潘 高，钟朝发，刘 伟

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

1 背景

口腔种植术在当今越来越受医疗工作者的重视，同样也受到牙列缺失患者的青睐，而种植义齿可以替代自然牙进行正常的咀嚼，并且具有一定的长期稳定性[1-2]。但在种植过程中，由于受操作人员经验不足等因素的影响，极易发生钻头刺穿种植区域下颌神经管壁的情况，导致种植义齿的失败[3]。

随着医学领域相关技术的不断进展，在进行手术操作前，利用CT扫描获得患者口腔断层数据并运用逆向软件建立起口腔三维模型，然后对该模型进行术前规划，使之与操作医生的经验相结合来提高种植成功率，受到越来越多学者的关注。

CAMPAS等[4]采用螺旋CT对下颌骨、颞下颌关节组织进行扫描，然后用有限元方法对扫描数据进行分析，获取各节点参数，并基于各节点参数建立了所需模型。CHAUVET等[5]采用CT扫描数据并结合三维建模软件建立了人体颅面三维模型，将CT重建模型技术、逆向工程技术等结合并准确地建立下颌骨三维有限元模型，可为后续准确分析研究口腔种植生物力学提供保证。黄智光[6]采用CBCT扫描技术测量了大量正常青年人的下颌神经管空间位置，得出下颌神经管在进入颌孔后逐渐偏向颊侧，而后又逐渐偏向舌侧。但上述各学者所建的种植体三维有限元模型均有过度简化的情形，如上、下颌骨被简化成由厚度均匀的皮质骨和松质骨组成的规则形状几何体等。过度简化模型会使有限元计算结果与实际结果相差甚大。且上述论文均只考虑钻削过程中钻头与骨之间的受力关系，并未考虑在对人体颌骨进行种植钻削时，钻头在深入钻削的过程中是否会碰及下颌神经管壁。

通过建立虚拟仪器实验平台，研究在磨牙区种植钻孔过程中钻削力与钻头进给深度的关系，得到钻头行至距神经管壁2 mm时的临界钻削力值并发出警报，使操作者获取可视化信息并提前规避不当操作。同时运用正交回归试验法，对下颌骨进行钻削实验，通过改变钻头直径、旋转速度以及钻削速度对下颌骨进行钻削实验，测量不同因素水平下的钻削力大小，然后根据测量结果运动正交回归实验法建立钻削力与各因素之间的正交回归预测模型，为临床口腔种植手术的钻孔过程提供较为准确的数据参考。

2 基于Labview的种植钻孔实验平台的建立

本文构建了一个种植钻孔模拟系统，可对种植过程中钻头所受力的数据进行实时测量并提取，将信号输出在系统的显示界面上。使钻头行进至安全距离时，给出可视化报警信号。安全临界距离如图1所示。

图1 安全临界距离示意图

2.1 钻削数据监测系统的总体设计方案

钻削数据实时监测系统的整体平台包括具有医用种植钻孔各参数的钻削系统、人体下颌骨实体3D模型及信号的采集处理设备等。信号采集模块主要依靠力传感器收集数据，信号处理模块包括A/D模数转换电路及电压信号放大器等，数据存储模块主要处理数据采集卡与Labview软件系统，并最终在PC上使有效信息可视化。系统整体平台搭建如图2所示。

图2 系统整体平台搭建示意图

在钻孔过程中，需先通过力传感器直接获取转换成的电压信号，并通过电压信号放大器将获取的电压信号进行放大，使得信号更加明显，以便后续的数据采集卡更好地收集到信号，并将信号通过PC接口端输送到软件的数据采集模块中。

2.2 下颌骨三维数字化模型的建立

选取一名无牙列、其他各项功能正常的患者作为样体，使用CBCT进行扫描，过程中保持扫描光束平面与样体牙颌部位垂直，扫描后去掉冗余部分，共获取了336张二维平面断层图像，所得数据以DICOM格式存储并输出。然后在Mimics软件中打开DICOM格式的文件，对扫描获取的336张断层平面图像进行逐层放样，由于下颌神经管的解剖结构复杂不利于有限元的分析，在逐层放样的过程中将下颌神经管孔道区域填充，后续重新建立步骤，最后采用3D模型重建功能，重建出颌骨三维模型。颌骨三维模型如图3所示。

图3 颌骨三维模型

为便于获取下颌骨三维模型，需先对整个颌骨模型进行精度处理，依次对颌骨模型使用“网格医生”“去除特征”“空洞填充”“打磨”“快速光顺”等命令进行处理，并对截取的下颌骨模型进行光顺、去噪及打磨处理，用3-matic软件，依据下颌神经管的统计学数据[7]在下颌骨模型中重建一个简化的下颌管模型。

2.3 下颌骨3D打印模型

本文根据人体口腔下颌骨的实际信息，采用逆向工程技术建立含下颌神经管的下颌骨三维数字模型，并根据其实际硬度在3D打印机中将其快速成型，作为模拟种植钻孔的实体模型。

在3D打印程序中，将人体骨骼真实硬度设置为下颌骨模型的硬度（HRC为15），并以ABS树脂（吸水率为0.2%～0.4%，屈服强度为50 MPa）为材料对其进行打印，为在钻削过程中更方便观测下颌神经管内部情况，可在打印前将下颌管下壁往下方进行适当拉伸以扩大孔径，从而不影响下颌管上壁与牙槽嵴上缘的距离。下颌骨实体模型如图4所示。

图4 下颌骨实体模型

因人体下颌骨表面轮廓复杂、不规则，在体外模拟钻孔中，难以对其进行固定，因此需要根据下颌骨设计一个可与其表面轮廓相吻合的夹具，以保证信息获取的精确性。

2.4 下颌骨夹具的设计

将下颌骨三维数字模型导入至3-matic正向工程软件中，根据mark选取功能将模型轮廓的颊舌侧部位选出，并根据表面分离功能，将选取的轮廓表面进行提取，并在表面进行拉伸切除，获得可对下颌骨颊舌侧轮廓进行固定的夹件模型。

2.5 钻孔测量结果与分析

在体外模拟种植钻孔中，选用与医用钻头相似的参数，即直径d为4 mm，螺旋角为26，钻尖角为95的钻头，以1 200 r/min的钻速、50 mm/min的进给速度进给[8]。本文中，对下颌骨第三磨牙区域、第二前磨牙区、尖牙区进行模拟种植钻孔。

本文的研究目的是检测钻头钻至距离下颌神经管壁上缘2 mm时的钻削力，并将其作为信号灯报警阈值。根据钻头进给计算出进给距离，并以每隔1 s内的力及扭矩值取均值，进行去噪处理，可得钻削对应牙区的力及扭矩波形变化趋势，在3-matic软件中对所建的下颌骨三维模型进行测量，3个磨牙区的深度依次是14.55 mm、16.48 mm、17.20mm，在钻头距离下颌管壁上缘2 mm，即12.55 mm、14.48 mm、15.20 mm处时，可根据上述的钻削力与H的坐标图各坐标点，依据插值运算在Matlab软件中算出临界距离值时对应的F的大小为29.8 N、27.8 N、22.7 N。将上述钻头至临界H值时的钻削力F作为报警信号灯亮起的阈值，即当钻削过程中，钻削力达到该值时，报警灯亮起，操作人员可立即知道当时的钻孔状况，及时避开下颌神经管道，避免种植钻孔手术失败。

钻头行至临界距离时由信号灯报警情况可知，报警时的钻削力值达到设定的阈值时信号灯亮起，此时钻头距离下颌神经管壁上缘位置2 mm，实现了预期的目标，可成功向操作人员展示种植钻孔的实时状况，有效避免钻头在行至临近距离后继续进给，保证钻孔手术成功。

3 结论

本文基于无牙列样体的CBCT扫描数据，采用Mimics、Geomagic等逆向工程软件建立了下颌骨三维数字模型，结合3-matic正向工程软件的布尔运算功能建立含个性化下颌神经管的下颌骨三维模型，将建立的下颌骨模型以STL格式导入型号为Objet350 Connex3的3D打印机程序内，打印出下颌骨实体模型。同时通过搭建下位机硬件系统，研究了体外模拟种植钻孔中钻头钻削力的变化规律，并在Labview上位机程序中实时显示出钻削力的变化波形。以钻头进给至下颌神经管壁上缘的安全距离时的钻削力为阈值，发出警报信号，可对临床口腔种植钻孔提供极具实际意义的参考数据，有效避免种植钻孔过程中，钻头刺穿下颌神经管壁，提前规划操作方案，避免损伤下颌骨内的下颌神经管壁，提高口腔种植钻孔的成功率。