基于摄像头的增强现实导航辅助阻生额外牙拔除

摘要

本文提出了一种基于立体相机且无需标记配准的增强现实（AR）方法，用于辅助阻生额外牙的拔除。该工作流程可为阻生额外牙的定位提供可视化辅助，或可作为临床应用中一种可行的辅助手段。

摘要

由于深部埋伏的额外牙位置隐蔽且邻近牙胚和神经等重要结构，其外科拔除术是一项具有挑战性的儿童口腔手术。传统的徒手操作方法通常依赖于对三维影像的主观 mentally 重建，可能导致过度去骨及医源性损伤。本研究提出了一种标准化操作流程，采用基于摄像头的三维增强现实（AR）导航系统辅助定位埋伏的额外牙。通过整合术前锥形束计算机断层扫描（CBCT）数据与口内扫描数据，建立个性化的虚拟手术计划，形成数字化工作流程。术中，高分辨率摄像头实时捕捉手术视野，将埋伏额外牙的虚拟模型叠加于计算机屏幕显示的实时摄像图像上，为辅助定位提供可视化参考。该增强现实导航界面允许术者调节不同组织层的透明度以增强内部结构的观察，并通过可调节的定位置信度阈值优化图像配准精度。此外，当达到最佳配准对齐时，系统可锁定显示画面，确保关键操作过程中的视觉稳定性。本流程在一个患有深部埋伏额外牙的临床病例中得以应用。初步结果显示，该系统为埋伏额外牙的辅助定位提供了直观的空间引导。该工作流程在临床上具备可行性，术中未观察到邻近牙根损伤等并发症。综上所述，基于摄像头的增强现实导航技术可作为传统方法的潜在辅助手段，用于埋伏额外牙的拔除手术。通过提供内部结构的实时可视化以及对配准和透明度的交互式控制，该操作流程有助于推动数字化创新技术在复杂儿童牙科干预中的临床应用。

引言

多生牙是指超出正常牙列数目以外的牙齿，是一种常见的发育性牙体异常，也可能作为某些综合征的口腔表现。临床上，多生牙最常出现在上颌前牙区。部分多生牙仅表现为牙齿数目增多，可长期无症状；然而，它们也可能引发一系列并发症，包括邻近牙齿萌出异常、牙根吸收、牙弓形态不齐以及囊肿形成^1,2。因此，当多生牙影响恒牙萌出、存在并发症风险或干扰后续治疗计划时，通常需要进行外科拔除。

早期诊断和及时干预是多生牙治疗的基础。干预时机的选择以及手术方式的确定与多生牙的空间位置密切相关。尽管关于最佳拔除时机仍存在争议，但许多临床医生倾向于对已经影响恒牙萌出或具有并发症潜在风险的病例进行早期干预^3,4。手术技术的选择主要依赖于临床检查和影像学评估。在拔除多生牙前，锥形束CT（CBCT）常被用于三维（3D）评估多生牙的数量、位置、牙根形态及其与周围解剖结构的关系。这些信息有助于确定牙齿的精确位置、唇侧或腭侧方位、骨埋伏程度以及合适的手术入路^2,5。

目前，传统的徒手拔除主要依赖术者对术前影像的空间解读以及....

方案

本研究方案经中国昆明医科大学附属口腔医院人类研究伦理委员会批准，并遵循其指南进行（批准文号：KYKQ2025MEC0077）。已获得患者及其法定监护人书面同意，同意使用并发表其临床及术中图像资料。

1. 仪器准备

1. 准备无菌的拔牙器械。
2. 准备增强现实（AR）设备，包括一台笔记本电脑和通过 USB 3.0 连接到计算机的高清摄像头。

2. 术前影像学检查与患者准备（图1）

1. 进行基于术前高分辨率锥形束CT（CBCT）的三维重建，重点关注埋伏多生牙在上颌骨内的位置及其与邻近牙根和鼻腭神经血管束的空间关系。
   注意：CBCT采集参数：New Tom 3G；视野范围：153.60 mm × 153.60 mm；矩阵大小：512 × 512 像素；体素大小：0.300 mm；管电压：110 kVp；管电流：3 mA。
   1. 从CBCT软件中以医学数字成像和通信（DICOM）格式导出CBCT数据集。
   2. 打开Mimics Medical 21.0，以下简称三维重建软件。点击文件 > 新建项目，导入患者的DIC....

结果

一名17岁女性患者在正畸会诊期间接受了锥形束CT（CBCT）检查，结果显示上颌前部区域存在两颗埋伏多生牙。经正畸医生评估后，建议拔除这两颗多生牙及一颗滞留的乳牙。口内检查可见滞留的乳牙，而两颗多生牙均未萌出至口腔内。CBCT显示，其中一颗多生牙倒置，位于右侧上颌侧切牙根尖上方，完全被骨组织包埋；另一颗多生牙位于左侧上颌中切牙与侧切牙之间的腭侧，呈唇-腭向排列，骨覆盖不完整，因此定位难度相对较低。在向患者及其家属充分解释病情、治疗方案、潜在风险及替代治疗选择后，患者及家属同意在增强现实（AR）辅助下，拔除位于右侧上颌侧切牙根尖上方倒置且骨内埋伏的多生牙。另一颗多生牙及滞留乳牙则采用常规方法拔除。

围手术期结果如下：数字化设计耗时15分钟。术中以前牙列作为牙列标记。完成初步手动对齐后，无需额外进行基于点的术中配准操作，因为增强现实（AR）系统自动完成了匹配与配准。通过AR辅助定位，外科医生确定了切口位置，并制备骨窗以暴露阻生的额外牙。手术操作从切口至完全拔除阻生额外牙，共耗时10分钟。在操作过程中，由于手术器械遮挡了牙列识别区域，导致AR追踪暂时中断。当前牙列重新暴露后，系统再次识别并.......

讨论

多生牙是一种常见的发育性牙体异常，可能导致邻近牙齿萌出异常、牙根吸收、牙弓不齐以及囊肿形成等并发症。对于影响恒牙萌出、具有并发症风险或影响后续正畸治疗计划的多生牙，手术拔除通常是主要的治疗选择。已穿出黏膜表面而直接可见的多生牙，或穿透骨组织并在黏膜切开后可直视的多生牙，相对容易拔除。相比之下，完全埋伏于骨内的多生牙在术野中无法直接观察，其唇腭向位置、开窗骨范围及手术入路的确定主要依赖术者对术前影像的空间解读能力和临床经验，因此此类病例更具挑战性，尤其对经验较少的年轻术者而言。尽管传统手术技术也可用于拔除埋伏多生牙，但其成功率高度依赖术者的经验。若术中定位偏离牙齿实际位置，可能导致过度去骨，增加邻牙牙根或重要解剖结构损伤的风险。目前，多种数字化技术已应用于埋伏多生牙的拔除，在精确定位牙体位置、保存骨量及减少并发症方面已显示出初步成效。然而，这些方法仍存在局限性，包括耗时较长、设备昂贵以及难以广泛推广实施。

本研究提出一种基于立体相机、增强现实辅助的阻生额外牙拔除方法。术前，利用锥形束CT（CBCT）和口内扫描数据重建额外牙及其邻近牙齿的三维模型。通过无标记增强现实配准，将虚拟模型叠加.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
0.5% 聚维酮碘	N/A	N/A	用于术前口腔内及口腔外消毒。
3-0 非吸收性丝线缝合线	Johnson (Suzhou) Medical Devices Co., Ltd.		用于组织缝合。
4% 盐酸阿替卡因含肾上腺素			用于局部麻醉。
摄像头	Intal RealSense	D415	用于获取实时视野以识别标记物。
锥形束CT（CBCT）	Quantitative Radiology s.r.1.Verona, Italy	New Tom 3G	用于获取牙齿及其周围结构的影像。
刮匙	N/A	N/A	用于刮除拔牙窝并清除残留的牙囊组织。
牙挺	N/A	N/A	用于松动并取出被分割的牙冠和牙根碎片。
E3D CMF	Hunan Liuwei Jinghang Digital Technology Co., Ltd., Hunan, China.	https://www.e3d-med.com/	增强现实（AR）导航软件。
Geomagic Wrap 2021	3D Systems Corporation	version 2021	用于处理口内扫描模型，并对前牙进行分割，作为配准标记物。
止血纱布	N/A	N/A	用于伤口闭合后加压止血。
口内扫描仪	SHINING 3D	Aoralscan 3 CA3-C80046J04;https://www.shining3d.cn/	用于获取数字化牙弓数据。
J45-LED 外科手机	广东金美医疗科技有限公司	45-TUP; https://www.jinmedental.cn/	用于去除覆盖在额外牙上的骨质，并将牙冠与牙根分离。
笔记本电脑	联想集团有限公司	Legion Y7000 IRX9; Intel Core i7-13650HX CPU; NVIDIA GeForce RTX 4060 Laptop GPU, 8 GB GDDR6; 24 GB DDR5 RAM; 512 GB SSD.	运行增强现实（AR）软件。
Mimics	Materialise	version 21.0	用于三维重建。
无菌手术巾	N/A	N/A	用于覆盖头部、面部和颈部，仅暴露手术区域。
无菌套袖	N/A	N/A	用于术中图像采集时覆盖摄像头数据线和微型支撑支架。
USB 3.0 数据线	N/A	N/A	用于连接摄像头与笔记本电脑以进行图像采集。