口腔医学数字化技术及应用

随着医疗技术的发展和人们生活水平的提高，传统以二维影像为基础的诊断和依赖医生操作经验的治疗方式已经不能满足口腔疾病诊疗的精准度要求。近年来，以医学图像为基础的三维模型重建、数字化手术方案设计、生物力学分析、个性化手术工具的设计与3D打印制备、个性化植入体及修复体的设计等数字化技术在口腔医学中得到了广泛应用，显著提高了口腔种植、颌骨缺损重建、口腔正畸等口腔疾病诊疗的精准度和治疗效率及良好的远期效果。

本书作者多年来一直专注于数字化技术在口腔医学中的应用研究，是国内较早开展数字化口腔种植技术、数字化颌骨缺损修复重建技术、数字化精准正畸等方面研究的团队，在医学模型重建、生物力学有限元分析、医学3D打印等方面取得了一定的成果，并大量临床应用，本书就是对相关成果的总结。全书共分为8章：第1章绪论介绍口腔医学中主要的数字化技术及其在口腔医学中的发展历史、主要应用领域与现状；第2章介绍颌骨模型及下颌骨生物力学有限元模型构建技术，包括CT图像处理、下颌骨三维模型构建及生物力学建模和分析；第3章介绍数字化牙种植技术，包括三维模型重建、种植方案设计、手术导板设计与3D打印及临床案例；第4章介绍下颌骨数字化精确重建技术，包括颌骨三维模型重建、手术方案设计、手术导板设计与打印及临床案例；第5章介绍下颌骨新型植入体拓扑优化设计及制备，包括拓扑优化设计、生物力学分析及检测、植入体设计与制备等；第6章介绍数字化正畸技术，包括正畸生物力学有限分析及测量、正畸方案设计与实施等；第7章介绍可摘局部义齿的数字化设计与制作技术；第8章对全文进行了总结与展望。

 本书内容相关的研究工作先后得到了国家自然科学基金（52175280，51775506，51375453，50905164）、浙江省自然科学基金（LY13E050017，Y2090835）资助。

 本书由浙江工业大学刘云峰、程康杰和仵健磊合著。研究生徐健斌、廖文清、周根、彭文明、范莹莹、袁子茜、何传鑫等为本书做了大量工作，在此表示衷心感谢。本书的临床案例由长期以来的医疗合作伙伴浙江医院的张建兴主任、浙江大学医学院附属口腔医院的朱赴东主任、浙江大学医学院附属第1医院的朱慧勇主任、浙江大学医学院附属第二医院的董研主任、杭州国大口腔的邵现红主任等提供，对长期以来给予大力支持的口腔临床专家在此一并表示感谢！

 由于作者水平有限，书中难免存在疏漏和不足之处，敬请读者提出宝贵意见。

《口腔医学数字化技术及应用》以浙江工业大学数字化医学团队在十多年数字化技术在口腔医学方面的应用研究成果和教学经验积累为主线，总结了数字化口腔医学的概念、构架和技术组成及发展趋势，详细介绍了口腔生物力学分析、数字化牙种植、数字化颌骨缺损重建、植入体优化设计、数字化正畸及数字化修复等方面的内容。全书共由8章组成：第1章绪论介绍了口腔医学中的主要数字化技术及其在口腔医学中的发展历史、主要应用领域与现状；第2章介绍了颌骨模型及下颌骨生物力学有限元模型构建技术，可供学生学习CT图像处理、下颌骨三维模型构建及生物力学建模和分析方面的基础知识；第3章介绍了数字化牙种植技术，可供学生学习数字化植牙方面的基本知识；第4章介绍了下颌骨数字化精确重建技术，可供学生学习下颌骨重建技术的基础知识；第5章介绍了下颌骨新型植入体拓扑优化设计及制备，可供学生学习优化设计、生物力学分析等方面的基础知识；第6章介绍了数字化正畸技术，可供学生学习数字化正畸方面的基础知识；第7章介绍了可摘局部义齿的数字化设计与制作技术，可供学生学习义齿设计、制作方面的基础知识；第8章对全文进行了总结与展望。《口腔医学数字化技术及应用》可作为机械工程、口腔医学专业的本科生和研究生选修课的教材。

刘云峰，博士，教授（三级），博士生导师，浙江工业大学机械工程学院党委委员、先进制造与现代设计技术研究所常务副所长、特种装备制造与先进加工技术JYB/浙江省重点实验室数字化医学团队负责人；2004年获浙江大学机械工程专业博士学位，并进入浙江工业大学机械工程学院从事教学科研工作。

1 绪论

1.1口腔医学中的主要数字化技术

1.2 数字化技术在口腔医学中的发展历史

1.3数字化技术在口腔医学中的主要应用领域及现状

课后思考与练习

2．颌骨模型及下颌骨生物力学有限元模型构建技术

2.1 三维模型-医学图像处理及口腔模型重建

2.2下颌骨生物力学有限元建模

（1）基于参数曲面的有限元建模技术；（2）基于三角曲面的有限元建模技术

2.3下颌骨生物力学有限元分析应用实例-个性化3D内固定板的优化设计

课后思考与练习

• 数字化牙种植技术

3.1 种植牙技术概述

自由手、静态导航、动态导航

3.2 数字化牙种植技术流程

（1）建模；（2）方案设计；（3）导板设计与打印；（4）配套工具

3.3 数字化牙种植案例

（1）黏膜导板与即刻负重；（2）截骨导板与骨支持导板；（3）微创即刻复重

3.4牙种植技术发展趋势

人工智能，大数据，机器人

课后思考与练习

4．下颌骨数字化精确重建技术

4.1 下颌骨重建技术概述

4.2 基于腓骨瓣的下颌骨精确重建技术流程

（1）建模；（2）手术方案设计；（3）手术导板设计与打印

4.3 腓骨瓣不同高度部位对下颌骨生物力学性能的影响

4.3 下颌骨精确重建应用案例

课后思考与练习

5．下颌骨新型植入体拓扑优化设计及制备

5.1 下颌骨缺损重建的生物力学原则

5.2 下颌骨重建复合结构植入体的优化设计及制备

5.3 下颌骨钛合金个性化植入体的动物实验（比格犬）

5.4 PEEK/PEKK材料在下颌骨植入体中的应用前景

课后思考与练习

• 数字化正畸技术

5.1 正畸矫治中的生物力学基础

5.2 正畸数字化仿真（基于牙周膜应力的精确计算）

5.3 正畸矫治力的检测（含动态测量）

5.4 基于形状记忆材料的精确正畸

5.5 基于3D打印的舌侧正畸技术

课后思考与练习

6 可摘局部义齿的数字化设计与制作技术

6.1 可摘局部义齿的传统制作流程

6.2 可摘局部义齿的数字化流程

6.3 义齿支架的数字化设计

6.4 义齿支架的3D打印与后处理

6.5 临床应用案例

课后思考与练习

• 结与展望

《口腔医学数字化技术及应用》以浙江工业大学数字化医学团队在十多年数字化技术在口腔医学方面的应用研究成果和教学经验积累为主线，总结了数字化口腔医学的概念、构架和技术组成及发展趋势，详细介绍了口腔生物力学分析、数字化牙种植、数字化颌骨缺损重建、植入体优化设计、数字化正畸及数字化修复等方面的内容。全书共由8章组成：第1章绪论介绍了口腔医学中的主要数字化技术及其在口腔医学中的发展历史、主要应用领域与现状；第2章介绍了颌骨模型及下颌骨生物力学有限元模型构建技术，可供学生学习CT图像处理、下颌骨三维模型构建及生物力学建模和分析方面的基础知识；第3章介绍了数字化牙种植技术，可供学生学习数字化植牙方面的基本知识；第4章介绍了下颌骨数字化精确重建技术，可供学生学习下颌骨重建技术的基础知识；第5章介绍了下颌骨新型植入体拓扑优化设计及制备，可供学生学习优化设计、生物力学分析等方面的基础知识；第6章介绍了数字化正畸技术，可供学生学习数字化正畸方面的基础知识；第7章介绍了可摘局部义齿的数字化设计与制作技术，可供学生学习义齿设计、制作方面的基础知识；第8章对全文进行了总结与展望。《口腔医学数字化技术及应用》可作为机械工程、口腔医学专业的本科生和研究生选修课的教材。

刘云峰，博士，教授（三级），博士生导师，浙江工业大学机械工程学院党委委员、先进制造与现代设计技术研究所常务副所长、特种装备制造与先进加工技术JYB/浙江省重点实验室数字化医学团队负责人；2004年获浙江大学机械工程专业博士学位，并进入浙江工业大学机械工程学院从事教学科研工作。

5.4.2 钛合金复合结构植入体的制备

使用RENISHAW（Renishaw plc., Gloucestershire, UK）品牌AM 400型号的SLM 3D打印机（如图5-15(a)所示）来完成钛合金复合结构植入体的制造。使用的钛合金（Ti6Al4V）粉末的平均粒径为30 μm。打印工艺参数为：激光光斑直径70 μm；铺粉层厚度50 μm；扫描速率0.6 m/s；激光功率400 W；曝光时间125 μs。

使用3D Systems（3D Systems Inc., Valencia, CA, USA）品牌Sinterstation HiQ   HS型号的SLS 3D打印机（如图5-15(b)所示）对植入体两端的比格犬下颌骨使用尼龙12材料进行成型。打印工艺参数为：激光光斑直径400 μm；铺粉层厚度100 μm；扫描速率1.5 m/s；激光功率50 W；曝光时间100 μs。

图 5-15 3D打印机

完成SLM成型后，首先将钛合金复合结构植入体从基板上移除之前进行退火处理，退火能释放SLM成型的植入体内部残余应力，提高植入体的塑性。退火过程需始终在氩气保护下进行，以避免植入体与空气/氮气接触（否则可能会发生氮脆化）。退火工艺曲线如图5-16(a)红色曲线所示：将热处理炉设置在90分钟内加热到730~850 ℃；在730~850 ℃下保温2小时；炉冷至350 ℃；关闭氩气，待冷却至室温后取出植入体。

随后将带有植入体的基板安置在线切割机（如图5-16(b)所示）中切除与基板相连的支撑。使用钳子钳断与植入体相连的支撑。此时的植入体表面会有很多因支撑剥离而残留的支撑痕，可用硬质合金钨钢打磨头进行打磨。

为了去除残留的粉末颗粒，使用金刚玉（Al2O3）对植入体进行喷砂处理（如图5-16(c)所示），之后在25 ℃的蒸馏水中进行超声振荡10分钟以清洁微孔内的残留颗粒。接着将植入体放置在超声振荡中在80 ℃下进行酸蚀（25ml HCl 25 ml H2SO4 50 ml H2O）30分钟，随后置于25 ℃的蒸馏水中进行超声振荡10分钟以去除酸性液体。然后将植入体放置在超声振荡中在80 ℃下进行碱蚀（25ml 70% HNO3 50 ml H2O 2 ml 47% HF）5分钟，清洗后用氮气吹干。*后将植入体放置在磁力抛光机中，使用增白剂和水溶性抛光液对植入体进行增白、抛光。

图 5-16 后处理过程

由于SLM成型过程的温度非常高，会影响个性化植入体的孔隙和连接支柱尺寸。在本研究中，使用高速摄影仪（VW-6000, Keyence, Osaka, Japan）和电子秤来研究SLM成型过程中植入体塑型单元和生长单元孔隙尺寸的变化。同时将钛合金复合结构植入体装配到比格犬尼龙下颌骨模型上以预演临床植入手术。

经过后处理的钛合金复合结构植入体如图5-17所示。通过图片可以看出：植入体的整体尺寸保持完好，所有特征基本形成。用手触摸植入体各个特征表面，手感光滑。

图 5-17 钛合金复合结构植入体

植入体外表面的光学显微图像如图5-18所示。从图中可以看出：塑型单元和生长单元孔隙清晰可见，结构良好，支柱连续。然而，由于经过酸蚀碱蚀处理，孔径比设计的稍大。总体来说，由SLM成型的多孔质量令人满意。

图 5-18 钛合金复合结构植入体的光学显微图像

图5-19(b)显示了经酸蚀碱蚀处理后植入体的质量为11.61 g，与处理前的（图5-19(a)，12.32 g）相比，质量减轻了5.8%。这是由植入体内部结构中残留的钛合金粉末颗粒经超声震荡仪震出及结合较弱的未熔融的钛合金粉末颗粒经酸蚀碱蚀处理脱落造成的。

图 5-19 钛合金复合结构植入体的重量

将金属复合结构植入体安装到比格犬尼龙下颌骨模型上，其装配图如图5-20所示。从图中可以看出：金属复合结构植入体与两端健康颌骨的匹配效果良好，实物装配效果与计算机设计的方案高度吻合。

图 5-20 钛合金复合结构植入体与尼龙下颌骨模型的装配图

对钛合金复合结构植入体、钛钉及螺丝刀等进行高温高压灭菌，对截颌骨导板使用碘伏消毒后打包备用（如图5-21所示）。

图 5-21 打包材料

5.4.3 动物试验及评价

选用年龄18个月，体重13~15 kg，颌骨形态发育良好的比格犬3只作为实验动物，雌雄不限（由浙江省中医药大学动物实验研究中心提供并进行饲养）。

在全麻状态下，拔除比格犬下颌右侧4颗磨牙。步骤如下：术前12小时禁饮食，对比格犬注射速眠新Ⅱ（0.1 ml/kg）进行全身麻醉，并采用0.5-2%异氟烷通过气管插管方式维持全身麻醉状态（如图5-22所示）；麻醉成功后，采用左侧卧体位并固定四肢置于手术台上；常规铺巾，采用碘伏对比格犬牙龈进行消毒，使用牙龈分离器、探针等器械完成牙龈与牙齿的附着分离；使用挺喙挺松右侧2颗磨牙（如图5-23所示），使用牙钳将挺松的2颗磨牙连同牙根完整拔出；对拔牙后的牙槽窝进行处理；术后给予比格犬肌注抗生素（青霉素，160万U/d）3 d，每天1次。

图 5-22 麻醉

图 5-23 拔除牙齿

拔牙后3个月，待拔牙窝牙槽粘膜完全愈合后行下颌骨右侧截除术。步骤如下：术前12小时禁饮食，对比格犬注射速眠新Ⅱ（0.1 ml/kg）进行全身麻醉，并采用0.5-2%异氟烷通过气管插管方式维持全身麻醉状态；麻醉成功后，采用左侧卧体位并固定四肢置于手术台上；常规铺巾，采用碘伏对比格犬口内进行消毒；于颌下缘10 mm处作平行切口，长约40 mm。依次切开颌下区表面皮肤、颈阔肌和骨膜，使用骨膜剥离器钝性剥离骨膜直至暴露骨面，如图5-24所示；将截颌骨导板放置于暴露的骨面，缓慢移动调整位置使其达到与骨面完全贴合的效果。接着用先锋钻钻孔后拧入固位螺钉以固定截颌骨导板，如图5-25所示；先用先锋钻对用于固定钛钉的8个定位导向孔进行备孔，再用线锯在截颌骨导板的引导下截断下颌骨，如图5-26所示。在操作过程中，用生理盐水充分冷却钻头和锯片以避免热坏死。截断后造成的下颌骨体部节段性缺损如图5-27所示。

行下颌骨体部截除术后进行钛合金复合结构植入体的植入。步骤如下：对血管进行止血后将经过高温高压灭菌消毒的复合结构植入体放置在缺损区域，将8枚钛钉拧入事先备好的螺钉孔以固定复合结构植入体与两端下颌骨，*终就位效果如图5-28所示，与计算机设计的方案高度吻合；止血后分层缝合创面（如图5-29所示）后，采用碘伏消毒创面；术后给予比格犬肌注抗生素（青霉素，160万U/d）5 d，每天1次，以避免伤口感染等影响试验结果的因素。

图 5-24 钝性剥离骨膜暴露骨面

图 5-25 导板就位

图 5-26 备孔及截骨

图 5-27 体部节段性缺损

图 5-28 钛合金复合结构植入体就位

图 5-29 分层缝合

为了进行结果观察，于术后4周对比格犬进行麻醉后，使用CT扫描仪扫描以监测植入体与两端下颌骨的成活情况。图像采集设备：Philips Brilliance 64。扫描参数：电压120 kV，电流359 mA，层厚0.67 mm。分别于术后4、8和12周通过注射过量戊巴比妥钠的方式各造成1只比格犬安乐死，取出带植入体的下颌骨并清除脂肪和结缔组织后放入10%甲醛溶液中固定48小时，在4℃冰箱中保存，用于常规组织形态学测定。将取材固定48小时后，首先将标本锯断成20*20*10 mm大小，放入不同浓度乙醇中进行梯度脱水后在低温下包埋在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中。接着使用硬组织切片机SM2010 R（Leica, Germany）将标本切割成连续性硬组织切片，厚度~8 ?m。然后用甲苯胺蓝染色，48小时后进行封片，使用体视显微镜SZX9（Olympus Optical Co Ltd., Tokyo, Japan）观察植入体骨结合情况。

动物试验中手术过程顺利，术中使用截颌骨导板能精准、快速地定位截骨线及钛钉固定位置，确保手术中截除的下颌骨与植入体的精确匹配。截颌骨导板安装过程顺利，与骨面高度贴合，全程有效固位。钛合金复合结构植入体植入过程非常便捷，钛钉固位孔精准。

所有比格犬均耐受了全部手术，包括拔牙、体部截骨及植入体的植入，于术后1小时内清醒。术后术区无开裂。术后观察口腔粘膜发现粘膜肿胀，但未出现牙槽粘膜破溃、支架暴露等并发症。术后第1天能进食，术后一周内后肢跛行。

使用Mimics对CT图像数据进行重建。重建得到的CT图像显示植入体存活，前牙及健侧牙咬合关系正常。如图5-30所示，植入体近心端有3枚钛钉松脱，其中下缘2枚松脱，而远心端4枚钛钉固位良好。造成该现象的原因可能是：第1，比格犬下颌在咀嚼运动过程中，近心端承受较大的咬合力，是应力集中区域且局部应力完全由植入体承担，产生应力屏蔽效应，进而近心端固定部位发生骨吸收造成钛钉的松脱。另外由有限元计算结果可知：下缘的应力大于上缘的，因此下缘的钛钉更容易松脱；第二，钻孔时钻的孔径过大，导致钛钉固位后预紧力不够，在功能作用下松动后脱落。

图 5-30 术后4周CT图像

分别于术后4、8和12周进行组织切片，使用甲苯胺蓝对硬组织切片进行染色以观察组织学变化，其中淡紫色代表原矿化骨，深蓝色代表新生骨。组织学染色切片结果显示：在第4周时，植入体生长单元与骨组织的边界清晰，只有少部分孔隙有骨组织的长入，内部的孔隙没有骨组织的存在（如图5-31(a)所示）；到第8周时，新生骨逐渐成熟，植入体孔隙处有丰富的骨组织形成，骨接触率增高（如图5-31(b)所示）；到第12周时，支架周边的骨组织已经成熟，质地较为致密（如图5-31(c)所示）。以上结果表明植入体复杂的结构对骨组织的生长不会产生干扰，表面的孔隙大小适宜骨细胞生长，具有良好的生物相容性。

图 5-31 组织学染色切片

5.4.4 钛合金复合结构植入体动物实验结果分析

近年来，钛合金凭借其优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性，被很多研究人员通过计算机辅助设计技术设计成形式多样的下颌骨缺损修复体，并通过增材制造（3D打印）技术成型后用于下颌骨修复重建手术。但是，比起人体骨组织，钛合金植入体的刚度等机械性能要高得多，容易形成应力屏蔽效应，从而发生骨吸收造成固定钛钉的松脱、植入体磨穿软组织等并发症，*终导致植入体的失效。因此，为了降低钛合金植入体的力学性能，可以设计具有镂空或多孔结构的钛合金植入体。下面通过结构、生物学、力学三方面来讨论金属复合结构植入体修复重建比格犬体部缺损的实际效果，以评价复合结构植入体进行下颌骨缺损重建的可行性。

制备的金属复合结构植入体的外部表面形状（塑型单元）与比格犬原始切除骨段相似，植入后与计算机设计的方案高度吻合，能实现与缺损部位的精确匹配。术后4周CT图像表明，塑型单元能使得比格犬下颌骨外观得到个性化地恢复；在植入过程中，金属复合结构植入体的两翼（固定单元）能分别与两端相邻的下颌骨残端贴合实现精准固位。以上结果表明了制备复合结构植入体的技术是可行的，设计制造的植入体的结构可用于下颌骨缺损个性化和精确化重建。

动物试验的结果表明：金属复合结构植入体的生长单元能引导骨细胞长入并逐渐成熟形成致密的骨组织，达到植入体与下颌骨残端骨组织良好稳定结合的效果；此外，植入体复杂的结构对骨组织的生长不会产生干扰，表面的孔隙大小适宜骨细胞生长，具有良好的生物相容性；但塑型单元多孔结构内充满了纤维结缔组织。

4周的CT图像表明，钛合金复合结构植入体近心端的固定单元没有很好的进行有效固位，有3枚钛钉在犬的进食过程中出现松动而脱落；但是复合结构植入体内部经拓扑优化设计的支撑结构（支撑单元）强度是足够的，能确保术后重建下颌骨系统的稳定性。

综上所述，塑型单元能精确地恢复个性化的下颌骨外形，但有必要使用非多孔结构以阻止有较强竞争力的纤维结缔组织侵入并蔓延到骨缺损区；固定单元能与下颌骨表面贴合，但近心端的结构的分布、走向需符合应力分布规律，以保证稳定的骨愈合环境；生长单元的孔隙形状、大小可实现引导骨细胞长入骨缺损区；基于生物力学拓扑优化设计的支撑单元及孔隙结构设计在整体上有效地降低了钛合金植入体的弹性模量，力学性能相较于传统植入体大为改善。但从失败案例来看，在局部区域特别是松质骨区出现植入体与骨组织的弹性模量不匹配的情况，其力学性能仍需得到根本性的改善。因此，在材料的选择上可以采用弹性模量小而生物相容性较好的高分子聚合物材料如PEEK/PEKK，*终使得植入体与周围正常骨组织实现完全的骨结合，达到植入体与骨组织、软组织的良好稳定结合。

5.5 PEEK/PEKK材料在下颌骨植入体中的应用前景

除了钛金属植入体和可降解组织工程支架以外，近年来一种具有生物相容性的非降解高分子聚合物材料--聚醚醚酮（PEEK）在生物医学领域得到了广泛的研究与应用。聚醚醚酮是聚芳醚酮（PAEKs）树脂家族中一种极具代表性的半结晶、高性能的热塑性树脂，具有优异的机械性能（耐疲劳性能接近铝合金）、化学惰性（耐腐蚀性接近镍钢，耐260 ℃高温，抗水解）