數字化技術在口腔頜面部腫瘤精準外科診療中的應用

彭歆 章文博 于堯

(北京大學口腔醫學院口腔頜面外科，北京 100081)

口腔頜面部腫瘤是口腔頜面外科的常見疾病。口腔頜面部解剖結構復雜，腫瘤的位置常常比較深在，手術風險較大。術前根據影像資料對腫瘤位置、范圍等進行正確判斷，確定腫瘤切除的安全邊界，是腫瘤治療的關鍵。口腔頜面部腫瘤手術常會造成頜骨缺損，不僅影響患者外形，而且導致患者的語音、咀嚼、吞咽等功能障礙，嚴重影響患者的生活質量。在傳統的外科治療模式中，醫生基于臨床表現和影像學檢查結果，依靠經驗和主觀判斷實施腫瘤切除和修復重建手術。這種診療模式中，沒有針對患者進行個體化的方案設計，依靠術者經驗進行手術，對于復雜的重建手術難以達到較高精度，導致術后治療效果不盡滿意，與“精準醫療”的理念和“個性化治療”的目標有一定差距。

數字化外科技術是一種將計算機成像、圖形處理、精密制造等技術相結合的一門交叉學科技術，上世紀90年代開始應用于醫療工作領域，并逐步應用于口腔頜面外科領域。數字化外科技術的核心組成部分包括三維圖像重建技術、計算機輔助設計技術、計算機輔助制造技術、手術導航技術以及近年來逐步發展的手術機器人技術等[1]。目前，數字化外科技術已經廣泛應用于口腔頜面部創傷整復、頜面部畸形矯正、頜面部缺損修復重建等多個領域[2-5]。近幾年，數字化外科技術發展迅速，已成為口腔頜面部腫瘤外科領域的常規診療技術。目前，口腔頜面部腫瘤的準確診斷、精準治療以及口腔頜面部缺損的精確修復和個性化重建，已成為口腔頜面部腫瘤診治的新目標。本文將結合國內外文獻與本課題組工作經驗，對數字化外科技術在口腔頜面部腫瘤精準治療中的應用進行總結。

1 口腔頜面部腫瘤外科常用的數字化技術

1.1 三維重建與三維標記技術

口腔頜面部腫瘤通常位置深在，與重要的神經、血管等解剖結構關系密切。影像學檢查是對口腔頜面部腫瘤進行診斷所必不可少的重要工具。CT以及MRI是用于口腔頜面部腫瘤診斷最常用的影像學檢查方法，但二者都只能從軸位、冠狀位及矢狀位等二維角度進行觀察判斷，腫瘤的三維位置和周圍毗鄰關系需依靠術者的經驗判斷，術中需憑借術者的經驗確定腫瘤邊界和切除范圍，難以達到精準治療的目標[6]。隨著三維重建技術的發展，目前可以基于CT和MRI數據對顱頜面骨組織進行三維重建，但對于腫瘤等軟組織的三維重建仍存在困難[7]。

利用三維重建和定位技術，可以在數字化軟件中三維重建口腔頜面部手術區域軟硬組織的三維結構，并獲得三維可視化的腫瘤圖像，用于判斷其位置和范圍。在數字化軟件中，基于CT和MRI等影像學檢查的數據，重建三維模型；根據表面陰影重建法的原理，在不同的二維層面上“描繪”腫瘤，從而獲得腫瘤、周圍重要血管以及其他解剖標志的三維圖像。在軟件中，可以對三維圖像進行編輯，設定不同的顏色、調整透明度，并任意角度旋轉和移動。在這種三維可視化模型中，可以清晰顯示腫瘤與頸內外動脈、頸內靜脈等重要解剖結構的位置關系以及軟、硬組織的侵犯和破壞情況。此外，三維可視化模型也可以幫助醫生術前直觀地與患者進行溝通交流。

1.2 多模態影像融合技術

影像學檢查在口腔頜面部腫瘤術前診斷中扮演著重要角色，目前臨床上常用單一模態的影像學數據進行輔助診斷。其中CT和MRI具有較高的組織對比分辨率和空間分辨率，已常規用于口腔頜面部腫瘤的術前影像學診斷。但對于同時累及軟、硬組織的腫瘤，常難以從單一的CT或MRI影像上獲得準確的腫瘤邊界、浸潤深度等信息。以PET為代表的功能性模態成像，可通過腫瘤的高代謝特征對腫瘤進行顯像，已越來越多地應用于惡性腫瘤全身轉移的篩查，但同時具有層厚較大、空間分辨率差的缺陷。

隨著信息技術和醫學影像技術的不斷發展，以及一體式多模態影像掃描儀器的普遍使用，多模態影像融合已成為口腔頜面部腫瘤診斷和治療的重要輔助手段。多模態影像融合是指將醫學成像設備采集到的不同影像數據，利用計算機軟件進行適當處理使其匹配、融合，融合后的多模態影像較單一模態影像信息量增加，彌補了單一模態影像的缺陷。與單一模態影像相比，多模態影像的診斷能力更為強大，具體表現為：①可在同一坐標系內同時顯示腫瘤與軟、硬組織間及鄰近重要解剖結構間的關系，直觀顯示腫瘤浸潤的深度及范圍，醫生無需在不同的影像之間來回判讀[8]；②提升診斷惡性腫瘤頸淋巴結轉移的靈敏度，并且能檢測出位置深在的隱匿性轉移，在頸部轉移癌的原發灶尋找中也發揮著關鍵作用[9-10]；③加強手術治療或放化療后腫瘤復發灶的診斷能力，避免因局部解剖結構破壞、瘢痕增生等形態學紊亂而造成的漏診或誤診[11-12]；④使因口內義齒等產生的偽影區域得到更準確的解讀，提高診斷的可信度[13]。

多模態影像融合可通過手動平移、旋轉一張影像使其與另一張配對，由視覺評估是否對齊；也可以通過外標志點(如皮膚、體表上的人工標志點)和內標志點(如前鼻棘、髁突等)實現手動或半自動融合。隨著技術發展，多模態影像融合可以由軟件基于互信息最大化法全自動完成，其誤差范圍小于2 mm，比既往的融合方法更加精確[14]。

1.3 計算機輔助設計(CAD)技術

CAD是指基于CT和MRI等影像學數據，在數字化軟件中通過虛擬設計制定手術方案的過程。口腔頜面部腫瘤的切除范圍的確定主要依據臨床檢查和影像學檢查結果。對于惡性腫瘤和復發性腫瘤，腫瘤的邊界往往不明確，增加了腫瘤安全邊界確定的難度。腫瘤切除術后頜骨的缺損通常采用血管化游離骨組織瓣重建。當腫瘤范圍較大，明顯破壞頜骨外形時，僅依靠術者經驗難以精確定位移植骨的三維位置，導致術后移植骨的位置不理想，繼而影響咬合關系的恢復，往往也難以恢復對稱的面部外形。

臨床中可以在數字化軟件中，對三維模型進行腫瘤切除與頜骨缺損重建的虛擬手術設計，包括確定腫瘤的安全邊界與截骨位置；通過鏡像技術恢復被腫瘤破壞的頜骨外形；根據頜骨缺損范圍和形態虛擬設計移植骨的位置。

1.4 3D打印和手術導板技術

3D打印技術是快速成型(Rapid prototyping)的一種，基于數字模型文件，應用粉末狀金屬或樹脂等材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，也稱為增材制造[15]。近年來，3D打印技術已廣泛應用于臨床醫療與研究工作中。在口腔頜面部腫瘤手術中，通過3D打印技術，制作各類手術輔助導板、模板和模型，是將術前設計轉化到臨床實際手術操作中的重要途徑。

根據術前在數字化軟件中設計的的手術方案，可同步設計頜骨截骨導板、移植骨(腓骨/髂骨)塑形導板等手術導板，進行3D打印。在手術當中,使用3D打印的截骨導板輔助腫瘤切除和截骨，使用塑形導板對移植骨進行塑形，使手術實際切除范圍和移植骨的重建位置和術前設計一致，達到精確治療的目標。

此外，在下頜骨重建手術中，可以在下頜骨重建模型上彎制個性化重建鈦板，用于術中精確修復下頜骨外形及重建咬合關系。當上頜骨或面中部腫物范圍較大時，腫瘤切除后，常會導致上頜-眶-顴復合體的大型缺損。該解剖區域形態個體差異大，具有重要的功能與外形意義，難以在手術中依靠經驗進行精確的重建。可在鏡像后的三維頭顱模型基礎上進行3D打印，在模型上彎制個性化鈦網，重建上頜-眶-顴復合體缺損。

使用3D打印技術制作的各類手術導板、模板和模型，通過精確設計，降低了手術難度，簡化了手術操作，節省了手術時間，提高了手術精確性和安全性，因此目前該技術在臨床中應用越來越廣泛。

近年來，數字化外科技術提高了頜骨缺損的修復效果，實現了個性化重建的目標[16]。術前虛擬設計和3D打印技術相結合，可以提高頜骨重建的精確度，取得良好的治療效果。然而，該技術也存在一定的局限性。例如，CAD流程手術導板均是完全基于骨性結構設計。而在實際手術中，肌肉、脂肪等軟組織的存在是不容忽視的，會對精度產生影響。軟組織的存在一方面影響術前對腫瘤范圍的判斷，當術中發現腫瘤范圍與設計不符，需擴大切除范圍時，將不能再依靠手術導板。另一方面，軟組織的存在會影響手術導板與骨組織的匹配與貼合程度，對手術的精確性有一定程度的影響。另外，為使手術導板充分就位與固定，需要擴大手術暴露范圍，在一定程度上又增加了手術創傷[17]。

1.5 手術導航技術

手術導航技術是另一種連接虛擬設計與實際手術的方法。手術導航技術就是基于CT、MRI等影像學數據，并結合立體定位技術，直觀顯示人類肉眼無法直接看到的人體結構以及手術器械，提高手術的精確性和安全性[4]。在神經外科領域手術導航技術也是應用最早和最成熟的[18-19]，本世紀以來，才在顱頜面手術中得到越來越廣泛的應用[20-21]。

手術導航技術在口腔頜面部腫瘤手術中，主要應用于兩個方面。在切除腫瘤時，根據術前虛擬設計的截骨方案，采用導航引導精確定位各個截骨線的位置，完成腫瘤切除與頜骨截骨。在修復重建時，根據術前設計方案，精確定位鈦網、重建鈦板等植入物和腓骨、髂骨等移植骨的三維位置。同時，驗證重要解剖結構的位置，如眶底、髁突、下頜角以及頜骨中線位置等，從而恢復正常的咬合關系與對稱的面部外形。

目前，導航技術多用于上頜骨及面中部腫瘤與重建手術中，由于下頜骨的活動性和不穩定性，在一定程度上限制了其在下頜骨腫瘤切除與重建手術中的應用。但總起來近年來應用在逐漸增多，多項研究也證實導航技術在下頜骨重建中也是比較可靠和穩定的[22-23]。BELL等[24]提出了3種提高下頜骨導航手術精度的方法，包括：①采用牙弓夾板等固定裝置將上下頜固定在一起后再進行CT掃描；②手術中使用牙弓夾板或咬合板將下頜骨固定在正中關系位；③在下頜骨安裝專門的導航用固定裝置。與手術導板輔助手術相比，采用導航技術輔助手術的優勢在于：可以在手術中進行“實時”引導和反復驗證。可以精確實施術前設計的手術方案，也可以根據實際情況進行必要的調整和改進。導航手術的局限性在于需配備導航儀設備以及相應軟件，成本較高，在基層單位推廣應用相對困難；另外，對初學者而言導航操作具有一定的難度，有一定的學習曲線，目前使用的導航系統仍多為“被動式”的導航系統，定位后術者仍需要反復驗證位置，有時會延長手術時間。

1.6 混合現實(MR)技術

盡管目前手術導板技術和手術導航技術已在口腔頜面部腫瘤手術中廣泛應用，但仍有其局限性。手術導板制作成本較高，且只適用于骨性結構的定位與切割；導航技術的開展需要依賴手術導航系統，成本昂貴；且目前導航系統的圖像載體仍為二維的平面形式，難以實現在三維空間的實時定位與導航。PIETRUSKI等[25]發現，在手術過程中不斷觀察導航系統屏幕會影響手眼協調操作，從而降低手術過程的精度。

目前隨著數字化影像技術的不斷發展，以增強現實(AR)、MR為代表的計算機圖形技術以及可視化技術已經對醫學領域產生顯著的影響[26]。MR技術作為一種新興的三維可視化技術，其目的是通過在虛擬環境中引入現實場景信息，在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭建一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感[27]，該技術的出現改善了以往的“經驗依賴”治療模式。利用患者術前高分辨率的醫學影像數據，軟件輔助自動識別皮膚、骨組織、動脈等結構，手動描記腫物和靜脈，標記重要解剖結構，降低混雜圖像影響，重建效果更加精細；利用標志點定位與配準可將三維虛擬模型與患者真實結構精確融合，模擬術中腫瘤切除范圍以及手術切除后的效果，制定個性化手術計劃，減少對經驗的依賴[28]；在與患者及家屬進行術前溝通與交流中，可獲得患者對手術的看法，使其對疾病和手術過程有更直觀的認識，提高其依從性[29]；通過術中三維模型可視化及面部外形配準，術者可以直觀、精確地在術區查看三維解剖圖像，提高手術效率[30]。同時在整個手術過程中，術者以及助手可共享三維全息圖像，避免術中討論中信息傳遞出現偏差，便于及時改進手術方案[30]。

目前，MR技術多用于神經外科、肝膽外科等領域，在口腔頜面部手術中的應用仍處于初步探索階段，其應用流程與精度仍需進一步研究驗證。

2 數字化技術在口腔頜面部腫瘤精確診斷和治療中的應用

近年來，本課題組在數字化外科技術輔助口腔頜面部腫瘤的診治及缺損修復重建方面進行了系統深入的研究，下面將主要研究結果進行總結介紹。

三維重建和三維標記技術是數字化技術應用的基礎，是實現口腔頜面部腫瘤精確診斷的重要方法。本課題組采用三維重建和三維標記技術對靠近顱底、咽旁區域，緊鄰頸內動靜脈等重要血管神經的面側深區腫瘤進行輔助手術[31]。研究共納入10例病例，結果顯示，用iPlan CMF軟件三維重建增強CT影像有助于顯示位置深在的口腔頜面部腫瘤的特征并判斷其與周圍重要解剖結構的關系，從而輔助制定手術方案，提高手術安全性，減少術后并發癥。

此外，本課題組采用三維標記技術輔助治療17例上頜骨惡性腫瘤患者[32]。結果顯示，所有患者術前標記的腫瘤范圍與手術中實際所見一致。16例(94.1%)患者術中切緣陰性，13例(76.5%)患者術后無復發，治療效果滿意。研究結果表明，術前對上頜骨腫瘤進行三維標記，并根據腫瘤的三維位置和范圍進行手術設計，術中利用導航輔助手術，可以使上頜骨惡性腫瘤達到精確切除的目的。與傳統手術方法相比，該方法可提高治療的準確性和可靠性。

近年來，本課題組對多模態影像融合技術在口腔頜面部腫瘤診斷中的應用進行研究，分析了不同影像融合方法之間的精度差異[33]。分別使用自動融合、手動融合與基于配準點的融合三種融合方法進行多模態影像融合，評估不同融合方法的精度。改良的精度評估方法包括全局融合精度和腫瘤靶區融合精度。結果表明，三種融合方法的腫瘤靶區融合精度無顯著差異，但自動融合與基于配準點的融合較手動融合有著更好的全局融合精度，因此臨床中更推薦應用自動融合與基于配準點的融合方法。

隨著全息影像技術的發展，MR技術逐步開展應用于口腔頜面外科手術中。本課題組對MR技術在口腔頜面部腫瘤手術中的應用進行了探索研究。目前已完成8例口腔頜面部腫瘤患者的MR輔助手術。術者在所有病例的手術中均能通過MR眼鏡裝置直觀、立體地觀看腫物以及周圍解剖結構的三維重建模型，并可在術中自行調整圖像。結果顯示，MR技術能通過三維重建模型實時立體可視化，提供術區解剖結構信息，引導和修正手術操作，提高口腔頜面部腫瘤切除手術的準確性和安全性。

3 數字化技術在面中部缺損重建中的應用

上頜-眶-顴復合體是面中部的骨性支撐，對維持面部外形和語音、吞咽、咀嚼功能和眼球功能等起著重要作用。目前，臨床上多采用游離骨組織瓣(腓骨瓣/髂骨瓣)修復上頜骨牙槽突部分缺損，而個性化鈦網是修復眶-顴復合體缺損的主流方法。隨著數字化技術的發展，面中部大型缺損的個性化修復成為了可能。本課題組在此方面進行了系統深入研究，總結如下。

本課題組采用病例對照研究的方法，比較了采用數字化外科技術輔助游離腓骨瓣重建上頜骨缺損的精度和修復效果[34]。結果表明，在游離腓骨瓣重建上頜骨手術中，采用數字化技術有利于對腓骨三維位置進行精確定位。對于數字化設計組患者，采用色譜分析法比較術后修復效果與術前設計方案的誤差，結果顯示，術后腓骨位置與術前設計方案平均偏差小于5 mm。研究結果表明，數字化外科技術顯著提高了游離腓骨瓣修復上頜骨缺損的精度和臨床效果。

本課題組采用數字化技術輔助個性化鈦網修復上頜骨切除術后的眶底缺損[35]。結果顯示，導航引導鈦網植入可以提高手術的安全性和精確性；患側與健側的平均眼球突度、眶容積均無顯著性差異，術后隨訪中無復視、眼球運動障礙、鈦網外露、感染等癥狀，提示三維個性化鈦網能很好地維持眼球位置與功能。VAS評分顯示患者對術后外形均較滿意。研究結果表明，三維個性化鈦網是一種修復上頜骨切除導致的眼眶缺損的可靠方法，顯著提高了腫瘤切除后眶區缺損修復的臨床治療效果。

本課題組還對面中部腫瘤切除術后遺留的大型上頜-眶-顴復合體缺損的修復進行了研究[36]。采用游離組織瓣結合個性化鈦網修復上頜-眶-顴復合體缺損。結果顯示，術后雙側顴骨突度無顯著性差異，所有患者均對術后外形滿意。1例患者術后放療后出現鈦網外露，其他患者均無明顯并發癥。研究結果表明，三維個性化鈦網結合游離組織瓣技術是修復腫瘤切除術后顴骨復合體缺損的可靠方法，具有良好的臨床治療效果。

4 數字化技術在下頜骨腫瘤切除與缺損重建中的應用

下頜骨是面下1/3主要的骨性支架，由于腫瘤切除引起的下頜骨缺損，不僅影響患者的外形與美觀，還造成咀嚼、吞咽及言語等生理功能障礙，嚴重影響患者的生活質量。目前，游離骨組織瓣移植是修復下頜骨缺損的重要方法，骨組織瓣主要包括腓骨瓣和髂骨瓣。為實現下頜骨的個性化及精確化重建，數字化外科技術發揮著越來越重要的作用。本課題組對數字化技術輔助下頜骨缺損的個性化重建也進行了系統研究，總結如下。

本課題組采用回顧性研究的方法，評價數字化外科技術在下頜骨缺損修復重建中的應用效果[24]。共納入29例下頜骨良性腫瘤患者為研究對象，采用游離腓骨瓣修復半側下頜骨缺損，分為三組：傳統手術組、數字化設計組及導航手術組。基于患者術前術后的CT數據，比較分析術前及術后髁突位置、下頜角點位置偏移情況以及下頜角角度的變化。結果顯示，數字化設計組和導航手術組在重建髁突位置的精確性方面顯著優于傳統手術組，數字化設計組和手術導航組之間無顯著性差異；導航手術組在恢復下頜角點位置的精確性方面顯著優于傳統手術組和數字化設計組。研究結果表明，數字化外科技術在下頜骨缺損重建中，有利于維持髁突、下頜角等重要解剖結構的位置，顯著提高游離腓骨瓣修復下頜骨缺損的精度，從而提高游離腓骨瓣功能性重建下頜骨缺損的臨床治療效果。

本課題組提出了應用數字化外科技術與個性化重建鈦板，結合游離髂骨瓣精確修復下頜骨缺損的新方法[37-38]。基于3D打印重建后的下頜骨模型，預彎制個性化重建鈦板；并將帶有重建鈦板的三維模型再次進行CT掃描，獲得重建鈦板的三維位置數據；手術中采用導航技術引導下頜骨腫瘤切除，并精確引導重建鈦板的就位與固定，采用手術導航系統驗證手術精度。結果顯示，數字化設計和導航輔助手術能有效控制患者的髁突位置并修復對稱的下頜骨形態；并使患者術后獲得更高的義齒修復率和更好的修復效果。VAS評分系統顯示，數字化設計組患者術后外形滿意度明顯優于傳統經驗組。兩組患者均未出現明顯的術后并發癥。以上結果表明，數字化外科技術結合個性化重建鈦板，可以提高下頜骨缺損修復的精確性以及穩定性，降低手術操作難度，顯著提高游離髂骨瓣修復下頜骨缺損的臨床治療效果。

5 總結與展望

隨著“精準醫療”理念的提出與發展，口腔頜面部腫瘤的精確診療和口腔頜面部缺損的精確重建是現代口腔頜面部腫瘤外科治療的新目標。近年來，以計算機輔助設計、3D打印、手術導航等技術為代表的數字化外科技術的發展與應用，顯著提高了口腔頜面部腫瘤診治及缺損修復的臨床治療效果，提高了患者的術后生存質量。數字化外科技術仍在不斷發展中，以AR、MR技術為代表的數字影像技術，以及手術機器人的開發與應用，將是未來一段時間內的研究熱點與方向，有望將口腔頜面部腫瘤的診治水平提升至新的高度。