高飞博士|数字化种植中的精度控制(下)

引言:数字化导板引导下的种植精度是多少?这些年有了多少进展与变化?做了那么多导板,您知道您的下一个导板的精度是多少吗?这些问题十多年以来就一直在困扰着这个行业。本文通过GuideMia(概美)软件的一系列核心技术来探讨种植导板设计和应用中的精度控制问题。

 

高飞博士|数字化种植中的精度控制(上)

(接上篇)

 

(5)导板设计中的容错能力和细节处理

常见的导板设计软件在算法上有两个主要步骤:复制原来的几何信息,然后去除倒凹。这里面缺少一个主要环节:光学扫描上的几何细节的处理。

一方面,模型上常常会有小的气泡和石膏残渣,另一方面,牙齿形态有很多小的几何特征,如果在种植导板设计前完全保留这些细节,最终生成的种植导板可能很难准确就位。图8示意了导板设计中是如何去除几何细节的。

图8. 导板设计中的几何细节处理

(6)倒凹处理与导板密合度分析

全牙弓的导板设计在倒凹处理上存在特殊性。全牙弓上任何一个点的处理不当就会出现导板不能准确就位。倒凹处理中有的算法会牺牲导板的精度。如图9所示。

图9. 倒凹处理与模型精度

 

在去除倒凹的同时,GuideMia软件可以保持设计的精度,见图10。

图10. GuideMia的倒凹处理结果

 

去除倒凹的时候,需要确定导板就位的方向。算法是围绕这个方向来进行分析的。图11中,绿色的区域是去除倒凹后留下的间隙。如果在手术过程中, 医生的操作不是像图12所示那样的正确手法,而是从唇颊侧按压(如图13),导板就会出现倾斜,从而导致偏差。

图11.导板模型的密合度分析

图12. 手术中导板的操作手法

图13. 错误的导板按压方向

       软件设计导板的时候,可以重新定义就位道方向,而得到下面的设计。如图14所示,导板的唇颊侧都能与患者软硬组织极好地吻合。

图14. 调整倒凹方向后的导板设计

       所以导板的倒凹处理直接影响到导板的精度和稳定性,这是通常软件系统中所缺少的。上述可视化的导板密合度分析为GuideMia的已授权专利技术。

(7)如何检查种植的导板就位

通常在临床操作中,种植导板就位的时候,医生会检查导板两端是否完全就位,是否太松或者太紧。但实际上导板就位跟设计的时候是否一样?覆盖的区域,就位的方向都一样吗?这一点没有人知道。

 

GuideMia 有一个鲜为人知的功能。系统可以在导板设计完成后生产一个专门用于导板就位检验的模型。导板准确就位的情况下,用户可以通过校验模型和导板之间的关系来确认导板就位的准确性。

图15. 导板就位检验模型

(8)手术工具

传统的导航方式被很多系统广为使用(图16),在过去的临床实践中被越来越多的人认为存在很大的误差。在一个基于压板进行直径匹配的手术中,压板和套环的间隙假设为0.1,钻针和压板的间隙假设为0.1,一些系统的套环高度为3.5毫米,预备11.5毫米深的种植窝洞,根尖偏差可以达到1毫米以上。

图16. 传统导航模式下的误差分析

      业内正在淘汰这样的一种方式;取而代之的是类似GuideMia工具盒这样的设计。简单地讲,导航方式中去掉了手柄/压板,从而提高了钻孔的精度,降低了工具的磨耗。工具设计中还有很多为了提高手术精度而作的其它考虑。

图17. GuideMia手术工具的导航方式

(9)术前、术后对比

掌握口腔种植技术是一个不断学习、不断实践、不断总结的过程。如果一个医生使用种植导板却无法知道手术的偏差出在哪里,如何提高,就会让数字化种植的意义大打折扣。所以术前、术后的对比很重要。医生可以通过比对来判断手术中是否有导板就位不准,是否有近远中向的偏移,是否有唇颊侧的倾斜,是否稳定性不够,等等。

(图片来自北京瑞尔刘峰医生)

图18. GuideMia术前术后对比

      在全口无牙颌的导板设计中,我们发现很多时候导板会向舌侧倾斜。以此来指导临床实践,我们提出了固位钉设计的一些基本原则,逐步放弃了常见的左中右三个钉的设计方式,并指出固位钉的放置中要避免处于同一平面,避免在一致的方向上。

(10)质量保证体系

没有一个人喜欢繁琐的质量保证体系,但在过去的几年中,我们和国际国内的用户一起在质量保证体系方面有很多深刻的认识。其中比较重要的就是要保证设计中的流程标准化、数据管理的标准化,以及对生产设备的严格控制。

当前3D打印机的市场非常乱,厂家和用户之间的信息不对称,绝大多数用户根本不了解层高, XY 分辨率,3D打印机的最小几何细节,打印模型的表面处理等技术细节。举例来说,有人用FDM打印机做导板,有人销售精度0.1-0.2的打印机给隐形正畸用户,这个误差基本跟隐形正畸设计的步长0.2相当!

GuideMia帮助用户做了很多SOP的工作,也在自己的公司建立了一整套的质量保证体系。同时在3D打印机、扫描仪等设备选择上做到严格要求。

图19. 质量保证体系中的标准流程 (图片来自意大利PMT Solutions)

(11)误差模拟

种植手术的精度取决于多种因素:

ACBCT精度

B扫描仪精度

C配准精度

D打印机精度

E导板就位精度

这些方面的因素大多数时候有一定的范围或者经验值。在一个种植方案设计完成以后,我们想要预测手术后种植体可能的偏差是多少,极端情况下会偏离到哪里。GuideMia的专利技术-“手术误差模拟模块”可以模拟在极端情况下,种植体可能的位置,从而帮助设计人员避开关键的解剖结构,避免设计极限位置。图20 中显示了GuideMia误差模拟中一个种植体的安全区及其几个可能的位置。

图20. GuideMia误差模拟

(11)结束语

GuideMia在过去几年中致力提高软件设计和临床应用中的数字化种植精度,开发了大量的软件功能,并成功应用于数以万计的临床病例。

然而这一领域还存在一个价值百万美元的终极问题:种植导板在制作完成以后,我们知道它在模型上会有多大的就位偏差和稳定性,在患者的口内就位以后又会有多大的偏差呢?答案是:不知道。

GuideMia正在研发业界第一台检测系统,可以让我们在手术之前预知导板的精度。这一项目正在顺利进行当中,预期会在未来几个月用于种植导板的生产和检测环节,并为导板生产商进行检测服务。

(全文结束)

 

 

作者简介:

高飞博士

电子科技大学机电子机械专业硕士

西安电子科技大学电子机械专业博士

上海交通大学计算机集成制造系统研究所博士后。

1997-1999年, 德国洪堡学者,在德国斯图加特大学从事“不完全产品模型“的研究,旨在对几何模型进行抽象的和智能化的建模。

2005-2008年,担任美国南加州Multi-DimensionalImaging Co.首席软件工程师,参与新一代CT扫描仪器的研发和主持图像处理软件的开发。

2008-2010年,任美国最大的牙科技工间Glidewell Dental Laboratories 软件开发部经理,负责公司在图像处理,CAD,PACS等领域的软件系统的开发。

美国GuideMia Technologies公司创始人,长期致力于计算机辅助设计技术的研究,发表论文20余篇。2016年创办了中国该美生物科技(上海)有限公司。

领导设计和开发了GuideMia数字化种植设计软件,正畸设计软件,实时种植导航技术等,持有三项专利获准,和六项待批的美国和全球专利。GuideMia 种植软件是全球第一个集成化的种植手术计划和种植导板设计软件,近年来在国内和国际市场受到很多国际知名医生和专家的好评。



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