從“經驗外科”到“精準外科”
——精準正頜外科體系的建立與臨床應用

王旭東 魏弘樸 李彪

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，上海交通大學口腔醫(yī)學院，國家口腔醫(yī)學中心，國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心，上海市口腔醫(yī)學重點實驗室，上海市口腔醫(yī)學研究所，上海 200011

進入21 世紀以來，隨著生物醫(yī)學和現代科技的迅猛發(fā)展，尤其是影像學、數字外科和3D 打印技術的快速興起，外科學由過往的“經驗外科”時代，進入了“精準外科”時代。董家鴻院士在2006 年首次提出了“精準外科”理念并將其應用于肝臟外科手術中，其內容涵蓋了疾病評估、臨床決策、手術規(guī)劃、手術作業(yè)和圍手術期管理等外科治療全過程，核心策略包括徹底清除目標病灶、最大限度保護剩余肝臟、最低限度減低手術創(chuàng)傷反應3個方面，該理念目前已發(fā)展應用于肝膽外科、神經外科、乳腺外科等諸多領域[1-2]。

正頜外科是通過外科手術或在正畸輔助治療下，通過手術重新定位上、下頜骨，以矯正其因頜骨發(fā)育異常引起的上、下頜骨形態(tài)、體積以及空間位置關系的異常，從而改善患者牙關系、口頜功能以及面部外形，最終達到改善患者生活質量的目的[3-4]。在正頜外科手術中，頜骨的最終空間位置直接影響患者的治療效果[5]，而手術方案設計和手術方案的實施則是決定頜骨最終空間位置的主要因素。傳統(tǒng)的正頜外科手術方案設計中，通過牙列模型制備、面弓轉移、上架、轉移關系后，在石膏模型上模擬上、下頜骨的移動，并制作板以實現術中的頜骨定位。該方法過程繁瑣，需耗費大量的時間和精力，且制作過程中極易產生操作誤差。此外，由于石膏模型不能完整反映和展示上、下頜骨的位置和形態(tài)，可能導致醫(yī)生對頜骨畸形問題進行診斷和制定手術方案時產生偏差，進而影響最終的治療效果[3]。在傳統(tǒng)正頜外科手術實施過程中，使用板并借助下頜骨的空間位置來輔助定位上頜骨。然而，由于下頜骨的不穩(wěn)定性將導致上頜骨偏離理想的位置[6]。下頜骨的開閉口運動，也使得板不能對上頜骨垂直向的位置提供指導信息，因此上頜骨垂直向的位置信息仍然依靠術者的臨床經驗[5]。對于一些伴有顳頜關節(jié)病變及頜骨缺損的患者，下頜骨的不穩(wěn)定性更是直接導致上頜骨偏離理想的位置。

為解決傳統(tǒng)正頜外科治療流程中所存在的問題和不足，早在2008 年，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院正頜外科團隊便開始探索使用計算機輔助虛擬手術規(guī)劃及3D 打印技術以逐步取代傳統(tǒng)的石膏模型外科[7]。通過多年的探索，已建立了一套規(guī)范化的正頜外科診療流程，有效提升了患者的就診體驗和治療效果，推動了正頜外科的發(fā)展和普及，并首次提出了“精準正頜外科”的理念[8]。同時，借助“精準正頜外科”的理念與治療策略，進一步豐富我們早期提出的基于正頜外科矯治各類牙頜面畸形（Ortho+X）治療模式，即以正頜外科為基礎，通過整合正畸醫(yī)生、腫瘤外科醫(yī)生、耳鼻喉科醫(yī)生、兒科醫(yī)生、基礎研究人員等，精準治療頜面部腫瘤、外傷、先天性畸形等多種原因造成的頜骨畸形，最終推動“Ortho+X”中國模式的發(fā)展。本文回顧了上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院正頜外科團隊多年來圍繞“精準正頜外科”技術體系的研究工作，并詳細闡述了該體系的建立及其臨床應用，以期為廣大同行提供參考和幫助。

1 精準正頜外科體系的建立

1.1 精準正頜外科手術設計方法的建立

對頜骨畸形的評估診斷和手術設計是實施正頜外科手術前的關鍵步驟，正頜外科手術設計方法的發(fā)展與演變也經歷了3 個主要階段。早在1925年，Schwarz就開始使用醫(yī)學影像及模型外科技術來進行牙頜面畸形的診療[9]。隨后在1931 年，Broadbent 教授提出的頭顱定位片頭影測量技術成為了牙頜面畸形診治的“金標準”[10]，至今仍廣泛應用。1971 年，Holdaway 提出了側位頭影測量描記圖的裁剪、移動和拼對模擬手術過程，并引入可視化治療目標（visual treatment objective，VTO）分析法來預測術后面貌的變化[11]。該方法在術前模擬牙和頜骨的移動過程，并預測術后面型的改變，為選擇合理的治療方案提供參照依據。

因此，自2008 年，筆者團隊開始嘗試使用計算機輔助虛擬手術規(guī)劃技術來模擬正頜手術中的截骨及頜骨骨塊移動，以完成手術方案規(guī)劃，并且結合快速原型技術制作手術板[7]。該方法可直觀、全面、準確地模擬和確定截骨的位置、骨塊移動的距離與方向，幫助術者高效、準確地完成術前手術方案的制定和板的制作，同時也增加了醫(yī)患溝通與手術模擬教學的便利性。不僅如此，針對復雜的偏突頜畸形的患者，相比于傳統(tǒng)的模型外科技術，虛擬手術規(guī)劃在矯正頜骨對稱性和輪廓修整中優(yōu)勢愈加明顯[12]。

2012 年，我們進一步將錐形束CT（cone beam computed tomography，CBCT）掃描獲取的頜面部骨骼數據與石膏模型掃描獲得的牙列數據相結合，通過虛擬手術規(guī)劃結合快速原型技術，制作了精確度更高的板，并在術前對牙根長度、根間距離進行準確測量，有效避免了術中牙根損傷，保證了手術的順利實施[13]。此外，虛擬手術規(guī)劃良好的可預測性，還可幫助術者改良手術的固定方式，以取得更加穩(wěn)定的治療效果[14]。圖1 顯示了正頜外科手術設計方法的發(fā)展與演變的3 個主要階段。

圖1 精準正頜外科手術設計方法的發(fā)展與演變（VTO、模型外科、虛擬手術規(guī)劃）Fig 1 Development and evolution of precision orthognathic surgery design methods (VTO, model surgery, virtual surgical plan)

通過長期的臨床實踐，總結了計算機輔助虛擬手術規(guī)劃的優(yōu)點如下：1）三維重建可直觀、全面地展示頜面骨骼信息，有利于頜骨畸形的評估與診斷；2）相較于傳統(tǒng)模型外科制作，虛擬手術規(guī)劃更加方便、快速，顯著提高了術前準備效率；3）術前手術模擬使醫(yī)生能夠根據患者不同的審美偏好，制定出多項個性化手術設計方案并作出最優(yōu)治療決策，從而避免術中的反復調整，縮短手術時間，減少手術創(chuàng)傷；4）結合3D 打印板和手術導板的使用，可使手術方案準確轉移到術中實際，提高了手術的準確性和一致性；5）虛擬手術方案可以永久保存，便于資料歸檔，有利于醫(yī)患溝通、同行交流。因此，我們認為計算機輔助虛擬手術規(guī)劃能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)石膏模型外科，取得更加精確、高效、可靠的手術預測效果。

1.2 精準正頜外科頜骨定位方法的建立

在正頜手術中，頜骨的空間位置關系直接決定患者術后面型和咬合關系，對最終的治療效果產生重要影響[5]。因此，在精準正頜外科體系中，準確的頜骨定位方法顯得尤為關鍵，也是術中實現虛擬設計手術方案的主要手段。隨著數字外科、3D 打印和增強現實（augmented reality，AR）等技術的發(fā)展，頜骨術中定位方法經歷了以下幾個方面的演化。

圖2 3D打印手術板的制作Fig 2 The fabrication of 3D-printed surgical splints

圖3 3D打印正頜手術導板Fig 3 3D-printed osteotomy guide and repositioning guide for orthognathic surgery

1.2.4 個體化內固定系統(tǒng) 盡管正頜手術導板提高了手術的精確性，但該方法仍存在諸多不足。首先，術中對手術導板的安置與拆除增加了手術操作的復雜性，延長了手術時間。其次，術中仍需彎制鈦板，經驗不足可能導致鈦板彎制的誤差也將影響頜骨的固定精度。另外，體積較大的樹脂材料手術導板增加了骨面剝離范圍，增加手術創(chuàng)傷，并限制了鈦板的固定位置。最后，手術導板常采用非剛性材料制作，在消毒和使用過程中可能產生變形，直接影響手術的準確性[5,18]。

金屬三維打印技術的快速發(fā)展促進了個體化內植入物（patient-specific implants，PSI）的研發(fā)與應用。雖然國內外學者[19-21]逐漸將該方法應用于正頜手術，并取得了良好效果，然而，國際上尚未有公認的適用于正頜手術的PSI優(yōu)化設計和臨床應用技術方法。2015 年，筆者團隊開始進行正頜手術個體化內固定系統(tǒng)的研發(fā)工作。并于2016年，在國內率先提出了自主設計的適用于正頜手術的個體化內固定系統(tǒng)，并將其應用于臨床實踐中[5]。該個體化內固定系統(tǒng)包括截骨導板和個體化接骨板兩部分（圖4）。金屬截骨導板相較于樹脂導板體積更小，不易變形，并與骨面貼合更為精確，其截骨槽與手術方案中的截骨線一致，用于指導術中截骨操作；骨面中預設的釘孔既可用于固定截骨導板，也可作為骨性標志點，引導后續(xù)個體化接骨板的就位與固定。個體化接骨板的上部結構與截骨線上方的骨面相貼合，個體化接骨板的下部結構與截骨線下方的骨面相貼合，通過預制的共用釘孔和骨面形態(tài)的貼合，共同保證了骨塊的精確定位，使個體化接骨板同時完成骨塊定位和固定的雙重作用。

圖4 早期正頜手術個體化內固定系統(tǒng)的設計和應用Fig 4 The design and initial application of patient-specific implants for orthognathic surgery

早期的個體化內固定系統(tǒng)體積較大，雖保證了就位的唯一性，卻增加了手術創(chuàng)傷和使用上的不便。在個體化內固定系統(tǒng)的進一步臨床應用過程中，我們也發(fā)現金屬材質幾乎不會發(fā)生形變，因此體積的減小不會降低個體化接骨板定位的準確性。基于此，我們對個體化內固定系統(tǒng)進行了進一步的優(yōu)化設計（圖5）。首先，我們將初期同側接骨板的“連體式”設計改為“分體式”設計，顯著增加了術中安置的靈活性和便利性。其次，減小了截骨導板的體積，實現“輕量化”設計。優(yōu)化后的設計既減少了軟組織大范圍的剝離，降低了手術創(chuàng)傷，又增加了術中使用的便捷性。通過進一步的隨機對照試驗表明，該自主設計的正頜手術個體化內固定系統(tǒng)在準確性方面顯著優(yōu)于3D 打印板技術[22]。該個體化內固定系統(tǒng)具備在手術中準確指導截骨和去骨的能力，從而減少反復調磨去骨所帶來的手術創(chuàng)傷。此外，由于無須彎制鈦板，并實現了定位和內固定的一體化，從而有效地縮短了手術時間。因此，該系統(tǒng)成為了將虛擬手術規(guī)劃準確轉化為術中實際的理想解決方案。

圖5 設計優(yōu)化后的正頜手術個體化內固定系統(tǒng)Fig 5 The modified patient-specific implants for orthognathic surgery

1.2.5 手術導航及AR 技術 計算機輔助導航系統(tǒng)將空間立體導航技術、計算機圖像處理及可視化技術與臨床手術結合起來[23]，實現錯位骨塊、手術器械與患者解剖位置的術中實時顯示。該技術的發(fā)展，也為正頜手術的術中準確定位提供了新的選擇[24]。早在2013 年，我們便開始嘗試應用導航技術指導術者在術中進行上下頜骨復合體的定位[25]。該方法無須進行模型外科準備和手術板的制作，僅通過術中導航技術的實時顯示和再定位，取得較好的手術精度和治療效果。然而，目前該技術仍存在一定局限性，包括手術時間的增加、對設備要求較高以及在分塊手術中尚無法應用等方面的限制。

隨著數字外科技術的進一步發(fā)展，出現了AR技術，該技術強調在真實場景中融入計算機生成的虛擬信息的能力，強調用戶對真實世界的感受，不隔離用戶與真實世界之間的聯系[26-27]。目前已有運用AR 技術輔助正頜手術上頜骨定位的相關報道，通過在真實環(huán)境中疊加虛擬圖像，術者能夠準確定位上頜骨的位置，并取得較高的手術精度[28-30]。而混合現實（mixed reality，MR）技術的進一步推廣，將虛擬信息與真實信息融合，可實現虛擬手術方案與現實術中場景的融合[31]，為精準正頜外科手術開辟了新的發(fā)展方向。

1.2.6 機器人手術 近年來，機器人輔助手術以其微創(chuàng)、精準、安全的特點受到了越來越多的關注[32]。手術機器人能夠保證手術器械握持的穩(wěn)定，實現手術的精準性[33]。因此，在頭頸腫瘤手術及口腔種植領域，機器人輔助手術得到了廣泛的研究與應用。

然而，在正頜外科領域，手術機器人設備目前仍處于研發(fā)階段。已有的模型實驗顯示，手術機器人能夠根據術前手術規(guī)劃準確完成上頜骨截骨和頦成形截骨，并具備良好的準確性和可行性[33-34]。此外，飛秒激光消融技術的研發(fā)也有助于機器人輔助截骨手術的進一步臨床推廣與應用[35]。通過與手術導航技術相結合，正頜手術機器人已在模型實驗中成功地實現了上頜骨截骨和骨塊再定位[36]。在進一步的臨床應用中，手術機器人順利地完成了上頜骨截骨及頦成形截骨[37-38]。相信在不久的將來，機器人輔助手術能夠進一步應用于臨床實踐中。

2 精準正頜外科體系的臨床應用

隨著數字外科、虛擬手術規(guī)劃和3D 打印等技術的發(fā)展與成熟，我們也逐步完善了精準正頜外科技術體系，并將其推廣應用于更多頜骨畸形的矯正治療中，包括復雜頦部畸形[39-42]、第一二鰓弓綜合征繼發(fā)頜骨畸形[43]以及髁突腫瘤繼發(fā)嚴重偏頜畸形等[44]。

以下將通過一個典型病例來介紹個體化內固定系統(tǒng)在臨床中的應用?；颊咭颉肮切寓箢愬e畸形”前來就診。在完善術前正畸治療后，進行三維測量提示患者存在上頜骨矢狀向及垂直向發(fā)育不足，而下頜骨在矢狀向和橫向上發(fā)育過度，同時伴有頦部發(fā)育不足。根據患者的情況，手術方案包括上頜LeFortⅠ型截骨（前移、下降）、下頜矢狀劈開截骨（后退）、下頜正中截骨（縮窄下牙弓）以及同期進行頦成形手術。由于下頜骨同時涉及矢狀劈開截骨、正中截骨以及頦成形等多個手術步驟，手術復雜度較高。傳統(tǒng)的手術板或手術導板無法滿足同期完成多個手術步驟和精準、微創(chuàng)治療的需求。因此，針對該病例，我們應用了3D 打印的個體化內固定系統(tǒng)來輔助完成手術。

2.1 步驟一：根據手術方案完成個體化內固定系統(tǒng)的設計與制作

完成虛擬手術規(guī)劃后，根據手術方案使用反求法完成個體化內固定系統(tǒng)的設計與制作。首先，針對上頜竇氣化程度高、上頜骨骨壁較薄的患者，采取閾值調整、補洞等方法使上頜骨前壁骨質完整可見。其次，重建牙根、神經等重要解剖結構，并對截骨線進行調整。根據患者虛擬手術規(guī)劃方案以及術后的頜骨位置，設計個體化接骨板。在設計釘孔位置時，確保釘孔直徑為2.2 mm，并避免損傷重要解剖結構。隨后，在軟件中將骨塊恢復到原始位置并保持釘道隨動以設計個體化截骨導板。此時，共用同一套釘孔的位置能夠作為骨性標志點用于截骨導板的設計。截骨導板根據頜骨的解剖形態(tài)和上述釘孔的位置設計為厚0.8 mm，并偏移骨面約0.1 mm，以確保術中順利就位。設計完成后，使用3D 打印技術制作，以備手術使用。

2.2 步驟二：使用個體化上頜骨截骨導板輔助完成上頜骨截骨

暴露上頜骨骨面并安置好截骨導板后，利用截骨導板上的釘道引導在上頜骨表面制備釘孔，并通過鈦釘將上頜骨截骨導板穩(wěn)定地固定于上頜骨骨面。此時，術者可依照截骨導板的截骨槽進行截骨和去骨。去除截骨導板，并按照截骨線繼續(xù)徹底完成截骨（圖5）。

2.3 步驟三：使用上頜骨個體化接骨板完成上頜骨的再定位與固定

截骨導板與個體化接骨板共用一套釘孔，通過旋轉及移動上頜骨骨塊，將骨面中原有的釘孔與個體化接骨板上的釘道依次匹配并用螺釘進行固定，可使上頜骨準確地引導至設計的位置并完成固定（圖5）。此時，通過中間板可驗證上頜骨固定位置的準確性。

2.4 步驟四：使用3D 打印手術導板輔助完成下頜矢狀劈開截骨術

將牙支持式的矢狀劈開手術導板固定于下頜體部表面。導板表面截骨槽之間的距離即為所需去除的下頜骨骨段。使用鉛筆在截骨槽間進行標記后，去除手術導板完成下頜矢狀劈開截骨術，并按導板預設的距離而完成去骨。殘留于下頜骨表面用于固定手術導板的釘孔將用于后續(xù)下頜骨的固定中，通過釘道轉移的方法，保證下頜骨位置的準確定位（圖6）。

2.5 步驟五：使用個體化下頜骨截骨導板輔助完成下頜骨正中截骨及頦成形截骨

在完整暴露頦部骨面并成功安置截骨導板后，在其釘道引導下，在骨表面上制備釘孔，并通過鈦釘將截骨導板固定于下頜骨面。在導板的引導下，術者可準確地完成截骨和去骨并完全離斷雙側下頜骨及頦部骨塊（圖7A、B）。

2.6 步驟六：使用下頜骨個體化接骨板完成下頜骨各骨塊位置的定位和固定

當雙側矢狀劈開截骨術、下頜骨正中截骨及頦成形截骨依次完成后，可發(fā)現下頜骨完全游離為5個骨塊。此時骨面上遺留下的固定截骨導板的釘孔，可作為定位下頜骨位置的骨性標志點，并將其用于固定下頜骨個體化接骨板。術者通過旋轉和移動游離的下頜骨骨段，并將骨面上原有的釘孔與個體化接骨板上的釘道相匹配并用螺釘進行固定。此時下頜骨各骨塊便自動地引導至手術方案所設計的空間位置，完成固定，術中無須使用板，也無須進行頜間結扎及鈦板的彎制（圖7C、D）。

通過該方法不僅將手術方案完整的轉移至術中實現，還簡化了手術步驟，獲得了較高的手術精度和較好的手術效果。

3 結語與展望

數字化外科、3D打印、AR等技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，為“精準正頜外科”的實現提供了基礎和保障?！熬珳收M外科”的治療流程包括：1）利用激光牙模掃描、計算機斷層掃描、口掃、3DMD 面部三維掃描等實現精準數據獲?。?）基于多學科討論的精準治療方案制定；3）通過計算機輔助虛擬手術規(guī)劃實現精準手術方案設計及術后效果預測；4）借助3D 打印手術導板、3D 打印PSI 和導航系統(tǒng)等工具實現精準正頜手術實施；5）結合術后CT 重建、3DMD 面部三維掃描等方式實現精準術后評估及隨訪。“精準正頜外科”涵蓋了疾病評估、臨床決策、手術規(guī)劃、手術操作、圍手術期管理和術后隨訪評估等外科治療的整個過程，與最初的“精準外科”理念一脈相承[1]，最終實現精確評估畸形程度以制定治療方案、最大限度糾正面部畸形、最大限度減輕手術創(chuàng)傷反應三大策略。然而，由于“精準正頜外科”體系涉及設計、制造和使用等多個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的誤差都可能對最終的手術精度產生影響。而所有環(huán)節(jié)的誤差疊加最終也將導致治療效果偏離初始預期。因此，對于“精準正頜外科”治療流程的每一個細節(jié)都應給予高度重視，以確保最終獲得良好的治療效果。

而隨著隱形正畸、數字化正畸技術的進一步普及和應用，正畸醫(yī)生在牙齒移動方向的掌控和正畸目標位的預測方面變得更加精準。通過正頜正畸聯合參與制定治療方案，借助精準正頜外科手術設計、精準頜骨定位體系以及數字化正畸設計等手段實現“精準正頜正畸聯合治療”[45]，已成為未來正頜正畸治療的新趨勢。這一新模式將最終實現個性化、精準化的正頜正畸治療，達到“快-準-美”的治療效果，最終推動基于正頜外科精準矯正各類牙頜面畸形的“Ortho+X”中國治療模式的發(fā)展。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。