Summary
动态计算机辅助种植手术 （DCAIS） 是一种使用光学控制在没有手术模板的情况下进行的受控种植体手术放置方法。术中对手术装置运动和位置的实时控制简化了手术，为外科医生提供了更多的自由度，提供了与静态导航方法相似的精度。
Abstract
在现代种植学中，手术导航系统的应用变得越来越重要。除了静态手术导航方法外，独立于导引的动态导航植入物放置程序也变得越来越普遍。该程序基于使用光学控制的计算机引导的种植牙放置。这项工作旨在演示新的计算机辅助种植手术（DCAIS）系统（设计，校准，手术）的技术步骤，并检查结果的准确性。基于锥形束计算机断层扫描（CBCT）扫描，使用专用软件确定植入物的确切位置。操作的第一步是导航系统的校准，可以通过两种方式执行：1）基于用标记拍摄的CBCT图像或2）基于没有标记的CBCT图像。根据术前计划在实时导航的帮助下插入植入物。干预措施的准确性可以根据术后CBCT图像进行评估。根据种植体的角度（度数）、平台和顶端偏差（mm），比较包含种植体计划位置的术前图像和术后CBCT图像。为了评估数据，我们计算了计划和执行的种植体位置内偏差的标准差（SD），平均值和平均值标准误差（SEM）。根据这些数据比较了两种校准方法之间的差异。根据迄今为止进行的干预措施，使用DCAIS可以实现高精度的种植体放置。不需要标记CBCT记录的校准系统允许手术干预，其准确性与使用标记的系统相似。通过培训可以提高干预的准确性。
Introduction
为了提高种植牙的准确性并减少并发症，已经开发了一系列基于成像研究的导航技术。术前成像和专用3D种植体规划软件可用于规划种植牙1、2的确切位置。
种植体手术导航的目的是在解剖学上更精确地放置种植牙，以达到最理想的位置，以降低可能的医源性并发症（神经、血管、骨骼和鼻窦损伤）的风险。导航手术减少了干预（无瓣手术）的侵入性，这可以减少投诉并加快恢复速度。准确的种植体放置基于先前的修复计划（可以在术前安装牙齿的基础上进行手术），并且最佳的种植体位置有助于避免骨移植。
如今，有两种类型的计算机辅助植入物（CAI）手术放置导航系统 - 静态和动态导航系统。静态导航是一种使用预先计划和预制的手术模板的受控植入物放置方法。动态导航是一种预先计划的计算机引导植入手术放置方法，无需使用光学控制的手术模板。控制程序使用基于点云的图像配准，通过应用3D图像叠加3将虚拟图像与真实环境合并。
DCAI系统使在类似GPS的框架内实现实时、客观的仪器控制成为可能。通常，它们使用光学跟踪来检测和跟踪放置在患者和手术器械上的（光学）参考标记的位置，并提供有关植入手术放置过程的连续视觉反馈1，2。
手术过程中手术器械的运动和位置可以在监视器上的三维图像上实时监控。在手术过程中，摄像系统允许连续监测和比较患者颚骨的位置和手术器械的位置。
动态导航系统有两种类型：一种是被动系统，在这种情况下，配准设备（参考基座）将从光源发出的光反射回立体摄像机;另一种是有源系统，其中注册设备发出光，然后是立体摄像机4，5。
下一级动态导航系统使用伺服电机通过触觉刺激引导外科医生的手，以便带有机械臂的设备可以确定外科医生的动作，甚至在遥远的未来完全取代它们4，5，6，7。
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Protocol
手术前获得每位患者的知情同意。干预后，本研究使用匿名回顾性数据。
1. 使用标记夹校准方法的动态导航系统传统工作流程中的步骤（仅适用于带齿的颚骨）：
- 将不透射线的固定夹连接到要使用热塑性材料进行治疗的颌骨牙齿（上颌骨/下颌骨）上。
- 用口腔中的标记夹子对患者进行CBCT检查（CBCT，FOV 8 cm x 11 cm，12 mA，95 kV）。
- 使用适当的软件根据假体结构规划植入物的位置。
- 校准设备（每个步骤都可以在显示屏上使用 播放 符号激活）。
- 注册手机。
- 校准手机卡盘。
- 校准插入手机的旋转标记盘。
- 将手臂组装在患者追踪器和标记的夹子之间，并对其进行校准。
- 注册手机。
- 通过将测量钻头的尖端握在标记的夹子表面来检查校准（图1）。
- 将带有标记的夹子固定在上颌或下颌的牙齿上（植入物放置在该颌骨上）。确保将夹子插入术前CBCT上登记的相同位置。
- 用探头的枢轴触摸夹子的金属球体来校准标记的夹子。
- 在局部麻醉下进行导航植入物放置，注射 2 mL 蒿因（80 mg/2 mL 蒿因/安瓿）。
- 测量钻头长度（将钻头接触到转板）（图2）。
- 在钻孔前检查实时视觉精度（将钻头接触任何齿面并检查其在显示器和嘴上是否处于相同位置）。
- 确定钻孔的入口点。在没有襟翼的情况下探索操作现场。
- 使用动态导航控件钻孔骨骼（图 3、图 4 和图 5）。
- 测量植入物长度（将植入物接触到去板）。
- 将植入物与佩戴由动态导航系统控制的跟踪器的手机一起放置。
- 用5.0单丝，不可吸收的聚丙烯缝合线缝合伤口，或固定预制的假肢工作。
- 获取对照放射成像（CBCT，FOV 8 cm x 11 cm，12 mA，95 kV）。
2.动态导航系统中使用示踪剂校准方法（未标记方法）的步骤：
- 对患者进行CBCT（口腔中无夹子）。
- 使用适当的软件根据假体结构规划植入物的位置。
- 按照步骤 1.4 中的说明校准设备。
- 在没有标记夹子的情况下校准系统（未标记的方法）。
- 将植入手术放置的计划转移到所用导航系统的软件中。在导航软件的 3D CT 图像上选择工作区。
- 将追踪器固定在牙齿上（使用未标记的夹子）或在无牙颌的情况下，使用特殊的追踪器固定臂。
- 在导航系统的 3D CT 图像上选择典型的解剖点（牙齿或骨骼表面）（至少三个点）。
- 通过用探针工具触摸口腔中选定的解剖点来识别它们。（图6）。
- 用探针在解剖结构的表面上绘制，对三到四个区域进行细化程序。
- 将带有导航的植入物置于局部麻醉中，注射 2 mL articain（80 mg/2 mL articain/ampure）。
- 测量钻头长度（将钻头接触到转盘）。
- 在钻孔前检查实时视觉精度（将钻头接触任何齿面并检查其在显示器和嘴中是否处于相同位置）。
- 确定钻孔点。在没有襟翼的情况下探索操作现场。
- 使用动态导航控件钻孔骨骼。
- 测量植入物长度（将植入物接触到去板）。
- 将植入物与佩戴由动态导航控制系统控制的跟踪器的手机一起放置。
- 用5.0单丝，不可吸收的聚丙烯缝合线缝合伤口或固定预制假肢工作。
- 进行对照放射成像（CBCT，FOV 8 cm x 11 cm，12 mA，95 kV）。
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Representative Results
要正确使用 DCAIS，必须对系统进行校准。有几种校准方法会影响植入物放置的准确性。本研究旨在评估不同校准方法对DCAIS精度的潜在影响。
根据迄今为止进行的干预措施，使用DCAIS可以实现高精度的种植体放置。在我们的早期研究中，我们比较了41个夹子校准的动态导航种植体放置和17个示踪剂校准的动态导航种植体放置。
根据我们早期的数据（表1、表2、表3、图7、图8、图9和图10），当使用两种校准方法时，结果表明平台与舌部（BL）和中远端（MD）方向的角度偏差之间没有显着相关性。比较植入物的计划和最终位置，与使用示踪剂的夹子相比，使用夹子进行校准证明更准确，但差异并不显着（表1，表2，表3，图7，图 8，图9和图10）).根据Block等人先前发表的数据，使用动态导航系统放置种植体可以实现高精度种植体放置1。通过训练8可以提高干预的准确性。
图1：使用夹子进行校准。 通过将测量钻头的尖端固定在标记夹子的表面上进行校准。 请点击此处查看此图的大图。
图 2：钻头校准。 通过将钻头接触到钻板来测量钻头长度。 请点击此处查看此图的大图。
图3：在口中钻孔过程。 在动态导航控制下钻孔骨骼。 请点击此处查看此图的大图。
图 4：在监视器上实时查看钻孔过程。 骨钻的实时控制视图。 请点击此处查看此图的大图。
图 5：在监视器上实时查看钻孔过程。 骨钻的实时控制视图。 请点击此处查看此图的大图。
图 6：使用示踪剂进行校准。 通过用探针工具触摸口腔中选定的解剖点来识别它们。 请点击此处查看此图的大图。
图 7：使用两种不同校准方法的测量值（植入物的计划位置和最终位置之间的差异）的平均偏差。 全局平台偏差（mm）：计划和放置的植入物的植入平台中心之间的空间距离。平台 B/L 偏差 （mm）：在舌尖尺寸上计划和放置的种植体的种植体平台中心之间的空间距离。平台 M/D 偏差 （mm）：计划中和放置的种植体的种植体平台中心之间的空间距离，以中远端尺寸表示。平台深度偏差（mm）：在深度维度上计划和放置的植入物的平台中心之间的空间距离。平台非深度偏差 （mm）：平台提单和 M/D 偏差的结果。顶端非深度偏差 （mm）：顶端提单和 M/D 偏差的结果。全局顶端偏差（mm）：计划和放置的种植体的种植体顶点中心之间的空间距离。根尖B/L偏差（mm）：计划种植体和放置种植体顶点中心之间的空间距离。根尖 M/D 偏差 （mm）：计划中和放置的种植体在中远端尺寸的种植体顶点中心之间的空间距离。根尖深度偏差（mm）：计划种植体和放置的种植体在深度维度上的种植体顶点中心之间的空间距离。 请点击此处查看此图的大图。
图 8：测量值的标准偏差。 使用两种不同校准方法的植入物的计划位置和最终位置之间的差异。 请点击此处查看此图的大图。
图 9：测量值平均偏差的标准误差。 使用两种不同校准方法的植入物的计划位置和最终位置之间的差异。 请点击此处查看此图的大图。
图 10：测量值分析。 使用两种不同校准方法的植入物的计划位置和最终位置之间的差异。 请点击此处查看此图的大图。
| 平均偏差 | ||||||||||
| 全球平台（毫米） | 平台提单偏差（毫米） | 平台 M/D 偏差（毫米） | 平台深度偏差（毫米） | 平台非深度偏差（毫米） | 顶端非深度偏差（毫米） | 全球顶点（毫米） | 顶点提单偏差（毫米） | 顶点 M/D 偏差（毫米） | 顶端深度偏差（毫米） | |
| 夹 | 1.68 | 0.14 | -0.24 | 0.53 | 1.1 | 1.29 | 1.81 | 0.18 | 0,00 | 0.45 |
| 示 踪 | 1.99 | 0.11 | 0.32 | 0.86 | 1.21 | 1.62 | 2.28 | 0.31 | 0.43 | 0.86 |
表1：测量值的平均偏差。 使用两种不同校准方法的植入物的计划位置和最终位置之间的差异。
| 标准差 | ||||||||||
| 全球平台（毫米） | 平台提单偏差（毫米） | 平台 M/D 偏差（毫米） | 平台深度偏差（毫米） | 平台非深度偏差（毫米） | 顶端非深度偏差（毫米） | 全球顶点（毫米） | 顶点提单偏差（毫米） | 顶点 M/D 偏差（毫米） | 顶端深度偏差（毫米） | |
| 夹 | 1.03 | 0.79 | 1.14 | 1.29 | 0.89 | 1.16 | 1.22 | 0.79 | 1.52 | 1.26 |
| 示 踪 | 0.84 | 0.94 | 1.3 | 1.3 | 0.94 | 1.23 | 1.07 | 1.12 | 1.61 | 1.27 |
表2：测量值的标准偏差。 使用两种不同校准方法的植入物的计划位置和最终位置之间的差异。
| 平均偏差的标准误差 | ||||||||||
| 全球平台（毫米） | 平台提单偏差（毫米） | 平台 M/D 偏差（毫米） | 平台深度偏差（毫米） | 平台非深度偏差（毫米） | 顶端非深度偏差（毫米） | 全球顶点（毫米） | 顶点提单偏差（毫米） | 顶点 M/D 偏差（毫米） | 顶端深度偏差（毫米） | |
| 夹 | 0.16 | 0.12 | 0.18 | 0.2 | 0.14 | 0.18 | 0.19 | 0.12 | 0.24 | 0.2 |
| 示 踪 | 0.2 | 0.23 | 0.32 | 0.32 | 0.23 | 0.3 | 0.26 | 0.27 | 0.39 | 0.31 |
表3：测量值平均偏差的标准误差。 使用两种不同校准方法的植入物的计划位置和最终位置之间的差异。
| 动态导航植入系统 | |
| 优势（+） | 缺点 （-） |
| ·非常精确的种植体放置 | ·干扰参考点与患者之间空间关系的系统故障可能导致种植床设计和种植体定位错误 |
| ·侵入性更小，愈合时间更短，抱怨更少 | ·正确使用系统需要更长的培训时间 |
| ·降低并发症（例如神经损伤）的风险 | ·昂贵 |
| ·易于在小口开口和臼齿区域使用 | |
| ·不需要单独的手术器械套件 | |
| ·有效利用时间，计划和手术可以在同一天进行 | |
| ·在手术过程中可以改变先前计划的植入物的位置和大小 | |
| ·也可用于狭窄的齿间空间 | |
表 4：动态导航种植体系统的优缺点。
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Discussion
在带标签的夹子使用的动态导航植入物放置系统中，传统的工作流程是通过夹子校准完成的。夹子表面有三个不透射线的金属球，在CBCT扫描中清晰可见。在示踪剂校准方法的情况下，这些包含夹子的金属球既不需要CBCT扫描，也不是系统校准所必需的。在现有牙齿的情况下，可以使用带标签和未标记的夹子（两种不同的校准方法）。夹子用热塑性材料固定在牙齿上。在无齿情况下，只能使用没有夹子的示踪剂方法进行校准。固定在牙齿上的夹子或固定在颌骨上的特殊固定臂在导航植入物手术放置期间固定光学参考底座3 （表4）。
为确保准确配准，在植入植入过程中，夹子应固定在相对于颚骨完全相同的位置。松散或不准确的固定夹子会导致导航错误和与计划植入物位置的不可逆转的偏差。使用夹子校准方法的缺点是需要夹子准备本身，对人员进行充分的培训，由于夹子而抑制闭合闭合的成像（咬合计划有限），以及动态导航困难9 由于在植入物放置过程中夹子的位置太靠近手术部位， 导致机夹与手机上的光学参考基座之间重叠。
在用未标记的夹子进行导航植入手术放置的情况下，与不透射线的夹子相反，解剖结构（例如，牙齿，骨骼）或其他结构（例如，牙冠）用于校准。与固定夹子的已知形状相反，参考结构通过使用称为示踪剂的设备进行表面触摸扫描来导航。示踪剂是一种带有光学跟踪底座的尖头笔状设备。示踪剂用于识别三到六个点甚至整个表面，由于跟踪器，这些表面在图像上清晰可见。这提供了创建的图像与患者候选结构的物理表面之间的配准映射。这种表面检测方法也用于无齿的情况。
动态导航系统的准确性与静态导航系统报告的精度相似。我们在动态导航中的两种校准方法中取得了相同的结果。
使用 DCAIS，探索大骨表面的需求减少;因此，可以减少切口，并减少粘膜瓣的形成。在动态方法的情况下，可以实时修改手术计划或偏离计划。动态种植体放置系统使用较短的手术器械运行;因此，它可以用于第二磨牙区域和口腔张开受限的患者。动态导航系统不需要特定的钻孔设备或手术器械。监控显示的手术允许专家的人体工程学身体位置，因此外科医生能够达到理想的姿势1，8，10。
通过使用动态导航的示踪剂校准，我们可以达到相同的精度，并避免需要剪辑准备。方法的准确性取决于医生，充分的培训是必不可少的。该方法需要非常精确的规划，并且期望更准确的种植体定位和修复结果。
该方法允许立即植入物加载（在初级稳定性强的情况下），因为可以根据设计提前准备假体。如果手术过程准确，假体适合植入物的位置。使用DCAIS的主要障碍是其（目前）高成本和耗时的学习过程。
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Disclosures
所有作者均披露了任何和所有利益冲突。
Acknowledgments
这项研究没有从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何具体资助。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DTX Implant Studio Software | Nobel Biocare | 106182 | 3D surgical planing software |
| MeshLab | ISTI - CNR research center | 2020.12 | 3D mesh processing software |
| Nobel Replace CC implant | Nobel Biocare | 37285 | Implant |
| X-Guide | X-Nav - Nobel Biocare | SN00001310 | dinamic navigation surgery system |
| X-Guide - XClip | X-Nav - Nobel Biocare | XNVP008381 | 3D navigation registration device |
| X-Guide planing software | X-Nav - Nobel Biocare | XNVP008296 | 3D surgical planing and operating software |
| X-Mark probe | X-Nav - Nobel Biocare | XNVP008886 | 3D navigation registration tool |
| PaX-i3D Smart | Vatech | CBCT | |
| Prolene 5.0 | 5.0 monofilament, nonabsorbable polypropylene suture |
References
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