數(shù)字化三維手術模擬在正頜外科?？漆t(yī)師培訓中的應用

沈末倫，王旭東

上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科，上海市口腔醫(yī)學研究所，上海市口腔醫(yī)學重點實驗室，上海 200011

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數(shù)字化三維手術模擬在正頜外科?？漆t(yī)師培訓中的應用

沈末倫，王旭東

上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科，
上海市口腔醫(yī)學研究所，上海市口腔醫(yī)學重點實驗室，上海 200011

牙頜面畸形患者面部形態(tài)異常和咬合功能障礙常較嚴重，需要采用正頜—正畸聯(lián)合治療的方法進行矯正。治療牙頜面畸形的正頜手術術野狹小、操作復雜、風險較大，其手術教學和操作培訓手段有限，限制了此類技術的推廣應用。文章介紹了將數(shù)字化三維手術設計與模擬系統(tǒng)應用于正頜外科專科醫(yī)師培訓，可取得良好的手術教學效果。實踐表明，通過手術虛擬操作，可使受訓醫(yī)師加深對牙頜面畸形和正頜外科手術的理解。

牙頜面畸形；正頜手術；數(shù)字醫(yī)學；培訓；手術模擬

牙頜面畸形是指個體顱頜面生長發(fā)育過程中，受先天性或獲得性因素影響所致的頜骨生長發(fā)育畸形，患者常有較嚴重的面部形態(tài)異常和咬合功能障礙，單純正畸代償治療往往無法矯正畸形或不能獲得滿意的矯治效果，需通過正頜—正畸聯(lián)合治療才能獲得較滿意的面部美容效果和咬合功能。通過正頜手術矯正牙頜面畸形需要截開并移動牙—骨復合體，重建牙頜面結構三維空間關系。因此，對截骨的方式和牙—骨復合體移動的方向、距離，應在術前有精確的設計。正頜外科手術操作相對復雜、風險較大，并且在口腔內操作，視野狹小、手術教學困難，限制了此類技術的推廣。

近年來，隨著計算機技術和數(shù)字醫(yī)學的飛速發(fā)展，越來越多的新興技術被應用于外科領域。虛擬手術是利用虛擬現(xiàn)實技術將各種醫(yī)學影像數(shù)據(jù)導入計算機中，建立一個數(shù)字模型，醫(yī)師在虛擬環(huán)境中進行手術設計與模擬，并引導實際手術過程的一種新興技術［1］。近年來，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科建立了數(shù)字化三維工作室，利用計算機技術將牙頜面畸形患者的螺旋CT數(shù)據(jù)以DICOM標準格式導入，并與患者的牙列三維掃描圖像進行融合，重建顱頜面三維模型，通過相關軟件在虛擬環(huán)境中進行三維頭影測量分析以及虛擬截骨和移動，構建了頜骨畸形的數(shù)字化三維手術設計和模擬系統(tǒng)，并應用于正頜外科?？漆t(yī)師培訓中，取得了較好的效果。

1　材料與方法

1.1病例資料

選擇2014年5月至2015年6月在上海第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科完成正頜手術治療，并隨訪一年以上術后效果滿意的牙頜面畸形患者10例，男4例，女6例，平均年齡22.5歲（19～31歲），骨性II類錯頜畸形3例，骨性III類錯頜畸形7例。在數(shù)字化三維工作室資料庫中調取該10例患者的術前面部正面、側面及口內咬合照片，術前X線全口牙列曲面斷層片、頭顱定位正位及側位片，術前螺旋CT數(shù)據(jù)以及牙列三維掃描圖像，并調取患者的實際手術記錄。

1.2數(shù)字化三維手術設計與模擬

將患者的螺旋CT數(shù)據(jù)以DICOM格式導入Proplan 1.0軟件（Materialise公司，比利時），進行顱頜面骨骼三維重建，并與牙列三維掃描圖像進行融合，構建顱頜面數(shù)字化三維模型，進行三維頭影測量分析。在三維模型上，利用Proplan1.0軟件分離下頜骨，并模擬上頜骨Le Fort I型截骨、雙側下頜支矢狀骨劈開及頦成形截骨操作，各骨塊經(jīng)體數(shù)據(jù)重建，生成顱頜面骨骼的數(shù)字化樹狀結構模型。在此數(shù)字化三維模型上，對骨塊進行上抬、下降、平移、旋轉等操作，改變它們的相對空間位置，進行正頜手術設計與模擬，根據(jù)患者的面形、咬合、X線頭顱定位側位片頭影測量分析以及三維頭影測量分析結果，決定各截骨塊移動的方向及量（如圖1所示）。手術方案確定后，將設計模型數(shù)據(jù)以STL格式輸出，在三維打印機上進行虛擬截骨導板、中間頜板及終末頜板的三維打印（如圖2所示）。

圖1　牙頜面畸形患者數(shù)字化三維模型正頜手術設計及虛擬操作

圖2　圖1所示患者的三維打印手術導板

1.3正頜外科?？漆t(yī)師手術虛擬操作及培訓

選取剛進入專科醫(yī)師培訓基地的年輕醫(yī)師5名，進行正頜手術的教學及操作培訓。首先利用該數(shù)字化三維手術設計與模擬系統(tǒng)平臺進行手術的教學示教，在虛擬環(huán)境中進行模擬截骨和骨塊的移動操作演示，提醒注意事項。然后，由這5名受訓醫(yī)師分別獨自利用該系統(tǒng)對選定的10例牙頜面畸形病例進行手術設計和模擬，完成正頜手術方案設計后，再與病案中記錄的實際手術方式進行比較，由兩名經(jīng)驗豐富的高級職稱正頜外科專家共同對受訓醫(yī)師設計的方案進行評估，指出不足，分析原因，修正方案，引導受訓醫(yī)師思考不同截骨方式和骨塊移動的意義。

2　結果

Proplan軟件既可對牙頜面畸形患者的螺旋CT數(shù)據(jù)進行三維重建，并與牙列的三維掃描圖像進行融合，構建數(shù)字化虛擬模型，又可對頜骨畸形進行三維頭影測量分析及診斷。在三維虛擬模型上可以直觀的確定患者畸形所在的部位、類型及程度。利用數(shù)字化三維手術設計與模擬系統(tǒng)，可以在三維空間上模擬Le Fort I型截骨、SSRO及頦成形截骨等操作，通過各骨塊的相對移動來重建良好的面形及咬合。

數(shù)字化三維手術設計與模擬培訓系統(tǒng)具有可重復性，受訓醫(yī)師可在虛擬模型上進行反復的截骨移動嘗試，確定最終的手術方案。通過與實際手術方案的比較以及正頜外科專家的點評，受訓醫(yī)師可以找到自己設計的不足及原因，在三維空間上加深了對牙頜面畸形特征以及各種正頜手術截骨方式和骨塊移動意義的理解，顯著提高了其診斷分析能力與操作技能，使其可以快速、直觀地理解頜骨畸形的空間解剖結構，掌握正頜外科手術操作，具有較高的手術教學意義。

3　討論

3.1數(shù)字化三維手術虛擬操作及培訓的作用

由于正頜手術都在口腔內進行，術區(qū)暴露有限、視野狹小、解剖結構復雜，即使在一助的位置有時也難以觀察手術操作的具體過程，并且在術野及其鄰近部位存在很多危險的重要解剖結構，一旦術中出現(xiàn)損傷，就可能出現(xiàn)嚴重的并發(fā)癥，甚至危及患者生命安全［2］。因此，為避免醫(yī)療差錯和醫(yī)患糾紛的發(fā)生，年輕醫(yī)師在進行臨床實際操作訓練前，應盡可能最大限度地掌握各種手術操作技能，在臨床前的教學培訓中提供高仿真的模擬環(huán)境進行技能訓練顯得尤為重要。數(shù)字化虛擬手術教學技術正是醫(yī)學教育順應現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展的需要而產(chǎn)生的，該技術為教師和學生提供了一個無創(chuàng)、安全、高效、允許出錯、可重復的訓練方式，通過在虛擬模型上的模擬操作，完成技能訓練，為臨床實際手術操作訓練打下堅實的基礎［3-4］。Lehmann等［5］研究發(fā)現(xiàn)，利用內窺鏡模型在虛擬環(huán)境下訓練獲得的操作技能可直接應用于臨床實際，提示手術模擬訓練可以通過短期強化培訓獲得以往臨床上需要通過幾年實踐來獲得的操作技能，培訓效率高。Sternberg等［6］發(fā)現(xiàn)虛擬截骨手術系統(tǒng)可顯著提高受訓醫(yī)師的手術操作技巧，較好地滿足外科醫(yī)師的臨床教學培訓需要，使受訓者快速學習解剖結構，掌握手術技能。Sohmura等［7］在三維虛擬模型上借助力反饋設備對牙頜面畸形患者進行正頜手術設計、模擬截骨及移動操作，實現(xiàn)了力的實時感知反饋，高度仿真地模擬了真實的手術操作。該研究利用Proplan軟件生成牙頜面畸形的數(shù)字化三維虛擬模型，受訓者在虛擬環(huán)境下行骨塊三維空間旋轉、移位等模擬操作，實現(xiàn)了上頜骨Le FortⅠ型截骨術、SSRO、頦成形術等常規(guī)手術操作，模擬了真實的正頜外科手術截骨及移動過程。

3.2數(shù)字化三維手術設計與模擬系統(tǒng)在正頜外科教學中的意義

以往年輕的外科醫(yī)師只能通過教科書和術中助手的形式來逐步積累解剖知識和手術技巧，學習效率低下。在當前醫(yī)療環(huán)境下，年輕醫(yī)師實際手術操作訓練的機會很少［8］。對于頜面部較為復雜、精確度要求較高并且手術風險較大的正頜手術，所需要的培訓周期將更長。傳統(tǒng)的基于頭顱定位X線片的頭影測量分析局限于二維的側貌模擬；而石膏模型外科盡管實現(xiàn)了三維的手術設計和模擬操作，但缺乏顱頜面骨的整體空間結構，只能反映上頜骨和下頜骨的位置關系。數(shù)字化三維手術設計與模擬系統(tǒng)利用計算機軟件重建了顱頜面骨骼的三維結構，并與牙列的三維掃描圖像進行了融合，實現(xiàn)了三維頭影測量分析，受訓醫(yī)師可以在虛擬三維空間中從不同的角度直觀地觀察分析，加深了對牙頜面畸形特征、類型及程度的理解。通過該系統(tǒng)平臺，能在虛擬環(huán)境下模擬各種類型的正頜手術截骨及骨塊的移動，更加逼真、形象、直觀。在正頜手術過程中，骨塊移動到新的位置后可能產(chǎn)生骨早接觸，干擾牙—骨復合體的就位，術前利用該系統(tǒng)平臺進行手術虛擬操作，可以預估骨早接觸點的部位，使實際手術中的去骨操作更加精確。正頜外科?？漆t(yī)師利用該手術模擬系統(tǒng)進行手術操作技能的訓練，縮短了臨床培訓時間，減少了醫(yī)療失誤的發(fā)生。

另一方面，通過審核評估受訓醫(yī)師設計的手術方案，臨床帶教教師可以發(fā)現(xiàn)年輕醫(yī)師容易出現(xiàn)的失誤和不足。比如:對于骨性III類錯頜畸形，年輕醫(yī)師設計手術方案時，將下頜骨后退過多，忽視了術后氣道變窄的問題；對于上頜骨發(fā)育不足、鼻旁區(qū)凹陷的病例，年輕醫(yī)師設計時將上頜骨過度前移，未考慮鼻唇角變銳對容貌的不利影響；對于骨性II類錯頜畸形、上頜前突的病例，年輕醫(yī)師設計上頜骨Le Fort I型截骨后退距離過大，未考慮實際手術操作的可行性。利用該數(shù)字化三維手術設計與模擬系統(tǒng)，帶教教師通過評估年輕醫(yī)師手術設計方案的缺陷，發(fā)現(xiàn)其易犯的錯誤，從而在臨床帶教中做到有的放矢，提高臨床教學效果。

總之，該研究充分肯定了數(shù)字化三維手術設計與模擬系統(tǒng)在正頜外科臨床教學及操作訓練上的意義。利用該系統(tǒng)進行正頜外科術前設計與規(guī)劃，并模擬手術操作過程，滿足了手術教學培訓的需要。隨著醫(yī)學教育理念的改變和虛擬手術技術在教學培訓中的推廣，數(shù)字化虛擬手術教學及操作訓練將在外科醫(yī)師手術技能培訓中發(fā)揮越來越重要的作用，需要加強有關虛擬現(xiàn)實與力和觸覺反饋方面的研究。

［1］Kim JY，Kim W S，Choi EC，et al.The Role of Virtual Surgical Planning in the Era of Robotic Surgery［J］.Yonsei Med J，2016，57（1）：265-268

［2］李陽，曲衛(wèi)國，馬衛(wèi)東，等.正頜外科手術矯治牙頜面畸形的臨床回顧性研究［J］.現(xiàn)代口腔醫(yī)學雜志，2009，23（3）：249-251

［3］于洪波，王博，王旭東，等.髁突骨軟骨瘤治療的虛擬設計及教學模擬［J］.中國醫(yī)學教育技術，2015，29（2）：187-190

［4］周學東，張凌琳，葉玲，等.虛擬仿真技術在口腔醫(yī)學教育領域的應用［J］.實驗技術與管理，2014，31（5）：4-6，16

［5］Lehmann KS，Ritz JP，Maass H，et al.A prospective randomized study to test the transfer of basic psychomotor skills from virtual reality to physical reality in a comparable training setting［J］.Ann Surg，2005，241（3）：442-449

［6］Sternberg N，Bartsch M S，Petersik A，et al.Leaning by doing virtually［J］.Int JOral Maxillofac Surg，2007，36（5）：386-390

［7］Sohmura T，Hojo H，NakajimaM，etal.Prototype of simulation of orthognathic surgery using a virtual reality haptic device［J］.Int JOral Maxillofac Surg，2004，33（8）：740-750

［8］朱宏晉，徐玉梅.關于新醫(yī)療環(huán)境下臨床實習生職業(yè)勝任力的培養(yǎng)研究［J］.中國醫(yī)學倫理學，2015，28（4）：495-497

基金項目:該課題受北京大學口腔醫(yī)學院教學改革項目資助。

收稿日期:2016-01-16

作者簡介:趙雪竹（1983-），女，北京人，主治醫(yī)師，博士，主要研究方向:3D打印模型及導板在口腔種植及教學中的應用。

通信作者:唐志輝（1970-），男，廣西柳州人，主任醫(yī)師，教授，博士，主要研究方向:3D打印導板在口腔種植中的應用、骨替代材料和促骨生長因子的研究。電話:010-82196237；E-mail:tang_zhihui@live.cn

App lication of digital three-dimensional surgical simu lation system in specialist training of orthognathic surgery

Shen Molun，Wang Xudong
Department of Oral and Craniomaxillofacial Surgery，the Ninth People's Hospital of Shanghai Jiaotong University School of Medicine；Shanghai Research Institute of Stomatology；Shanghai Key Laboratory of Stomatology，Shanghai200011，China

Patients with dento-maxillofacial deformities often suffer relatively severe facial anomalies and occlusal dysfunction，which need to be corrected with combined orthodontic and orthognathic treatment.Orthognathic surgery is very complicated with narrow operative field and relatively high risk.Themeans of orthognathic surgery teaching and operation training are limited，which restricts the promotion of orthognathic surgical technology.In this study，a digital three-dimensional surgical design and simulation system was applied to specialist training of orthognathic surgery with satisfactory results.Practice proves that through virtual operation training，the trained surgeons obtained a deeper understanding of dento-maxillofacial deformities and orthognathic surgery.

dento-maxillofacial deformity；orthognathic surgery；digital medicine；training；surgical simulation

G434

A

1004-5287（2016）03-0310-03

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603021

上海交通大學醫(yī)學院2015本科教學改革立項項目［滬交醫(yī)教（2015）9號文件］；上海交通大學醫(yī)學院高峰高原計劃“研究型醫(yī)師”項目（20152225）；上海市市級醫(yī)院新興前沿技術聯(lián)合攻關項目（SHDC12013103）

2016-01-19

沈末倫（1978-），男，安徽池州人，主治醫(yī)師，碩士，主要研究方向:牙頜面畸形的臨床與基礎研究。

王旭東（1970-），男，福建泉州人，教授，主任醫(yī)師，博士研究生導師，主要研究方向:顱頜面畸形的臨床與基礎研究。電話:021-53315144；E-mail:xudongwang70@hotmail.com