虛擬技術在牙頜面畸形治療中的應用

劉慶成　李洪亮　王敏嬌　王旭東　沈國芳　張詩雷　于洪波

牙頜面畸形，是由于牙頜面結構中某些部分（如頜骨）的形態(tài)、大小和位置異常所致，臨床表現(xiàn)為咬牙合紊亂和面部畸形。其治療過程十分復雜，需要正頜正畸聯(lián)合治療。在傳統(tǒng)正頜手術過程中，需要先通過模型外科獲得手術牙合板，然后使用此牙合板重新定位頜骨位置。

雖然傳統(tǒng)模型外科應用十分廣泛，但仍有許多缺點，比如用時較長而精確度較低[1-2]。同時，牙頜面畸形一般在矢狀向、垂直向和橫向都有表現(xiàn)，因此手術中頜骨的移動需要進行模擬和預測，然而傳統(tǒng)模型外科只能準確預測牙齒咬牙合，并不能直接反映出頜骨的移動。尤其對于面部不對稱畸形患者而言，利用傳統(tǒng)模型外科無法模擬預測頜骨的對稱性[3-4]。

隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，虛擬技術為正頜手術提供了一個理想選擇。利用此技術，可以通過數(shù)字化模型進行手術設計及手術模擬，通過不斷嘗試和修改，可獲得最佳的個體化治療方案，并在此基礎上利用3D打印技術打印出牙合板及手術導板[5-6]。2014年來，我科開始探索虛擬手術設計和數(shù)字化模型外科。至今已有超過1 500例將虛擬模型外科應用于正頜手術的病例?，F(xiàn)詳細介紹虛擬模型外科的程序。

1　材料和方法

1.1　CT掃描和三維重建

選取我科確診為牙頜面畸形的患者，術前所有患者進行薄層（0.625 mm）螺旋CT掃描，將CT數(shù)據(jù)存為Dicom格式并導入Proplan軟件（版本1.4，Materialise，比利時），然后設定合理的重建閾值，將CT數(shù)據(jù)重建為三維模型，最后根據(jù)關注區(qū)域定點,并利用布爾運算分割、重建患者上頜骨和下頜骨（圖1）。

圖1　上下頜骨分割Fig.1　Segmentation of the maxilla and mandible

1.2　顱頜面模型重建

以牙模掃描儀（Smartoptics，德國）分別掃描上、下頜牙列石膏模型和終末咬牙合牙列模型，以此獲得牙列三維模型，將數(shù)據(jù)保存并導出為STL格式。采用圖像融合技術建立顱頜面-牙列模型，分別選取激光掃描上下頜牙列模型和3DCT重建模型上5～10個顯著牙齒解剖位點，以此為基準將兩者擬合。使用激光掃描模型中的牙齒替代三維CT重建模型上的牙齒，以獲得精確的數(shù)字化顱頜面-牙列模型，此模型可準確代表頜骨和牙齒咬牙合的解剖結構（圖2）。

圖2　顱頜面模型重建Fig.2　Reconstruction of craniomaxillofacial dentition model

1.3　虛擬手術設計和模擬

首先在顱頜面-牙列三維模型上，根據(jù)臨床檢查描出一系列解剖標志點，描點結束后，冠狀面、矢狀面、橫斷面、上下牙合平面、眶耳平面及各種測量數(shù)據(jù)自動生成。要注意在確定正中矢狀面時，需根據(jù)臨床檢查上頜牙列中線的偏斜情況，調(diào)整眶下點和耳上點來調(diào)整眶耳（FH）平面，以獲得準確正中矢狀面。另外，在調(diào)整FH平面時，也需要注意牙合平面偏斜情況，尤其是在偏頜畸形的病例中。

在數(shù)字化顱頜面-牙列模型上進行模擬截骨手術，截骨手術包括上頜LeFortⅠ型截骨、雙側下頜支矢狀劈開截骨術（BSSRO）、頦成型和面部輪廓修整，截骨時需注意避開牙根、頦神經(jīng)。將終末咬牙合牙模數(shù)據(jù)以STL格式導入軟件，并分別與截斷的上下頜骨匹配，匹配方法同上，以此來確定終末咬牙合。根據(jù)患者的主訴、臨床檢查、二維頭影測量和三維頭影測量，確定上下頜骨復合體的移動趨勢，以上下頜骨復合體的形式在3個維度上進行平移和旋轉。平移包括左右移動以糾正面中線，上下移動調(diào)整垂直高度，前后移動調(diào)整矢狀向位置；旋轉包括decanting（繞Y軸旋轉，側滾角），糾正上頜合平面偏斜；tipping（繞X軸旋轉，俯仰角），矯正上頜平面的傾斜角度；yaw（擺尾，繞Z軸旋轉，偏轉角），糾正上下頜骨的對稱性。上述平移和旋轉方法可根據(jù)病例情況作出調(diào)整（圖3）。平移旋轉結束后，根據(jù)頦部位置、面部對稱性以及患者主訴進行評估，以確認是否同期進行頦成型和輪廓修整（圖4）。頦成型截骨時應先描出下牙槽神經(jīng)，避免截骨時損傷。若需進行輪廓修整，以正中矢狀面作為參照平面。將理想側的面部解剖結構和輪廓線鏡像到對側，以此來確定截骨線的位置和去骨量。通過不斷嘗試和修正，以獲得最佳個體治療方案。方案確定后，將中間咬牙合、終末咬牙合以及頦成型骨塊、輪廓修整截斷部分以STL文件導出，并據(jù)此打印牙合板和導板。

圖3　虛擬手術設計Fig.3　Virtual surgical planning

圖4　下頜體輪廓修整Fig.4　Mandibular body recontouring

1.4　牙合板、導板3D打印

將中間咬牙合、終末咬牙合、頦成型和輪廓修整骨結構的STL文件導入GenmagicSpark（Geomagic，美國）軟件，并進行數(shù)據(jù)建模，以此來進行虛擬牙合板及導板設計，保存并導出為STL格式的牙合板及導板數(shù)據(jù)。牙合板及導板設計結束后，根據(jù)空間位置大小使用ClientManager軟件（3D system，美國）進行合理布局排版，然后導入3D打印機（3D systems，美國）打印出牙合板及導板。

1.5　正頜手術

三維牙合板和導板術前消毒備用，術中需根據(jù)術前手術設計進行截骨手術，在牙合板及導板的指引下確定各類截骨線的位置以及術后頜骨位置，并仔細核對手術實際情況與手術方案的差異。

1.6　術后評估

通過臨床檢查和影像學檢查，評價手術效果?；颊咝g后3 d進行頭顱CT檢查，對患者術后結果與術前計劃進行定量比較。需將術后CT重建出的三維模型與術前方案擬合，然后測量術后模型與術前虛擬方案的差異（圖5）。

圖5　手術精確度評估（黃色部分為術前手術方案，白色部分為術后CT）Fig.5　Evaluation of surgical accuracy(the yellow represents virtual surgical planning,the white represents post-operative CT)

2　結果

將三維CT重建模型和激光掃描牙列模型結合，通過圖像擬合，利用牙列模型上的牙齒替代三維CT重建模型上的牙列部分，以建立精準的顱頜面-牙列模型。該模型包括頜面部骨骼以及牙列，能夠最大程度地反應患者真實狀況。在此數(shù)字化模型上進行手術設計、模擬以及術后預測，簡單直觀，更有利于醫(yī)患雙方的溝通。

為達到面部對稱的目的，利用正中矢狀面作為參照平面。將理想側的面部解剖結構和輪廓線鏡像到對側，以此來確定患者術后面部對稱性。尤其對于偏頜畸形的患者，若單純平移和旋轉無法達到面部對稱，可在平移和旋轉后進行頦成型和輪廓修整。通過不斷嘗試和修正，以獲得最佳治療方案。方案確定后3D打印牙合板及導板。

正頜手術以及頜骨輪廓修整手術在牙合板及導板的指導下進行，能夠最大程度地保障術前設計在術中的精確實現(xiàn)。將術后CT重建模型與術前設計圖像擬合，可以進行手術精確度的評價。

3　討論

對于先天性或發(fā)育性牙頜面畸形患者而言，正頜手術是一種恢復患者面形和良好咬牙合關系的有效手段。在此過程中，模型外科不可或缺。通過模型外科，不但可以進行手術設計和手術模擬，同時還可以獲得手術導板來指導手術。然而，傳統(tǒng)模型外科有其內(nèi)在缺陷，對整個顱頜面骨的旋轉和平移等移動控制不足，導致了手術模擬不夠精確[7-9]。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，基于三維醫(yī)學圖像和建模技術的虛擬技術，為頜面部畸形患者提供了一個新的手術方案設計和模擬方法[10]。

在正頜正畸聯(lián)合治療過程中，頜面部軟組織、骨組織和牙列三者可視為一個聯(lián)合體，在正畸治療和正頜手術中扮演著極為重要的角色[11]。現(xiàn)在，基于三維CT數(shù)據(jù)的三維模型重建技術應用越來越廣泛[11]，對于咬牙合重建而言，三維CT重建模型精確度低，且正畸鋼絲和托槽對成像存在干擾，無法準確體現(xiàn)牙齒結構和咬牙合狀態(tài)，不能達到牙合板及導板打印的精確度要求。為了克服這些問題，在三維重建中引入了一種圖像擬合技術，即將三維CT重建顱骨模型與牙列石膏模型激光掃描獲得的虛擬牙列模型擬合[12]，以獲得顱頜面-牙列虛擬模型。基于此模型，我們可以進行三維頭影測量、虛擬手術設計、手術模擬和術后效果預測。同時，還可以3D打印牙合板及手術導板。

在手術設計過程中，準確的三維頭影測量是至關重要的，這就要求解剖標志點準確定位。為保證患者面部對稱性，正中矢狀面的確定尤為重要。需根據(jù)臨床檢查，調(diào)整雙側眶下點與雙側耳上點，使上下牙列中線位置和正中矢狀面位置關系與臨床檢查一致。同時，需確保上頜合平面偏斜程度與臨床檢查一致。對于偏頜畸形的患者，利用正中矢狀面作為參照平面評估患者術后對稱性，需根據(jù)不對稱的程度以及患者要求決定是否進行同期頦成型和輪廓修整。

虛擬手術設計有以下優(yōu)點：第一，利用數(shù)字化技術進行虛擬手術模擬，可直接觀察到截骨線位置和骨結構移動情況[13-15]。第二，通過虛擬手術可以獲得更多重要信息，有效預測患者術后面部對稱性，并可確定是否需同期進行頦成型和輪廓修整手術。第三，手術模擬十分逼真、直觀，有利于術前醫(yī)患交流。第四，數(shù)字化模型外科較傳統(tǒng)模型外科用時少且易于調(diào)節(jié)，可進行多次手術模擬以選出最佳手術方案。

但是，目前的虛擬手術設計仍存在許多缺點和不足，比如手術設計時無法及時發(fā)現(xiàn)牙齒之間的早接觸，使得手術中導板安置困難或導板不穩(wěn)定。因此，今后需要在顱頜面-牙列虛擬模型中加入觸覺反饋。此外，三維CT模型與激光掃描牙齒模型圖像擬合過程中，會出現(xiàn)誤差而影響手術精確度。在復雜病例中，由于實際操作空間有限等原因，不能完全按照虛擬手術方案進行，從而影響手術精確度。

綜上所述，虛擬手術設計作為一種新興的、具有廣泛應用前景的技術，標志著現(xiàn)代醫(yī)學的重要發(fā)展方向。由于其優(yōu)勢顯著，并且克服了傳統(tǒng)模型外科的不足，表現(xiàn)出廣泛的應用潛力。

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