數字化外科在正頜外科術前設計的應用范文

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數字化外科學（digitalsurgery）是一門融合了外科學、圖形圖像處理、三維重建、計算機輔助設計、計算機輔助制造、快速成形技術、反求技術、外科導航技術等多種先進技術的交叉學科，其可以為臨床醫師提供三維實物模型，術前進行可視化手術設計和模擬，協助制作復雜手術方案，術中導航精確實現術前設計，術后量化評估手術效果［1］。近年來數字化外科技術在國內外得到了迅速的發展和應用，本文針對其在口腔頜面外科的分支學科—正頜外科中的發展與應用作一述評。

1數字化外科在正頜外科中的發展應用

近30年以來，正頜外科已經發展成為治療牙頜面畸形的一項成熟而安全的外科技術［2⁃4］。傳統的正頜外科通過臨床體檢、頭影測量分析、石膏模型外科等步驟制作板用作術中導航，其缺點主要是由于頭影測量分析是二維圖像，因此，基于對頭影描跡圖的裁剪、移動、和拼對難以模擬頜骨在三維空間的移動；另外，模型外科技術需要先用面弓轉移關系到架上，繼而對牙頜模型進行移動、切割和拼對，步驟繁瑣，易于產生誤差［5］。計算機輔助的手術模擬（computer⁃aidedsurgicalsimulation，CASS）在正頜外科中的應用并非新事，早期的研究實踐主要通過虛擬手術使術后效果可視化，方便術前設計及方案擬定，但無法在電腦中設計板真正用于指導手術［6⁃8］。直到2005年，以JamesXia為代表的學者才首次應用CAD/CAM（Computer⁃aideddesigning/computeraidedmanufacturing）技術開發制作出可應用于術中指導正頜外科手術的板［9］。自此以后，計算機輔助的手術模擬在正頜外科中的應用才進入了新時代［10⁃17］。與此相伴的同時，大量諸如ProPlanCMF（MaterializeNV，Belgium），Dol⁃phin3DSurgery（DolphinImagingandManagementSolution，USA），3dMDvultus（3dMDLLC，USA），Mimics（MaterializeNV，Belgium）和3DStudioMax（Autodesk，USA）的商業輔助軟件應運而生。雖然目前有眾多商業軟件應用于正頜外科術前設計，但是多數無法在一個軟件中完成正頜外科術前設計的所有步驟，存在操作繁瑣，不易掌握的缺點。為此，近年來JamesXia［18⁃20］帶領的研究團隊開發了一種簡便易于操作且集數據分析、切割和手術模擬等模塊于一體的名為AnatomicAligner的軟件。

2數字化正頜外科設計的標準操作流程

以AnatomicAligner系統為例，它包括6個模塊，分別是分割/3D模型模塊、記錄/NHP（naturalheadposition）模塊、3D頭影測量模塊、虛擬骨切開模塊、手術模擬模塊、板設計模塊［19⁃23］。以下部分將對每一個模塊作出詳細闡述。

2.1分割/3D模型模塊此模塊的主要功能是建立一組可以準確顯示頜面骨骼及軟組織的3D模型。首先，通過CT掃描獲取患者頭顱CT數據參數（（DICOM格式）），輸入系統并在電腦中創建患者的頭顱骨骼3D數字模型［18⁃20］。其次，應用分割、區域分割、手工編輯、區域增長、布爾運算等分割工具創建個體模型的原型（如上頜骨、下頜骨）。最后，應用MarchingCubes算法對所創建原型進行三維重建。在正頜外科術前設計中，需要生成包括面中部、下頜骨、軟組織及基準標志點在內的四個CT模型［24］。另外還需要在系統中輸入高分辨率的上、下頜數字牙模及其基準標志點［24⁃26］。

2.2記錄/NHP模塊此模塊主要功能主要包括2個方面，第一，構建可以準確反映骨骼、軟組織和牙列位置的頭顱模型以利于術前設計［20］。由于牙齒上通常粘有金屬托槽、弓絲通常會造成局部偽影而影響牙齒的CT成像［27⁃28］。因此，有必要應用具有高分辨率的激光掃描儀對牙模進行掃描建立數字牙模［29］。然后，通過基準標志點與三維CT模型進行融合替換生成具有高分辨率的帶牙列的數字三維頭顱模型［23］。第二，構建頭顱的坐標參考系，首先確定自然頭位，也就是被檢查者雙眼平視前方，視線與地面平行，記錄此時正確的頭顱正中矢狀面、冠狀面和軸面在坐標參考系的位置［19，30］。

2.33D頭影測量模塊傳統上的X線頭影測量應用二維的X線平片通過一系列的顱面部解剖標志點對顱面畸形的個體進行測量，可以相對了解畸形的性質和程度。但是，學界普通認為將三維的解剖結構投影到二維的平片上會造成不同程度的誤差［17⁃20，30］。為此，近年CBCT的普及應用使得三維頭影測量成為可能。它可以在5個方面分析研究對象的幾何學特征，包括對稱度、形狀、大小、位置、方向。并在三維坐標系內數值化紀錄以便于后續步驟進行虛擬手術切割移動骨塊和分析結果［24⁃25，31⁃34］。

2.4虛擬骨切開模塊虛擬骨切開是數字化外科設計模擬的基本功能。它的作用在于將數字化重建的3D模型在軟件中進行分塊切開［1，20，35］。首先，按手術設計方案在3D模型中進行骨切開位置的定點、連線（圖1a）。其次，相鄰各點連線后向內側延伸70mm，形成厚約0.5mm的六面體（圖1b），相鄰六面體之間以鉸鏈結構鏈接匯合而成骨切開面。最后，應用軟件將骨塊分開，形成面中部骨塊、帶牙列的上頜骨LeFortI型截骨塊，帶牙列的下頜骨遠心骨塊和帶髁突的左、右近心骨塊。

2.5手術模擬模塊繼在上一模塊中將3D模型進行骨切開分塊后，各骨塊就能夠在三維空間內移動而模擬正頜手術中頜骨的移動并在系統內產生實時的各解剖標志點的三維頭影測量數據（圖2）。在手術模擬模塊［20］中主要包括3個步驟：①將帶牙列的上頜骨LeFortI型截骨塊與帶牙列的下頜骨遠心骨塊按術前設計的終末咬合關系（術前外科醫生與正畸醫生共同擬定并應用高分辨率激光掃描儀將石膏模型的咬合關系掃描記錄輸入電腦）進行拼對，重建穩定的咬合關系，形成上、下頜骨復合體［18，36］。②按術前設計的骨塊移動量在三維空間內移動骨塊，包括橫向、矢狀向、垂直向的調整移動和旋轉，在保證髁突位置基本不變的條件下將骨塊就位。③如有必要，可對頦部骨切開進行頦成型術并在三維空間內移動至術前設計位置。

2.6板設計模塊數字化板是將虛擬手術效果在現實手術中實現的必要媒介和工具。若是雙頜手術則需設計中間板與終末板兩塊，單頜手術只需終末板。通常先行上頜手術，以下頜牙列為基準設計中間板，接著以骨塊定位后的上頜牙列為基準設計終末板［37］。首先，應用軟件在上頜牙列咬合面進行定點（至少3點）從而形成板的上表面，此平面自動離開咬合面2mm構成板的厚度。同法應用軟件以下頜牙列為基準構建板的下表面，至此，一個包含上、下牙列在內的原始板在計算機內宣告生成。其次，通過計算機布爾運算將上、下牙列從原始板中減去，即生成終末板并以stl格式文件輸出保存。最后，在3D打印機中使用醫用高分子材料打印板并最終應用于術中指導手術。

3數字化正頜外科典型病例

患者為17歲女性，要求手術矯治“齙牙”。經臨床檢查、CBCT和頭影測量分析等影像學檢查后（圖4）診斷為“骨性Ⅱ類上頜前突伴下頜后縮畸形”。將患者頭顱CT數據參數（DICOM格式）輸入系統并在電腦中創建患者的頭顱骨骼3D數字模型，應用數字化正頜外科術前設計流程和方法在電腦中應用軟件對頜骨進行三維空間內的頭影測量分析，對頜骨的解剖標志點的三維空間位置進行實時記錄跟蹤顯示，在虛擬骨切開和虛擬手術中精確計算骨塊移動的方向、幅度并實時呈現術后效果（圖5）。確定手術方案為：上頜骨LeFortⅠ型骨切開：上頜骨上升（前份4mm，后份2mm）+后退4mm；雙側下頜升支矢狀劈開隨上頜移動；頦前徙成形術：8mm。最后在3D打印機中使用醫用高分子材料打印骨切開導板和板并最終應用于術中指導手術（圖6）。術后3個月患者隨訪結果顯示面型及頭影測量分析結果達到術前設計要求（圖7），并且患者自覺主觀訴求也得到滿足。

4前景展望

21世紀以來，數字化技術與醫學技術的結合衍生了數字醫學這一嶄新概念和交叉學科。其在口腔頜面外科⁃特別是正頜外科中的應用使得牙頜面畸形的治療的設計進一步精確化、可視化［17，38］。它在概念上與傳統的正頜外科相比存在較大的不同，傳統正頜外科術前設計主要依賴臨床檢查、二維的頭影測量分析和石膏模型外科，無論在畸形的判斷分析還是手術模擬，往往都局限于二維空間的線性分析［3，4，39⁃42］；而數字化正頜外科術前設計可以在電腦中應用軟件對頜骨進行三維空間內的頭影測量分析，對頜骨解剖標志點的三維空間位置進行實時記錄跟蹤顯示，在虛擬骨切開和虛擬手術中精確計算骨塊移動的方向、幅度并實時呈現術后效果［43］。特別是對于較嚴重復雜的頜骨不對稱畸形，如：第一、第二鰓弓綜合征，數字化正頜外科術前設計具有較明顯優勢，可以更加明確地量化頜骨畸形的部位并在三維空間準確測量頜骨不對稱的程度和方向，在虛擬手術中實時呈現矯正后的手術效果［44⁃50］。板是實現正頜外科術前設計方案的必要媒介和工具，相比傳統的板，數字化3D打印板具有精度高、材料厚度薄、可依賴性強的優點。國內外均有報道證明數字化3D打印板相比傳統板具有制作簡便、生產時間大幅縮短，可靠性強的優勢。筆者的應用經驗也表明數字化3D打印板厚度薄、精度高，與牙齒咬合面貼合，可以使術后的咬合誤差降至毫米級以下，術中很少出現終末板不能就位的情況。數字化設計的骨切開導板盡管普遍應用于術中指導骨切開位置及方向的準確定位，但因材料脆性過大常常出現骨切開過程中導板爆裂的情況。因此，后續的研究中非常有必要加強3D打印材料方面的研究開發攻關，以增加材料的強度和韌性。目前，數字化3D打印的正頜外科預成型鈦板已逐步開始研究并應用于臨床實踐，顯著減少了手術時間和提高了頜骨固定的精確性與穩定性，獲得良好臨床效果［51，52］。同時也有不少學者在數字化正頜外科術前設計的輔助下提出“無板正頜外科”（splintlessorthognathicsurgery）的概念［53］，即完全依賴數字外科設計的骨切開導板，結合一體化種植釘復合鈦板進行骨切開和堅固內固定的技術。展望未來，數字化正頜外科術前設計必將獲得長足發展，為牙頜面畸形的正頜外科治療的實施提供更為精確可靠的保證。

參考文獻

[1]王旭東.顱頜面堅強內固定(十九)數字化外科技術在口腔顱頜面領域中的應用[J].中華口腔醫學雜志,2014,49(8):506⁃509.

[2]劉筱菁.數字化外科學在顱頜面外科的應用[D].北京：中國醫學科學院北京協和醫學院,2007.

[3]劉顯文,李運峰,劉堯,等.下頜升支倒L形截骨術結合髂骨移植術矯治成年下頜發育不足畸形[J].口腔疾病防治,2017,25(8):501⁃505.

作者：劉顯文，艾偉健 單位：南方醫科大學口腔醫院口腔頜面外科