种植手术中动态导航精确性的影响因素

林愉快，焦岚 综述 王远勤 审校

暨南大学口腔医学院，广东 广州 510632

近年来，随着口腔种植技术的不断发展，对传统局部义齿及全口义齿修复方式不满意的患者可以选择种植技术进行治疗，种植修复方式具有优越的生物力学性能及良好的美学效果，因此受到医生和患者的青睐[1]。在以修复为导向的理念指导下，种植体适当的位置、角度和方向成为种植修复成功的重要因素[2]。然而，传统种植手术主要依靠术者临床经验，无法精准判断种植体植入时的方向，容易损伤一些邻近重要解剖结构如上颌窦、颏孔、下颌神经管等，增加了手术风险，降低了临床修复效果[3]。因此临床上逐渐将动态导航技术(dynamic navigation technology)应用于种植手术之中，该技术将种植手术器械、医学影像设备、跟踪定位与术前设计软件集于一体，术前运用医学影像数据进行种植位置的设计，同时结合跟踪定位系统进行术中实时校准，监测种植体植入方向，指导术者依照术前设计的位置、方向、角度植入种植体，提高种植体植入的精确性，避免损伤重要解剖结构，减轻患者术后不适[4]，从而实现安全、精准、微创、美学的种植理念[5-6]。

动态导航(dynamic navigation，DN)在口腔种植中精确度的测量方法是将种植体术后的锥形束CT数据与运用软件设计的种植体术前锥形束CT数据进行比对分析，比较种植体长轴颈部、末端及角度偏差来分析动态导航的精确性[7]。种植体植入的精确性至关重要，尤其是在缺牙间隙过小、即刻修复、避免损伤重要解剖结构等状况时[8-9]。影响动态导航系统进行种植手术时的精确性因素有很多，本文将对动态导航系统应用于口腔种植手术时影响精确性的因素进行归纳总结，期望有助于其在口腔种植外科手术及修复领域的临床应用。

动态导航系统工作原理主要可分为三个部分：①将具有放射阻射标记的术前定位模板固定于缺牙区附近，并获取CBCT数据载入导航设备，进行术前设计及临床风险评估等；②将术中用于定位的模板(localizing template)的标记点和导航设备内术前在导航系统软件内设计的CBCT 数据进行拟合匹配；③术中运用光学定位追踪系统，在三维影像空间中进行植入方向的实时校准。因此研究动态导航精确性的影响因素也主要围绕以上几点进行分析。

1 CBCT影像因素

20 世纪70 年代，Hounsfield 研发了计算机断层扫描CT并应用于医学，随后锥形束CT(CBCT)开始应用于口腔种植领域。相比于传统CT，CBCT显著降低了辐射量，减少了金属伪影，而且具有更高的分辨率，使得术者可以在三维空间中将术区重要解剖结构可视化，大大提高种植体的精确性与安全性。动态导航辅助的种植手术主要使用CBCT进行术前诊断设计与术后精确度评估，因此高质量的CBCT 扫描是动态导航技术应用于种植手术中的基本前提[10]。

然而，图像伪像、曝光剂量、视野大小、成像时间、患者移动、切片厚度、体素水平等多种因素均会导致CBCT 数据误差。例如，影像形成过程主要包括三个阶段：采集与重建，最后是图像显示[11-12]。图像伪像是在数字化影像采集与重建数据过程中的可视化结构(visual structure)，该结构在人体正常组织中并不存在。伪像会通过降低相邻物体之间的对比度显著影响CBCT影像的质量，从而引起错误的诊断[13]，降低临床上种植手术中使用DN的精确性。因为影像质量和辐射剂量之间的密切关系，CBCT 成像的有效剂量可以在10～1 000 μSv 的范围内变化，曝光剂量基本上是与FOV(field of view)的横向面积(高度和宽度的乘积)成正比，且较小的FOV可以减少散射光线并提高影像的清晰度。然而当剂量水平较低时，同样也不利于成像质量，不利于诊断。因此OENNING等[14]认为，临床上应当遵循诊断上可接受、以适应证为导向且以患者为中心的原则，寻找符合图像质量要求的辐射剂量平衡点，否则将不利于CBCT 影像的准确呈现。此外，HALPERIN-STERNFELD 等[15]指出，辐照时间应尽可能短，以防止因患者移动而导致伪影，但是建议时间在10～20 s之间为宜。此外，获取3D影像时，应尽可能获得医学数字化格式(dicom)中的CBCT影像，即连续的轴位DICOM (digital imaging and communication in medicine)图像数据，该类型图像数据需要大容量内存。为了节省存储空间，DICOM 通常在文件导出过程中将DICOM 图像压缩，通常有损压缩会导致图像质量下降[16]。因此建议使用原始数据或无损压缩算法压缩影像数据，并且进一步研究量化DICOM 导出过程中丢失的信息量，从而将术前三维影像的标记点与术区周围的标记点进行精确配准。

动态导航系统引导种植手术的误差是积少成多、不断扩大的一个过程，它不仅源于计算机设计软件的正确运用以及种植手术引导工具的合理制作，更与CBCT 图像(采集、重建与显示)的可靠性密不可分[17]。因此，为了减少动态导航技术引导种植手术的误差，术者应结合CBCT 可能产生误差的因素，严格把控CBCT 影像的采集与重建过程，选择适宜的分辨率生成图像数据，设置最佳的采集参数和后处理步骤。嘱患者在拍摄CBCT影像时术区位置平行于地面且勿移动，选择合适的视野，使其能够包括术区全部位置和所有配准点，扫描期间时刻保持张口状态或者在上下颌牙列与頬部软组织放置X射线透射材料，以此分离软组织，获取术区的游离龈等软组织边界。参照使用MSCT 扫描协议，每一个断层厚度约1.5 mm，影像分辨率0.1～0.4 mm。进而获得精确三维影像数据，提高动态导航系统用于种植手术的精确度。

2 配准因素

WIDMANN 等[18]指出，配准是指术前CBCT 影像中的定位点与术中患者实际定位点之间的结合，并且配准已被证明是动态导航手术准确性中最有影响力的因素。配准方式(registration method)主要分为无需置于患者组织内部的非侵入性(noninvasive)和需要置于患者组织内部的侵入性(invasive)方法。其中骨内侵入式标记是评价准确性与否的金标准，但需要在CBCT 数据采集前进行外科手术放置。相比之下，配准夹、外部配准框架、邻近解剖标志配准等是非侵入式的方式，需要手术期间对其进行重新定位，影像配准模板的稳定性，从而导致动态导航系统用于种植手术中的误差。

研究表明，配准产生的误差来源主要有：①基准定位误差(FLE)：定位基准点时的错误；②配准时相应基准点误差(FRE)：配准时在操作过程中相应的基准点(fiducial points)之间的误差；③目标配准误差(TRE)：配准后基准点以外的对应点之间的误差，例如在动态导航引导的种植手术中，导航手术器械的实际位置与手术区域的相应具体位置(TRE与其他因素)之间的不匹配[19]。配准基准点数量的增加与TRE的降低无关，并且特定数量的配准标志物可以降低手术部位的TRE，例如将配准标记点的数量从三个增加到五个不会显著提高准确度，然而四个或八个则具有了较高的精确性，因此确定在不同手术部位观测到最小TRE的图像配准标记的最小数量非常重要，还应排除单个错误率较高的基准点，如此则可以明显提高配准精度[20]。

因此，术前扫描CBCT 时固定于患者口内的配准夹应确保无移位摇摆，在术中尽可能减少术中配准夹的移动，若条件允许，则建议使用侵入式标记方式。PANCHAL等[21]认为，在牙列缺损的患者中，使用特殊材料将术中使用的配准夹固定于术区邻近至少三颗牙齿上，并且使其能够可重复的进入相同位置，还应放置在适当的位置，最大程度地减少对光及种植手术器械的干扰；在牙列缺失的无牙颌患者中，建议使用微型种植钉将无牙颌的配准夹固定在颌骨中，方便于CBCT扫描中进行配准。

3 追踪定位系统

目前动态导航技术主要使用光学与电磁两种跟踪定位系统，其中光学定位追踪系统(OTS)精度可达0.1～0.4 mm，较于其他系统，OTS具有更高的准确性[22]，所以应用也较为普遍。

3.1 光学追踪定位系统 光学三角跟踪的动态 导 航 系 统(X-Navide®，X-Nav Technologies，LLC等)，在手术过程中动态跟踪元件安装于两个区域，其中一个是患者术区邻近解剖结构的动态参考系(DRF)，另一个则为医生的手术工具，在以上两个区域安装的有源(发光二极管)或无源(反射)跟踪元件，该元件可被立体摄像头所检测，系统获得跟踪数据信息，并且使该信息实时显示，实时引导医生将钻头及种植体精确地进入预定位置[23]。根据运行原理，光学跟踪系统具有主动及被动两种类型，主动跟踪系统中二极管发射的红外光线被立体摄像头实时捕获，而在被动跟踪系统中利用反射球将矩阵红外线实时反射进入立体摄像头。因此，跟踪定位系统的误差主要来源有以下几点：①DRF 与立体摄像头之间未能形成直射关系，STRONG 等[24]认为手术过程中，两个动态参考系与立体摄像头之间全程无遮挡是保证手术精确性的重要前提；②DRF是识别虚拟和真实之间的稳定标记，若在术中DRF未能稳定，将会引起种植手术器械在患者口腔内实际位置与导航系统显示位置存在差异[25]；③随着DRF 标记数量以及DRF 上各标记点之间的距离减小，OTS 精度大大降低；④STATES 等[26]研究表明，DRF 标记相对于传感器平面的方向及角度会影响到OTS 的可靠性；⑤立体像头仪器是否预热也具有重要影响，因为它可能会影响仪器的固有参数并最终影响系统准确性。除此之外，DRF 标记时常会被系统错误识别，错误识别的标记投影与正常标记的投影之间会形成标记重影，标记的重影出现常导致OTS 追踪定位失败[27]。

3.2 电磁导航系统 电磁导航系统(EMTS)是基于磁场发生器探测电磁传感器中线圈的磁场变化，再通过控制系统进行空间坐标实时定位调整的原理。相比于OTS，EMTS 最大的优势是不受红外光线直射与否的限制，但是EMTS对于工作环境的要求较高，例如磁铁及金属的靠近会使磁场扭曲失真，严重影响EMST 系统的精确性[28]。因而WIDMANN 等[29]认为，临床医生应充分了解追踪定位系统的运行原理以及误差来源，检查手术器械及DRF上的跟踪元件的位置和功能，保证其处于合理的空间和数量；仔细校准手术工具上的跟踪元件和与立体相机相关的DRF 的角度与范围，光学立体摄像头与跟踪元件之间的直线和通过跟踪元件的平面垂直的矢量所形成的角度应为50°；提前启动立体摄像头仪器预热15～30 min，将会明显减少立体摄像头仪器所带来的误差；检查EMTS 磁场发生器和电磁传感器的距离是否合理，使用非金属及非磁铁的器械，排除金属及磁铁对EMTS 的干扰也至关重要。

4 人为因素

人为因素主要包括医生和患者两个方面，其贯穿导航手术的全过程。例如，图像扫描过程中患者的移动，术前检测、校对以及术中配准时的失误，未能正确使用导航系统的应用，医生的熟练程度以及心理素质等。其中手术医生的因素是最主要的，术者具有一定的临床经验，熟练流畅地使用复杂的导航系统，掌握正确的手术方法以及获得良好的手感等，均可有效缩短手术时间，降低手术误差。SÁNCHEZ-GARCÉS等[30]认为，虽然种植手术是口腔治疗中常见手术，但是无种植经验的牙科学生也不具有足够临床能力来进行种植手术，通常动态导航引导的种植手术程序很复杂，技术敏感性较高，这要求临床术者需要具有一定的种植手术经验。BLOCK 等[31]研究表明，为了取得最佳手术效果，术者接受一定的手术及操作培训是很有必要的，根据动态导航种植手术的学习曲线显示，对于同样没有使用导航系统经验的种植手术专家与初学者，种植专家动态导航手术的准确性明显更高，但是学习曲线也更为平坦，初学者通过临床操作动态导航系统20次后亦可有效提高种植体精度，甚至能将种植体深度误差降低至0.96 mm，角度误差降至3.63°。SUN 等[32]指出，在动态导航系统中，跟踪定位元件位于患者术区附近以及手术器械上，由于患者牙列的宽度及张口度有限，追踪定位元件有时会遮挡术者视线以及阻碍术者操作，这使得术者与导航系统之间缺乏协调互动，增加了手术的难度；术者在术中必须实时准确地判断手机在屏幕上图像位置与实际位置，但是临床上有时图像位置与实际位置的方向差异，术者手眼难以协调，影像手术结果。

为了减少人为因素的影响，影像扫描时保证患者不移动，提高患者配合程度，根据学习曲线，术者应接受相关临床实践培训，提高临床操作技能，培养操作手感，加强心理素质。使屏幕上显示的方向与牙医所使用的常见的颊侧、舌侧和近中侧方向一致，以有效降低在种植牙导航系统使用过程中医生眼手协调的困难[32]。

5 种植区域

通常认为后牙区较短的颌间距离以及软组织对术者视线的遮挡，术者难以将手术器械以及种植体放置在预定位置，常使得后牙区种植手术难度相对较高，但是研究中发现，使用实时导航系统在上颌和下颌分别进行种植手术，其准确性不具有显著差异[33]。然而，SCHNITMAN等[34]研究指出，无牙颌主要可以分为6 个区域：上颌前牙区、上颌右后牙区、上颌左后牙区、下颌前牙区、下颌右后牙区和下颌左后牙区，在进行种植体植入时，植入的位置很容易受到术者手部不同位置的影响，不同种植区域及不同骨量会影响种植体效果，其中下颌前牙区种植成功率最高，其次是下颌后牙区域，上颌后牙区成功率最低，表明不同种植区域之间的种植导航系统的性能精确性存在差异。

因此，在使用动态导航系统时，术者应充分考虑到每个区域的骨量差异会影响种植体最终的效果，也要考虑不同种植区域对精度的影响，为了提高种植体成功率，需要将种植体植入合适的区域，关注跟踪定位系统的局限性，尽量减少手术误差。

6 小结

在动态导航引导种植手术中，对其精确性的影响因素都不是单一存在的，所有影响因素都是综合性的，主要包括CBCT 影像、跟踪定位系统、配准和人为等因素，每一个因素引起的误差都是积少成多、不断扩大的一个过程，术者应尽可能考虑到引起误差的每一个因素，提高手术准确性，避免误差带来的影响。其中CBCT影像的获取准确与否，取决于图像伪像、曝光剂量、视野大小、成像时间、患者移动、切片厚度、体素水平等。电磁导航系统磁场容易受到金属物质影响，对手术精确性产生较大影响。因此，较为稳定的光学导航系统则应成为临床首要选择，光学导航系统使用过程中，应当选择稳定合适的TRE，确保手术器械、导航软件与患者解剖结构的准确性。配准一般被认为是影响导航系统精确性的最重要因素，因此，术中建议排除错误率较高的单个配准点标记，尽量选择骨性标记点，确保DRF和每一个基准点无任何松动和偏移。人为因素可以放大导航手术过程中任何一个影响精确性的因素，所以应该实施系统化的误差管理，以保证正确执行整个手术过程中的每一个程序，最大程度地减少机器和人为误差。因此，临床上使用动态导航引导种植手术时，认识影响精确性的因素不仅有助于临床医生正确使用动态导航系统，更有利于提高种植手术的精确性。