本文關(guān)鍵詞：基于數(shù)控機(jī)床技術(shù)的個性化口腔種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)制造及其輔助種植手術(shù)的可行性研究

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【摘要】：研究背景自上世紀(jì)中葉Branemark提出“骨整合”理論,口腔種植技術(shù)發(fā)展迅猛。種植義齒(Implant Denture)是由種植體(Implant)和種植體支持的上部結(jié)構(gòu)(Superstructure)組成的特殊修復(fù)體。與傳統(tǒng)義齒相比,種植義齒一般不傷及鄰牙、咀嚼效率高、便于清潔、美學(xué)效果好、舒適度高,被稱為人類的“第三副牙”,利用種植義齒來代替缺失牙齒或修復(fù)缺損頜骨的治療方案已廣泛應(yīng)用于牙科及整形外科。承載種植體的頜骨解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且有頦孔、下頜神經(jīng)管、上頜竇、切牙管等重要解剖位點(diǎn),種植體的成功植入要求術(shù)者對植入位點(diǎn)、植入深度以及種植釘方向做出精確判斷,術(shù)前設(shè)計(jì)成為影響成功的關(guān)鍵因素。種植釘?shù)闹萌敕椒ㄖ饕獮橥绞种冕敺?Free-hand Implant)和種植導(dǎo)板輔助置釘法。種植導(dǎo)板輔助置釘法又可根據(jù)種植導(dǎo)板的種類分為傳統(tǒng)種植導(dǎo)板(Conventional Surgical Guide)輔助置釘法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助加工(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing, CAD/CAM)種植導(dǎo)板輔助置釘法。徒手置釘法主要依靠術(shù)者的手感和經(jīng)驗(yàn)；傳統(tǒng)導(dǎo)板缺乏頜骨內(nèi)部信息,精確度不高；CAD/CAM種植導(dǎo)板能夠較精確的定位置釘?shù)?從而達(dá)到較為理想的手術(shù)效果。目前,臨床上常規(guī)應(yīng)用的CAD/CAM種植導(dǎo)板多為樹脂導(dǎo)板：術(shù)前CBCT或CT采集患者頜骨及牙體組織數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建,在重建好的三維模型上利用逆向工程(Reverse Engineering, RE)軟件提取患者頜骨及牙體組織模型的表面輪廓,結(jié)合咬合關(guān)系和軟組織情況,計(jì)算最佳釘?shù)牢恢?通過CAD技術(shù)設(shè)計(jì)個性化的虛擬種植導(dǎo)板,最后通過快速成型(Rapid Prototyping, RP)設(shè)備或數(shù)控機(jī)床(Computer numerical Control, CNC)制備樹脂材料的實(shí)體導(dǎo)板。CAD/CAM種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)考慮到骨組織內(nèi)部情況,有效的提高了種植體置入的安全性和準(zhǔn)確性,而且操作簡單,只需掌握設(shè)計(jì)方法即可,醫(yī)生學(xué)習(xí)曲線短。因此,受到中外醫(yī)學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。然而,導(dǎo)板設(shè)計(jì)制作技術(shù)多由國外企業(yè)壟斷,有的還需將數(shù)據(jù)發(fā)送到國外加工,成本高、運(yùn)輸周期長,不利于臨床推廣。且樹脂材料毒理性質(zhì)不明、存在熱加工冷卻后回復(fù)變形和消毒方法受限等問題。金屬導(dǎo)板可規(guī)避以上材料問題。設(shè)計(jì)種植導(dǎo)板時(shí),既要求與組織面貼合、具有穩(wěn)定固位,又要避免進(jìn)入倒凹區(qū)、保證容易摘戴,使用快速成型金屬設(shè)備、四軸與五軸CNC加工均可滿足該設(shè)計(jì)要求。但是,考慮到種植導(dǎo)板為一次性消耗品,快速成型金屬設(shè)備與五軸CNC設(shè)備成本高昂,不利于成品的推廣,而四軸CNC設(shè)備普及廣泛,成本低廉。因此,本研究將綜合運(yùn)用三維重建技術(shù)、逆向工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、CNC加工技術(shù)、快速成型加工技術(shù)等方法設(shè)計(jì)、制備個性化CNC種植導(dǎo)板和個性化RP種植導(dǎo)板,并將通過尸體標(biāo)本置釘實(shí)驗(yàn)評價(jià)這兩種個性化種植導(dǎo)板輔助置釘?shù)木_性。目的本研究建立運(yùn)用CNC技術(shù)設(shè)計(jì)制造個性化口腔種植導(dǎo)板的方法；分別用CNC法和RP法制作個性化口腔種植導(dǎo)板,并對其置釘準(zhǔn)確性進(jìn)行對照研究。材料實(shí)驗(yàn)標(biāo)本：自然腐敗尸體下頜骨標(biāo)本20具(南方醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供)實(shí)驗(yàn)材料：自凝樹脂粉末自凝樹脂單體直徑2.0mm的圓柱形碳纖維桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Siemens Somaton Definition 64層雙源螺旋CT (Siemens,德國)(南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院影像中心提供)Dentium種植機(jī)、Dentium種植器械套盒(Dentium,韓國)(南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)系提供)VMC650型四軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床(寶雞機(jī)床,中國)(廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院提供)RS6000立體光固化成型3D打印機(jī)(聯(lián)泰科技,中國)方法1標(biāo)本預(yù)處理及分組所有標(biāo)本的余留牙均采用自凝樹脂填塞牙根與牙槽窩的空隙。標(biāo)本編號1-20,采用EXCEL軟件隨機(jī)分為兩組：一組用于數(shù)控機(jī)床導(dǎo)板實(shí)驗(yàn),稱為數(shù)控機(jī)床導(dǎo)板組(以下簡稱CNC組)(n1=10)；另一組用于快速成型導(dǎo)板實(shí)驗(yàn),稱為快速成型導(dǎo)板組(以下簡稱RP組)(n2=10)。2 CT數(shù)據(jù)采集所有下頜骨標(biāo)本進(jìn)行CT連續(xù)斷層掃描。掃描條件：電壓120kV,電流200mA,探測器0.6mm,螺距0.8,每轉(zhuǎn)0.5s,掃描層厚5mm,重建層厚0.6mm,矩陣320×320。掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出保存。3個性化導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與制造3.1個性化種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)將DICOM格式的下頜骨標(biāo)本CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics 14.11 (Materialise公司,比利時(shí))進(jìn)行三維模型重建。運(yùn)用Mimics 14.11的MedCAD模塊設(shè)計(jì)直徑2.0mm,長度30mm的圓柱體導(dǎo)針模擬種植系統(tǒng)中直徑2mm的先鋒鉆,每具標(biāo)本設(shè)計(jì)6枚導(dǎo)針,導(dǎo)針均可任意調(diào)節(jié)位置和方向。按照種植體與鄰牙最小間距2mm、種植體與重要解剖結(jié)構(gòu)最小間距2mm、種植體與相鄰種植體最小間距3mm的原則,在雙側(cè)頦孔間的下頜體上均勻放置6枚導(dǎo)針,通過測量各導(dǎo)針在冠狀、矢狀、水平面的位置數(shù)據(jù)來確保導(dǎo)針位于最佳釘?shù)郎稀⑾骂M骨三維重建模型和設(shè)計(jì)好的導(dǎo)針模型以STL格式導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studiol2 (Raindrop Geomagic公司,美國)中,測量導(dǎo)板區(qū)下頜體數(shù)據(jù),求得導(dǎo)板區(qū)下頜體內(nèi)、外接圓半徑。運(yùn)用UG NX6.0 (Siemens PLM Software公司,德國)軟件設(shè)計(jì)符合CNC工藝特點(diǎn)的初始導(dǎo)板,以STL格式導(dǎo)入Geomagic Studio 12中。在Geomagic Studio 12中將初始導(dǎo)板移動到適當(dāng)位置,使導(dǎo)板下表面與下頜骨擬種植區(qū)上表面有3mm以上重疊且不進(jìn)入倒凹區(qū),導(dǎo)板上下表面與導(dǎo)針長軸垂直,并使導(dǎo)針從導(dǎo)板內(nèi)部穿過。通過布爾減法運(yùn)算得出帶有導(dǎo)管及下頜骨表面信息的反向模板。將導(dǎo)板模型數(shù)據(jù)分別以STL格式和IGS格式保存。3.2制作數(shù)控機(jī)床種植導(dǎo)板將完成導(dǎo)板模型以IGS格式保存,導(dǎo)入NX UG 6.0軟件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。在NX UG 6.0軟件中,根據(jù)導(dǎo)向模板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及本實(shí)驗(yàn)所采用的四軸VMC650型機(jī)床的加工要求進(jìn)行導(dǎo)板的工藝設(shè)計(jì)。擬在70mm×40mm×15mm的坯料上進(jìn)行加工：第一步,在坯料上進(jìn)行切削出導(dǎo)板的大體輪廓；第二步,對導(dǎo)板的不規(guī)則曲面進(jìn)行精細(xì)加工；第三步,采用直徑2mm的麻花鉆頭鉆削出導(dǎo)管；最后對導(dǎo)板進(jìn)行45度倒角,整個過程只需一次夾持。將工藝設(shè)計(jì)程序以TXT格式保存并導(dǎo)入VMC650四軸數(shù)控機(jī)床,將一塊70mm×40mm×15mm鋼質(zhì)坯料裝夾在操作臺上,按照設(shè)計(jì)的加工工藝進(jìn)行切削加工。加工完畢后清洗干凈導(dǎo)板待用。3.3制作快速成型種植導(dǎo)板將以上所得STL格式導(dǎo)板數(shù)據(jù)導(dǎo)入Materialise Magics V13(Materialise公司,比利時(shí))軟件進(jìn)行虛擬堆積,厚度設(shè)定為0.05mm,之后應(yīng)用RS6000立體光固化成型設(shè)備進(jìn)行快速成型,加工出光敏樹脂導(dǎo)板待用。4尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)與精確性分析4.1尸體標(biāo)本的碳纖維桿模擬置釘實(shí)驗(yàn)將制作出的個性化導(dǎo)板根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)卡在下頜骨或余留牙上,術(shù)者左手協(xié)助固定導(dǎo)板,右手持握種植手機(jī),采用直徑2.0mm的先鋒鉆通過導(dǎo)管進(jìn)行鉆削。鉆孔內(nèi)插入直徑2mm,長度30mm的圓柱形碳纖維桿替代鈦種植釘。4.2體外種植導(dǎo)板輔助下模擬置釘?shù)木_性分析全部標(biāo)本鉆孔完成后,用同一臺CT在相同參數(shù)掃描下頜骨標(biāo)本。再用相同的三維分割與重建方法構(gòu)建帶有碳纖維桿的頜骨三維模型,以STL格式保存。應(yīng)用逆向工程軟件Geomagic Studio 12進(jìn)行個性化種植導(dǎo)板輔助種植手術(shù)精確性分析。將術(shù)前、術(shù)后的標(biāo)本三維模型以STL格式導(dǎo)入Geomagic軟件。定義術(shù)前模型上雙側(cè)頦孔的中點(diǎn)為新的坐標(biāo)原點(diǎn)；雙側(cè)頦孔連線所在直線為X軸(冠狀軸)；過正中聯(lián)合中下1/3點(diǎn)與雙側(cè)頦孔的平面為水平面,該平面大致位于下頜骨體中部；在水平面上過原點(diǎn)的X軸的垂線為Y軸,過原點(diǎn)的水平面的法線為Z軸；X、Y軸所在平面冠狀面,Y、Z軸所在平面為矢狀面；將X軸上偏向原點(diǎn)左側(cè)的記錄為正值,偏向右側(cè)的記錄為負(fù)值；將Y軸上偏向原點(diǎn)后側(cè)的記錄為正值,偏向前側(cè)的記錄為負(fù)值；將Z軸上偏向原點(diǎn)上側(cè)的記錄為正值,偏向下側(cè)的記錄為負(fù)值。將術(shù)后頜骨模型最佳擬合對齊到術(shù)前模型上,復(fù)制坐標(biāo)系到術(shù)后頜骨模型。用水平面分別裁剪得到術(shù)前設(shè)計(jì)釘?shù)琅c術(shù)后實(shí)際釘?shù)赖慕孛�。擬合截面為圓形,記錄圓心坐標(biāo)。4.3統(tǒng)計(jì)學(xué)分析分別比較兩組導(dǎo)板輔助種植手術(shù)在下頜骨中部水平面、矢狀面及冠狀面的絕對偏差,本研究采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析,P0.05有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)果1.將標(biāo)本進(jìn)行CT掃描,獲取高質(zhì)量影像數(shù)據(jù),運(yùn)用Mimics 14.11軟件分割、重建出精確的標(biāo)本三維模型。2.利用Mimics 14.11、 Geomagic Studio 12以及UG NX6.0軟件設(shè)計(jì)出符合CNC工藝特點(diǎn)的虛擬種植導(dǎo)板。3.應(yīng)用RS6000立體光固化成型設(shè)備制造出光敏樹脂快速成型種植導(dǎo)板。導(dǎo)板表面連續(xù)、光滑、無樹脂瘤,有一定強(qiáng)度,無變形。4.應(yīng)用VMC650四軸數(shù)控機(jī)床制造出醫(yī)用不銹鋼CNC種植導(dǎo)板。導(dǎo)板表面連續(xù)、光滑、無銳利邊緣、無金屬瘤,強(qiáng)度大,無變形,具有較高的穩(wěn)定性。5.RP組和CNC組共使用個性化種植導(dǎo)板輔助置入120枚(RP組60枚,CNC組60枚)種植螺釘(碳纖維桿)。下頜骨中部水平面上左右側(cè)的絕對偏差在CNC組為(0.133±0.094)mm,在RP組為(0.689±0.301)mm,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)；下頜骨中部矢狀面上前后側(cè)的絕對偏差在CNC組為(0.269±0.159)mm,在RP組為(0.935±0.261)mm,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)。結(jié)論本研究成功設(shè)計(jì)虛擬種植導(dǎo)板,并分別采用CNC技術(shù)制作醫(yī)用不銹鋼、采用RP技術(shù)制作光敏樹脂個性化口腔種植導(dǎo)板。在體外標(biāo)本實(shí)驗(yàn)中,與RP種植導(dǎo)板相比,CNC種植導(dǎo)板輔助下頜骨種植具有更高的安全性和的精確性。但導(dǎo)板設(shè)計(jì)方案有待提高,此項(xiàng)技術(shù)的臨床應(yīng)用階段仍需進(jìn)一步研究探討。
【關(guān)鍵詞】：下頜骨 口腔種植體 種植導(dǎo)板 數(shù)控機(jī)床 快速成型
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R783.6
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-17
• 前言17-20
• 第一章 數(shù)控機(jī)床種植導(dǎo)板與快速成型種植導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與制作20-35
• 1 引言20-21
• 2 材料與方法21-24
• 3 結(jié)果24-28
• 4 討論28-34
• 5 結(jié)論34-35
• 第二章 數(shù)控機(jī)床種植導(dǎo)板與快速成型種植導(dǎo)板輔助種植的體外實(shí)驗(yàn)及精確性分析35-49
• 1 引言35-36
• 2 材料與方法36-39
• 3 結(jié)果39-43
• 4 討論43-48
• 5 結(jié)論48-49
• 全文總結(jié)49-50
• 中英文對照縮略詞表50-51
• 參考文獻(xiàn)51-58
• 成果58-59
• 致謝59-61

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 金濤,陳建良,童水光;逆向工程技術(shù)研究進(jìn)展[J];中國機(jī)械工程;2002年16期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 吳婷;數(shù)字化口腔種植關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

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本文編號：650845