徐文鵬 綜述 程新德 審校
[摘要]計(jì)算機(jī)輔助CT三維重建技術(shù)是計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)在生命科學(xué)中應(yīng)用和發(fā)展的成果。與傳統(tǒng)CT掃描比較其能顯示三維解剖結(jié)構(gòu),精確測(cè)量距離與表面積、體積。在頜面外科、口腔矯形科、整形美容外科等領(lǐng)域,三維重建對(duì)于術(shù)前診斷、手術(shù)設(shè)計(jì)、治療后的預(yù)測(cè)分析及美容整形效果評(píng)價(jià)等方面都至關(guān)重要[1-2]。本文就計(jì)算機(jī)輔助三維重建在唇腭裂多發(fā)畸形的序列治療中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。
[關(guān)鍵詞]三維重建;唇腭裂;序列治療
Review of the application of CT Three-dimensional reconstruction in the serial therapy of cleft lip and palate
XU Wen-peng,CHENG Xin-de
(Department of Plastic Surgery,Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College,Bengbu 233040,Anhui,China)
Abstract: Technology of computer-aided CT three-dimensional reconstruction is a result of computer information processing technologies use and develope in the life sciences.Comparing with the traditional CT scan,it can show the anatomy of three-dimensional structure,accurate measure distance,surface area and volume.In maxillofacial surgery,oral orthopedics,cosmetic plastic surgery and other fields,three-dimensional reconstruction play an important role inpreoperative diagnosis,surgery design,forecast the treatment and evaluation of the effectiveness of cosmetic plastic surgery[1-2].The use of computer-aided three-dimensional reconstruction in the serial therapy of cleft lip and palate multiple deformities were reviewed in this article.
Key words: three-dimensional reconstruction; cleft lip and palate; serial therapy
先天性唇腭裂是頜面部畸形中最常見(jiàn)的一類疾病,對(duì)患者的顏面形態(tài)、口腔功能、心理健康等都有嚴(yán)重的影響。因此,更好地恢復(fù)唇腭裂患者的顏面形態(tài)與功能是學(xué)者們不斷探求的目標(biāo)。先天性唇腭裂的治療已由早期單純關(guān)閉唇腭裂裂隙發(fā)展到序列治療,這包括正畸治療、矯形修復(fù)、正頜外科治療、牙槽骨缺損整復(fù)、耳鼻喉科治療及語(yǔ)音訓(xùn)練和心理治療等在內(nèi)的多學(xué)科協(xié)作綜合治療方案。
傳統(tǒng)的正頜及矯形外科分析和模擬是在二維平面上進(jìn)行的,由于誤差的存在和人的顱面結(jié)構(gòu)并非左右完全對(duì)稱,因此預(yù)測(cè)精度受到限制。計(jì)算機(jī)輔助三維重建在國(guó)外20世紀(jì)60年代開(kāi)始起步,隨著計(jì)算機(jī)性能不斷完善及重建技術(shù)的改進(jìn),其空間結(jié)構(gòu)的顯示和定量化等特點(diǎn)均表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性[3],而且還可以進(jìn)行模型的重建及三維動(dòng)畫的模擬。為臨床醫(yī)生在形態(tài)學(xué)研究、疾病的診斷、手術(shù)設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬、術(shù)后效果預(yù)測(cè)及治療效果的評(píng)價(jià)等方面都提供了一個(gè)全新的視角。
1三維圖像重建
1.1 三維圖像重建技術(shù):三維圖像的獲取可通過(guò)三維 CT影像術(shù)、三維MRI影像術(shù)、三維激光掃描術(shù)、立體攝影技術(shù)、摩爾云紋法、超聲波三維影像術(shù)等。由于通過(guò)各種技術(shù)獲取的資料其組織分辨率不同,常選用CT影像學(xué)資料進(jìn)行顱面三維重建。三維重建方法有多種,其中表面陰影顯示法(surface shaded display,SSD)法應(yīng)用較廣泛[4]。SSD 法成像的立體感強(qiáng),可很好地顯示骨質(zhì)的表面形態(tài),影像逼真。三維CT能通過(guò)不同軸面的旋轉(zhuǎn)、切割,進(jìn)行多方位、多視角、多層次、多剖面的觀察,圖像立體且直觀,能細(xì)致的顯示三維解剖結(jié)構(gòu),可以進(jìn)行體積重建、表面重建,可以顯示多種組織,可以旋轉(zhuǎn)、“開(kāi)”、“剝皮”、“去骨”、可模擬手術(shù)方案等。
在口腔頜面外科領(lǐng)域中,對(duì)患者手術(shù)治療方案確定及術(shù)后面容的預(yù)測(cè),均需以準(zhǔn)確的面部定量測(cè)量為基礎(chǔ),面積測(cè)量為主要內(nèi)容之一。Landes CA等[5]運(yùn)用三維技術(shù)重建頜面畸形患者三維表面模型,精確測(cè)量感興趣區(qū)域的面積和體積,準(zhǔn)確模擬了正頜手術(shù)并評(píng)價(jià)術(shù)后效果。
1.2 三維頭顱模型的建立:三維頭顱模型是利用快速成型技術(shù),以CT掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)制作出的三維頭顱實(shí)體模型。這一新技術(shù)自1987年研制成功以來(lái)[6],被廣泛應(yīng)用于各種先天發(fā)育畸形(如眶距增寬、顱骨缺損、狹顱、面部不對(duì)稱、偏斜畸形等)和腫瘤術(shù)后骨缺損等的矯治和修復(fù)[3,7]。頭模的準(zhǔn)確性與 CT 掃描參數(shù)有關(guān),掃描像素越小,準(zhǔn)確性越高,三維實(shí)體模型的快速成型技術(shù)加工的實(shí)物精度現(xiàn)在可以達(dá)到0.1mm 以內(nèi)。
顱面骨組織的三維模型具有可視化、可定量分析及可反映立體結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)[8],它不僅為臨床醫(yī)生提供了大量信息,更有助于個(gè)體化假體的設(shè)計(jì)與三維建模,進(jìn)而制造出實(shí)物。三維頭顱模型的出現(xiàn)使醫(yī)生們可以直接在模型上模擬手術(shù)、塑形、制作術(shù)中模板和修復(fù)體以及術(shù)中引導(dǎo)裝置等[9],為醫(yī)生提供了一個(gè)熟悉而真實(shí)的模擬空間。
1.3 三維動(dòng)畫的制作:三維動(dòng)畫是利用獲得的CT或激光等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助的操作過(guò)程模擬。許多手術(shù)過(guò)程,如切口設(shè)計(jì)、小皮瓣的旋轉(zhuǎn)以及縫合等都可以被制作成動(dòng)畫[1]。通過(guò)這一系統(tǒng)可以從任何角度的看到每一個(gè)手術(shù)過(guò)程的細(xì)節(jié)及術(shù)后效果?;谶@個(gè)優(yōu)點(diǎn),這個(gè)動(dòng)畫系統(tǒng),可用于新的皮瓣設(shè)計(jì),了解手術(shù)過(guò)程,以及使用器械的情況,解決手術(shù)設(shè)計(jì)不足造成的皮瓣旋轉(zhuǎn)不夠、上唇下降不足、術(shù)后張力過(guò)大等問(wèn)題。另外相應(yīng)資料也可以上傳到互聯(lián)網(wǎng)上供遠(yuǎn)程會(huì)議使用。
2射線劑量對(duì)患者的影響
唇腭裂患者在做整形修復(fù)時(shí)大多為小兒,因此我們不得不考慮射線劑量對(duì)患兒的影響。掃描劑量越高,受檢者受 X 線輻射的劑量越大,對(duì)X線輻射的防護(hù)就越困難。小兒各重要器官及功能尚未發(fā)育健全,過(guò)量的 X 線輻射對(duì)其危害較大。因此,小兒CT 檢查須使用較低的X線掃描劑量。
影響小兒 CT 檢查有效X線輻射劑量的因素包括X線直接照射劑量和散射線間接輻射劑量[10]。影響 X 線直接照射劑量的因素主要有:kVp、mAs、掃描范圍以及患兒不合作引起的重掃或補(bǔ)掃。由于小兒被檢部位的范圍相對(duì)較小,定位掃描范圍過(guò)大同樣會(huì)增加X(jué) 線輻射劑量。掃描層厚與 Pitch 值的大小也影響 X 線直接照射劑量的多少。掃描層厚或 Pitch 值大,同一掃描范圍內(nèi)掃描總時(shí)間變短,X 線直接照射劑量隨之減少。但掃描層厚或 Pitch值過(guò)大,可能會(huì)漏檢小病灶,不利于對(duì)疾病的發(fā)現(xiàn)。掃描野(FOV)是影響散射線間接輻射劑量的重要因素之一。掃描野大,掃描區(qū)域增大,散射線產(chǎn)生的概率相應(yīng)增大。
小兒各相近組織間密度差相對(duì)較小,低劑量CT 圖像上相近組織間對(duì)比度也相應(yīng)較小。因此,在設(shè)計(jì)小兒頭部掃描劑量參數(shù)時(shí),只考慮降低X線輻射劑量而大輻度減少mAs是不可取的,但在不影響臨床診斷質(zhì)量的前提下,適當(dāng)降低掃描劑量是可行的。劑量和圖像質(zhì)量是一個(gè)有機(jī)體,必須達(dá)到一種和諧和統(tǒng)一??傊侯^部可用低劑量CT掃描,其掃描劑量可降至 X 線能提供滿足臨床診斷所必須且足夠的圖像信息即可。
3計(jì)算機(jī)輔助三維重建在上頜矯正中的應(yīng)用
一部分唇腭裂患者修復(fù)裂隙后存在繼發(fā)頜骨畸形,表現(xiàn)為上頜骨發(fā)育不足,面中1/3明顯凹陷,常常伴有真性或假性下頜前突,需要正頜外科矯治以恢復(fù)正常的上下頜位置及關(guān)系,從而達(dá)到功能及美觀要求。近年來(lái)人們逐漸注意到腭部骨組織的連續(xù)性對(duì)于上頜骨生長(zhǎng)發(fā)育可能的影響[11]。唇腭裂繼發(fā)頜骨畸形的矯治常用的術(shù)式包括牽引成骨術(shù)、LeFortⅠ型截骨前移或前下移動(dòng)上頜骨、下頜升支垂直截骨或矢狀劈開(kāi)后,推下頜骨、頦成形術(shù),同期或前期牙槽突裂植骨術(shù)[12-13],Bio-Oss Collagen(骨膠原)等材料的移植[14],以及擴(kuò)弓矯正以改善牙合關(guān)系等治療[15]。
上頜骨形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其與周圍顴骨、鼻骨、淚骨、上頜牙列形態(tài)等解剖關(guān)系緊密的部分共同組成上頜骨復(fù)合體(maxilla complex,MC),研究過(guò)程比較困難,對(duì)顱頜骨立體形態(tài)的測(cè)量分析是很有必要的[3]。先天性腭裂不僅在上頜骨的硬腭部分遺留缺損,也還影響到了整個(gè)上頜骨復(fù)合體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變。這就提示我們既不能以正常上頜骨復(fù)合體的模型來(lái)替代對(duì)腭裂上頜骨復(fù)合體相關(guān)生物力學(xué)方面的研究,也不能用機(jī)械的方法建立相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)P?。腭裂上頜骨的骨性缺裂和發(fā)育缺陷導(dǎo)致腭板及鄰近結(jié)構(gòu)變形。在建立三維模型時(shí),將腭裂腭板、牙槽突及上頜竇的模型單獨(dú)另建,在生成最終模型時(shí),用布爾操作將上頜竇從上頜骨中減去,把腭板等結(jié)構(gòu)加入上頜骨,形成了比較完整的腭裂上頜骨及其周圍結(jié)構(gòu)的有限元模型[16]。Pan X等[17]利用三維有限元分析腭裂患者顱面部骨骼快速擴(kuò)張的生物力學(xué)影響確定術(shù)中截骨線、骨塊移動(dòng)的位置及影響等。有學(xué)者研究表明[18]通過(guò)上頜牽引成型的單側(cè)唇腭裂患者,其兩側(cè)鼻翼對(duì)稱性在手術(shù)修復(fù)之前即可得到改善,上頜的畸形也可得到很大程度的恢復(fù)。
4計(jì)算機(jī)輔助三維重建在牙槽突裂植骨中的應(yīng)用
牙槽裂植骨術(shù)是序列治療中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),它已經(jīng)被列為先天性唇腭裂治療的三大基本手術(shù)之一,是先天性唇腭裂序列治療中不可缺少的一步,它可恢復(fù)上頜牙弓的完整性及增加上頜骨的穩(wěn)定,有利于上頜牙齒的正常萌出,促進(jìn)上頜骨的垂直向生長(zhǎng)及頜骨的穩(wěn)定性,封閉口鼻瘺,矯正患側(cè)鼻底塌陷畸形[19],為正畸及正頜治療打下基礎(chǔ),具有明顯的治療意義和效果。植骨的部位主要在牙槽突裂處,考慮到植骨后均有不同程度的吸收后才能趨于平衡,植骨量要充分,以使愈合后的牙槽突有足夠的豐滿度[20]。
在正畸治療時(shí)我們首先必須明確牙槽突植骨的療效如何。通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層CT圖像的三維重建能夠很好的顯示牙根及上顎的三維形態(tài)。Feichtinger M等[7] 通過(guò)對(duì)骨移植物進(jìn)行三維重建,對(duì)移植骨量進(jìn)行客觀評(píng)估,從重建模型預(yù)先得到骨缺損的信息,優(yōu)化植入物的結(jié)構(gòu),并指出唇腭裂患者尖牙的萌出很大程度上取決于植骨后可用骨量的多少。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在牙槽突裂植骨術(shù)后3個(gè)月,骨愈合基本完成[21-22]。此時(shí),成功病例的上頜前部咬合片可清楚地看到植骨區(qū)有正?;蚪咏5难啦酃墙Y(jié)構(gòu)形成,骨結(jié)構(gòu)和牙槽突高度逐漸進(jìn)入穩(wěn)定階段。由此,我們可以在術(shù)前、術(shù)后當(dāng)時(shí)及術(shù)后3個(gè)月分別對(duì)患者的上頜進(jìn)行三維重建,對(duì)植骨量進(jìn)行術(shù)前分析與準(zhǔn)確測(cè)算指導(dǎo)取骨,評(píng)價(jià)術(shù)后的植骨效果并且可以明確術(shù)后三個(gè)月的骨吸收情況及患者植骨后的最終形態(tài)。
5計(jì)算機(jī)輔助三維重建在鼻畸形修復(fù)中的應(yīng)用
鼻畸形是唇裂整復(fù)術(shù)后的常見(jiàn)并發(fā)癥之一,常表現(xiàn)為患側(cè)鼻翼扁平,鼻小柱向健側(cè)偏斜,鼻孔拱狀形態(tài)消失而塌陷。單側(cè)完全性唇腭裂鼻畸形的主要原因是上頜骨基礎(chǔ)低凹、患側(cè)鼻翼軟骨與健側(cè)分離并向下外方移位,以及有關(guān)肌肉動(dòng)力平衡失調(diào)。由于患側(cè)上頜骨后退牽拉,鼻下部結(jié)構(gòu)低平,鼻尖低下偏斜,鼻小柱偏斜短小,不僅患側(cè)的鼻翼軟骨處在低平的位置,而且健側(cè)也如此,并且兩側(cè)軟骨薄弱變形。
對(duì)鼻畸形應(yīng)從三維空間-失狀面,水平面,冠狀面考察六個(gè)結(jié)構(gòu)空間-鼻底、鼻小柱、鼻尖(鼻梁)、鼻翼基、鼻翼緣、鼻孔的位置。根據(jù)組織的不同可采用不同的三維重建方式:激光三維測(cè)量應(yīng)用于正頜外科及唇裂術(shù)后的對(duì)稱性分析,對(duì)鼻和口周測(cè)量具有極高的精確度[23],且利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)功能,對(duì)不同時(shí)期的單側(cè)唇裂術(shù)后鼻形態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察,將對(duì)研究唇裂鼻的生長(zhǎng)規(guī)律、選擇手術(shù)時(shí)機(jī)、制定手術(shù)方法具有指導(dǎo)意義。利用計(jì)算機(jī)CT三維重建可以評(píng)估單側(cè)唇裂患兒鼻孔的對(duì)稱性和齒槽裂寬度的關(guān)系。Nielsen等[24]等通過(guò)比較唇裂患兒跟正?;純旱谋枪情L(zhǎng)度和腭裂的裂隙寬度來(lái)分析鼻畸形與腭裂的相關(guān)性,指出腭裂患兒裂隙越寬大鼻畸形的程度可能就越發(fā)嚴(yán)重。分析三維數(shù)據(jù)表明,單純靠Tennison法修復(fù)唇裂而沒(méi)有進(jìn)一步的矯形是很難實(shí)現(xiàn)完全的鼻對(duì)稱[25],而通過(guò)鼻牙槽成型的單側(cè)唇腭裂患者,其兩側(cè)鼻翼對(duì)稱性在手術(shù)修復(fù)之前即可得到改善[26]。而且,在裂隙側(cè)利用鼻支撐器輕度矯枉過(guò)正的支撐鼻翼被證明有利于維持鼻牙槽成型的結(jié)果[18]。
6計(jì)算機(jī)輔助三維重建在顱基底形態(tài)研究中的應(yīng)用
有學(xué)者認(rèn)為唇腭裂患者可能存在顱基底異常,因此是顱面畸形綜合征的一類[27]。顱基底與上頜骨有直接的骨縫聯(lián)系,并從上、后方及兩側(cè)限制上頜骨的生長(zhǎng)發(fā)育,因此顱基底與上頜骨的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。唇腭裂顱基底形態(tài)的研究,對(duì)了解唇腭裂患者上頜骨發(fā)育不足的病因機(jī)制以及唇腭裂與鄰近結(jié)構(gòu)異常的相關(guān)性有重要的意義。對(duì)側(cè)顱底進(jìn)行三維重建并探討周圍重要結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系為顱底外科和臨床影像學(xué)診斷提供形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。側(cè)顱底的空間位置和復(fù)雜的毗鄰關(guān)系,在顱底的展現(xiàn)中可以直接看到,任何重建結(jié)構(gòu)都可以單獨(dú)或聯(lián)合在一起展示并可以在任何平面旋轉(zhuǎn)[28]。計(jì)算機(jī)輔助三維重建,在研究復(fù)雜的顱底解剖結(jié)構(gòu)時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能夠比普通CT平描提供更高分辨率的截面圖像。
顱底角和前顱底傾斜度是反映顱基底生長(zhǎng)發(fā)育狀況的重要指征。喬菊等[29]采用計(jì)算機(jī)輔助三維重建技術(shù),對(duì)正常胎兒及唇腭裂新生兒標(biāo)本顱基底形態(tài)結(jié)構(gòu)作立體定量的分析比較。得出唇腭裂患兒顱底角無(wú)明顯異常,而后顱底長(zhǎng)增加,前顱底傾斜度減少,雙側(cè)完全性唇腭裂還表現(xiàn)出前顱底長(zhǎng)、寬均有異常。目前的研究雖尚不能得出唇腭裂患兒顱基底較正常胎兒更為不對(duì)稱的結(jié)論[30],但也提示唇腭裂患兒顱基底對(duì)稱性有較正常者大的變異范圍[31]。
綜上所述,計(jì)算機(jī)輔助CT三維重建具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),但目前還存在一些問(wèn)題,如:①獲取圖像的準(zhǔn)確性及精度[32]不同;②測(cè)量頜面部面積時(shí)解剖標(biāo)志點(diǎn)的認(rèn)別誤差和圖像定點(diǎn)誤差;③三維模型建立過(guò)程中產(chǎn)生的誤差等。這些問(wèn)題仍需要隨著技術(shù)的發(fā)展來(lái)進(jìn)一步解決。三維圖像的定量、定性特點(diǎn)以及可以保存資料便于正畸治療的長(zhǎng)期觀察,使得這項(xiàng)技術(shù)將不僅會(huì)在唇腭裂繼發(fā)畸形的序列治療中發(fā)揮更出色的診斷、治療效果預(yù)測(cè)及治療評(píng)價(jià)的作用,更會(huì)廣泛的應(yīng)用于顱頜面的畸形、外傷及腫瘤等的治療上。為臨床醫(yī)生提供一個(gè)直觀的診斷、治療平臺(tái)。
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[收稿日期]2008-07-21[修回日期]2008-09-28
編輯/張惠娟