數(shù)字化醫(yī)學在頜面外傷診治中進展

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·專家筆談·

數(shù)字化醫(yī)學在頜面外傷診治中進展

陶凱，常鵬

沈陽軍區(qū)總醫(yī)院 整形外科，遼寧 沈陽110016

關(guān)鍵詞：數(shù)字化醫(yī)學；頜面外傷； 三維；計算機輔助；三維重建技術(shù)；3D打印

Key words:Digital medicine;Maxillofacial trauma;Three-dimensional;Computer-assisted;Three-dimensional reconstruction technique;Three-dimensional printing technique

DOI∶10.16048/j.issn.2095-5561.2016.02.01

陶凱，1971年生，湖南南縣人。中國新一代整形外科專家，在第四軍醫(yī)大學先后取得學士、碩士、博士學位，并于沈陽軍區(qū)博士后流動站完成博士后工作。現(xiàn)任沈陽軍區(qū)總醫(yī)院整形外科主任，主任醫(yī)師，專業(yè)技術(shù)七級；兼任大連醫(yī)科大學和遼寧醫(yī)學院碩士研究生導師。歷任中國人民解放軍醫(yī)學科學技術(shù)委員會整形外科專業(yè)委員會副主任委員，中華醫(yī)學會整形外科學分會委員，中華醫(yī)學會顯微外科學分會委員，中國康復醫(yī)學會修復重建外科專業(yè)委員會再植與再造外科學組副主任委員，遼寧省醫(yī)學會醫(yī)學美學與美容學分會主任委員，遼寧省醫(yī)學會顯微外科學分會副主任委員，遼寧省細胞生物學會修復重建與組織年輕化專業(yè)委員會副主任委員，《中國美容整形外科雜志》副主編，沈陽市醫(yī)療美容專業(yè)質(zhì)量控制中心主任。

主要從事顱頜面整形美容外科和顯微重建外科工作。在下頜角肥大整形、顴骨整形、面型重塑、牙頜畸形治療、肢體復雜缺損修復、先天性小耳或無耳畸形再造等方面有較深造詣?？蒲蟹矫?，曾參加國家“九七三”計劃子項目研究，主要致力于脂肪源性干細胞基礎(chǔ)與臨床研究。申請各類基金5項，先后在國內(nèi)外期刊發(fā)表論文30余篇，參編專著3部。曾榮立三等功1次，軍區(qū)優(yōu)秀共產(chǎn)黨員1次。獲遼寧省自然科學成果一等獎1次，三等獎1次。

頜面部位于人體上部，是呼吸道和消化道的開端，具有呼吸、咀嚼、吞咽、消化、語言、面部表情等多項功能。由于處于外露區(qū)域，因此是戰(zhàn)創(chuàng)傷最易受累的區(qū)域。隨著交通事故傷的增多，頜面外傷的傷情更為復雜，表現(xiàn)更為多樣，診治的難度隨之增加。數(shù)字化醫(yī)學是近年來出現(xiàn)的以醫(yī)學影像學和解剖學為基礎(chǔ)新興技術(shù)，應(yīng)用計算機分析與處理的數(shù)字化技術(shù)，將二維圖像或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維立體圖像，并進行測量和分析，進而準確地診斷、精確地模擬和指導手術(shù)。數(shù)字化醫(yī)學應(yīng)用于頜面外傷的診治，極大地提高了診斷的水平和治療的效果。本文對數(shù)字化醫(yī)學的基本內(nèi)容、常見技術(shù)和原理，以及在頜面外傷診治中的應(yīng)用作一綜述。

1三維重建技術(shù)

三維重建技術(shù)是在CT數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用計算機技術(shù)進行數(shù)據(jù)分析和處理，實現(xiàn)三維立體圖像的輸出。1983年，Hemmy等[1]首次將三維重建技術(shù)應(yīng)用于顱頜面外科，應(yīng)用該項技術(shù)可以準確顯示骨性結(jié)構(gòu)，從而確定頜面外傷骨折的數(shù)目、位置、形態(tài)和移位方向，以及與周圍組織結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，為臨床診斷、手術(shù)設(shè)計和實施提供更為準確和量化的參考[2-4]。見圖1。近年來，三維重建技術(shù)在頜面整復中的應(yīng)用已不局限于硬組織，面部的皮膚、皮下淺筋膜、面部血管和神經(jīng)等組織結(jié)構(gòu)，也可以通過細致分層的三維重建技術(shù)顯示出來，為頜面外傷后軟組織的修復及術(shù)后效果評價，提供了更客觀、有效的方法[5-6]。三維重建技術(shù)也是數(shù)字化醫(yī)學最基本的技術(shù)，是3D打印、手術(shù)導航和智能機器人外科等的基礎(chǔ)。

23D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是根據(jù)物體的數(shù)字化模型數(shù)據(jù)，采用數(shù)控加工的方法，精確地加工出物體的實體模型，是計算機輔助設(shè)計(CAD)與輔助制造(CAM)技術(shù)的一種。3D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)機械加工技術(shù)的限制，特別適用于制造形狀復雜和不規(guī)則的物體。在醫(yī)學領(lǐng)域可以實現(xiàn)患者傷情的準確分析、個性化移植物的制備、特殊形態(tài)固定體的制作等，是一種體現(xiàn)個體化醫(yī)療理念的新技術(shù)[7-11]。

3D打印技術(shù)在頜面外傷診治中常用于眶顴骨折、眶周缺損、上下頜骨復雜型骨折的治療。上述骨折存在骨折結(jié)構(gòu)復雜，血管神經(jīng)豐富，精確復位固定和缺損修復難度大等技術(shù)難點。應(yīng)用此項技術(shù)可以獲得患者傷情的三維實體模型，實現(xiàn)準確分析和測量。見圖2。在明確診斷的基礎(chǔ)上，運用鏡像技術(shù)制作患者正常的三維頭顱模型，可以準確地實施骨折復位、固定、植入物塑形，實現(xiàn)手術(shù)的精準化和個體化，提高治療效果。見圖3。目前，臨床常用的3D打印方法主要有：光固化成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積鑄型技術(shù)和分層實體制造技術(shù)等。

圖1　頜面骨折三維重建影像　　　　　　　　　　　圖2　頜面復雜骨折3D打印模型

2.1光固化成型技術(shù)光固化成型技術(shù)是根據(jù)三維模型分層信息，采用激光分層固化技術(shù)，聚焦到光固化材料表面，使液態(tài)材料分層固化，并在垂直方向?qū)訉盈B加形成三維實體。該技術(shù)是最早出現(xiàn)的快速成型技術(shù)，目前較為成熟且應(yīng)用最為廣泛。其優(yōu)點是成形速度較快、精度較高、材料利用率較高；缺點是成本較高。臨床常用于醫(yī)學教學用具的制作、手術(shù)植入體模型的制備、細胞載體設(shè)計等。

2.2選擇性激光燒結(jié)技術(shù)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)采用激光選擇性地分層燒結(jié)固體粉末生成特定形狀的實體。高分子材料、金屬、粉末陶瓷和其它多種粉末材料均可采用此項技術(shù)進行加工成型。其優(yōu)點是成型材料種類較多、用料少、設(shè)計和制造程序簡單，目前在臨床上也有較多的應(yīng)用。

2.3熔融沉積鑄型技術(shù)熔融沉積鑄型技術(shù)是以絲狀材料為原料，如石蠟、金屬、塑料、合金絲等，采用電加熱方式將材料加熱至略高于熔化溫度，噴頭噴涂熔融后的材料冷卻后形成一層截面，逐層噴涂形成三維實體。該技術(shù)的優(yōu)點是污染較小，材料可以回收，主要用于醫(yī)用模型制作、手術(shù)導板制備等。

2.4分層實體制造技術(shù)分層實體制造技術(shù)在數(shù)字化數(shù)據(jù)的導引下，應(yīng)用激光切割系統(tǒng)，逐層切割背面涂有熱熔膠的薄層材料，各層材料疊加后，利用熱壓裝置將其粘結(jié)在一起，形成三維實體。其優(yōu)點是制作效率高、速度快；缺點是材料利用率略低。

3虛擬手術(shù)

該技術(shù)應(yīng)用醫(yī)學影像分析技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立醫(yī)學模擬環(huán)境。外科醫(yī)師借助該虛擬環(huán)境，完成手術(shù)設(shè)計、實施手術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)訓練。此項技術(shù)可以作為實際手術(shù)的引導或預(yù)演，也可以進行手術(shù)效果的比較和分析，使復雜的高難度手術(shù)得以精確完成。該技術(shù)是建立在虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指真實表現(xiàn)現(xiàn)實中并不存在物體的技術(shù)；增強現(xiàn)實技術(shù)是指在已存在的實物圖像上增加現(xiàn)實的信息，并保證圖像構(gòu)成信息與現(xiàn)實相吻合。應(yīng)用虛擬手術(shù)技術(shù)，在虛擬三維空間可以實現(xiàn)人機交流，制訂不同的手術(shù)方案，改變完全依賴主觀經(jīng)驗和外科技巧的經(jīng)典手術(shù)模式，提高手術(shù)準確性，縮短手術(shù)時間，減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。

在頜面外傷診治中，可以實現(xiàn)對頜面骨骼進行虛擬切割和移動，使各種截骨術(shù)在計算機三維圖像中模擬進行，確定各種方法骨折復位所需要移動的距離，最佳的移動方向，在虛擬空間進行骨折復位的手術(shù)演練，以及預(yù)測手術(shù)效果。根據(jù)虛擬手術(shù)的結(jié)果，可以制作各種截骨導板和骨折復位導板，引導術(shù)中截骨或骨折塊復位移動的方向、角度和距離，從而提高頜骨骨折治療的效果[12-14]。

4計算機輔助導航系統(tǒng)

計算機輔助導航系統(tǒng)是將計算機處理的三維模型數(shù)據(jù)與實際手術(shù)進行交互式處理，術(shù)中采用紅外線或激光技術(shù)對手術(shù)器械位置進行追蹤，從而提供術(shù)區(qū)的準確位置和解剖信息，增強手術(shù)的準確性和針對性。計算機輔助導航系統(tǒng)工作的基本步驟包括完成三維重建、制定手術(shù)方案、模擬手術(shù)過程和實施術(shù)中導航。實際手術(shù)過程中，通過紅外線或者激光探頭動態(tài)實時地顯示手術(shù)區(qū)域，追蹤手術(shù)器械位置，實現(xiàn)手術(shù)區(qū)域、器械與虛擬環(huán)境中手術(shù)和結(jié)構(gòu)的動態(tài)定位。手術(shù)醫(yī)生可通過顯示屏從各個方位實時觀察手術(shù)入路和手術(shù)區(qū)域，從而精確設(shè)計手術(shù)方案，最大限度地減少創(chuàng)傷，降低副損傷，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。計算機輔助導航系統(tǒng)還可以輔助教學，并實現(xiàn)遠程醫(yī)療[15-16]。

計算機輔助導航系統(tǒng)在頜面外傷，特別是頜面部骨折的診治中有較大的應(yīng)用前景。對于頜面骨折的復位固定，傳統(tǒng)手術(shù)主要依賴術(shù)者的臨床經(jīng)驗。但是頜面部有解剖結(jié)構(gòu)復雜、損傷情況多變、功能要求高等特點，僅憑術(shù)者的經(jīng)驗很難確保手術(shù)的效果。計算機輔助導航系統(tǒng)可以實現(xiàn)骨折復位固定過程中的深部組織和手術(shù)器械實時監(jiān)控，手術(shù)區(qū)解剖結(jié)構(gòu)的準確定位，輔助設(shè)計最佳手術(shù)入路，頜面骨骼精確的三維重現(xiàn)，術(shù)中對重要器官和結(jié)構(gòu)的識別和保護，指導移植物或固定物的就位和調(diào)整。應(yīng)用該技術(shù)可以精確地完成骨折部位解剖復位，更好地恢復形態(tài)和功能[17-20]。

5機器人外科系統(tǒng)

機器人外科系統(tǒng)是將計算機精確定位技術(shù)、運動控制技術(shù)和圖像放大技術(shù)相結(jié)合，通過機器人手術(shù)臂代替部分人手功能，完成各種復雜外科手術(shù)常見操作，如切開、分離、牽開、止血、結(jié)扎、切除和縫合等。機器人外科系統(tǒng)在術(shù)中實時將術(shù)區(qū)圖像和機器人定位坐標傳遞至外科醫(yī)師，外科醫(yī)師通過計算機指令驅(qū)動機器手完成各種操作。由于機器手位置穩(wěn)定、定位準確、無操作疲勞，在放大圖像的協(xié)助下，可以完成各種解剖結(jié)構(gòu)特殊、局部位置關(guān)系復雜的手術(shù)。目前，臨床上使用最多的是da Vinci機器人外科系統(tǒng)(Intuitive Surgical公司)。該系統(tǒng)主要包括三個子系統(tǒng)，即醫(yī)師操作系統(tǒng)、床旁機械臂手術(shù)系統(tǒng)和視頻處理系統(tǒng)。其特點是高清晰三維視野、高度的精確性和靈活性、良好的可操控性、模仿人手功能、自動濾除震顫并超越人手的極限，使手術(shù)效果明顯改善[21-24]。

在頜面外傷診治中應(yīng)用機器人外科系統(tǒng)仍處于探索階段。該項技術(shù)的優(yōu)勢：(1)可以根據(jù)手術(shù)方案對頜面部骨折部位進行準確的分離和切割，并將骨塊精確移位和固定；(2)可以最大程度地保護頜面部重要結(jié)構(gòu)，防止副損傷；(3)對于伴有血管和神經(jīng)損傷區(qū)域，可以同時完成顯微外科血管和神經(jīng)吻合操作；(4)需要骨折固定物或缺損充填物時，根據(jù)術(shù)前預(yù)制支架系統(tǒng)，在術(shù)中將其準確放置于預(yù)定位置并精確固定。見圖4。

圖3頜面復雜骨折3D打印鏡像分析輔助診斷和治療圖4da Vinci機器人外科手術(shù)系統(tǒng)

綜上所述，數(shù)字化醫(yī)學是數(shù)字科技發(fā)展的最新應(yīng)用，其在頜面外傷中的應(yīng)用極大提高了診治的準確性，減少了手術(shù)的盲目性，提高了手術(shù)效果。但是目前儀器設(shè)備和耗材昂貴，關(guān)鍵技術(shù)操作門檻較高，制作和生產(chǎn)工藝復雜，國家醫(yī)療保險尚未覆蓋，基層醫(yī)院尚未普及。隨著技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用實踐的不斷積累，輔助程序智能化水平的不斷提高，數(shù)字化醫(yī)學將在頜面外傷診治中發(fā)揮越來越大的作用。

參考文獻

[1]Hemmy DC,David DJ,Herman GT.Three-dimensional reconstruction of craniofacial deformity using computed tomography[J].Neurosurgery,1983,13(5):534-541.

[2]劉娜,何丹.CT三維重建技術(shù)在頜面部骨折及整形外科治療中的應(yīng)用價值[J].中國美容整形外科雜志,2015,26(7):417-419.

[3]郭曉川,徐和甜.多層螺旋CT掃描三維重建在頜面部骨折診治中應(yīng)用[J].創(chuàng)傷與急危重病醫(yī)學,2015,3(1):37-38.

[4]李培,李曉鵬,韓曉紅,等.上頜竇的CT三維重建及其臨床意義[J].中華解剖與臨床雜志,2014,19(2):106-109.

[5]Girod S,Keeve E,Girod B.Advances in interactive craniofacial surgery planning by 3D simulation and visualization[J].Int J Oral Maxillofac Surg,1995,24(1 Pt 2):120-125.

[6]Tanna N,Wan DC,Kawamoto HK,et al.Craniofacial microsomia soft-tissue reconstruction comparison: inframammary extended circumflex scapular flap versus serial fat grafting[J].Plast Reconstr Surg,2011,127(2):802-811.

[7]Altobelli DE,Kikinis R,Mulliken JB,et al.Computer-assisted three-dimensional planning in craniofacial surgery[J].Plast Reconstr Surg,1993,92(4):576-585.

[8]Heike CL,Upson K,Stuhaug E,et al.3D digital stereophotogrammetry: a practical guide to facial image acquisition[J].Head Face Med,2010,6:18.

[9]Rana M,Essig H,Eckardt AM,et al.Advances and innovations in computer-assisted head and neck oncologic surgery[J].J Craniofac Surg,2012,23(1):272-278.

[10]王成龍,呂長勝.3D打印技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用進展[J].中國美容整形外科雜志,2015,26(5):275-278.

[11]吳云峰,尹勇,黃斐,等.3D打印技術(shù)在復雜脛骨平臺骨折臨床診治中的應(yīng)用.中華解剖與臨床雜志,2015,20(4):347-349.

[12]Xia JJ,Gateno J,Teichgraeber JF,et al.Accuracy of the computer-aided surgical simulation (CASS) system in the treatment of patients with complex craniomaxillofacial deformity: A pilot study[J].J Oral Maxillofac Surg,2007,65(2):248-254.

[13]Gateno J,Xia JJ,Teichgraeber JF,et al.Clinical feasibility of computer-aided surgical simulation (CASS) in the treatment of complex cranio-maxillofacial deformities[J].J Oral Maxillofac Surg,2007,65(4):728-734.

[14]Gateno J,Xia JJ,Teichgraeber JF.New Methods to Evaluate Craniofacial Deformity and to Plan Surgical Correction[J].Semin Orthod,2011,17(3):225-234.

[15]張詩雷,張志愿,沈國芳.計算機及三維導航技術(shù)輔助外科手術(shù)的應(yīng)用進展[J].中國口腔頜面外科雜志,2004,2(3):187-190.

[16]鮑得俊,牛朝詩,程偉,等.多模態(tài)MRI技術(shù)結(jié)合神經(jīng)導航術(shù)中超聲在枕葉視覺功能區(qū)膠質(zhì)瘤手術(shù)中的應(yīng)用[J].中華解剖與臨床雜志,2015,20(4):310-315.

[17]Ewers R,Schicho K,Undt G,et al.Basic research and 12 years of clinical experience in computer-assisted navigation technology: a review[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2005,34(1):1-8.

[18]Klug C,Schicho K,Ploder O,et al.Point-to-point computer-assisted navigation for precise transfer of planned zygoma osteotomies from the stereolithographic model into reality[J].J Oral Maxillofac Surg,2006,64(3):550-559.

[19]沈國芳,于洪波,張詩雷,等.計算機輔助導航系統(tǒng)在頜面部陳舊性骨折治療中的應(yīng)用[J].中國口腔頜面外科雜志,2009,7(3):195-199.

[20]何冬梅,李政康,范先群,等.計算機輔助導航系統(tǒng)和個體化三維鈦網(wǎng)在陳舊性眶顴骨折治療中的應(yīng)用[J].中國口腔頜面外科雜志,2011,9(2):143-150.

[21]Korb W,Engel D,Boesecke R,et al.Development and first patient trial of a surgical robot for complex trajectory milling[J].Comput Aided Surg,2003,8(5):247-256.

[22]ASKRA,Bumm K,Federspil PA,et al.Update on computer-and mechatronic-assisted head and neck surgery in Germany[J].HNO,2008,56(9):908-915.

[23]Klein M,Hein A,Lueth T,et al.Robot-assisted placement of craniofacial implants[J].Int J Oral Maxillofac Implants,2003,18(5):712-718.

[24]Bast P,Popovic A,Wu T,et al.Robot-and computer-assisted craniotomy:resection planning,implant modelling and robot safety[J].Int J Med Robot,2006,2(2):168-178.

收稿日期：2016-03-21

文章編號：2095-5561(2016)02-0065-04

中圖分類號：R782

文獻標志碼：A