n(3.5 0 mm).C o m p a r e d w i t h p r e o p e r a t i v e d e s i g n,t h e l a r g e s t d e f o r m a t i o n a n g l e o f t i t a n i u m m e s h o f i mm e d i a t e p o s t-G B R s u r g e r y w a s 2 1.4 9,t h e s m a l l e s t w a s 0,a n d t
13、 h e a v e r a g e w a s(9.9 28.7 2).T h e c o r r e l a t i o n a n a l y s i s s h o w e d t h a t t h e l a r-g e r t h e d e f o r m a t i o n a n g l e o f t i t a n i u m m e s h a f t e r G B R s u r g e r y,t h e l a r g e r t h e d e v i a t i o n b e t w e e n i t a n d t h e p r e o p e r
14、 a t i v e d e s i g n.C o n c l u s i o n:T h e a c t u a l p o s i t i o n o f t i t a-n i u m m e s h w a s s t i l l d e v i a t e d f r o m t h e p r e o p e r a t i v e d e s i g n d u r i n g 3 D-P I TM g u i d e d b o n e r e g e n e r a t i o n.I t i s n e c e s s a r y t o s t u d y a n d
15、i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f 3 D-P I TM g u i d e d b o n e r e-g e n e r a t i o n.K e y w o r d s 3 D p r i n t i n g i n d i v i d u a l i z e d t i t a n i u m m e s h;g u i d e d b o n e g e n e r a t i o n;a c c u r a c y;d i g i t a l088J o u r n a l o f O r a l S c i e n c e R e s
16、 e a r c h,O c t.2 0 2 3,V o l.3 9,N o.1 0 随着数字化技术的发展,3 D打印技术以其快速、可控、精确的特点,在医学领域得到了广泛应用1,3 D打印个性化钛网也逐渐代替传统钛网应用于引导骨再生术(g u i d e d b o n e r e g e n e r a t i o n,G B R)。与传统钛网相比,3 D打印个性化钛网不仅缩短了手术时间,降低暴露风险,而且数字化设计使3 D打印个性化钛网更贴合骨缺损区的解剖形态,可以更加准确重建颌骨的三维形态2,3,能够实现复杂牙槽骨缺损的修复4,5。但是在临床操作中,我们发现钛网在光滑的牙槽骨表面就位时容
17、易发生滑动,导致钛网的实际位置与设计植入位置存在偏差。同时,钛网横断面呈“n”型,加之本身具有一定的弹性,在受到压力时“n”型钛网的两个侧面会产生向外侧的形变,导致“n”型的开口处扩大,钛网沿骨面向根方滑动,成骨空间改变,最终造成实际成骨与设计骨增量存在偏差。本研究使用数字化技术,对术后与术前设计的颌骨及钛网模型进行叠加拟合,测量3 D打印个性化钛网的整体偏差和形变角度,以分析其植入精度,并探讨影响钛网植入精度的因素。1 对象与方法1.1 研究对象 收集2 0 1 9年1月2 0 2 1年1 2月于大连医科大学附属第一医院口腔科就诊,因存在严重牙槽骨缺损需在种植体植入前行引导骨再生术的9名患者
18、。这些患者均使用3 D打印个性化钛网作为支架材料进行引导骨再生。纳入标准:(1)2/4、3/4或4/4型牙槽骨缺损(T e r h e y d e n牙槽骨缺损分类)6;(2)使用3 D打印个性化钛网在种植前行G B R术,术后恢复69个月;(3)患者知情同意且积极配合治疗。排除标准:(1)失去随访的患者;(2)无完整影像资料的患者。本研究为回顾性研究,得到大连医科大学附属第一医院伦理委员会的批准(批件号:P J-K S-KY-2 0 2 3-1 3 3),并征得所有患者的知情同意。1.2 实验方法 3 D打印个性化钛网的设计与制作:患者术前拍摄锥形束C T(c o n e-b e a m c
19、 o m p u t e d t o m o g r a p h y,C B C T)数据,将获得的医学数字成像和通信数据(d i g i t a l i m a g i n g a n d c o mm u n i c a t i o n s i n m e d i c i n e,D I C OM)导 入M i m i c s R e s e a r c h软 件(M a t e r i a l i z e公司,比利时)进行颌骨三维重建,将重建模型导入3-M a t i c软件,根据邻牙以及与对颌牙位置重建缺失牙后以修复和生物学为导向模拟植入种植 体;然 后,将 模 拟 植 入 种 植 体
20、 的 模 型 导 入G e o m a g i c S t u d i o软件中,根据理想颌骨外形重建缺损区牙槽骨,最后在理想牙槽骨模型上设计钛网(图1)。最后,使用医用级钛合金粉末(T i 6 A l 4 V,D e n-t a r u m,德国),通过激光熔融技术(s i n t e r e d l a s e r-m e l t i n g,S LM)制造钛网,酸蚀抛光。在模型上试戴钛网,观察其与牙槽嵴形态是否贴合。术前对钛网进行高温高压灭菌。1 a:术前缺损牙槽骨;1 b:数字化重建理想牙槽骨;1 c:根据理想牙槽骨轮廓设计钛网图1 3 D打印个性化钛网设计过程F i g.1 D e
21、s i g n p r o c e s s o f 3 D p r i n t i n g i n d i v i d u a l i z e d t i t a n i u m m e s h.手术方法:患者术前使用复方氯己定含漱液含漱2 m i n。碘伏行术区消毒后,术区注射阿替卡因肾上腺素行局部麻醉,在缺损区牙槽嵴顶作“一”字形切口,至骨面,必要时在相邻12个牙位前庭处作角形切口,用骨膜剥离器翻开黏骨膜瓣,充分暴露植骨区,并将植骨区表面软组织去净,以免影响骨再生。在植骨区表面皮质骨间断钻出滋养孔,促进成骨细胞和骨祖细胞的迁移,利于骨再生7;随后,使用刮骨器从周围牙槽骨表面刮取部分自体骨,
22、将其与人工骨粉按11的比例混合备用。于前庭处黏骨膜瓣基底部充分松解减张后,将3 D打印个性化钛网按术前设计的位置置于骨缺损区,将固位钉旋入固位孔中。钛网固定牢固后,将混合植骨材料通过钛网网格间隙填入骨缺损区,确保钛网下方无空洞后,在钛网表面过量植骨1 mm。最后,在钛网上方覆盖可吸收胶原膜,间断联合褥式缝合关闭切口。术后拍摄C B C T,观察钛网及骨移植物植入情况。嘱患者口服头孢类抗生素1周,术后2周内进软食,保持口腔卫生,每日含漱0.1 2%的复方氯己定含漱液,术后2周复诊拆除缝线。术后69个月复诊,拍摄C B C T观察钛网及骨缺损区成骨情况。1.3 评价指标 钛网整体偏差分析:实际钛网
23、与计划钛网整体产生偏差主要由以下两方面引起。一方面,钛网在光滑的牙槽骨表面就位时容易在近远中或颊舌方向发生滑动,导致钛网的实际位置与设计植入位置存在偏差。另一方面,钛网横断面呈“n”型,而且具有一定的弹性,使其在受到压力时可能会产生形变并向根方滑动,导致实际钛网形态与设计钛网之间存在偏差。本研究将对钛网整体偏差和形变角度进行测量分析。将患者钛网植入后即刻、钛188 口腔医学研究2 0 2 3年1 0月第3 9卷第1 0期网植入后69个月的 C B C T的D I C OM数据导入M i m i c s R e s e a r c h软件中进行颌骨和钛网的三维重建,通过调整阈值,将钛网与颌骨分离
24、提取。将术前设计记为T 0期,将G B R术后即刻记为T 1期,将G B R术后69个月记为T 2期,使用3-M a t i c软件将T 1和T 2期的颌骨与T 0期术前设计颌骨进行数字化对齐,为了获得最佳的对齐效果,要求颌骨结构至少有6个精确的解剖学匹配点,如颊、舌、腭面的中点、尖点、凹陷、颧孔或枕大孔、颏孔等。最后再通过全局配准来进一步重叠3个时期的颌骨。然后,进行钛网的比较分析,自动计算3个时期钛网之间的偏差。这些偏差可以在对比分析图上通过颜色直观地显示出来,体现不同模型之间的正负距离。平均偏差代表两钛网所有对应点偏差距离的均方根。选择平均偏差来评价钛网植入的准确性,因为它代表各对应点之
25、间的偏差距离的平均值,而不需要考虑正负方向8。同时,记录最大偏差值。钛网形变角度分析:钛网共3个面,将钛网与颊侧牙槽骨接触面记为颊面,与舌侧牙槽骨接触面记为舌面,牙槽嵴顶上方的面记为咬合面,咬合面与颊面、舌面交界部位形成转折线,其横断面呈“n”型,在受到压力时“n”型钛网的两个侧面会产生向外侧的形变,导致“n”型的开口处扩大。为了将不同时期钛网的咬合面对齐,使用3-M a t i c软件在咬合面上选取至少6个匹配点,两两对比可见以转折线为交线钛网的颊、舌面与咬合面形成夹角,测量此角度做为钛网形变量的评价指标(图2)。若仅一侧钛网产生形变角度,则此侧形变角度即可记录为钛网形变角度,若钛网两侧均产
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