深度解析 | 3D圖像、3D打印、3D虛擬在牙髓病學中的應用

作者：姚麗萍 盧志山

近年來，數(shù)字技術已經(jīng)廣泛應用于口腔中，如3D打印，已經(jīng)廣泛的應用于并深刻影響了種植、口腔頜面外科、正畸和牙周的臨床教學和臨床病例的診療。通過一些輔助的軟件和設備，能夠改進教學管理和臨床診療的各種方法，這些輔助工具包括錐型束計算機斷層掃描（CBCT）、3D打印等。

CBCT通過創(chuàng)建3D圖像來評估牙齒與相鄰軟硬組織的關系。在牙髓病學中，與傳統(tǒng)的二維圖像相比，CBCT提高了對復雜解剖結構的理解。因此，有利于教學和病例管理，包括制定治療計劃和隨訪。在全球范圍內(nèi)，CBCT在牙髓病學中的應用正在迅速增加，已經(jīng)發(fā)表了各種指南和方針以幫助臨床醫(yī)生進行病例選擇和促進其安全使用。包括美國牙髓病學會（AAE）、美國口腔頜面放射學學會（AAOMR）、歐洲放射防護委員會172號準則、英國教師一般牙科實踐CBCT選擇標準、歐洲牙髓病學會立場聲明（ESE）。
一，背景
3D打印是基于牙體和相關骨骼組織的虛擬（計算機生成的）效果圖通過自動化過程生成的模型。自動化過程涉及設備（3D打印機），它利用各種3D打印技術來制作物品。觸覺模擬器是一種計算機系統(tǒng)，通過模擬各種治療過程中可能遇到的挑戰(zhàn)，并提供實時的多感官圍手術期反饋，對牙齒和骨骼組織進行交互式三維虛擬仿真。3D打印的設計和制作以及觸覺模擬器的操作依賴于3D成像、3D虛擬設計和/或3D打印技術之間的數(shù)字信息（數(shù)據(jù)）交換。

在多篇文獻中，CBCT掃描相對于二維放射成像的優(yōu)勢及其在牙髓病學中的應用得到了廣泛的綜述和討論。然而，由于3D打印和觸覺模擬器的引進相對較晚，在牙髓病學方面發(fā)表的文獻較少。只有少數(shù)病例報告詳細描述了3D打印導航的應用、3D打印的實驗研究和觸覺模擬器的有效性。因此，本文將提供相關文獻說明設計和生產(chǎn)3D打印和操作觸覺模擬器的技術并討論3D打印和觸覺模擬器系統(tǒng)在牙髓病學中的應用。
鑒于范圍廣泛，本綜述將主要集中在髓腔入口預備和根尖手術方面。

二、3D打印的設計與制作
信息技術的進步，包括廉價/開源軟件的使用，使3D成像設備、3D虛擬系統(tǒng)和3D打印機之間的相互操作性得以有效地創(chuàng)建、操作和處理數(shù)據(jù)，最終用于3D打印的設計和生產(chǎn)。CBCT掃描的三維成像數(shù)據(jù)以DICOM或專有格式存在。DICOM格式有助于在不同制造商制造的、在不同平臺上運行的計算機設備之間傳輸醫(yī)學圖像和相關數(shù)據(jù)。

  3D虛擬導航系統(tǒng)獲取CBCT掃描的體積數(shù)據(jù)（DICOM格式），該系統(tǒng)使用專用軟件將數(shù)據(jù)轉換為標準的STL文件格式。3D虛擬設計系統(tǒng)還可以獲取以STL格式存在的口腔/石膏模型掃描的三維成像數(shù)據(jù)。通過對牙冠等解剖標志物的精確比對，使用專用軟件將CBCT及相應的口腔/石膏模型STL數(shù)據(jù)集進行匹配，消除金屬修復體引起的條紋和人工空洞。然后用計算機輔助設計（CAD）或種植規(guī)劃軟件對生成的3D圖像進行編輯，以創(chuàng)建3D打印的藍圖。最后的設計被數(shù)字化切片并導出到3D打印機中進行制作。圖1總結了設計和生產(chǎn)3D打印的關鍵步驟。

三、3D打印在牙髓病學中的應用
3D打印在正畸，正頜，顱面，口腔頜面手術這些學科的教學和治療過程中的好處已經(jīng)被廣泛報道。同樣，3D打印在牙髓病學應用中也有類似的好處，包括簡單、微創(chuàng)、更精確、減少手術時間、改善病人舒適度和促進操作者技能的發(fā)展。

復雜的牙體治療，例如在非手術口內(nèi)治療、鈣化、牙根縱裂、發(fā)育異常，或在口腔內(nèi)手術、根尖接近重要解剖結構或皮質骨較厚等，都會使病人風險增加、影響治療效果。這些病例對大多數(shù)操作人員來說是具有挑戰(zhàn)性的。因此，使用3D打印模型和導板作為學習和治療的輔助，有能促進提高治療結果和幫助操作員技能的發(fā)展。下面討論3D打印模型和導航在牙髓學中的應用。

（一）3D打印模型
石膏模型可以用來教育學生和患者，也可以用于記錄、評估潛在的操作困難以及制作定制導航或夾板。但石膏模型不能顯示內(nèi)部解剖結構；不能精確復制及用不同的顏色、紋理和透明度等來制作，因此用于模擬牙科手術并不可靠。此外，它們需要專用的存儲空間，而且石膏模型也需要規(guī)范化的銷毀。

3D打印模型和數(shù)字打印模型可以克服上述局限性，具有與石膏模型相同的功能：
1、 數(shù)字文件可以方便地復制、存儲和電子轉換；
2、根據(jù)3D打印需要，可以制作成多種顏色、紋理、透明度和/或適合模擬或消毒的機械特性的模型。

使用SLG、DLP、MJM和PBP制作的3D打印模型與石膏模型的精度相當。此外，這些模型可以在后處理階段染色，或者在制作過程中加入不同的顏色和/或紋理，以幫助區(qū)分組織類型（圖4）。因此，3D打印模型可以作為一種教學輔助手段，幫助學生提高對牙齒、牙根、根管形態(tài)的認識，并模擬進入髓腔和根管預備。復制的3D打印模型可用于評估個別學生或群體的技能進展，以及標準化的無偏倚技能評估。

（二）3D打印導板
當根管沒有明顯縮窄、鈣化時，非手術的牙髓病學可以相對容易進行。同樣，前牙根尖手術的難度也較低，因為前牙的病變可能已經(jīng)穿透了皮質骨，使去骨部位更容易定位。

對于根管閉塞（PCO）、發(fā)育異常以及存在并發(fā)癥的病例，定位根管口和疏通牙根存在一些困難。由于臨近關鍵解剖結構、皮質骨厚度、牙位、根尖方向等因素，也難以準確定位去骨部位和根尖切除的正確程度。操作者的技能、經(jīng)驗和病人的合作也可能不同，這些將影響治療的結果。基于類似于種植導航手術原則的3D打印導航或手術導航可能有助于克服這些困難，并對具有挑戰(zhàn)性的牙體病例進行優(yōu)化。

CBCT和種植導航軟件的應用支持了3D打印手術導板在種植導航手術中的開發(fā)和應用。使用植入設計軟件，例如coDiagnostiX™和Simplant®牙科設計軟件，將CBCT和數(shù)字化石膏模型掃描數(shù)據(jù)進行匹配，設計制作種植導板。

3D打印手術導板的主要目的是通過制定虛擬治療計劃，精確引導種植體手術和套筒放置。因此，3D打印手術導板的設計應有足夠的骨骼、牙齒或粘膜的匹配支持，并指導種植體的制備和特定定位套筒的放置。套筒包括一個預制的圓柱形或一個用CAD/CAM設備制造定制的金屬管。通過虛擬軟件里的參照物來選擇校準鉆，校準鉆通過帶標記鉆的套筒準備成骨，指導鉆孔過程。圖5演示了Dentsply Sirona Simplant®導板構成

相比粘膜或骨支持的導板，牙齒支持式的3D打印手術導板已被證明是種植體精度偏差最小的。穩(wěn)定性、材料剛度、套筒或鉆頭的長度、加工誤差、操作者和患者因素也會影響其精度。因此，要考慮到術前治療計劃的任何偏差，建議2毫米的安全距離以避免損傷關鍵的解剖結構。

基于導航種植體手術的設計和制作原則的3D打印導板已被用于導航非手術和根尖外科手術。

（三）導板用于非手術牙髓病治療
當非手術根管治療存在明顯的并發(fā)癥風險時，包括側穿等可能嚴重影響治療結果，3D打印導板可以用來定位根管。最近，已經(jīng)有病例報道，描述了牙支持式3D打印導航成功定位前牙根管的病例。在這些報告中，將CBCT掃描、口腔內(nèi)解剖結構或石膏模型的光學掃描進行匹配，使用種植體設計/CAD軟件設計虛擬導航方向，選擇深度校準的種植體鉆/車針。該導板是包括多顆牙的牙齒支持并且遠端穩(wěn)定。采用SLG或MJM制作的3D打印定向導板，預制或CAD/CAM圓柱形金屬管插入套筒。

使用3D打印的定向導板創(chuàng)建精確且微創(chuàng)的開髓洞口，使用深度校準的種植鉆/車針進入根管，能夠獲得良好的治療效果。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，還能減少操作次數(shù)，避免牙齒結構損傷，降低側穿的風險。

此外，使用單次車針/鉆或兩個鉆頭確保了鉆磨過程的準確性。Zehnder等人的體外研究表明，使用3D打印定向導板的開髓過程準確性高于種植體，因為只使用了一個入口車針或鉆。雖然設計和制造過程延長了總治療時間，增加了費用，而且即使使用深度校準的鉆/車針仍然可能會出現(xiàn)牙本質裂紋，但保守的髓腔制備和避免的并發(fā)癥超過了這些缺點。

因此，3D打印導板可以幫助安全、經(jīng)濟、有效地治療根管系統(tǒng)發(fā)育異常的牙齒。它們也可用作培訓的教具，特別是研究生，以培養(yǎng)克服這些治療困難的技能。然而，有必要進一步確定它們的準確性和與使用深度校準的鉆/車針有關牙本質裂紋的發(fā)生率及評估其他治療例如臺階、器械分離等的臨床可行性。還要考慮臨床便利性。表1總結了這些報告（見下面幾張圖，之前我們也學習過這幾篇文獻），圖6演示了非手術口內(nèi)治療的主要原理。

（三）手術牙髓病學導航

3D打印的手術導板可適用于有難度的根尖手術，例如復雜病例的去骨部位和根尖切除水平。導航下的根尖手術和其他導航手術一樣：
1、都依賴于細致的治療計劃，包括完成3D打印外科導板的設計、使用與CBCT和光學掃描數(shù)據(jù)相匹配的種植體設計軟件；
2、在治療過程中，套筒在皮質骨上的位置有助于識別去骨部位；
3、用于去骨的深度校準鉆或壓電器械與套筒保持平行，從而將其尺寸限制在4毫米。
4、如有必要，可使用定位鉆在預定的水平和角度指導根尖切除。

圖7總結了通過導板進行根尖外科手術的一般步驟。

最近，Strbac等的一個病例報告描述了3D打印手術導板的治療計劃和應用，該導板對根尖周病變的上頜骨后牙（第一磨牙和第二前磨牙）進行預設的截骨和根尖切除。手術導板也被用于定位超充材料，以便精確地去除超充材料，而不穿通上頜竇。根尖周圍病變的愈合在1年后的隨訪中得到了影像學上的證實。導航下根尖手術的潛在好處包括縮短手術時間、提高準確性和減少術后不適。

目前還沒有3D打印導板在牙體根尖外科手術上的應用的其他病例報告。（說的不大對，實際上已經(jīng)有了不少，包括國內(nèi)的文獻）此外，由于牙體根尖外科手術不太常見，需要3D打印的外科導板來幫助獲取技能經(jīng)驗并促進復雜病例的管理。因此，需要進一步研究導航技術在根尖外科手術及其在牙科教育中的潛在益處。

四、操作觸覺模擬器
（一）基本情況
虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)已被用于培訓外科醫(yī)生和醫(yī)學生。虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)生成視覺和聽覺環(huán)境模擬，并允許通過特殊的外圍設備（如觸覺設備）進行互動。

觸覺裝置與虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)、觸覺模擬器相聯(lián)系，通過實時的機器人反饋系統(tǒng)來刺激感覺、觸覺體驗，能夠產(chǎn)生振動和反饋。大多數(shù)觸覺裝置提供6個空間運動自由度，而力反饋提供3個自由度，所以真實感有限。觸覺設備以（圖8）:Geomagic® Touch™ and Touch™ X （3D Systems Inc.， Rock Hill， SC， USA），以前被稱為PHANToM® Omni and PHANToM® Desktop和 Virtuose™ 6D Desktop 為代表，分別Virtuose™6 d桌面（Haption S.A.， Soulgé-surOuette， France）。

觸覺和虛擬現(xiàn)實技術的融合與三維成像數(shù)據(jù)在牙科領域的結合，導致了牙齒觸覺仿真器的出現(xiàn)，可以創(chuàng)造虛擬口腔解剖，并通過實時的視覺、觸覺和聽覺反饋，來模擬牙科治療過程（3D虛擬設計）。因此，這些設備主要用于口腔教學和3D虛擬設計。

   觸覺模擬器的設備設置隨著開發(fā)階段的不同而變化很大。為了再現(xiàn)真實感，大多數(shù)商用設備都將交互式3D虛擬模擬投射到半透明的鏡子上，并在鏡子下方安裝一個觸覺裝置，以復制觀察角度、病人頭部位置和操作者手的方向。這類設備還可以配置附件監(jiān)視器來顯示課件和/或其他帶有虛擬牙科鏡子的觸覺設備，以提高對間接視覺和雙手操作的適應。兩個典型的觸覺模擬器Simodont® Dental Trainer 和Voxel-Man system（見圖9和圖10）。

   （二）在牙髓病學中的應用
根管治療要求術者具備良好的解剖知識、正確解讀放射影像和CBCT、動手能力強、有良好的手眼協(xié)調(diào)能力、正確處理根管和手術器械、熟悉治療過程中的視覺、聽覺和觸覺反饋。因此，在牙髓病治療的教學中，觸覺模擬器能夠理想地提供各種非手術和手術治療過程的真實模擬。然而，觸覺模擬器只有在開髓進入根管、骨切除和根尖切除方面有商業(yè)應用。包括VirTeaSy Dental （HRV， Laval cedex， France） 和 Simodont®Dental Trainer 兩家公司。

  為了測試兩個實驗觸覺模擬器，HVRS和Voxel-Man，分別將他們用于非手術和手術口內(nèi)治療（表2）。這些研究表明，觸覺模擬器可以作為一種教學工具，用于口內(nèi)治療，包括髓腔制備、骨切除和根尖切除。然而，這些研究參與者較少、帶有主觀性和/或缺乏隨機對照、操作者的熟練程度缺乏一致性，因此需要更大樣本、更嚴謹?shù)膶嶒炘O計來提高研究的質量。

五、結論
隨著3D成像、3D打印和3D虛擬導航的不斷改進，再加上以優(yōu)化治療結果和改善患者的舒適程度為目的的技能開發(fā)需求，使用這些技術進行非手術和根尖外科手術的教學和臨床病例治療帶來潛在的好處。

作者： 姚麗萍 盧志山