数字化外科在正颌外科术前设计的应用范文

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数字化外科学（digitalsurgery）是一门融合了外科学、图形图像处理、三维重建、计算机辅助设计、计算机辅助制造、快速成形技术、反求技术、外科导航技术等多种先进技术的交叉学科，其可以为临床医师提供三维实物模型，术前进行可视化手术设计和模拟，协助制作复杂手术方案，术中导航精确实现术前设计，术后量化评估手术效果［1］。近年来数字化外科技术在国内外得到了迅速的发展和应用，本文针对其在口腔颌面外科的分支学科—正颌外科中的发展与应用作一述评。

1数字化外科在正颌外科中的发展应用

近30年以来，正颌外科已经发展成为治疗牙颌面畸形的一项成熟而安全的外科技术［2⁃4］。传统的正颌外科通过临床体检、头影测量分析、石膏模型外科等步骤制作板用作术中导航，其缺点主要是由于头影测量分析是二维图像，因此，基于对头影描迹图的裁剪、移动、和拼对难以模拟颌骨在三维空间的移动；另外，模型外科技术需要先用面弓转移关系到架上，继而对牙颌模型进行移动、切割和拼对，步骤繁琐，易于产生误差［5］。计算机辅助的手术模拟（computer⁃aidedsurgicalsimulation，CASS）在正颌外科中的应用并非新事，早期的研究实践主要通过虚拟手术使术后效果可视化，方便术前设计及方案拟定，但无法在电脑中设计板真正用于指导手术［6⁃8］。直到2005年，以JamesXia为代表的学者才首次应用CAD/CAM（Computer⁃aideddesigning/computeraidedmanufacturing）技术开发制作出可应用于术中指导正颌外科手术的板［9］。自此以后，计算机辅助的手术模拟在正颌外科中的应用才进入了新时代［10⁃17］。与此相伴的同时，大量诸如ProPlanCMF（MaterializeNV，Belgium），Dol⁃phin3DSurgery（DolphinImagingandManagementSolution，USA），3dMDvultus（3dMDLLC，USA），Mimics（MaterializeNV，Belgium）和3DStudioMax（Autodesk，USA）的商业辅助软件应运而生。虽然目前有众多商业软件应用于正颌外科术前设计，但是多数无法在一个软件中完成正颌外科术前设计的所有步骤，存在操作繁琐，不易掌握的缺点。为此，近年来JamesXia［18⁃20］带领的研究团队开发了一种简便易于操作且集数据分析、切割和手术模拟等模块于一体的名为AnatomicAligner的软件。

2数字化正颌外科设计的标准操作流程

以AnatomicAligner系统为例，它包括6个模块，分别是分割/3D模型模块、记录/NHP（naturalheadposition）模块、3D头影测量模块、虚拟骨切开模块、手术模拟模块、板设计模块［19⁃23］。以下部分将对每一个模块作出详细阐述。

2.1分割/3D模型模块此模块的主要功能是建立一组可以准确显示颌面骨骼及软组织的3D模型。首先，通过CT扫描获取患者头颅CT数据参数（（DICOM格式）），输入系统并在电脑中创建患者的头颅骨骼3D数字模型［18⁃20］。其次，应用分割、区域分割、手工编辑、区域增长、布尔运算等分割工具创建个体模型的原型（如上颌骨、下颌骨）。最后，应用MarchingCubes算法对所创建原型进行三维重建。在正颌外科术前设计中，需要生成包括面中部、下颌骨、软组织及基准标志点在内的四个CT模型［24］。另外还需要在系统中输入高分辨率的上、下颌数字牙模及其基准标志点［24⁃26］。

2.2记录/NHP模块此模块主要功能主要包括2个方面，第一，构建可以准确反映骨骼、软组织和牙列位置的头颅模型以利于术前设计［20］。由于牙齿上通常粘有金属托槽、弓丝通常会造成局部伪影而影响牙齿的CT成像［27⁃28］。因此，有必要应用具有高分辨率的激光扫描仪对牙模进行扫描建立数字牙模［29］。然后，通过基准标志点与三维CT模型进行融合替换生成具有高分辨率的带牙列的数字三维头颅模型［23］。第二，构建头颅的坐标参考系，首先确定自然头位，也就是被检查者双眼平视前方，视线与地面平行，记录此时正确的头颅正中矢状面、冠状面和轴面在坐标参考系的位置［19，30］。

2.33D头影测量模块传统上的X线头影测量应用二维的X线平片通过一系列的颅面部解剖标志点对颅面畸形的个体进行测量，可以相对了解畸形的性质和程度。但是，学界普通认为将三维的解剖结构投影到二维的平片上会造成不同程度的误差［17⁃20，30］。为此，近年CBCT的普及应用使得三维头影测量成为可能。它可以在5个方面分析研究对象的几何学特征，包括对称度、形状、大小、位置、方向。并在三维坐标系内数值化纪录以便于后续步骤进行虚拟手术切割移动骨块和分析结果［24⁃25，31⁃34］。

2.4虚拟骨切开模块虚拟骨切开是数字化外科设计模拟的基本功能。它的作用在于将数字化重建的3D模型在软件中进行分块切开［1，20，35］。首先，按手术设计方案在3D模型中进行骨切开位置的定点、连线（图1a）。其次，相邻各点连线后向内侧延伸70mm，形成厚约0.5mm的六面体（图1b），相邻六面体之间以铰链结构链接汇合而成骨切开面。最后，应用软件将骨块分开，形成面中部骨块、带牙列的上颌骨LeFortI型截骨块，带牙列的下颌骨远心骨块和带髁突的左、右近心骨块。

2.5手术模拟模块继在上一模块中将3D模型进行骨切开分块后，各骨块就能够在三维空间内移动而模拟正颌手术中颌骨的移动并在系统内产生实时的各解剖标志点的三维头影测量数据（图2）。在手术模拟模块［20］中主要包括3个步骤：①将带牙列的上颌骨LeFortI型截骨块与带牙列的下颌骨远心骨块按术前设计的终末咬合关系（术前外科医生与正畸医生共同拟定并应用高分辨率激光扫描仪将石膏模型的咬合关系扫描记录输入电脑）进行拼对，重建稳定的咬合关系，形成上、下颌骨复合体［18，36］。②按术前设计的骨块移动量在三维空间内移动骨块，包括横向、矢状向、垂直向的调整移动和旋转，在保证髁突位置基本不变的条件下将骨块就位。③如有必要，可对颏部骨切开进行颏成型术并在三维空间内移动至术前设计位置。

2.6板设计模块数字化板是将虚拟手术效果在现实手术中实现的必要媒介和工具。若是双颌手术则需设计中间板与终末板两块，单颌手术只需终末板。通常先行上颌手术，以下颌牙列为基准设计中间板，接着以骨块定位后的上颌牙列为基准设计终末板［37］。首先，应用软件在上颌牙列咬合面进行定点（至少3点）从而形成板的上表面，此平面自动离开咬合面2mm构成板的厚度。同法应用软件以下颌牙列为基准构建板的下表面，至此，一个包含上、下牙列在内的原始板在计算机内宣告生成。其次，通过计算机布尔运算将上、下牙列从原始板中减去，即生成终末板并以stl格式文件输出保存。最后，在3D打印机中使用医用高分子材料打印板并最终应用于术中指导手术。

3数字化正颌外科典型病例

患者为17岁女性，要求手术矫治“龅牙”。经临床检查、CBCT和头影测量分析等影像学检查后（图4）诊断为“骨性Ⅱ类上颌前突伴下颌后缩畸形”。将患者头颅CT数据参数（DICOM格式）输入系统并在电脑中创建患者的头颅骨骼3D数字模型，应用数字化正颌外科术前设计流程和方法在电脑中应用软件对颌骨进行三维空间内的头影测量分析，对颌骨的解剖标志点的三维空间位置进行实时记录跟踪显示，在虚拟骨切开和虚拟手术中精确计算骨块移动的方向、幅度并实时呈现术后效果（图5）。确定手术方案为：上颌骨LeFortⅠ型骨切开：上颌骨上升（前份4mm，后份2mm）+后退4mm；双侧下颌升支矢状劈开随上颌移动；颏前徙成形术：8mm。最后在3D打印机中使用医用高分子材料打印骨切开导板和板并最终应用于术中指导手术（图6）。术后3个月患者随访结果显示面型及头影测量分析结果达到术前设计要求（图7），并且患者自觉主观诉求也得到满足。

4前景展望

21世纪以来，数字化技术与医学技术的结合衍生了数字医学这一崭新概念和交叉学科。其在口腔颌面外科⁃特别是正颌外科中的应用使得牙颌面畸形的治疗的设计进一步精确化、可视化［17，38］。它在概念上与传统的正颌外科相比存在较大的不同，传统正颌外科术前设计主要依赖临床检查、二维的头影测量分析和石膏模型外科，无论在畸形的判断分析还是手术模拟，往往都局限于二维空间的线性分析［3，4，39⁃42］；而数字化正颌外科术前设计可以在电脑中应用软件对颌骨进行三维空间内的头影测量分析，对颌骨解剖标志点的三维空间位置进行实时记录跟踪显示，在虚拟骨切开和虚拟手术中精确计算骨块移动的方向、幅度并实时呈现术后效果［43］。特别是对于较严重复杂的颌骨不对称畸形，如：第一、第二鳃弓综合征，数字化正颌外科术前设计具有较明显优势，可以更加明确地量化颌骨畸形的部位并在三维空间准确测量颌骨不对称的程度和方向，在虚拟手术中实时呈现矫正后的手术效果［44⁃50］。板是实现正颌外科术前设计方案的必要媒介和工具，相比传统的板，数字化3D打印板具有精度高、材料厚度薄、可依赖性强的优点。国内外均有报道证明数字化3D打印板相比传统板具有制作简便、生产时间大幅缩短，可靠性强的优势。笔者的应用经验也表明数字化3D打印板厚度薄、精度高，与牙齿咬合面贴合，可以使术后的咬合误差降至毫米级以下，术中很少出现终末板不能就位的情况。数字化设计的骨切开导板尽管普遍应用于术中指导骨切开位置及方向的准确定位，但因材料脆性过大常常出现骨切开过程中导板爆裂的情况。因此，后续的研究中非常有必要加强3D打印材料方面的研究开发攻关，以增加材料的强度和韧性。目前，数字化3D打印的正颌外科预成型钛板已逐步开始研究并应用于临床实践，显著减少了手术时间和提高了颌骨固定的精确性与稳定性，获得良好临床效果［51，52］。同时也有不少学者在数字化正颌外科术前设计的辅助下提出“无板正颌外科”（splintlessorthognathicsurgery）的概念［53］，即完全依赖数字外科设计的骨切开导板，结合一体化种植钉复合钛板进行骨切开和坚固内固定的技术。展望未来，数字化正颌外科术前设计必将获得长足发展，为牙颌面畸形的正颌外科治疗的实施提供更为精确可靠的保证。

参考文献

[1]王旭东.颅颌面坚强内固定(十九)数字化外科技术在口腔颅颌面领域中的应用[J].中华口腔医学杂志,2014,49(8):506⁃509.

[2]刘筱菁.数字化外科学在颅颌面外科的应用[D].北京：中国医学科学院北京协和医学院,2007.

[3]刘显文,李运峰,刘尧,等.下颌升支倒L形截骨术结合髂骨移植术矫治成年下颌发育不足畸形[J].口腔疾病防治,2017,25(8):501⁃505.

作者：刘显文，艾伟健 单位：南方医科大学口腔医院口腔颌面外科