潘 高，鐘朝發(fā)，劉 偉

（江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000）

1 背景

口腔種植術(shù)在當今越來越受醫(yī)療工作者的重視，同樣也受到牙列缺失患者的青睞，而種植義齒可以替代自然牙進行正常的咀嚼，并且具有一定的長期穩(wěn)定性[1-2]。但在種植過程中，由于受操作人員經(jīng)驗不足等因素的影響，極易發(fā)生鉆頭刺穿種植區(qū)域下頜神經(jīng)管壁的情況，導(dǎo)致種植義齒的失敗[3]。

隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷進展，在進行手術(shù)操作前，利用CT掃描獲得患者口腔斷層數(shù)據(jù)并運用逆向軟件建立起口腔三維模型，然后對該模型進行術(shù)前規(guī)劃，使之與操作醫(yī)生的經(jīng)驗相結(jié)合來提高種植成功率，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。

CAMPAS等[4]采用螺旋CT對下頜骨、顳下頜關(guān)節(jié)組織進行掃描，然后用有限元方法對掃描數(shù)據(jù)進行分析，獲取各節(jié)點參數(shù)，并基于各節(jié)點參數(shù)建立了所需模型。CHAUVET等[5]采用CT掃描數(shù)據(jù)并結(jié)合三維建模軟件建立了人體顱面三維模型，將CT重建模型技術(shù)、逆向工程技術(shù)等結(jié)合并準確地建立下頜骨三維有限元模型，可為后續(xù)準確分析研究口腔種植生物力學(xué)提供保證。黃智光[6]采用CBCT掃描技術(shù)測量了大量正常青年人的下頜神經(jīng)管空間位置，得出下頜神經(jīng)管在進入頜孔后逐漸偏向頰側(cè)，而后又逐漸偏向舌側(cè)。但上述各學(xué)者所建的種植體三維有限元模型均有過度簡化的情形，如上、下頜骨被簡化成由厚度均勻的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨組成的規(guī)則形狀幾何體等。過度簡化模型會使有限元計算結(jié)果與實際結(jié)果相差甚大。且上述論文均只考慮鉆削過程中鉆頭與骨之間的受力關(guān)系，并未考慮在對人體頜骨進行種植鉆削時，鉆頭在深入鉆削的過程中是否會碰及下頜神經(jīng)管壁。

通過建立虛擬儀器實驗平臺，研究在磨牙區(qū)種植鉆孔過程中鉆削力與鉆頭進給深度的關(guān)系，得到鉆頭行至距神經(jīng)管壁2 mm時的臨界鉆削力值并發(fā)出警報，使操作者獲取可視化信息并提前規(guī)避不當操作。同時運用正交回歸試驗法，對下頜骨進行鉆削實驗，通過改變鉆頭直徑、旋轉(zhuǎn)速度以及鉆削速度對下頜骨進行鉆削實驗，測量不同因素水平下的鉆削力大小，然后根據(jù)測量結(jié)果運動正交回歸實驗法建立鉆削力與各因素之間的正交回歸預(yù)測模型，為臨床口腔種植手術(shù)的鉆孔過程提供較為準確的數(shù)據(jù)參考。

2 基于Labview的種植鉆孔實驗平臺的建立

本文構(gòu)建了一個種植鉆孔模擬系統(tǒng)，可對種植過程中鉆頭所受力的數(shù)據(jù)進行實時測量并提取，將信號輸出在系統(tǒng)的顯示界面上。使鉆頭行進至安全距離時，給出可視化報警信號。安全臨界距離如圖1所示。

圖1 安全臨界距離示意圖

2.1 鉆削數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

鉆削數(shù)據(jù)實時監(jiān)測系統(tǒng)的整體平臺包括具有醫(yī)用種植鉆孔各參數(shù)的鉆削系統(tǒng)、人體下頜骨實體3D模型及信號的采集處理設(shè)備等。信號采集模塊主要依靠力傳感器收集數(shù)據(jù)，信號處理模塊包括A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及電壓信號放大器等，數(shù)據(jù)存儲模塊主要處理數(shù)據(jù)采集卡與Labview軟件系統(tǒng)，并最終在PC上使有效信息可視化。系統(tǒng)整體平臺搭建如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體平臺搭建示意圖

在鉆孔過程中，需先通過力傳感器直接獲取轉(zhuǎn)換成的電壓信號，并通過電壓信號放大器將獲取的電壓信號進行放大，使得信號更加明顯，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)采集卡更好地收集到信號，并將信號通過PC接口端輸送到軟件的數(shù)據(jù)采集模塊中。

2.2 下頜骨三維數(shù)字化模型的建立

選取一名無牙列、其他各項功能正常的患者作為樣體，使用CBCT進行掃描，過程中保持掃描光束平面與樣體牙頜部位垂直，掃描后去掉冗余部分，共獲取了336張二維平面斷層圖像，所得數(shù)據(jù)以DICOM格式存儲并輸出。然后在Mimics軟件中打開DICOM格式的文件，對掃描獲取的336張斷層平面圖像進行逐層放樣，由于下頜神經(jīng)管的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于有限元的分析，在逐層放樣的過程中將下頜神經(jīng)管孔道區(qū)域填充，后續(xù)重新建立步驟，最后采用3D模型重建功能，重建出頜骨三維模型。頜骨三維模型如圖3所示。

圖3 頜骨三維模型

為便于獲取下頜骨三維模型，需先對整個頜骨模型進行精度處理，依次對頜骨模型使用“網(wǎng)格醫(yī)生”“去除特征”“空洞填充”“打磨”“快速光順”等命令進行處理，并對截取的下頜骨模型進行光順、去噪及打磨處理，用3-matic軟件，依據(jù)下頜神經(jīng)管的統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)[7]在下頜骨模型中重建一個簡化的下頜管模型。

2.3 下頜骨3D打印模型

本文根據(jù)人體口腔下頜骨的實際信息，采用逆向工程技術(shù)建立含下頜神經(jīng)管的下頜骨三維數(shù)字模型，并根據(jù)其實際硬度在3D打印機中將其快速成型，作為模擬種植鉆孔的實體模型。

在3D打印程序中，將人體骨骼真實硬度設(shè)置為下頜骨模型的硬度（HRC為15），并以ABS樹脂（吸水率為0.2%～0.4%，屈服強度為50 MPa）為材料對其進行打印，為在鉆削過程中更方便觀測下頜神經(jīng)管內(nèi)部情況，可在打印前將下頜管下壁往下方進行適當拉伸以擴大孔徑，從而不影響下頜管上壁與牙槽嵴上緣的距離。下頜骨實體模型如圖4所示。

圖4 下頜骨實體模型

因人體下頜骨表面輪廓復(fù)雜、不規(guī)則，在體外模擬鉆孔中，難以對其進行固定，因此需要根據(jù)下頜骨設(shè)計一個可與其表面輪廓相吻合的夾具，以保證信息獲取的精確性。

2.4 下頜骨夾具的設(shè)計

將下頜骨三維數(shù)字模型導(dǎo)入至3-matic正向工程軟件中，根據(jù)mark選取功能將模型輪廓的頰舌側(cè)部位選出，并根據(jù)表面分離功能，將選取的輪廓表面進行提取，并在表面進行拉伸切除，獲得可對下頜骨頰舌側(cè)輪廓進行固定的夾件模型。

2.5 鉆孔測量結(jié)果與分析

在體外模擬種植鉆孔中，選用與醫(yī)用鉆頭相似的參數(shù)，即直徑d為4 mm，螺旋角為26，鉆尖角為95的鉆頭，以1 200 r/min的鉆速、50 mm/min的進給速度進給[8]。本文中，對下頜骨第三磨牙區(qū)域、第二前磨牙區(qū)、尖牙區(qū)進行模擬種植鉆孔。

本文的研究目的是檢測鉆頭鉆至距離下頜神經(jīng)管壁上緣2 mm時的鉆削力，并將其作為信號燈報警閾值。根據(jù)鉆頭進給計算出進給距離，并以每隔1 s內(nèi)的力及扭矩值取均值，進行去噪處理，可得鉆削對應(yīng)牙區(qū)的力及扭矩波形變化趨勢，在3-matic軟件中對所建的下頜骨三維模型進行測量，3個磨牙區(qū)的深度依次是14.55 mm、16.48 mm、17.20mm，在鉆頭距離下頜管壁上緣2 mm，即12.55 mm、14.48 mm、15.20 mm處時，可根據(jù)上述的鉆削力與H的坐標圖各坐標點，依據(jù)插值運算在Matlab軟件中算出臨界距離值時對應(yīng)的F的大小為29.8 N、27.8 N、22.7 N。將上述鉆頭至臨界H值時的鉆削力F作為報警信號燈亮起的閾值，即當鉆削過程中，鉆削力達到該值時，報警燈亮起，操作人員可立即知道當時的鉆孔狀況，及時避開下頜神經(jīng)管道，避免種植鉆孔手術(shù)失敗。

鉆頭行至臨界距離時由信號燈報警情況可知，報警時的鉆削力值達到設(shè)定的閾值時信號燈亮起，此時鉆頭距離下頜神經(jīng)管壁上緣位置2 mm，實現(xiàn)了預(yù)期的目標，可成功向操作人員展示種植鉆孔的實時狀況，有效避免鉆頭在行至臨近距離后繼續(xù)進給，保證鉆孔手術(shù)成功。

3 結(jié)論

本文基于無牙列樣體的CBCT掃描數(shù)據(jù)，采用Mimics、Geomagic等逆向工程軟件建立了下頜骨三維數(shù)字模型，結(jié)合3-matic正向工程軟件的布爾運算功能建立含個性化下頜神經(jīng)管的下頜骨三維模型，將建立的下頜骨模型以STL格式導(dǎo)入型號為Objet350 Connex3的3D打印機程序內(nèi)，打印出下頜骨實體模型。同時通過搭建下位機硬件系統(tǒng)，研究了體外模擬種植鉆孔中鉆頭鉆削力的變化規(guī)律，并在Labview上位機程序中實時顯示出鉆削力的變化波形。以鉆頭進給至下頜神經(jīng)管壁上緣的安全距離時的鉆削力為閾值，發(fā)出警報信號，可對臨床口腔種植鉆孔提供極具實際意義的參考數(shù)據(jù)，有效避免種植鉆孔過程中，鉆頭刺穿下頜神經(jīng)管壁，提前規(guī)劃操作方案，避免損傷下頜骨內(nèi)的下頜神經(jīng)管壁，提高口腔種植鉆孔的成功率。