骨性Ⅲ類面形患者數(shù)字化正頜外科治療

商洪濤, 史雨林, 白石柱, 趙晉龍, 劉彥普

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論著-顴面部整形專題

骨性Ⅲ類面形患者數(shù)字化正頜外科治療

商洪濤, 史雨林, 白石柱, 趙晉龍, 劉彥普

目的 提出一種計算機輔助設(shè)計正頜外科手術(shù)并3D打印手術(shù)截骨及定位導(dǎo)板的方法，評估其臨床應(yīng)用價值。方法 該研究選取34例需接受正頜手術(shù)治療的住院患者，利用ProPlan CMF 2.0軟件進行術(shù)前虛擬手術(shù)設(shè)計，并在3-matic軟件中設(shè)計完成虛擬截骨和定位導(dǎo)板，將設(shè)計的截骨和定位導(dǎo)板3D打印用于現(xiàn)實手術(shù)中，以指導(dǎo)術(shù)中方案精準(zhǔn)實施。通過比較術(shù)前計劃與術(shù)后CT進行準(zhǔn)確性評估。結(jié)果 34例患者均在截骨導(dǎo)板和定位導(dǎo)板的指導(dǎo)下完成手術(shù)。術(shù)后患者咬牙合功能良好，外形滿意，術(shù)前規(guī)劃與術(shù)后CT骨組織重疊比對色階圖比較誤差，成組t檢驗顯示，差異無統(tǒng)計學(xué)意義，表明結(jié)果在臨床可接受范圍內(nèi)。結(jié)論 該數(shù)字化正頜手術(shù)系統(tǒng)流程可以取得良好的手術(shù)準(zhǔn)確性，是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)的良好體現(xiàn)，可提高正頜手術(shù)的精確性。

正頜手術(shù)； 數(shù)字化； 導(dǎo)板； 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)

面部輪廓美是人體形態(tài)美的首要條件和最顯著標(biāo)志，與人的面部軟組織特別是骨組織的結(jié)構(gòu)及形態(tài)密切相關(guān)[1]。正頜外科是對頜面骨骼重構(gòu)的學(xué)科，通過骨骼形態(tài)、位置的重構(gòu)達到改善咬牙合功能與面部輪廓的目的，這是正頜外科的一個美學(xué)特點。醫(yī)師在正頜外科手術(shù)設(shè)計分析中，綜合運用尺度、比例、對稱、均衡、協(xié)調(diào)、形狀等美學(xué)要求，以產(chǎn)生良好的審美效果，這是正頜外科的另一個美學(xué)特點[2]。筆者通過計算機輔助設(shè)計正頜手術(shù)方案[3]，制作并3D打印手術(shù)截骨、定位導(dǎo)板來指導(dǎo)實際手術(shù)的精準(zhǔn)實施，并比較了術(shù)前計劃與術(shù)后實際效果，從而提出一套完整的數(shù)字化正頜外科技術(shù)流程。

1 臨床資料與方法

1.1 病例資料 回顧自2015年7月至2016年2月，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院頜面外科接受正頜外科手術(shù)253例患者。根據(jù)設(shè)定的納入標(biāo)準(zhǔn)：⑴發(fā)育性上頜后縮下頜前突畸形者，年齡18～35歲；⑵頭顱側(cè)位片頭影測量分析：-5°5.0 mm；⑶完成術(shù)前正畸者；⑷手術(shù)方式為上頜Le Fort I截骨及雙側(cè)下頜矢狀劈開術(shù)；⑸簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：⑴精神心理疾病者；⑵唇腭裂繼發(fā)頜骨畸形，顏面部外傷繼發(fā)畸形者；⑶雙側(cè)髁突腫瘤致顏面部發(fā)育畸形者；⑷顏面發(fā)育的遺傳性疾病等病史者；⑸全身系統(tǒng)性疾病者；⑹術(shù)中出現(xiàn)意外骨折等改行其他術(shù)式者；⑺有正頜手術(shù)史者。從中選取符合上述標(biāo)準(zhǔn)的患者共34例，男性13例，女性21例，平均年齡23.1歲。

1.2 影像資料獲取及三維重建 在正頜手術(shù)前1個月(T0)、正頜手術(shù)后6個月(T1)(時間范圍限制在時間點前后1周之內(nèi))分別對所有入選對象進行CT掃描(Philips Brilliance 64排螺旋CT，Netherlands，掃描層厚1.0 mm)，并將獲得全頭顱CT數(shù)據(jù)，以DICOM格式導(dǎo)入ProPlan CMF 2.0軟件(Materialise, Belgium)。

在ProPlan CMF 2.0軟件中，選擇“Import CT Images”命令，選取納入患者頭顱CT的DICOM格式文件，使用軟件中的單擊“Segment”功能模塊將分割閾值設(shè)為“250～3071HU”，選擇Quality參數(shù)為“High”，并運行“Calculate a 3D object”命令子菜單，然后運行“Calculate”命令，即可獲得三維重建模型。然后同此法，將下頜骨與顱上頜骨進行閾值分割，得到獨立的顱上頜骨和下頜骨。

1.3 建立三維測量體系及虛擬手術(shù)設(shè)計 在ProPlan CMF 2.0軟件中選擇“service”目錄下 “orthognathics”模塊，在此模塊下，單擊“Step1:Prepare for Planning”，依次完成“Create Maxillary Composite Model”“Create Mandibular Composite Model”；再單擊“Set Horizontal Reference”，依次點擊選取兩側(cè)眶下點、外耳道點，定眶耳平面為參考平面；然后依次“Step2:Creat 3D Cephalometry”完成3D頭影測量；“Step3:Plan Osteotomy”完成虛擬截骨手術(shù)[4-6]；“Step4:Occlusion Registration”完成最終咬牙合關(guān)系配準(zhǔn)；“Step5:Reposition”前徙上頜骨到預(yù)定位置；“Step6: Soft Tissue Simulation”觀察軟組織預(yù)測效果。

1.4 手術(shù)截骨導(dǎo)板及定位導(dǎo)板的設(shè)計及3D打印 將虛擬手術(shù)規(guī)劃好的顱面骨骼3D模型，以STL格式導(dǎo)出到3-matic軟件進行截骨和定位導(dǎo)板的設(shè)計。正頜手術(shù)的導(dǎo)板系統(tǒng)包括兩個部分：一對截骨導(dǎo)板和一對定位導(dǎo)板。截骨導(dǎo)板用于輔助手術(shù)醫(yī)師實施LeFort Ⅰ型截骨并制備釘孔的位置。定位導(dǎo)板用于指導(dǎo)手術(shù)醫(yī)師將截下來的上頜骨骨塊移動至所計劃的空間位置。

截骨導(dǎo)板左右各1塊，設(shè)計類似于表面貼附，導(dǎo)板沿上頜骨表面的凹凸不平解剖標(biāo)志扣鎖貼合，使手術(shù)醫(yī)師可以快速而準(zhǔn)確地將截骨導(dǎo)板安置于上頜骨前壁。截骨導(dǎo)板中部的設(shè)計使其可以標(biāo)記截骨線的位置。截骨導(dǎo)板面積要小，下端可附著于前鼻嵴。在截骨導(dǎo)板的外側(cè)可設(shè)計有6個釘?shù)?，分別位于截骨線的兩側(cè)。這6個釘?shù)揽梢杂糜谛g(shù)中暫時固定截骨導(dǎo)板，通過導(dǎo)板中釘?shù)涝诠敲嫠苽涞尼斂?，可在下一步骨塊移動中發(fā)揮骨性參考標(biāo)志點的作用。

定位導(dǎo)板包括左、右2塊，用以將上頜骨骨塊引導(dǎo)至其終末位置。設(shè)計采用上頜骨前壁表面貼合的原理，同時利用截骨導(dǎo)板固位時在上頜骨留下的釘?shù)缹⒍ㄎ粚?dǎo)板就位。就位后的上頜骨表面定位導(dǎo)板，已經(jīng)使上頜骨移動至計劃的空間位置。此設(shè)計的優(yōu)點在于雙側(cè)12個釘?shù)劳瑫r保證骨塊的位置，就位定位導(dǎo)板時，任何一個螺釘不能進入釘?shù)?，都說明上頜骨未準(zhǔn)確移動至所計劃的位置。見圖1。

在導(dǎo)板設(shè)計中，由截骨導(dǎo)板所制定的釘孔跟隨位于原始位置的上頜骨骨塊一同移動到計劃的空間位置，并在移動后的上頜骨骨塊模型上設(shè)計定位導(dǎo)板。從而保證了截骨導(dǎo)板與定位導(dǎo)板中釘?shù)赖囊恢滦?。因此，術(shù)中通過鈦釘準(zhǔn)確固位即可輔助頦部骨段準(zhǔn)確移動到術(shù)前規(guī)劃位置，并加以固定。利用最終配準(zhǔn)的咬牙合關(guān)系，3D打印制作最終牙牙合板(圖2)。

所有導(dǎo)板的設(shè)計(包括導(dǎo)板的尺寸以及術(shù)中安置的位置)均在術(shù)前由手術(shù)醫(yī)師確定并認可。牙牙合板以及手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計完成后，將數(shù)據(jù)輸入3D打印機(3D systems, 美國)，使用光敏性樹脂進行制作。

1.5 手術(shù)實施及準(zhǔn)確性評估 根據(jù)設(shè)計3D打印制作的手術(shù)導(dǎo)板進行截骨手術(shù)。所有手術(shù)均由同一術(shù)者主刀完成，以控制偏倚誤差。將計算機虛擬手術(shù)規(guī)劃設(shè)計的全頭顱3D模型與術(shù)后6個月(T1)CT掃描后重建的3D模型，在ProPlan CMF 2.0軟件中進行骨組織重疊比對，打開ProPlan CMF 2.0軟件，單擊左側(cè)工具欄中“Analyze”下的“Soft Tissue Simulation”命令，選擇“Compare Soft Tissue”選項，選擇術(shù)前設(shè)計的3D全頭顱模型和術(shù)后6個月3D全頭顱模型，進行多點配準(zhǔn)重疊比對，生成重疊比對圖。用鼠標(biāo)單擊此圖，選擇距離最大的位置，記錄數(shù)據(jù)，進行多樣本t檢驗(表1)。

2 結(jié)果

本實驗是前瞻性研究，34例患者按照此方法完成數(shù)字化正頜手術(shù)設(shè)計及實施。術(shù)后患者咬牙合功能良好，畸形程度顯著改善，外形滿意(圖3)。術(shù)前虛擬手術(shù)規(guī)劃與術(shù)后實際CT重疊配準(zhǔn)比對后，進行多點配對t檢驗，差異無統(tǒng)計學(xué)意義 。說明計算機輔助虛擬手術(shù)設(shè)計完成的手術(shù)截骨導(dǎo)板和定位導(dǎo)板，能夠?qū)⑹中g(shù)規(guī)劃準(zhǔn)確地反應(yīng)到實際手術(shù)中，誤差無統(tǒng)計學(xué)意義。

圖1 個性化手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計及3D打印 圖2 3D打印最終咬牙合板 圖3 頜面部整形手術(shù)前后對比a. 術(shù)前正位b. 術(shù)后6個月正位c. 術(shù)前斜位d. 術(shù)后6個月斜位e. 術(shù)前側(cè)位f. 術(shù)后6個月側(cè)位

Fig 1 Personalized surgical guide design and 3D printing. Fig 2 Occlusal plate by 3D printing. Fig 3 Comparison of maxillofacial plastic surgery before and after surgery. a. frontal preview. b. frontal postview at 6 months. c. oblique preview. d. oblique postview at 6 months. e. lateral preview. f. lateral postview at 6 months.

表1 使用均方根偏差表示手術(shù)實際與術(shù)前方案上頜骨骨塊的位移誤差和角度誤差

Tab 1 Using the root mean square deviation (RMSD) to indicate displacement error and angle error of maxillary bone in operation and preoperative program

位移誤差(mm)均方根偏差平均值方差95%可信區(qū)間角度誤差(°)均方根偏差平均值方差95%可信區(qū)間上頜骨水平向0．620．020．66-0．210．24俯仰角3．04-1．632．61-2．52-0．75前后向1．14-0．770．75-1．13-0．60側(cè)滾角1．780．251．89-0．360．91垂直向0．81-0．030．85-0．310．28偏轉(zhuǎn)角1．450．081．47-0．600．46

注：水平向為沿X軸方向，前后向為沿Y軸方向，垂直向為沿Z軸方向；俯仰角為繞X軸方向的旋轉(zhuǎn)，側(cè)滾角為繞Y軸方向的旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角為繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)

3 討論

一個良好的手術(shù)計劃及其在術(shù)中精準(zhǔn)地實施是獲得良好術(shù)后效果的前提條件。由數(shù)字化技術(shù)設(shè)計制作的手術(shù)導(dǎo)板，在正頜外科手術(shù)的應(yīng)用已見諸于報道[7-10]。但定位導(dǎo)板和截骨導(dǎo)板設(shè)計各具特色。筆者通過總結(jié)多年經(jīng)驗，不斷摸索認為上述截骨及定位導(dǎo)板用于臨床，輕巧方便實用。

在正頜手術(shù)中，面部軟組織(皮膚、結(jié)締組織、脂肪和肌肉)、 面部骨骼(骨和軟骨)和牙列是3個重要的組織群體，可稱為“三元體”。骨骼和牙齒與其他結(jié)構(gòu)如表淺肌肉腱膜系統(tǒng)一起支撐著面部軟組織的表面。在正頜外科治療方案規(guī)劃中，“三元體” 起著決定性的作用。頜骨畸形的患者，需要謹慎評估面部軟組織表面、其下的頜面骨骼、牙列位置以及其相互依存關(guān)系。影像融合技術(shù)為正畸與正頜外科治療方案規(guī)劃分析面部輪廓、面部骨骼及牙列，已有超過一個世紀(jì)的時間，并可以被描述為模擬技術(shù)、數(shù)字技術(shù)及圖像融合模型[11]。數(shù)字化正頜外科技術(shù)的前提條件即模型的建立及精準(zhǔn)度的控制。

根據(jù)臨床實踐，我們歸納數(shù)字化正頜外科技術(shù)的流程為：第一步是圖像采集與診斷，可用于制定手術(shù)計劃；第二步是在 CT 圖像三維模型進行虛擬手術(shù)和使用專業(yè)軟件程序，對手術(shù)效果進行預(yù)測，從而指導(dǎo)術(shù)中定位、放置內(nèi)固定板等操作；第三步是將虛擬手術(shù)計劃真實用于手術(shù)中對患者進行操作；第四步是用于術(shù)后評估治療計劃是否準(zhǔn)確地實現(xiàn)以及評價手術(shù)結(jié)果。

復(fù)雜的牙牙合面畸形給正頜外科手術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)，良好的術(shù)后效果是患者牙牙合信息的精確采集、準(zhǔn)確的手術(shù)設(shè)計及精準(zhǔn)的術(shù)中實施等幾個方面共同作用的結(jié)果[12-14]?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展為精細化操作帶來了更多的可能，同時，通過在正頜外科的臨床實踐中更多在使用數(shù)字化操作，以追求并達到更好的術(shù)后美學(xué)及功能效果[15-16]。

4 結(jié)論

數(shù)字化正頜外科技術(shù)在糾治牙牙合面畸形上，比傳統(tǒng)依賴于石膏模型設(shè)計制定手術(shù)方案具有較明顯的優(yōu)勢。數(shù)字化正頜外科技術(shù)能使手術(shù)實施更加精準(zhǔn)，術(shù)后效果更加可控?？梢姡瑪?shù)字化正頜外科技術(shù)是未來發(fā)展的方向和重點。

[1] 朱家愷, 黃潔夫, 陳積圣. 外科學(xué)辭典[M]. 北京:北京科學(xué)技術(shù)社, 2003:428.

[2] 沈國芳, 房 兵. 正頜外科學(xué)[M]. 浙江:浙江科學(xué)技術(shù)出版社, 2012:94.

[3] 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.

[4] Maal TJ, van Loon B, Plooij JM, et al. Registration of 3-Dimensional Facial Photographs for Clinical Use[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2010,68(10):2391-2401.

[5] Ayoub AF, Xiao B, Khambay B, et al. Towards building a photo-realistic virtual human face for craniomaxillofacial diagnosis and treatment planning[J]. Int J Oral Maxillofac Surg, 2007,36(5):423-428.

[6] Grayson B, Cutting C, Bookstein FL, et al. The three-dimensional cephalogram: theory, technique, and clinical application[J]. Am J Orthod Dentofac Orthop, 1988,94(4):327-37.

[7] 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.

[8] Hsu SS, Gateno J, Bell RB, et al. Accuracy of a computer-aided surgical simulation protocol for orthognathic surgery: a prospective multicenter study[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2013,71(1):128-142.

[9] Xia JJ, Gateno J, Teichgraeber JF. New clinical protocol to evaluate craniomaxillofacial deformity and plan surgical correction[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2009,67(10):2093-2106.

[10] 陳春艷, 張 力, 鮑海宏, 等. 數(shù)字化導(dǎo)板和三維模型在兒童髁狀突骨折重建中的應(yīng)用[J]. 中國醫(yī)科大學(xué)學(xué)報, 2016,45(2):171-173.

[11] Uribe F, Janakiraman N, Nanda R. Three-dimensional cone-beam computed tomography-based virtual treatment planning and fabrication of a surgical splint for asymmetric patients: surgery first approach[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2013,144(5):748-758.

[12] Xia JJ, Shevchenko L, Gateno J, et al. Outcome study of computer-aided surgical simulation in the treatment of patients with craniomaxillofacial deformities[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2011,69(7):2014-2024.

[13] Hsu SS, Gateno J, Bell RB, et al. Accuracy of a computer-aided surgical simulation protocol for orthognathic surgery: a prospective multicenter study[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2013,71(1):128-142.

[14] 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.

[15] Sun Y, Luebbers HT, Agbaje JO, et al. The accuracy of image-guided navigation for maxillary positioning in bimaxillary surgery[J]. J Craniofac Surg, 2014,25(3):1095-1099.

[16] De Riu G, Meloni SM, Baj A, et al. Computer-assisted orthognathic surgery for correction of facial asymmetry: results of a randomised controlled clinical trial[J]. Br J Oral Maxillofac Surg, 2014,52(3):251-257.

Digital orthognathic surgery in the treatment of skeletal class Ⅲ type patients

SHANGHong-tao,SHIYu-Lin,BAIShi-zhu,ZHAOJin-long,LIUYan-pu.

(StateKeyLaboratoryofMilitaryStomatology&NationalClinicalResearchCenterforOralDiseases&ShanXiClinicalResearchCenterforOralDiseases&DepartmentofOralandMaxillofacialSurgery,SchoolofStomatology,TheFourthMilitaryMedicalUniversity,Xi′an710032,China)

LIUYan-pu,Email:liuyanpu@fmmu.edu.cn

Objective To propose a method for computer-aided design of orthognathic surgery and surgical osteotomy and localization of 3D printing plate, to evaluate its clinical application value. Methods This study selected 34 cases in our department for orthognathic surgery. Preoperative virtual prosthetic design was performed using ProPlan CMF2.0 software. 3-matic software was used to design and complete the virtual osteotomy and positioning guide. The designed osteotomy and positioning guide plate was printed by 3D technology. These are used in the actual operation to guide the precise implementation of the surgical program. Accuracy assessment was performed by comparing preoperative planning with postoperative CT. Postoperative patient bite function is good, satisfactory shape, preoperative planning and postoperative CT bone overlap. Results All 34 patients completed the surgery under the guidance of the osteotomy plate and positioning plate. The patients achieved good occlusal function and satisfactory appearance after the operation. Preoperative and postoperative CT comparison results supported our conclusion. Groupttestshowsnosignificantdifference,indicatingthatresultswereinaclinicallyacceptablerange. Conclusion The digital surgical procedure can achieve good accuracy, which is a good embodiment of virtual reality technology. It can improve the accuracy of the surgery.

Orthognathic surgery； Digital technology; Surgical templates； Precision medicine

710032 陜西 西安，軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 陜西省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院 頜面外科(商洪濤,史雨林,趙晉龍,劉彥普)；軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室 第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院 修復(fù)科(白石柱) 第一作者：商洪濤(1972-)，男，廣西南寧人，副主任醫(yī)師，碩士學(xué)位. 通信作者：劉彥普，710032，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院 頜面外科，電子信箱：liuyanpu@fmmu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-7040.2016.12.003

R

A

1673-7040(2016)12-0713-04

2016-10-19)