數(shù)字化時(shí)代的正頜手術(shù)概況

劉建華 黃佳夢 林軍 林軼 李娟

劉建華，現(xiàn)任浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院口腔醫(yī)療中心主任，口腔頜面外科(國家臨床重點(diǎn)?？?主任；浙江大學(xué)《口腔科學(xué)》教學(xué)委員會(huì)主任/責(zé)任教授；博士生導(dǎo)師；浙江省口腔醫(yī)師協(xié)會(huì)副會(huì)長；浙江省口腔頜面外科專業(yè)委員會(huì)主任委員；中國腫瘤防治聯(lián)盟（UCOM）口腔腫瘤專業(yè)委員會(huì)浙江省主任委員。兼任《BioMed Research International》《Jacobs Journal of Surgery》等國際雜志編委；作為主要完成人獲得省部級科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)8項(xiàng)；獲國家專利2項(xiàng)；先后發(fā)表論文100余篇，部分在 《J Oral Maxillofac Surg》《Int J Oral Maxillofac Surg》《British J of Oral and Maxillofacial Surg》等國際知名期刊發(fā)表；作為主編編寫《唇鼻整形美容手術(shù)圖譜》（人民衛(wèi)生出版社）；具有30多年口腔頜面外科各類手術(shù)臨床經(jīng)驗(yàn)。

傳統(tǒng)正頜手術(shù)的治療設(shè)計(jì)是在X線頭影測量分析的基礎(chǔ)上，獲取患者牙列石膏模型及咬合記錄，轉(zhuǎn)移面弓上牙合架進(jìn)行模型外科分析，設(shè)計(jì)頜骨運(yùn)動(dòng)的方向和范圍，最后制作手術(shù)牙合板。然而，這種方法在真實(shí)骨骼運(yùn)動(dòng)的精確模擬，以及復(fù)雜三維頜面部結(jié)構(gòu)的表達(dá)和分析（如標(biāo)志點(diǎn)識別和解剖結(jié)構(gòu)重疊）等方面存在局限性。隨著數(shù)字化成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助正頜手術(shù)系統(tǒng)（CAOS）已越來越多地被應(yīng)用于正頜手術(shù)中的診斷和治療設(shè)計(jì)[1-3]。應(yīng)用專業(yè)的軟件（如Dolphin Imaging）可以整合CT圖像數(shù)據(jù)和三維激光表面掃描數(shù)據(jù)，重建顱面骨骼、軟組織、上下牙列模型的三維影像，精確呈現(xiàn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上制定手術(shù)計(jì)劃，模擬手術(shù)過程以及預(yù)測手術(shù)效果。本文對筆者團(tuán)隊(duì)近幾年來數(shù)字化正頜手術(shù)的概況進(jìn)行總結(jié)，包括三維成像及手術(shù)設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬、3D打印和手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，以期為其臨床實(shí)際應(yīng)用的推廣提供參考。

1 三維成像在正頜手術(shù)術(shù)前設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

基于錐形束CT（CBCT）的3D成像技術(shù)相較于2D成像能提供更準(zhǔn)確的解剖結(jié)構(gòu)顯示，有助于臨床醫(yī)師進(jìn)行正頜手術(shù)的診斷、治療設(shè)計(jì)和治療結(jié)果評估。

CBCT是一種容積式圖像采集技術(shù)，可獲得高質(zhì)量的三維重建模型，與傳統(tǒng)的CT成像相比，輻射劑量更低，掃描時(shí)間更短，成本更低，它已被廣泛用于正頜手術(shù)中的牙頜面成像[4]。

在CBCT掃描重建中，面部形態(tài)無顏色和紋理，我們可以通過兩類立體表面成像系統(tǒng)（即三維攝影和激光表面掃描）獲得面部表面的紋理和顏色信息，然后建立面部表面和三維重建骨骼相結(jié)合的虛擬模型，以實(shí)現(xiàn)自然逼真的軟組織模擬和測定[5-6]。此外，CBCT在牙齒的精確識別上存在不足，隨著3D激光牙頜模型掃描儀、口內(nèi)掃描儀等儀器的出現(xiàn)，我們能夠獲得精確的牙齒表面數(shù)據(jù)，對咬合關(guān)系的重建更加精準(zhǔn)。許多研究已經(jīng)報(bào)道了CBCT骨模型和數(shù)字牙模型的整合方法，能夠同時(shí)呈現(xiàn)三維骨骼結(jié)構(gòu)、牙齒和咬合[7-8]。

2 模擬手術(shù)

Dolphin Imaging是一款應(yīng)用于正畸正頜領(lǐng)域的診斷、設(shè)計(jì)軟件，它有多種功能，如整合多源性的三維圖像數(shù)據(jù)，三維頭影測量分析，識別和描繪特定的解剖結(jié)構(gòu)并進(jìn)行圖像分割，模擬正頜手術(shù)以及預(yù)測軟組織的變化等。結(jié)合臨床檢查、三維頭影測量分析以及數(shù)字化模型的研究，能夠?qū)︻M面部畸形進(jìn)行正確的診斷[9]，并形成一個(gè)初步的治療計(jì)劃。外科醫(yī)生根據(jù)初步治療計(jì)劃在Dolphin Imaging軟件中對顱骨-牙齒復(fù)合體模型執(zhí)行特定的虛擬手術(shù)[1，10]。在模擬過程中，不僅可以實(shí)現(xiàn)精確量化截骨和截骨段的自由移動(dòng)，還能夠進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于調(diào)整截骨段使其移動(dòng)至最佳位置[11]，并且可以更加真實(shí)地描繪軟組織的變化[12]。此外，醫(yī)生可以使用3D模型向患者展示制定的手術(shù)方案，以便于患者更好地理解。目前用于正頜模擬手術(shù)的其它常用軟件還包括Mimics、Sim-Plant OMS和Maxilim。

病例1（圖1）：患者男，35歲。因“阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征”至本中心就診。運(yùn)用Dolphin Imaging軟件三維成像，進(jìn)行三維頭影測量分析，診斷為“上頜前突、下頜后縮”。手術(shù)方案擬行“上頜骨LefortⅠ型截骨術(shù)+雙側(cè)下頜升支截骨術(shù)+頦成形術(shù)”，在Dolphin Imaging中進(jìn)行模擬手術(shù)，并預(yù)測軟組織的變化。術(shù)后患者氣道狹窄問題得到糾正，面型明顯改善。

3 3D打印技術(shù)在正頜手術(shù)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）的快速發(fā)展，3D打印模型、手術(shù)牙合板、個(gè)性化截骨導(dǎo)板和再定位導(dǎo)板等逐漸應(yīng)用于正頜手術(shù)中[13]，有助于診斷和分析問題，節(jié)省制作時(shí)間，提高手術(shù)精確度，促進(jìn)了手術(shù)效果的可預(yù)見性[1，14-15]。

傳統(tǒng)的正頜手術(shù)是以模型外科為基礎(chǔ)，用自凝塑料制作手術(shù)牙合板，不僅工作量大，而且存在較大誤差。使用3D打印技術(shù)制作的數(shù)字化牙合板較傳統(tǒng)牙合板精確很多，其可靠性和準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了大量研究的驗(yàn)證[16-18]。完成手術(shù)模擬后，根據(jù)中間和終末牙齒位置，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行牙合板的數(shù)字化設(shè)計(jì)，然后在快速成型機(jī)中制造出來（圖2），大大提高了牙合板的精確度及制作效率，有利于手術(shù)計(jì)劃的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。

此外，復(fù)雜的截骨操作也可以在個(gè)性化截骨導(dǎo)板的引導(dǎo)下進(jìn)行，并用再定位導(dǎo)板輔助骨塊定位，使其移動(dòng)至理想位置上。許多研究評估并肯定了使用CAD/CAM再定位導(dǎo)板聯(lián)合截骨導(dǎo)板等能將模擬手術(shù)計(jì)劃有效并精確轉(zhuǎn)移至手術(shù)中[19-21]。此外還有多種改良的數(shù)字化定位方法，例Shehab等[22]提出了一種牙/骨支持式的牙合板設(shè)計(jì)來輔助上頜定位；Yamauchi、Gander、Kraeima等[23-25]報(bào)道了使用牙支持式CAD/CAM截骨導(dǎo)板及個(gè)性化鈦板，指示LefortⅠ截骨線及鈦板固定位置，快速準(zhǔn)確定位上頜骨；Lee等[26]引入一個(gè)新的CAD/CAM鑰匙和鎖孔系統(tǒng)，能夠同時(shí)再定位上頜骨和下頜骨，不需要中間牙合板；Polley和Figueroas[27]介紹了一種以咬合為基礎(chǔ)的“正頜定位系統(tǒng)”。以上這些衍生的數(shù)字化定位方法，都實(shí)現(xiàn)了將術(shù)前虛擬設(shè)計(jì)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移至術(shù)中實(shí)際，便于臨床操作。

圖1 病例1患者應(yīng)用Dolphin Imaging軟件完成三維成像、正頜手術(shù)模擬及軟組織變化預(yù)測

圖2 3D打印手術(shù)牙合板

病例2（圖3）：患者女，25歲。正頜術(shù)后6個(gè)月，面型不對稱，右側(cè)下頜骨稍膨隆，要求二次修復(fù)。通過3D打印患者下頜骨模型，進(jìn)行診斷并設(shè)計(jì)治療方案。同時(shí)，制作3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板引導(dǎo)手術(shù)操作，達(dá)到手術(shù)計(jì)劃精確實(shí)現(xiàn)的目的。

圖3 病例2患者正頜手術(shù)（a：患者面型不對稱；b：3D打印模型研究示左右兩側(cè)下頜骨體部高度不一致；c、d：制作右下頜骨3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板，引導(dǎo)術(shù)中截骨）

病例 3（圖 4）：患兒女，2 歲。因“腭裂、面部畸形”至本中心就診，通過臨床檢查結(jié)合3D打印頜骨模型分析，診斷為“Ⅱ度腭裂、頜骨發(fā)育不全”，于本中心行下頜骨牽張成骨術(shù)，再擇期行腭裂修整術(shù)。術(shù)前，在3D打印模型上設(shè)計(jì)截骨線及鈦板固定位置，制作個(gè)性化截骨導(dǎo)板及鈦板，提高了手術(shù)的精準(zhǔn)度。術(shù)后1年復(fù)診，患者下頜骨生長情況良好，面型改善效果較為理想。

圖4 病例3患兒正頜手術(shù)（a、b：患兒治療前面型，上下頜骨嚴(yán)重發(fā)育不足；c、d、f：手術(shù)前，在3D打印模型上設(shè)計(jì)截骨線及鈦板固定位置，制作個(gè)性化截骨導(dǎo)板及鈦板；g、h：術(shù)后1年復(fù)診，患兒面型改善佳）

4 實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在正頜手術(shù)中的應(yīng)用

實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理的三維立體模型與實(shí)際手術(shù)進(jìn)行交互，通過紅外線或者激光對手術(shù)器械位置的追蹤，最大化地提供術(shù)區(qū)信息，屬于計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在數(shù)字化正頜外科中，實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)擴(kuò)展了手術(shù)醫(yī)生臨床操作中有限的視野范圍，使手術(shù)在更加直視、更加清晰的術(shù)野內(nèi)完成。手術(shù)期間，根據(jù)術(shù)前導(dǎo)航計(jì)劃中制備的截骨點(diǎn)，可以安全地進(jìn)行常規(guī)截骨術(shù)。同時(shí)，骨塊原始位置和新位置均會(huì)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，可以觀察到探針和驗(yàn)證點(diǎn)之間的距離，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位，更加客觀、量化地反映治療過程[28-29]（圖5-6，見插頁）。該技術(shù)可以作為引導(dǎo)截骨，檢查骨移動(dòng)，確定最終骨位置的權(quán)威性工具，有利于提高復(fù)雜雙頜手術(shù)的準(zhǔn)確性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。常用導(dǎo)航系統(tǒng)包括 Instatrak、Stealth Station、Stryker Navigation System。

圖5 術(shù)中固定手術(shù)導(dǎo)航儀

圖6 利用手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行左側(cè)上頜骨修整術(shù)（a：紅色區(qū)域?yàn)榕蚵〉纳项M骨區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域?yàn)檎^(qū)域，需要修整左側(cè)上頜骨以達(dá)到面型對稱的目的；b：根據(jù)藍(lán)色正常區(qū)域鏡像生成綠色區(qū)域，即確定了預(yù)期的治療結(jié)果）

5 討論

傳統(tǒng)的正頜手術(shù)設(shè)計(jì)基于二維X線影像和石膏模型，對骨塊移動(dòng)以及術(shù)后軟組織預(yù)測的精確度不高，而正頜手術(shù)計(jì)劃對準(zhǔn)確性要求較高，患者對外貌以及功能的需求往往高于其它類別的手術(shù)，較小的偏差都可能導(dǎo)致治療結(jié)果不理想，特別是對于面部嚴(yán)重畸形或不對稱的患者。采用CAOS系統(tǒng)，可以提高治療計(jì)劃的準(zhǔn)確性和手術(shù)執(zhí)行的精確性。

通過Dolphin Imaging軟件將三維虛擬模型與頭影測量分析結(jié)合在診斷和治療計(jì)劃中，可以協(xié)助臨床醫(yī)師對頜面結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評估；同時(shí)，能在軟件中執(zhí)行虛擬手術(shù)，并建立一個(gè)明確且客觀的矯正面部畸形的治療計(jì)劃，最終有利于改善患者的治療結(jié)果。手術(shù)過程中，應(yīng)用截骨導(dǎo)板、再定位導(dǎo)板和實(shí)時(shí)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)等，有助于外科醫(yī)生在術(shù)中將骨塊準(zhǔn)確地移動(dòng)到預(yù)期理想位置，實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)計(jì)劃的高精度轉(zhuǎn)移。

通常術(shù)后有兩種驗(yàn)證虛擬設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移準(zhǔn)確性的方法，即色差度量和描述性統(tǒng)計(jì)分析[30]。術(shù)后拍攝CBCT，以顱底為基準(zhǔn)初始配準(zhǔn)模擬和實(shí)際術(shù)后圖像，進(jìn)行可視表面模型重疊，通過色度劃分比較虛擬手術(shù)圖像與術(shù)后結(jié)果之間的差異，也可以采用某些統(tǒng)計(jì)分析方法比較虛擬和實(shí)際術(shù)后圖像的各個(gè)測量參數(shù)之間是否存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，對其準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行更進(jìn)一步的量化分析[31-32]。我中心近幾年開展數(shù)字化正頜外科的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論證實(shí)了通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬手術(shù)計(jì)劃的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移，誤差較小。

總而言之，數(shù)字化正頜手術(shù)已逐漸在臨床實(shí)踐中應(yīng)用。它有助于在手術(shù)前通過問題分析和計(jì)劃設(shè)計(jì)來提高手術(shù)精確度，減小術(shù)中誤差，縮短手術(shù)時(shí)間，達(dá)到令人滿意的咬合及美觀效果。隨著相關(guān)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，未來的數(shù)字化設(shè)計(jì)操作將更簡單、結(jié)果更精確。