數字化技術在顱頜面外科的應用進展

王玨等

顱頜面外科主要的治療對象是各種先后天因素造成的顱頜面骨及相應軟組織的嚴重畸形，這類畸形多數為醫學史上公認的一類疑難病，對患者的危害極為嚴重而治療的難度很高，風險也很大，其診治必須以整形外科為主導的多學科專家的密切配合并充分利用各種先進的科學技術。現就數字化技術在顱頜面外科的應用進展綜述如下。

1數字化外科技術的概況

數字化外科學是以醫學影像學及解剖學為基礎，將三維重建、計算機輔助設計和制造、計算機導航系統等相關的數字化技術應用于臨床外科，將二維圖像或結構光測量數據轉化為三維立體測量分析，從而精確地輔助及模擬手術設計。數字化技術最初應用于骨科、神經外科等。1983年，Hemmy等[1]首次將三維重建技術應用于顱頜面外科，開啟了數字化技術在顱頜面應用的先河。隨著計算機技術的發展，計算機輔助設計和制造技術（CAD/CAM）也被應用于顱頜面外科。1986年，Mankovich[2]首次以虛擬頭顱三維重建技術為基礎，將計算機輔助鑄造出的硅膠用于眶顴骨缺損的病例中。隨著數控加工技術日益成熟，快速成型技術（Rapid prototyping tecnology，簡稱RP技術）問世。1991年，RP技術中光固定化立體造型（SLA）在維也納首次被引入口腔頜面外科的臨床應用。20世紀90年代，計算機輔助手術技術開始應用于顱頜面外科，1991年，Atobelli等[3]在計算機生成的三維圖像上模擬了顱面整形手術。近幾年，3D攝影、手術導航系統、醫學智能機器人等新型技術在國內外顱頜面臨床開始應用[4-6]。

2數字化外科技術的組成

2.1三維重建技術：三維重建技術是在二維CT圖像數據的基礎上，利用計算機技術將其轉化為模擬數據輸出為三維立體圖像，從而準確地顯示解剖結構與病變的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍組織結構的空間關系，為顱頜面外科的畸形修復和顏面整形提供了更為精確且量化的模擬。1979年，Herman 等[7]報道了人體器官及骨組織的三維重建技術，將數字化技術引入外科學。20世紀80年代至90年代，三維重建技術迅速發展。1984年，Marsh[8]利用三維CT重建技術進行了顱眶整復手術的模擬設計；1986年至1989年，建立起基于CT 影像資料的計算機輔助顱頜面外科手術三維模擬設計系統[9-10]。1995年，Gulyas 等[11]提出了應用數字化三維技術進行顱頜面外科手術設計的理念。近年來，三維重建技術在顱頜面外科的應用已不僅局限于硬組織，顱面部的三維重建可從組織結構進行細致的分層顯示，將面部皮膚、皮下淺筋膜、面部血管神經等逐層顯示出來[12-13]。三維重建技術是數字化外科的基本技術，為模擬外科提供了重要的方法。

2.2計算機輔助設計技術（CAD）和計算機輔助制造技術（CAM）：計算機輔助設計技術是數字化外科的核心，利用CT掃描得到的對顱面部解剖結構的虛擬數據，在三維編輯軟件環境下，對數據進行各種處理，完成數字化三維重建。其組成包括：鏡像技術、有限元分析、自由曲面構建技術、數據分割技術、數據構建技術、圖像配準技術、差值分析技術等。應用計算機輔助設計軟件可對顱面骨進行三維重建，在PC機上完成顱面骨虛擬切割和移動，使復雜手術的模擬成為可能并預測術后效果。很多學者將計算機輔助設計及制造技術應用于頜面骨缺損修復、畸形修復以及頜面牽引成骨，均取得了良好效果[14-17]。

計算機輔助制造技術（CAM）以快速成型技術（簡稱RP技術）為代表。快速成型技術是20世紀80年代后期發展起來的新型工業制造，它以光敏樹脂為原料將計算機輔助設計零件（CAD）模型通過軟件分層離散和數據成型系統重新分層、逐層疊加，完成填充物的輪廓編輯和成型，從而制造出三維實體模型，其中SLA方法是目前快速成型技術領域中研究最多且技術上最為成熟的方法。SLA工藝成型的零件精度較高，加工精度可達到0.1mm，原材料利用率近100%。在顱頜面外科，在CT掃描數據基礎上運用快速成型技術制作的三維頭顱模型能直觀、真實、立體、精確地顯示顱面部的三維解剖結構及空間關系，在此基礎上可進行精確的測量和準確的臨床診斷，為制定合理的手術治療計劃提供重要依據。同時，術前可在三維頭顱模型上進行手術設計、模擬操作并預制個性化修復體進行填充。

2.3計算機輔助手術模擬（Computer Assisted Surgery Simulation，CASS）：計算機輔助手術模擬是虛擬手術的一種，是基于各種醫學影像數據運用計算機圖形學與虛擬現實來模擬、指導手術，使復雜精確的手術成為可能。對于顱頜面外科而言，準確的術前設計是手術成功的保證，因而建立基于CT的三維圖像的虛擬現實外科計劃、模擬系統的計算機系統工作站對顱頜面外科有重大意義。近年來，CASS開始應用于顱頜面復雜畸形和創傷患者的治療修復并取得了良好的效果[18-20]。

2.4計算機輔助導航系統（computer assisted navigation system， CANS）：計算機輔助導航系統是計算機輔助外科技術的重要組成部分。計算機輔助導航系統是將計算機處理的三維模型與實際手術進行交互，通過紅外線或者激光對手術器械位置的追蹤，最大可能地提供術區信息，屬于計算機增強現實。其基本操作步驟包括獲得術前三維圖像、制定手術方案、模擬手術和術中注冊導航。計算機導航的優點：①定位確切，使手術更為精準，提高手術成功率；②將三維模型與手術部位準確匹配，實施個體化手術方案；③避開重要解剖結構，使手術更為安全，減少術后并發癥；④輔助教學和遠程醫療[21]。導航系統的精確度主要受系統本身誤差、影像資料的準確性、術中組織移位等因素的影響[22]。

2.5數字化新技術： 已被證實，機器人手臂可以完成復雜的手術軌道切割[23]。隨著術中導航系統的成熟，出現了比機器人手臂更為完善的手術機器人輔助系統，可獲得比外科醫生手術操作更為準確的精度，如用于顱內植入定位[24-25]。迄今為止，相關機電研究為手術機器人輔助系統進入臨床提供了堅實的基礎，但是在術中應用的安全性還需進一步被證實[26]。

3數字化技術在顱頜面外科治療中的應用

顱頜面外科是法國整形外科專家Tessier教授于20世紀60年代后期創立的一門新興學科。它通過特殊的截骨和植骨方法將顱頜面骨分塊移動，按照整形修復原則重新排列組合與固定，從根本上矯正各種嚴重的顱頜面畸形[27]。顱頜面腫瘤、外傷和畸形經常導致嚴重的咀嚼功能障礙和面部輪廓損壞，顯著降低患者的生活質量。然而，畸形的顱面骨是立體多面且不完全規則的，X片和CT的二維圖像不能對三維結構進行立體呈現和定量測定，導致受損及畸形骨的復位缺乏準確性，通常很難恢復預期的面部形態。對于外科醫生而言，提高顱頜面缺損和畸形患者的術后效果仍然是一個挑戰。把數字化技術應用于外科診斷和治療中，可以幫助解決這個問題[28]。

3.1在顱頜面腫瘤中的應用：數字化技術在顱頜面腫瘤的評估、手術切除和術后修復中均有重大幫助。一些學者應用三維數字立體攝影測量技術評估患侵襲性纖維瘤病的兒童進行下頜骨節段性切除術后2年內的面部發育情況，認為三維數字立體攝影測量是一種客觀、量化的監測面部增長的無創性方法[29]。Lübbers等[30]為一個巨大額骨和顳骨骨母細胞瘤的患者進行術前虛擬規劃，運用鏡像技術和導航系統在術中切除病灶，同時利用自體顱骨根據健側重建患側，術后效果良好，為復雜的顱頜面腫瘤手術提供了新方法。近年來，國內不少學者也將數字化技術應用在顱頜面腫瘤并取得了很好效果。一些學者對14例顴上頜骨骨纖維異常增殖癥的患者進行術前顱面骨三維重建，運用鏡像技術精確標記需要切除的骨量，術中導航系統指導病變骨的切除，每例患者術后效果與預先估計值最大差異小于2mm[31]。此外，數字化技術在顱骨缺損修復也有應用。數字化三維顱骨成形技術應用在Ⅰ期顱骨修補術，提高顱骨塑形的精確度，減少顱骨修補術后的并發癥和縮短手術時間[32]。

3.2在顱頜面外傷中的應用：在顱頜面外傷中，眶顴骨折占很大比例。眼眶重建修復最大的困難在于眼眶周邊結構復雜，血管神經豐富，要精確恢復病前的眼眶骨性輪廓和恢復眼外肌功能是臨床的一個難點。傳統的手術雖然行之有效，但卻會給患者留下外觀上的缺陷。國外一些學者將術前手術模擬和術中導航相結合，對外傷導致的單側眼眶畸形進行修復重建，解剖學復位精度高，但由于軟組織限制導致的繼發畸形并未完全克服。結果提示，術前模擬手術和術中導航可為復雜的眶壁修復提供有益的指導[33]。國內有學者研究表明，計算機輔助導航外科有助于提高顱頜面陳舊性骨折的復位精度[34]。一些學者運用鏡像技術制作眶顴骨折患者的三維頭顱模型，并在模型上對鈦網進行解剖塑形，修復眶壁缺損的準確性比預成鈦網更高[35]。此外，SLA模型在顱骨缺損的修復中也有著廣泛應用。一些學者應用光學三維成像和快速成型技術對比例越過面中線的頜面大面積缺損進行假體移植，證實虛擬移植用于保留眼結構的大面積頜面部缺損修復是可行的[36]。

3.3在顱頜面畸形方面的應用： 顱頜面畸形修復手術包括了對先天及后天因素導致頭面畸形的矯治。手術成功與否不僅取決于手術操作，在很大程度上也取決于精確的手術方案[37-39]。傳統的手術在石膏模型上模擬手術截骨軌跡，這對于要求高精度的復雜顱頜面畸形手術是巨大限制，于是開始有學者運用三維計算機手術模擬（CASS）進行顱頜面手術術前設計[40]。一些學者收集12例顱頜面畸形患者，為其制造三維顱骨模型，并進行兩次模擬手術：在CASS輔助下進行模擬手術和傳統手術。術后從顱面整體骨骼矯正以及上頜、下頜、頦的矯正水平分別進行統計學評估。結果表明，運用CASS取得的手術效果明顯優于傳統方法，術者應用CASS能更好地矯正偏牙合畸形，恢復下頜骨的對稱性[41]。Malis等[42]在術中導航的輔助下對顳下頜關節強直患者進行了精確的截骨術和假體置入，完成了全顳下頜關節置換術，術后效果良好。

3.4在顱頜面外科其他領域的應用： 一些學者使用3D立體攝影或3D軟件進行顱頜面術前與術后軟組織的評估，以及軟組織的變化和正頜手術復發的客觀評價[43-44]。一些學者運用三維電腦斷層數據的體積和表面積分析可精確評估冠突的大小，為冠突肥大的臨床診斷和治療提供了幫助[45]。

4展望

數字化技術可為復雜的顱頜面畸形提供準確的診斷及合理有效的治療方案。近年來，有關顱頜面外科術前三維重建及術中導航應用的研究激增，但數字化技術需要基本的設備和軟件，花費的時間比較多，使用成本也較高，臨床推廣有一定限制。另外，很多醫生對數字化外科的熟悉程度不夠，很難將其靈活運用于臨床，遠期的評估及相關的收益分析也有待進一步研究。這需要計算機、機電和醫學等多方面人才的共同努力，才能將數字化技術的優勢在顱頜面外科充分發揮。

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[收稿日期]2012-04-28 [修回日期]2012-06-01

編輯/李陽利