數(shù)字化技術在口腔頜面部創(chuàng)傷治療中的應用及展望

郭松松，張 平，程 杰，江宏兵

Stomatology,2022,42(1):36-41

人類的發(fā)展史，也是一部戰(zhàn)爭史，創(chuàng)傷常伴隨戰(zhàn)爭而來。最早公元前2000年就有創(chuàng)傷治療的文字記載，描述的病例多以四肢、軀干等對生命、生活影響較大的創(chuàng)傷部位為主。頜面部的創(chuàng)傷直至近代才有較為系統(tǒng)的文獻記錄。在16世紀隨著火藥武器的發(fā)明使用，使得戰(zhàn)爭中的頜面部創(chuàng)傷數(shù)量大大增加，Ambroise Pare 提出“干燥縫合”的原則，使用沖洗以及油脂涂抹來處理傷口，這一傷口處理原則對頜面部創(chuàng)傷的治療影響深遠。1780年，Chopart與Desault提出了“牙弓夾板”雛形和新的治療理念，通過鐵制凹槽內襯軟木，加上金屬桿及金屬螺釘固定下頜，從而限制骨折斷端的活動。此后，“牙弓夾板”技術不斷發(fā)展，1887年，Gilmer一度放棄夾板采用牙直接結扎術，同期，當代正畸學創(chuàng)始人Angle，從正畸的個性化帶環(huán)粘結得到啟發(fā)，由此產生了現(xiàn)代牙弓夾板技術并沿用至今。

二戰(zhàn)時期，頜面部傷員急劇增多，各國醫(yī)生從大量實踐中發(fā)現(xiàn)骨折斷端的穩(wěn)定能夠加速愈合。最初，人們采用骨內鋼絲結扎固定術即骨縫合術，后期，從長骨固定的理念中發(fā)展出髓內釘固定法。解放初期，口腔醫(yī)生在救治傷員過程中勇于創(chuàng)新，運用整復外科和重建外科技術，促進了中國特色口腔頜面外科的快速發(fā)展。二十世紀六七十年代人們開始嘗試小型鋼板加螺釘?shù)姆绞焦潭ü钦蹟喽耍?976年，鈦板作為主流骨折固定材料被廣泛應用于臨床。近三十年來，堅固內固定技術得到了廣泛應用，已成為頜骨骨折治療的首選方法。近十年來，隨著信息技術的快速發(fā)展及其在醫(yī)學臨床中的應用，采用數(shù)字化醫(yī)學技術，實現(xiàn)功能與外形統(tǒng)一的頜面部創(chuàng)傷精準治療已成為當前的重要研究方向。

1 數(shù)字化技術在頜面部創(chuàng)傷治療中的優(yōu)勢

隨著技術的發(fā)展，頜面部創(chuàng)傷的治療已不僅滿足于初期愈合，術后的功能、咬合、面容外形的恢復等多維評價標準也被用作治療效果的評判。骨折的治療目標是恢復患者原有的軟硬組織結構、還原牙齒咬合關系，達到功能與外形倶佳。然而，頜面部骨骼形態(tài)不規(guī)則，相互連接成為整體，參與組成眼眶、鼻、上下頜及呼吸道、消化道開口；牙齒咬合和口腔咀嚼功能則依賴上述骨性結構的完整和協(xié)調。這些解剖特點凸顯了頜面部骨骼的形態(tài)復雜性和功能重要性，一旦損傷其臨床治療常較肢體長骨等更為復雜[1-3]。另外，面部容貌、重要血管和神經分布及眼球、鼻腔和口腔功能的維持等因素也制約著手術設計與方案的精準實施，從而使得復雜頜面外傷后骨性結構的精確復位和重建更為困難[4]。

既往在嚴重頜面外傷綜合救治方面，由于治療不及時和不規(guī)范，救治缺乏術前科學設計與評估、術中精確指引以及術后治療結果的客觀評價，治療技術手段較為單一、骨折段復位與重建過度依賴于術者臨床經驗，費時費力且無法獲得理想的治療效果[5]。這些不足和技術缺陷嚴重妨礙復雜頜面創(chuàng)傷救治水平與能力的提升，無法滿足患者治療的要求與期望。

數(shù)字化外科(digital surgery)是基于CT三維重建技術、計算機輔助設計和計算機輔助制作、快速成形技術、反求技術和外科導航技術(surgical navigation)發(fā)展而成的，以虛擬手術、數(shù)字導航為代表的現(xiàn)代化臨床診療新技術[6]。它涉及圖像處理、數(shù)碼編程、精密制造、材料學、放射學、醫(yī)學工程學和外科學等多種學科技術，可以通過三維成像技術和三維打印技術，為臨床提供局部結構的三維影像和實物模型，精確地恢復各軟硬組織的結構，用于手術設計和模擬，以協(xié)助制定手術方案和臨床醫(yī)患溝通，還可用于后期對比驗證手術效果。數(shù)字化外科技術已逐步開始應用于口腔頜面外科的臨床診療工作，該技術突破了傳統(tǒng)外科以臨床經驗為主的治療理念，極大地提高了手術的精確性、安全性，甚至可以提供必要的個性化定制，已成為現(xiàn)代口腔頜面外科發(fā)展的優(yōu)先方向[2,5,7-8]。

2 數(shù)字化技術在頜面部創(chuàng)傷治療中的應用

傳統(tǒng)頜面外傷治療方式主要依靠經驗和影像學檢查，無法在術前明確判斷骨折可能的復位結果；而在手術時由于術區(qū)暴露局限、缺少骨折復位標記點以及手術經驗缺乏等因素導致手術存在盲目性。數(shù)字化技術有效解決了上述技術難題，使得手術更加精確化，其技術優(yōu)勢逐步凸顯[9-12]。結合我們的臨床案例，作如下介紹。

2.1 三維立體導航輔助下頜面復雜骨折的精準復位固定

顱頜面三維立體導航系統(tǒng)是最早為大家所青睞的先進技術，能在術中提供精確的手術指導，提高手術安全性和精準度。頜面部骨折移位常導致面部外形改變，精準的骨折復位及面部對稱協(xié)調是骨折治療成功的關鍵，也是患者術后較高生存質量的基本保證[13-15]。當術區(qū)累及顱底等重要解剖結構時需要導航輔助定位手術區(qū)域與其位置關系，避免術中損傷，在需要重建與體積相關的解剖位置例如鈦網重建眼眶等結構時，導航的應用也可以確保鈦網的擺放處于正確的位置[16-17]，精準性和可操作性使得導航系統(tǒng)越來越被醫(yī)生所接受。

顱頜面三維立體導航輔助手術步驟主要包括：①術前CBCT數(shù)據(jù)導入導航軟件(圖1)，三維重建頭顱及骨折塊模型，分離需要復位的骨折塊，根據(jù)缺損邊緣外形(單側骨折可依據(jù)鏡像使面部左右對稱)復位骨塊完成虛擬手術設計(圖2)；②術中通過牙尖及非活動骨塊邊緣明確的解剖點進行導航配準，根據(jù)復位骨塊移動導航探針，檢驗骨塊是否與術前設計相一致(圖3)；③術后隨訪拍攝CBCT，數(shù)據(jù)導入軟件重建模型，并與術前設計匹配比較，驗證手術效果(圖4)。

圖1 術前患者面像和CBCT圖像

圖2 術前虛擬手術設計

圖3 術中導航

圖4 術后隨訪面像、CBCT和三維攝影

2.2 虛擬手術及三維打印技術在骨折術后組織缺損中的應用

嚴重頜面部骨折尤其是粉碎性骨折或伴有骨缺損者，術后常出現(xiàn)牙列缺損和頜骨缺損，嚴重影響患者顏面外貌和咬合功能。針對這一臨床難題，應用虛擬手術技術及三維打印技術對手術入路和技術方案進行術前虛擬設計、模擬手術路徑與相關手術操作。

主要治療流程為：①患者CBCT及供區(qū)血管造影數(shù)據(jù)導入Proplan軟件，并進行三維重建，明確血管穿支位置以及頸部血管口徑及走形(圖5)；②根據(jù)缺損區(qū)域及面部外形截取相應骨質，并塑形使其與原缺損骨質相一致，恢復面部外形輪廓，并根據(jù)截骨模型制作塑形導板及咬合導板(圖6)；③術中通過導板制取腓骨，并在未截斷血管穿支的情況下塑形，根據(jù)術前設計的咬合位置，咬合導板重新定位下頜骨，移植腓骨吻合血管并固定(圖7)；④術后拍攝CBCT及三維照片，導入Proplan軟件，重建模型驗證與術前設計是否一致，觀察隨訪(圖8)。

圖5 外傷頜面和供區(qū)腓骨的三維重建及相關血管分布走形

圖6 虛擬手術重建骨缺損

圖7 術中腓骨塑形及固定過程

圖8 術后隨訪

2.3 應用數(shù)字化技術重建頜面創(chuàng)傷繼發(fā)牙頜功能

頜面外傷、頜骨骨折或繼發(fā)頜骨缺損等均可導致牙齒、牙列缺損、缺失的情況。這些牙齒、牙列缺損或缺失的患者通常咀嚼功能下降，影響進食發(fā)音，生活質量降低。一般外傷導致單個或少數(shù)牙缺失可進行常規(guī)牙種植術，而復雜骨折尤其是合并頜骨缺損時，需要進行頜骨修復重建為牙種植奠定基礎，此類骨移植修復技術要求高，手術難度大，常合并軟組織不足等問題。我們在血管化骨瓣移植基礎上進行全程數(shù)字化種植修復，恢復患者術后牙列和咬合，重建咀嚼功能，獲得了較好的治療效果。

合并頜骨缺損患者的牙頜功能重建主要流程為：①數(shù)字化設計、游離骨瓣移植修復下頜骨骨折術后的骨缺損(圖9)；②頜骨重建術后1年行種植修復。CBCT數(shù)據(jù)導入種植設計軟件，測量骨高度、寬度，設計種植體型號及位置，制作種植導板(圖10)；③根據(jù)種植導板植入種植體，同期行前庭溝加深術(圖11)；Ⅱ期手術視情況是否需要行牙齦移植，最終完成種植義齒修復(圖12)。

a～b:骨折術后頜骨缺損影像資料；c～f:數(shù)字化設計虛擬手術；g～i:術中圖片；j～k:術后1年復查結果

圖10 種植方案及導板設計

圖11 種植導板使用過程

圖12 種植術后修復

3 數(shù)字化技術進一步應用的展望

數(shù)字化技術遠不止于此，在虛擬/增強現(xiàn)實(VR/AR)、機器人手術以及遠程手術等領域中的應用也是未來的趨勢。如今VR/AR產業(yè)蓬勃發(fā)展，其三維可視化、人機交互的優(yōu)勢可以做到與醫(yī)療中的影像分析、三維重建、手術規(guī)劃等概念高度吻合。計算機或投影儀等二維顯示設備呈現(xiàn)的三維立體影像尚存在交互功能弱、三維結構信息不夠直觀等劣勢，這也是三維可視化技術的瓶頸。而“VR/AR+醫(yī)學”的模式在教學與技能培訓、手術規(guī)劃與手術模擬、手術直播與示教、遠程會診等大量醫(yī)學相關領域有著廣泛的應用前景。

VR技術可以真正做到沉浸式教學，極大提高學生的參與度、交互性和積極性。同時在手術模擬訓練方面，虛擬手術不直接接觸患者，這也降低以病患作為手術練習對象所存在的風險，減少了醫(yī)患矛盾。此外虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以創(chuàng)建學習管理、模擬練習以及手術測評等多種功能模式。可以預見，虛擬手術系統(tǒng)在醫(yī)學人才培養(yǎng)上將會發(fā)揮重要作用。

在外傷手術方面，現(xiàn)有的導航系統(tǒng)大部分還是需要術者觀看顯示屏的二維視覺系統(tǒng)，而AR輔助外科手術導航系統(tǒng)相關研發(fā)和臨床應用也已初有成效，其主要實施流程包括手術規(guī)劃、精準定位、混合跟蹤、融合顯示。通過CT掃描獲得二維圖像，利用數(shù)據(jù)分析軟件重建目標區(qū)域，并將重建模型3D打印，便于直觀地進行手術規(guī)劃。同時使用圖像發(fā)送軟件將手術涉及區(qū)域三維信息傳輸至AR設備，在進行手術前，使用追蹤器、攝像頭等器械，配合相關標志點進行三維配準，明確參考系的位置坐標換算實現(xiàn)實時定位，并將三維模型與患者實部位疊加、配準。在手術過程中， 通過虛擬的三維模型與真實患者的精準配準，手術醫(yī)生可以借助AR設備實現(xiàn)實時交互的手術導航，免去了常規(guī)導航需要的骨折固定后再行探針指示確定位置的操作，從而高效地完成手術。

機器人技術已在部分醫(yī)學領域有所應用，但仍需要術者在現(xiàn)場實時操作，結合AR設備以及5G遠程數(shù)據(jù)高速實時傳輸，可以做到遠程操控機器人手術。我國十四五規(guī)劃明確提出“加快數(shù)字化發(fā)展，建設數(shù)字中國”戰(zhàn)略，在醫(yī)療領域加強建設數(shù)字化共享服務體系，有望為遠程醫(yī)療、智慧醫(yī)療奠定堅實基礎。5G通訊技術迅速推廣應用也使得實現(xiàn)遠程醫(yī)療、智慧醫(yī)院及醫(yī)學數(shù)字設計加工成為現(xiàn)實，突破時空限制，擴大了優(yōu)質公共服務資源輻射范圍。相信隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，不久的將來可以真正實現(xiàn)頜面部創(chuàng)傷救治的精確復位、精確修復、遠程評估以及遠程手術，進一步提高頜面創(chuàng)傷救治的成功率和綜合療效。