數(shù)字化導板在手術優(yōu)先正頜外科中應用的初步探討

黃 躍， 林李嵩， 黃建平， 施 斌， 黃 立， 江 燕

正頜外科是頜面部不對稱畸形治療的主要方式，傳統(tǒng)的正頜外科治療是正頜-正畸聯(lián)合治療[1]。在治療周期中，術前正畸過程時間占全部治療過程的一半[2]。而在此過程中，由于牙齒去代償?shù)脑?，患者會感覺面部畸形較治療前更嚴重。針對于此，“手術優(yōu)先”治療牙頜面畸形的概念逐步應用于臨床實踐?！笆中g優(yōu)先”是指在牙頜面畸形治療中優(yōu)先進行正頜手術，后再配合術后正畸治療的方法[3]。在“手術優(yōu)先”過程中要解決的首要問題是患者頜骨的位置，只有頜骨移動到適合的位置才能引導術后牙齒正常的咬合及合適的面型，這一切都需要良好的手術模擬[4]。筆者所在課題組將口內(nèi)牙齒石膏模型的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，與頭顱CT數(shù)據(jù)進行聯(lián)接。通過手術軟件對頭顱模型進行上下頜的截骨、骨塊移動等操作，收集并輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)快速原型機打印形成三維導板從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)模型外科用于指導手術，以期為“手術優(yōu)先”模式提供一個新的參考。

1 對象與方法

1.1對象 選取2017年8月—2018年8月筆者醫(yī)院收治的6例下頜骨不對稱畸形患者，男性2例，女性4例，年齡(21.2±2.6)歲(18～25歲)，均為下頜骨髁突發(fā)育異常引起的面部不對稱畸形，病史>3年?；颊咴谡幸Ш衔缓拖骂M骨姿勢位時下頜骨都處于不對稱狀態(tài)。

1.2頭顱螺旋CT掃描與三維重建 所有患者術前均進行層厚為1.25 mm的顱頜面部CT掃描(320排螺旋 CT 掃描機，Aquilionone，日本東芝公司)：選擇螺距為15，球管螺旋時間0.5 s/圈，球管電流350 mA，電壓120 V，圖像的視野范圍240 mm，重建圖像的間距為0.5 mm，矩陣大小為512×512。CT掃描時，需預先在患者口內(nèi)放置厚度約2～3 mm的棉球或告知患者保持輕度張口狀態(tài)，以便掃描時上下頜牙尖分開。所有數(shù)據(jù)采用容積重建法進行三維重建。CT數(shù)據(jù)采用DICOM格式輸入電腦軟件 Proplan CMF 3.0(Materialise Medical, Leuven, Belgium)。

每位患者取1副超硬石膏上下頜牙模，修整模型，檢查保證牙齒面形態(tài)完整清晰；將術后的咬合情況與正畸科醫(yī)師確定，將該模型按照術后咬合關系妥善固定，使用國產(chǎn)Vscan130激光掃描儀掃描咬合狀態(tài)的石膏模型，形成最終的咬合關系。分別掃描上下頜牙列石膏模型，數(shù)據(jù)均以STL格式保存。將掃描數(shù)據(jù)及CT薄層掃描獲取的顱頜面部數(shù)據(jù)(DICOM)模式導入Proplan CMF 3.0進行數(shù)據(jù)擬合，得到精準牙齒形態(tài)和頜骨形態(tài)(圖1)。

1.3虛擬正頜外科截骨手術 選取適當閾值及感興趣區(qū)域，通過影像的逐層分割及布爾算法，形成顱上頜骨和下頜骨兩個功能主體；選用該軟件內(nèi)含的骨截開方式，按照上下頜骨所選用的正頜手術的常規(guī)截骨線，分別對上頜骨部分及下頜骨部分進行模擬施行手術；通過對截骨平面的三維位置不同部位進行比對調(diào)整，確定截骨完全完成。當骨質(zhì)分離后進行咬合配準，移動上下頜骨骨塊至所需位置；檢查移動的量和方向。根據(jù)患者術前對自己面型的要求，結合頭顱側(cè)位片中頭影測量結果，術前正頜-正畸聯(lián)合討論中擬定的手術方案選擇最佳截骨計劃。同時比較手術前后的頭影測量及石膏模型上的咬合結果，確認硬組織的移動幅度及下頜修整的大小及范圍(圖2，3)。

A，B：原始CT數(shù)據(jù)；C：數(shù)據(jù)擬合；D：擬合完成重建的效果.圖1 在CMF軟件中擬合模型及CT數(shù)據(jù)Fig 1 The data from CT scan and laser scan were imported into ProPlan CMF software

A：術前軟組織面型； B：術前頜骨影像； C：術后軟組織面型模擬； D：模擬手術后的頜骨形態(tài).圖2 在軟件中行截骨、骨移動Fig 2 The preoperative planning including segmentation, osteotomies and movements of the jaw bones was simulated using the ProPlan CMF

1.4三維導板的制備 在之前確定的手術方案基礎上，將得到的導板信息以STL文件導入到多功能快速原型機(RS Pro450 型光固化三維打印機)，通過快速原型技術制作三維導板(中間板和終末板，圖4)。

1.5傳統(tǒng)導板制備 為比較三維導板的臨床實用性，對每位入選的患者進行傳統(tǒng)模型外科設計準備，參考文獻[2]得到手工制作的導板：上下頜牙齒用硬石膏取模，咬合關系通過面弓轉(zhuǎn)移至半解剖架，石膏模型的切開、移動同術前手術設計，用自凝塑料制作導板(也包括中間板和終末板)。

A，B，C：冠狀位、平掃及矢狀向上的頜骨形態(tài)；D：圖下方加矩形標記的藍色部分為模擬后頦部的修整范圍.圖3 在軟件中選擇頦部修整的大小范圍Fig 3 Genioplasty was simulated by using the Proplan CMF

A，C：導板與上下頜骨的匹配情況；B：導板的形態(tài).圖4 在軟件中設計三維導板Fig 4 The digital guide plate were designed by ProPlan CMF

1.6兩種導板的比較 手術時將三維導板及傳統(tǒng)導板同時帶入手術室。當完成手術截骨后，先應用傳統(tǒng)導板指導移動骨塊進行頜間固定，鋼絲結扎，并按常規(guī)進行鈦板鈦釘堅固內(nèi)固定；骨塊固定后打開頜間結扎，戴入三維打印導板，模擬咬合運動，檢查所固定的骨塊是否與傳統(tǒng)導板相匹配。如果兩者相一致，則證明三維導板和傳統(tǒng)導板匹配；如果發(fā)現(xiàn)咬合位置與導板不一致，則證明二者不能互相吻合。拆除原來的固定鈦板，測量頜骨移動的數(shù)據(jù)，以術前模擬的最終測量數(shù)據(jù)作為頜骨移動的位置標準，判定該選用哪種導板重新行鈦板固定(圖5)。

2 結 果

2.1術中情況 6例中，3例行單頜手術，即雙側(cè)下頜升支矢狀劈開截骨術(bilateral saggital split ramus osteotomy, BSSRO)，3例行上頜骨Le Fort-I型截骨術與BSSRO。其中，3例患者通過三維導板進行移動和固定的頜骨位置與傳統(tǒng)導板達到的位置完全符合；另有1例單頜手術患者終末咬合的三維導板與傳統(tǒng)導板出現(xiàn)較大偏差，拆除之前固定的鈦板鈦釘，重新檢查移動數(shù)據(jù)后以傳統(tǒng)導板作為骨塊移動的標準，在該位置重新行內(nèi)固定。

圖5 三維導板(左)及傳統(tǒng)導板(右)對比圖Fig 5 The digital guide plate(left) and the traditional surgical plate (right)

2.2術后評估 6 例中，5例術前建立三維打印數(shù)字化導板能起到引導手術，軟件術前能達到預測手術效果的作用。術中及術后兩側(cè)髁突在關節(jié)窩的位置均無明顯改變。術后咬合關系、頜骨突度及頦部對稱性均得到明顯改善。術后隨訪3月，所有患者均對術后的外形感到滿意，頜面下頜骨畸形無復發(fā)，咬合關系穩(wěn)定，無顳下頜關節(jié)病等并發(fā)癥的產(chǎn)生。

3 討 論

在“手術優(yōu)先”治療中，預測術后頜骨的位置是治療的關鍵點[5]。在傳統(tǒng)術前正畸治療過程中，漫長的術前正畸讓牙齒去代償，使得正頜手術時可以相對容易地獲得較為穩(wěn)定的術中咬合關系，從而確定術后的頜骨位置，實現(xiàn)相對準確的術中頜骨三維移動。然而，“手術優(yōu)先”方式因為缺少相對穩(wěn)定可靠的、可供參考的咬合關系和頜骨位置，使得手術設計變得不確定[6]，這就需要頜面外科醫(yī)生及正畸科醫(yī)師的密切配合，共同確定手術達到的咬合關系和術后的頜骨位置[7]。

傳統(tǒng)的正頜手術預測方法包含三維的模型外科和二維的模板外科[1]。模板外科僅為患者面部外形(正側(cè)面)的二維表現(xiàn)形式，模型外科通過全口牙石膏模型將咬合關系、上下頜骨相對于顱底的關系轉(zhuǎn)移到半解剖架上；在石膏模型上根據(jù)二維的模板外科預測的結果移動上下頜骨與牙列進行模擬截骨，根據(jù)移動后上下頜牙齒模型的相對位置，制作咬合導板來指導手術中頜骨移動和固定的位置[2]。雖然基于牙齒石膏模型的模型外科操作是一項經(jīng)典的技術，但這項技術理論上存在一定的錯誤和不精確性，表現(xiàn)在指導模型外科移動情況的頭影測量分析是二維性的結果，某些解剖標志點如鼻根點、外耳道點定點的主觀性較大，是不精確性的來源；其次，在咬合平面轉(zhuǎn)移過程中，尤其是嚴重的下頜骨不對稱畸形累及上頜骨的患者，兩側(cè)外耳道位置的不對稱畸形使得面弓的不正確操作帶來誤差；再者，石膏模型的操作有一定難度，模型的定點和測量有一定的主觀性。另外，模型的旋轉(zhuǎn)和移動由于周圍硬石膏材料的懸突等部分的阻擋使得術后模擬得到的數(shù)據(jù)難以控制；這些所有的誤差在最后制作咬合導板時都會有所表現(xiàn)甚至被人為擴大。

三維打印技術又稱快速成型技術(rapid prototyping，RP)，是上個世紀末隨著計算機技術制作工業(yè)發(fā)展起來的一種技術[8-9]。計算機輔助正頜外科是近年來口腔頜面外科領域的研究熱點之一?，F(xiàn)有的數(shù)字化外科軟件已在臨床上得到應用。但其基于CT數(shù)據(jù)建模，在牙面形態(tài)和精確度方面仍需要進一步提高。為克服這些缺點，筆者采用顱頜面部三維打印模型與石膏模型等比例復合利用標識線進行嫁接，通過這種方法去除三維打印模型在牙弓區(qū)域的不精確性，使三維打印模型外科更為精確，從而更好地預測頜骨不對稱畸形患者術后面部外形的改變，為該類患者的“手術優(yōu)先”治療模式提供合理的參考[10]。這個方法雖然直觀，但目前尚無法模擬面部軟組織的外形輪廓，而且該方法尚無法形成精確的導板用以準確指導手術，與測量軟件相比有一定差距。

Materialise公司發(fā)布的ProPlan CMF是專門為顱頜面外科設計的一款軟件,目前已發(fā)展到3.0版本，其前身為SurgiCase CMF。ProPlan CMF除擁有SurgiCase軟件的三維測量功能外，還具有對手術骨移位、術中截骨、頜骨牽引、頜骨重建與及正頜外科等手術進行模擬的功能。筆者通過這款軟件，運用之前實驗得到的將三維打印模型與石膏模型復合體進行嫁接的原理和經(jīng)驗，在該計算機軟件中將患者的石膏模型掃描數(shù)據(jù)與頭顱CT數(shù)據(jù)進行連接。通過該軟件對頭顱模型進行上下頜的截骨、骨塊移動等操作，收集并輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)快速原型機打印形成三維導板指導手術。經(jīng)過對下頜骨不對稱畸形矯正患者的治療，筆者發(fā)現(xiàn)：(1)該軟件可以真實模擬正頜手術設計，形象地展示出上下頜骨骨塊的切割和移動，較傳統(tǒng)模型外科具有很大的優(yōu)勢。同時，該模擬手術過程直觀易懂，方便醫(yī)師和患者直觀交流。(2)通過模擬過程可以觀察手術后下頜骨輪廓的對稱性，從而預測是否需要同期行頦成形手術以及面部輪廓修整手術。(3)通過三維打印形成的數(shù)字化導板精確性較傳統(tǒng)導板高，能提高與上下頜牙齒的密合度，通過密合的牙齒更好地確定頜骨的位置，方便正畸醫(yī)生開始術后正畸。但是，數(shù)字化模型外科需對CT重建顱頜面模型以及激光掃描的牙列石膏模型進行多次掃描及配準，包括兩個單獨石膏模型的分別掃描及正畸醫(yī)生一起確認咬合狀態(tài)下的掃描，在石膏模型咬合關系對位后如果石膏模型的固定方式處理不好，則此時的咬合關系易發(fā)生偏移，在激光掃描過程后會產(chǎn)生較大誤差，影響術后頜骨的移動。本研究中，1例患者三維導板與傳統(tǒng)導板出現(xiàn)較大偏差的原因即是石膏模型激光掃描時發(fā)生了位置移動，當時掃描人員未發(fā)現(xiàn)，導致終末合板階段出現(xiàn)偏差。另外，數(shù)字化模型外科需要配套軟硬件支持及相應多學科參與的操作人員，如激光掃描儀、三維打印機等，由此產(chǎn)生購買以及維護、升級軟件的費用、人員培訓及磨合的問題，需在臨床實踐中注意。