红外光学定位动态导航技术在口腔种植领域应用的研究进展

陈泉林 陈琳 王彬晨 柳忠豪

近年来，如何实现精准、微创、可视化、低风险的种植手术成为国内外研究的热点问题。随着医学放射影像学及计算机辅助技术的发展，数字化技术大量渗透到医学领域中，其中应用最多的是计算机辅助下的术前诊断与手术规划、静态或动态导航引导手术技术及术后评估及监测[1]。计算机辅助导航技术(computer-aided navigation，CAN)最初用于神经外科，后逐渐发展至骨科、耳鼻喉外科和颌面外科等领域。

1 动态导航系统的组成

动态导航系统主要由术前规划系统、计算机及其附属硬件、术中导航设备及工具组成。

术前规划系统多采用VTK软件系统[2]，结合术前影像数据进行头颅三维影像重建，完成虚拟修复基台和修复体的设计、种植体品牌和种植体型号的选择、种植体植入位点的确定和三维方向的调整以及周围重要解剖结构的规避。同时实现图像配准功能，对定位装置和配准装置传来的数据进行计算，将手术器械和患者术区的位置引入到系统建立的坐标系中，并依托输出硬件给术者以直观的展示[3]。

计算机及其附属硬件包括数据处理计算机、鼠标、显示屏、键盘等部件，在术前和术中接受术者的指令，对软件整合计算后的信息进行展示，使软件的功能得以实现。

术中导航设备及工具包括安装有红外LED(light emitting diode)传感原件的定位器及其连接的种植手机(定位器用于实时追踪术中种植手机的空间(图1)、安装有红外LED传感原件的参考板(用于术前快速校准定位器和术中实时追踪患者口腔的空间位置(图2)、球形调试钻(用于器械的校准和术前配准(图3)、参考板固定装置(图4)、参考板连接件(图5)、红外线立体摄像机(接受从患者跟踪装置和手术器械定位器发出的编码信号并传递给计算机(图6)、U型管(用于手术配准的配准装置)(图7)及手术工具盒。术中通过种植手机上的跟踪定位板以及参考板来确定手术器械与患者的相对位置，从而达到辅助定位和引导手术的目的。

A：定位面，表面安装多个红外LED传感原件；B：链接旋钮，可根据牙列缺损位点及患者体位进行定位面朝向的调整；C：种植手机

图2 参考板(连接线连接到种植推车的控制单元接口处，平板部分通过参考板连接件和固定装置，固定在患者牙列缺损位点同颌的对侧牙齿上)

图3 球形调试钻(长钻、短钻)

图4 参考板固定装置

图5 参考板连接件

图6 红外线立体摄影机

图7 不同型号U型管

2 动态导航技术的原理

通过配准技术和空间定位系统，使患者的临床手术坐标与三维影像坐标一一对应，术中实时显示手术器械尖端所在位置，跟踪及定位临近解剖结构，及时调整器械方向及位置[4]。该原理主要基于医学图像三维可视化技术、配准技术和空间定位技术。

2.1 医学图像三维可视化技术

术前对患者进行标记及三维影像重建，患者术区的任意点都可以由X-Y-Z坐标来表示，在计算机的三维图像上由对应的X'-Y'-Z'坐标来表示。突破了二维图像的局限性，在术前进行头颅三维影像重建，术中根据术区任意剖面的解剖结构信息进行种植体三维位置实时调整及精准植入[5]。

2.2 配准技术

配准是指用将数个影像模式定位于同一坐标系，其配准方法和配准算法决定了导航系统的稳定性、可行性及可靠性，现阶段种植手术中的主流配准方法是点配准中的外部特征点法[6]。即在患者身上确定8～12 个能显像的标记点，分别对应图像空间和手术空间的坐标。当患者术中空间位置发生变动时,系统自动生成的新位置坐标,与虚拟坐标系下的坐标进行重新配准,并根据变换矩阵改变手术器械在屏幕上的位置显示，从而实现患者术区、手术器械、屏幕图像的三者的实时对应[7]。标记点的设置分为侵入性和非侵入性两类，侵入性配准标记是精度准确性的金标准，需要在术前将配准标记点植入到患者颌骨内，增加了就诊次数及诊疗不适感[8]。非侵入性配准标记的标记点位于固定在口内或口外的配准装置上，该方法应用更为广泛。

2.3 空间定位技术

空间定位技术是通过跟踪定位板和参考架来确定手术器械与患者的相对位置，从而辅助定位和引导手术。现有的导航定位方法主要有光学定位法、机械定位法、超声定位法和电磁定位法。机械定位法是最早应用的定位方法(精度约为2.0～3.0 mm)，稳定性和精确性较好，但可动性差[9]。超声波定位和电磁定位精度约2.0～5.0 mm[10-11]。光学定位是目前手术导航系统中的主流方法，分为主动式和被动式两种，均以摄像机作为传感器。其定位精度高(精度约0.1～0.4 mm)，可跟踪多个目标，且无需与术区接触，临床应用方便，反应灵活[3]。动态导航系统借助红外线立体摄像机对手术器械和参考板发出或反射出的红外线信号进行追踪，接收患者术区及手术器械的位置数据，并将其导入计算机进行筛选及计算，从而在坐标系中进行定位。

3 动态导航技术在种植外科临床应用的优势与不足

与自由手种植外科手术和静态导板技术相比，动态导航技术更适用于以下情形：(1)不翻瓣微创种植手术，可以充分利用影像数据及规划路径，实时显示种植窝预备钻针的尖端位点和三维方向，在术中进行及时调整钻针预备路径，确保了种植手术的精确性和安全性[12]；(2)患者开口度较小或牙列缺损位点位于后牙区，无法容纳外科导板及备孔钻种植窝预备钻针，避免种植手术空间及视野受限；(3)牙列缺损位点间隙小或牙列缺损位点角度不佳，缺乏外科导板导环的就位空间；(4)即刻种植手术，无法在术前进行外科导板的设计和试戴；(5)患者要求就诊当日进行种植手术，外科导板的设计和制作时间受限；(6)视野受限的后牙区，手术过程中难以到达肉眼直视[13]；(7)解剖结构复杂，可以有效避开埋伏牙、上颌窦、切牙孔、下颌等解剖结构，且可以实现颧骨种植技术及双颧种植技术，使种植技术的适应症更加广泛;(8)进行术前术后CBCT颌骨水平的三维配准，并运用其三维测量工具对种植体颈部距离a，根方距离b、轴向角度误差α[14-15]进行测量(图8)。

图8 种植体颈部距离，根方距离及轴向角度

现阶段，动态导航技术仍存在局限性：(1)术前需佩戴U型管进行CBCT拍摄，患者在CBCT拍摄过程中有异物感，对于全口或半口牙列缺失的患者需额外植入固位钉进行U型管固位，增加额外切口和异物感；(2)术前校准需要对参考板进行固定牢靠，术中参考板发生松动或移动需要再次校准；(3)术中患者体位的移动可能导致屏幕对应图像与患者术区和手术器械实际位置的短暂差异，需等待图像稳定后再继续手术；(4)动态导航工具的数据采集及注册校准过程相对复杂，约增加5～7 min手术时间[6]；(5)动态导航技术的应用需要经过严格的训练，手术医生及助手必须熟悉动态导航系统的基本原理，经验较少的术者学习曲线较长[16-17]；(6)不正确的动态导航信息会加大手术风险甚至导致手术的失败，手术医生必须具有丰富的临床经验，必要时结合自由手手术进行手术路径的调整，从而充分实现动态导航系统的价值;(7)动态导航的手机定位器安装后占用一定空间,且导致术者手腕的负重增加，对种植机稳定性的把控要求也更加严格[18]。

综合以上因素，目前动态导航技术更适合于局部种植解剖条件复杂、种植部位视野不佳、期望微创手术、以及就诊时间紧迫的复杂病例。

4 动态导航种植外科的精度及影响因素

4.1 动态导航的精度

Block等[6]临床前模型研究表明，与术前虚拟设计种植体对比，动态导航种植手术在牙列缺损病例中应用时，种植体轴向角度误差为0.89°± 0.35°，种植体根部水平距离误差为(0.38±0.21)mm；在牙列缺失病例中应用时，种植体轴向角度误差为1.26°± 0.66°，种植体根部水平距离误差为(0.56±0.17)mm。Elian等[14]的临床研究报告显示，动态导航种植手术的种植体颈部水平误差为(0.89±0.53)mm，根部水平误差为(0.96±0.5)mm,轴向角度误差为3.78°±2.76°。通过对IGI种植软件的精确度研究，得出其偏离角度误差为4.21°，头部误差为0.65 mm，尾部的偏离值为 0.68 mm[19]。Ruppin等[20]在2015 年通过临床研究获得动态系统精度误差值为0.2～0.3 mm。

4.2 动态导航手术系统精确性的影响因素分析

动态导航手术中导致精度误差的因素有多种[21]，导致种植体植入误差产生的因素有四点，分别是系统自身误差、数据采集及转换过程中产生的误差、配准流程中的误差和操作过程误差。

4.2.1 系统误差 系统误差主要包括动态导航定位自身误差、术前种植体及修复体虚拟规划软件的误差以及术后种植体植入精度分析软件的误差。

动态导航系统的光学跟踪定位仪开机后有约十分钟热机时间，温度的不稳定会导致动态导航系统硬件各部分产生微小变形和位置变化，从而产生20%～40%的定位误差[22]。手术器械和参考板上的红外LED传感原件离红外线立体摄影机越远，介质对光学的影响越大，手术过程中越易出现信号接收异常，干扰手术进程且影响手术精度。手术器械、参考板与红外光线方向的夹角过小，反射光会对光学仪器产生干扰,导致红外线跟踪定位仪无法对手术器械和参考板进行识别[23]。

动态导航系统的术前设计和术后配准软件均不会对原始影像数据进行精度调整，但动态导航设计软件和精度分析软件自身的系统误差也将影响最终的误差结果，在将DICOM格式的CBCT图像文件和STL格式的数字化口内扫描模型导入系统软件的过程中，软件无法对分辨率之外的图像进行重建。同时，在对图像进行阈值调节、颌骨影像分割的过程中可能产生伪影干扰，最终产生不可避免的误差。

4.2.2 数据采集和转换误差 数据采集和转换误差主要与术前术后CBCT影像的采集有关[24]。在扫描过程中，CBCT机越精密，拍摄视野越小，扫描层厚越薄，采集的数据准确性越高。CBCT扫描过程中患者位置的改变也会导致相邻影像序列之间的差异，从而影响重建图像的准确性。此外，动态导航需要在精准重建颌骨三维，从而对种植路径进行引导，选择适当的CBCT窗位和窗宽，可以更好地对骨表面和余留牙形态进行重建。

4.2.3 配准误差 配准过程是造成动态导航手术精度误差的最主要环节[25]。目前常用的配准方式有点配准及面配准两类。

点配准即基于特征的配准技术，其临床应用时操作简易，整体运算量小，但所需临床操作流程较复杂[26]。导入动态导航系统术前设计软件的DICOM格式的CBCT图像分辨率越高,确定的标记点越规则、越容易识别和操作，定点误差越小[27]。此外，通过动态导航系统术前设计软件进行图像分割或者对影像标记点进行自动定义，也可以减少影像定点误差[28-29]。

面配准即基于灰度的配准技术，是通过计算机辅助动态导配准器械接触患者身体区域或通过激光对患者进行扫描，利用图像的灰度数据与影像学数据进行配准，从而避免了因数据分割而带来的误差，精度较高且不需要预处理。面配准不需要进行标记点的标定，可通过动态导航系统进行自动化配准。但在配准全过程中需要试用图像的全部灰度数据信息，配准速度显著低于点配准，限制了其在临床应用[30-31]。另外，患者术区软组织肿胀、术中皮肤组织漂移及患者表情肌收缩等也会影响面配准的精度[32]。

4.2.4 操作误差 操作误差贯穿于整个计算机辅助动态导航手术过程中，主要CBCT拍摄过程中配准装置的移动及翘动；术前校准时球钻测定配准点时的位置、角度、稳定性；术前及术中参考板固定的位置、角度、稳定度性以及术者对导航系统的熟悉程度等有关。CBCT拍摄过程中，若配准装置发生移动及翘动，会影响重建图像的准确性，引起配准误差及种植体植入精度误差。术前校准时球钻进入U型管凹坑时过度加压或脱离凹坑，会导致U型管翘动造成种植体植入精度误差或配准精度误差。采集配准点时应注意鼠标操作时产生的晃动会对红外线立体摄影机的定位造成影响。术前应确保参考板固位稳定，术中不可再对其固定的位置、角度进行调整，且不影响术中操作以及U型管的二次复位，以免造成其移动或翘动。

由于动态导航系统操作流程与常规种植外科手术有所差异，且术中需将手术视野从患者口内调整至显示器，增加了术者操作上的不适应。关于动态导航系统种植手术的学习曲线研究证实，经过20 次临床实验后动态导航系统种植手术的精准度有所提升，其中种植体轴向角度误差降至3.63°，种植体根部距离误差降低至0.96 mm[33]。

5 动态导航技术在口腔种植外科临床的应用

5.1 动态导航系统产生过程

1988 年出现口腔三维CT，实时导航系统开始在口腔种植领域应用[34]。1995 年Fortin在术前对颌骨进行CT 扫描，在计算机上进行了手术规划和模拟，运用动态导航按照术前规划植入种植体[35]。德国的Spielberg应用Stryker Leibinger导航系统进行了种植体植入,其实验室误差为头部平均(1.62±0.03)mm,尾部平均(1.36±0.02)mm[36]。2000 年，适用于种植领域的动态导航系统正式出现，按照术前规划进行种植窝的预备，确保其位置和方向的精准性[37]。2005 年Miller等[38]及2006 年Mischkowski等[39]开始报道将动态导航技术在口腔种植领域的广泛应用。

5.2 动态导航辅助无牙颌种植

Chen等[40]提出，对于上颌无牙颌动态导航手术科采用头颅定位参考支架来作为参考装置。Stefanelli 等[41]在下颌正中区域植入微种植钉，从而对口外参考装置进行固定。满毅等[42]报道，在下颌切牙区的先行植入一枚种植体术中，将参考装置刚性连接在该种植体上，该种植体后期与其他植入的种植体一起作为上部修复体的支撑。Stefanelli等[43]对动态导航引导下的无牙颌种植体精度进行分析，种植体冠方偏差0.26 mm，根方偏差0.29 mm，植入深度偏差0.16 mm，角度偏差0.7 mm。Pomares-Puig等[44]将动态导航与静态导板相结合，在无牙颌静态导板上置入3～4 枚金属球作为配准标记点，实现动态导航辅助下静态导板引导无牙颌种植手术，从而在植入过程中对种植体的位置或角度进行校正。

5.3 动态导航辅助穿颧种植

Branemark教授于1989 年提出利用超长种植穿颧种植体的治疗方案[45]。穿颧种植体从后牙区牙槽嵴穿上颌窦进入颧骨，获得颧骨与上颌骨双重固位，避免大量植骨的同时，缩短治疗周期。Bedrossian等[46]报道颧种植体十年存留率为95.12%。穿颧种植手术因需要全麻、需侵犯上颌窦、手术创伤大、技术敏感度高等，在临床中的广泛应用受到限制[47]。Colletti等[48]报道，穿颧种植术中可能损伤眼球及眶下神经。Fernández等[49]报道244 枚穿颧种植体手术并发症发生率为9.9%，其中最常见的是上颌窦炎，其发生率为7.5%。因此对于精准种植的要求较高。

拟行穿颧种植技术的患者通常剩余骨量严重不足，无法通过固位钉实现静态导板的稳定固位于上颌骨，致使种植导板的精确性下降[50]。其次，后牙区张口度不足也导致静态导板在穿颧种植技术中较难应用[51]。

Wang等[52]使用动态导航技术辅助完成穿颧种植手术，测得52 枚颧种植体的冠方偏差、根方偏差和角度偏差分别为1.24 mm，1.84 mm和2.12°。马文杰等[53]利用动态导航辅助穿颧种植手术，术后3 年随访种植体周骨水平稳定，并指出颧骨骨质致密，动态导航引导下备孔时应注意降温，每一级扩孔钻备孔后使用冲洗针管及低温生理盐水冲洗种植窝。Stefanelli等[54]研究发现，相比自由手种植，动态导航辅助翼上颌种植体植入误差明显降低。陶宝鑫等[55]报道，动态导航辅助双侧双颧种植在种植体根方、颈部及角度偏差上均低于静态导板种植，与自由手种植无统计学差异。Ramezanzade等[56]的系统分析显示，对于穿颧种植，特别是上颌骨缺损的穿颧种植病例，动态导航系统可靠的辅助技术。Da等[57]报告1 例全鼻切除术后大量骨缺损的患者，在动态导航辅助下行双侧穿颧种植，实现双磁性附着体和硅胶赝复体最终修复。

5.4 动态导航系统与手术机器人结合应用

近年来，手术机器人在实现种植手术精细化、手术流程智能化、手术操作自主化方面上取得了显著发展[58-59]。种植机器人配备的机械臂可在狭小口内空间进行精准操作，从而避免操作疲劳、视觉盲区,以及体位不佳等误差，实现口腔种植精准化微创治疗[60]。

口腔种植机器人Yomi相关临床病例报告植入点、根尖点和角度误差分别为0.58 mm、0.64 mm和1°[61]。Cheng等[62]体外模型研究表明,种植手术机器人辅助植入种植体的植入点误差为(0.79±0.17)mm,种植体根尖点误差为(1.26±0.27)mm,角度误差为3.77°。有研究对自主种植机器人的标定精度进行测定，并对比了自主种植机器人与手动辅助种植机器人的种植体植入精度，发现自主种植机器人标定的平均距离偏差为1.11 mm，平均角度偏差为0.99°。种植体植入的颈部偏差为(1.44±1.0)mm，根尖偏差为(1.68±0.76)mm，角度偏差为1.01°±1.06°，其标定精度及种植体植入精度均略小于手动标定机器人精度[63]。

吴煜等[60]在动态导航技术及口腔种植机器人的基础上，实现机械臂对规划种植体的实时识别追踪与定位，报道种植体植入点总误差为(0.63±0.23)mm[(0.16～1.10)mm], 根尖点总误差为(0.64±0.26)mm[(0.16～1.18)mm],角度误差为2.27°±0.98°(0.27°～4.59°)。Wu等[64]实现动态导航系统与手术机器人二者结合，在模型上进行了动态导航引导下机器人辅助穿颧种植手术。

6 展望

现阶段，动态导航已经展示出良好的手术精度和易用性，随着计算机软硬件的发展，导航设备成本的降低，导航技术精度的提升，动态导航引导种植外科手术将会获得大面积应用。此外，随着虚拟现实技术及虚拟现实增强技术的发展，手术机械手臂应用范围的拓展，将会使种植外科手术更加的直观、有效、精准，将动态导航引导下的智能种植外科手术技术引领到新的高度。