計算機(jī)輔助技術(shù)在顱頜面整形手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

郭雅倩 綜述，陳 華 審校

計算機(jī)輔助技術(shù)在顱頜面整形手術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

郭雅倩 綜述，陳 華 審校

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院整形美容燒傷科 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

計算機(jī)技術(shù)及軟件技術(shù)近些年不斷發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，計算機(jī)輔助技術(shù)在整形外科的應(yīng)用也逐步成熟，涉及到顱面部各器官的整形手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)相比效果滿意，不僅給患者帶來了福音，也使整形外科醫(yī)生的治療理念及技術(shù)水平得到了很大改善，筆者就計算機(jī)輔助技術(shù)在整形手術(shù)中鼻、顴骨等顱面常見部位的應(yīng)用現(xiàn)狀做一綜述，旨在為專業(yè)同行提供系統(tǒng)的文獻(xiàn)學(xué)習(xí)心得。

計算機(jī)；仿真模擬；顱面部；整形手術(shù)

計算機(jī)輔助三維重建是應(yīng)用計算機(jī)圖形圖像處理，結(jié)合人體解剖學(xué)和影像學(xué)的方法在計算機(jī)上構(gòu)建出人體真實結(jié)構(gòu)三維立體解剖的一種方法[1]。而虛擬手術(shù)則是在三維重建的基礎(chǔ)上，模擬手術(shù)操作，引導(dǎo)手術(shù)進(jìn)行的一種具有現(xiàn)代化元素的臨床手術(shù)應(yīng)用。虛擬手術(shù)是在接近真實解剖形態(tài)的立體模型上實施，從不同角度、不同手術(shù)路徑上觀察分析，盡量做到使手術(shù)切口最小化，術(shù)后效果最優(yōu)化[2]。

由于顱面畸形復(fù)雜多樣，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及顱頜面部的手術(shù)風(fēng)險大、不易處理，一些經(jīng)典手術(shù)難以獲得相對滿意的效果，所以可結(jié)合醫(yī)生經(jīng)驗、畸形特點、手術(shù)風(fēng)險及術(shù)后復(fù)發(fā)傾向選用靈活的人機(jī)交互進(jìn)行手術(shù)的模擬、設(shè)計和研究以獲得醫(yī)患雙方都滿意的療效[3]。

1 計算機(jī)輔助技術(shù)的原理及起源

1.1 計算機(jī)輔助技術(shù)的原理：計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)(CAD)和計算機(jī)輔助制作技術(shù)(CAM)是計算機(jī)輔助技術(shù)的基本組成。其原理是對患者頭顱或缺損部位進(jìn)行二維掃描，將所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)，通過一系列圖像或數(shù)據(jù)處理，最終將二維平面圖像轉(zhuǎn)化為三維空間立體圖像，三維數(shù)字化重建就此完成，然后根據(jù)三維圖像制作出缺損部位，繼之用三維精確測量法分析畸形性質(zhì)及范圍[4]。三維重建的目的就是從獲取的各種數(shù)據(jù)中恢復(fù)頭顱的三維結(jié)構(gòu)，得出定量化診斷，作為整復(fù)手術(shù)依據(jù)[5-8]。

1.2 計算機(jī)輔助技術(shù)的起源：1979年Herman[9]首先提出CT三維重建這一概念并測量各解剖數(shù)據(jù)，為臨床診斷、術(shù)前模擬提供了有效的解剖學(xué)知識；1983年Hermy[9]等人將CT三維重建技術(shù)用于顱和面部疾病的診斷；1984年Vannier和Marsh[10]創(chuàng)造性的將CT數(shù)據(jù)重構(gòu)用于三維影像并進(jìn)行測量和手術(shù)設(shè)計；2002年Runte應(yīng)用激光掃描獲得面部三維圖像，后利用三維平板印刷制作眼距缺損的三維模型；Tsutsuimi[11]最早將激光三維技術(shù)用于頭面部缺損患者的治療。

2 計算機(jī)輔助技術(shù)在顱面部治療中的應(yīng)用

2.1 在下頜骨整形中的應(yīng)用：南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院[12]對9例單側(cè)下頜骨發(fā)育過度引起的雙側(cè)下頜骨不對稱的女性患者進(jìn)行下頜骨整形，所有患者均接受CT頭顱掃描，數(shù)據(jù)以DICOM格式保存后輸入計算機(jī)，應(yīng)用西門子16排螺旋CT的Wizar圖像處理工作站進(jìn)行頭顱三維重建，在重建出的模型上進(jìn)行術(shù)前設(shè)計，規(guī)劃，模擬手術(shù)路徑進(jìn)行切割并反復(fù)調(diào)整與修復(fù)，確定截骨線，最終根據(jù)術(shù)前虛擬手術(shù)操作和術(shù)前CT測量數(shù)據(jù)對9例患者行截骨術(shù)。術(shù)中所有患者均未出現(xiàn)下頜骨骨折，神經(jīng)損傷的現(xiàn)象，術(shù)后也沒有傷口血腫及裂開等并發(fā)癥，且所有患者恢復(fù)快，雙下頜骨對稱，與術(shù)前虛擬手術(shù)結(jié)果差異甚小。Yu[13]等人經(jīng)試驗探索發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用計算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)糾正頜面外科畸形，不僅能提高手術(shù)準(zhǔn)確性，減少操作風(fēng)險，并且面部恢復(fù)勻稱美觀。

2.2 在顴骨降低術(shù)中的應(yīng)用：北京協(xié)和醫(yī)院鄒翀博士[14]對21例顴骨不對稱患者（其中13例為發(fā)育型單側(cè)顴骨肥大，其他為半側(cè)顱面肥大）采用了計算機(jī)輔助單側(cè)顴骨截骨降低術(shù)。用飛利浦Brillancen納米64排128層CT進(jìn)行術(shù)前掃描，掃描定位線定于眶耳平面以固定掃描位置，掃描時矚患者頭部保持位置固定，避免圖像模糊，以DICOM格式將CT斷層影像數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)入Mimics15.0軟件中，采用默認(rèn)骨組織CT閾值(226～3071)，進(jìn)行顱骨結(jié)構(gòu)的三維重建，同時測量各線距（額骨最小寬，面寬，前面寬，下頜角間寬，顴突距）角度指標(biāo)，再用Mimics15.0軟件下的cut功能進(jìn)行模擬截骨手術(shù)，完成模擬截骨手術(shù)后檢查各徑線是否與健側(cè)一致，雙側(cè)是否對稱，微調(diào)截骨線以期達(dá)到滿意的效果，再將帶有截骨線的三維模型以STL格式輸出，將STL導(dǎo)入Geomagie studio12.0中，根據(jù)顱和面三維結(jié)構(gòu)與由各徑線測量值所定的截骨線設(shè)計手術(shù)導(dǎo)板，輸入激光快速成型機(jī)，得到三維立體手術(shù)導(dǎo)板，術(shù)前碘酒浸泡以備手術(shù)使用。所有手術(shù)均在全麻下進(jìn)行，在骨膜下剝離完成后，將手術(shù)導(dǎo)板置入術(shù)區(qū)，按照手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計標(biāo)記L形顴骨截骨線，用長裂鉆從眶外后緣眶顴結(jié)合部進(jìn)行斜形截骨，用磨球?qū)⒔毓蔷€兩側(cè)骨性臺階打磨光滑，清洗創(chuàng)面，加壓止血，全層間斷縫合黏膜切口。術(shù)中未出現(xiàn)意外骨折和顱面神經(jīng)血管損傷。術(shù)后2周對所有患者復(fù)查CT，并將數(shù)據(jù)輸入Geomagie studio12.0軟件中，與術(shù)前模擬相比較，結(jié)果顯示，術(shù)后實際與術(shù)前設(shè)計模型配比和差值只有略微差異（小于2mm），所有患者對術(shù)后效果包括對稱性、美觀性及術(shù)后恢復(fù)狀態(tài)表示滿意。

2.3 在眶周畸形中的應(yīng)用：上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院整形外科[15]對106例復(fù)雜眶畸形患者（排除顱眶顴骨外傷患者）行眶周畸形矯正術(shù)，所有患者術(shù)前均接受顱面部CT掃描，將所得數(shù)據(jù)保存為DICOM3.0格式，再導(dǎo)入三維重建軟件Mimics10.1軟件獲得數(shù)字三維模型，術(shù)前模擬手術(shù)過程，切割模型獲得正?？糁懿课?，得到植入體形態(tài)后根據(jù)手術(shù)需要，切口限制加以必要的切割調(diào)整。以STL格式將設(shè)計好的植入體和骨骼數(shù)字模型保存，運用快速成型裝置（Z-printer510）打印成三維實體模型[16]，根據(jù)植入體的形態(tài)和位置選擇手術(shù)切口進(jìn)行植入體放置及固定術(shù)，術(shù)后6個月，所有患者再次行CT掃面，所得數(shù)據(jù)及圖像與術(shù)前影像設(shè)計及術(shù)前模擬基本一致。所有患者表示外觀獲得了明顯改善。

2.4 在顱骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用：顱骨缺損多由開放性顱骨損傷、或因顱高壓去瓣減壓、顱面骨病變切除以及顱骨畸形等所致，這將嚴(yán)重影響患者的顱面美觀，也對患者產(chǎn)生了不良的心理影像。應(yīng)用CAD和CAM技術(shù)，采用個性化三維塑形鈦網(wǎng)修補(bǔ)顱面部損傷，不僅縮短了手術(shù)時間，延續(xù)了骨組織的完整性，而且達(dá)到了很好的美容效果[17]。安徽醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院整形外科[18]從2003年到2010年應(yīng)用計算機(jī)輔助技術(shù)設(shè)計個性化塑形鈦網(wǎng)進(jìn)行顱面缺損修復(fù)，取得滿意的臨床效果；解放軍第三醫(yī)院[19]將109例顱骨缺損患者按照隨即分組分為A、B兩組。A組（60例患者，平均年齡34.8歲）采用傳統(tǒng)手工塑形，B組（49例患者，平均年齡33.78歲）采用數(shù)字化三維成型技術(shù)，分別進(jìn)行手術(shù)。兩組患者在平均年齡、缺損大小，缺損時間上均具有可比性。手工塑形組術(shù)前依據(jù)顱骨缺損部位大小、形狀及缺損對側(cè)部位外觀，結(jié)合術(shù)者經(jīng)驗，使用磨具壓制出適當(dāng)弧度，裁剪鈦網(wǎng)。術(shù)中將鈦網(wǎng)覆蓋于缺損區(qū)，適當(dāng)調(diào)整，使鈦網(wǎng)與顱骨契合滿意，最后用鈦釘固定。數(shù)字化三維塑形組，術(shù)前所有患者均行CT掃描骨窗，并測量出缺損部位的大小及各徑線，將測量值導(dǎo)入鈦網(wǎng)數(shù)字化成型機(jī)，構(gòu)建顱骨的三維模型，完成模擬裝配，運用數(shù)字化成型技術(shù)制作鈦網(wǎng)模型，同時進(jìn)行精細(xì)部位的手工測量，人工調(diào)節(jié)。最后將計算機(jī)模擬出來的鈦網(wǎng)進(jìn)行工業(yè)加工，三維塑形。手術(shù)方式同手工塑形組。兩組患者術(shù)后均用抗生素48h，7～8d拆線。分析比較兩組不同，手工塑形組手術(shù)時間、手術(shù)并發(fā)癥及塑形滿意度分別為108min、22%、67%；而數(shù)字化三維塑形組為78min、4%、100%。因此得出數(shù)字化成型技術(shù)無論是在術(shù)前設(shè)計，術(shù)中操作，術(shù)后美觀和盡量減少并發(fā)癥方面均優(yōu)于手工塑形組。

2.5 在鼻整形中的應(yīng)用：第四軍醫(yī)大學(xué)Dong[20]等人，采用三維立體照相，收集了289例中國漢族年輕人（146名男性，143名女性）的面部圖像數(shù)據(jù)，用Geomagic Studio 10軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使圖像在一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。其中收集了17例患者的鼻部測量結(jié)果，然后分別計算男性和女性鼻部各徑線的平均值，并結(jié)合快速成型技術(shù)制作三維模型，獲得了鼻部參數(shù)，建立了代表中國男性和女性鼻部形態(tài)的三維立體模型數(shù)據(jù)庫。制作出的鼻部模型，形態(tài)逼真，立體感強(qiáng)，分界清楚，結(jié)構(gòu)清晰，這項針對鼻部的研究方法同樣也適用于身體其他部位的測量。Chaid[21]等通過二維掃描，再計算機(jī)三維成像，然后快速成型技術(shù)制作出不同性別，多個尺寸的標(biāo)準(zhǔn)頭顱模型，在模型上進(jìn)行術(shù)前設(shè)計，規(guī)劃手術(shù)模擬，假體制作，模擬操作過程，最終對十二例因外傷造成鼻骨缺損的患者進(jìn)行鼻部整形手術(shù)，術(shù)后3個月對所有患者行CT掃面，比較術(shù)前模擬與術(shù)后實際鼻部各形態(tài)及數(shù)據(jù)無明顯差異，且所有患者鼻部形態(tài)逼真，輪廓曲線光滑，患者滿意度高。

2.6 在小耳畸形中的應(yīng)用：內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院陳華主任收集本科室從2000年-2005年臨床上先天性或后天性因素導(dǎo)致的小耳畸形患者86例(男女比例不等)，行HRCT掃描,層厚0.75mm，層隔0.5mm。將獲取的 DICOM格式數(shù)據(jù)輸入三維重建軟件3D DOCOTOR,經(jīng)圖像分割后,利用表面重建算法重建出顳骨的三維結(jié)構(gòu)，同時進(jìn)行了19項指標(biāo)的測量，然后在3D虛擬環(huán)境下,復(fù)制畸形耳的模型;進(jìn)而研究小耳畸形虛擬整復(fù)手術(shù)的方法，最終所有患者均得到滿意術(shù)后效果。在3D虛擬環(huán)境中,能清晰地觀察到形態(tài)逼真、立體感強(qiáng)的耳三維立體圖像,能較好的反映耳廓立體空間中眾多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的外形,且重建的結(jié)構(gòu)空間毗鄰及定位準(zhǔn)確,。同時軟件可以把患者面部皮膚質(zhì)地清楚的顯示在重建的三維立體模型之中,該模型可以在計算機(jī)中旋轉(zhuǎn)和放大, 并且可以進(jìn)行精細(xì)地三維測量，其所建的面部軟組織精度可限制在0.5mm以內(nèi),從而為小耳畸形的整形修復(fù)提供精確的術(shù)前設(shè)計和術(shù)后效果評價。得出結(jié)論：耳廓的形態(tài)個體差異較大，但自身比例接近，整形時應(yīng)考慮自身比例。基于力反饋的技術(shù)，進(jìn)行小耳畸形整形修復(fù)的手術(shù)模擬，使現(xiàn)實與計算機(jī)上的實時立體三維模型相結(jié)合，具有人機(jī)交互，可重復(fù)性，無損傷性，操作準(zhǔn)確等特點。

3 總結(jié)

科技的發(fā)展、計算機(jī)的普及，使計算機(jī)輔助技術(shù)在臨床診斷治療中的應(yīng)用將成為必然。將計算機(jī)三維重建及仿真技術(shù)用于顱面部缺損整形修復(fù)不僅縮短了手術(shù)時間，降低了操作的難度，提高了手術(shù)的精確度、安全性[22]，減少術(shù)中損傷，還可提高手術(shù)成功率，減少術(shù)后并發(fā)癥，使塑形滿意外觀對稱，達(dá)到顱面生理形態(tài)的美學(xué)要求[23]。計算機(jī)三維仿真技術(shù)在鼻部整形，眶周缺損整形、顴骨降低整形及下頜骨整形中均充分發(fā)揮了創(chuàng)傷小，愈合快，并發(fā)癥少的優(yōu)點，通過計算機(jī)輔助系統(tǒng)建立顱面三維模型，模擬真實手術(shù)，有助于手術(shù)方案的選擇，手術(shù)前的規(guī)劃，同時在術(shù)前也促進(jìn)醫(yī)患之間達(dá)成良好的共識，最終達(dá)到預(yù)期手術(shù)效果。

4 展望

計算機(jī)三維重建及仿真技術(shù)是一項先進(jìn)性、綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，這項技術(shù)越來越被臨床醫(yī)生及患者所接受，不僅強(qiáng)化了年輕醫(yī)生在臨床操作中的規(guī)范意識，模擬手術(shù)真實過程，夯實操作基本功，培養(yǎng)醫(yī)生開拓性思維，而且還為患者提供了個性化的設(shè)計方案，為器官再造提供了更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)，增加了患者的信任度，同時也為良好的醫(yī)患關(guān)系創(chuàng)造了條件，這就說明計算機(jī)輔助技術(shù)在臨床推廣應(yīng)用將成為一個必然趨勢，但這項技術(shù)目前仍有較大的研究發(fā)展空間，主要有以下幾個方面。

4.1 國內(nèi)設(shè)備：計算機(jī)產(chǎn)業(yè)在中國的發(fā)展本不算先進(jìn)，因此在計算機(jī)輔助設(shè)備上國內(nèi)的PC系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。為適應(yīng)我國現(xiàn)有發(fā)展條件，有必要開發(fā)基于微機(jī)的顱面外科計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)，這也將為未來在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中培訓(xùn)外科醫(yī)師以及遠(yuǎn)程會診奠定基礎(chǔ)。

4.2 術(shù)前仿真模擬與真實手術(shù)效果的差距：計算機(jī)輔助仿真技術(shù)很大程度上降低了手術(shù)風(fēng)險及手術(shù)難度，使手術(shù)靈活，易于操作，但其也存在一些不可避免的問題，如術(shù)前模擬仿真手術(shù)達(dá)到的效果與手術(shù)完成后相比存在外觀形態(tài)上的差異，這使得手術(shù)效果不盡如人意，增加了患者的心理及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

4.3 骨組織切割移位對軟組織的影響：與骨組織相比，軟組織的模擬較為復(fù)雜，除了要考慮骨組織的移動量和移動方向外，還需要考慮軟組織厚度，軟組織表面張力，軟組織與骨的聯(lián)接以及手術(shù)相鄰區(qū)域等問題，這些因素都將使術(shù)前預(yù)測與術(shù)后實際效果相比出現(xiàn)不可預(yù)知的差異[24]。

4.4 國內(nèi)缺乏顱頜面正常解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫：目前國內(nèi)在實施計算機(jī)仿真手術(shù)前為了獲取正常標(biāo)準(zhǔn)解剖部位模型，往往要先搜集幾十甚至幾百例結(jié)構(gòu)正常、形態(tài)美觀的志愿者的二維或三維圖像，這大大增加了醫(yī)務(wù)人員的工作量，而且也摻雜了術(shù)者的主觀因素，因此，建立一個符合東方經(jīng)典美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的頭顱及面部數(shù)據(jù)庫是確保整形效果質(zhì)量的重要因素之一[25]。

4.5 計算機(jī)輔助技術(shù)規(guī)范化培訓(xùn)：對醫(yī)務(wù)工作者進(jìn)行計算機(jī)輔助技術(shù)知識的普及以及規(guī)范化培訓(xùn)是提升我國計算機(jī)醫(yī)療的必備條件。

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Application of Computer Aided Technology in Craniofacial Plastic Surgery

GUO Ya-qian, CHEN Hua
(Department of Plastic and Cosmetic Surgery,the First Hospital of Inner Mongolia Medical University,Hohhot 010050,Inner Mongolia,China)

In recent years Computer technology and software technology have developed and are used in the f i eld of medicine widely. The application of computer aided technology is also popularized in plastic surgery gradually, the plastic surgery of the various craniofacial organs involved in computer aided technology has obtained satisfactory effect compared with traditional surgery, which not only brought good news to patients, but also made plastic surgeons’s treatment concept and technical level a great improvement. The author makes a summary on the application of computer aided technology in plastic surgery of the nose, cheekbones and other common craniofacial parts, aiming at providing experience of a systematic literature learning for professional counterparts.

computer;simulation technique;craniofacial;plastic operation

R622

A

1008-6455（2017）05-0119-04

2017-01-21

2017-04-03

編輯/張惠娟

國家自然科學(xué)基金（項目編號：81560317），蒙古族成人顱頜面骨、軟組織三維形態(tài)與容貌的關(guān)系；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金面上項目（項目編號：2015MS(LH)0814），顱頜面畸形個性化修復(fù)的三維動態(tài)建模和仿真研究

陳華，內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院整形美容燒傷科，科主任，主任醫(yī)師，醫(yī)學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師；E-mail:wi116699@sina.com