計算機輔助技術在顱頜面整形手術中的應用現狀

郭雅倩 綜述，陳 華 審校

計算機輔助技術在顱頜面整形手術中的應用現狀

郭雅倩 綜述，陳 華 審校

（內蒙古醫科大學附屬醫院整形美容燒傷科 內蒙古 呼和浩特 010050）

計算機技術及軟件技術近些年不斷發展，在醫學領域的應用十分廣泛，計算機輔助技術在整形外科的應用也逐步成熟，涉及到顱面部各器官的整形手術與傳統手術相比效果滿意，不僅給患者帶來了福音，也使整形外科醫生的治療理念及技術水平得到了很大改善，筆者就計算機輔助技術在整形手術中鼻、顴骨等顱面常見部位的應用現狀做一綜述，旨在為專業同行提供系統的文獻學習心得。

計算機；仿真模擬；顱面部；整形手術

計算機輔助三維重建是應用計算機圖形圖像處理，結合人體解剖學和影像學的方法在計算機上構建出人體真實結構三維立體解剖的一種方法[1]。而虛擬手術則是在三維重建的基礎上，模擬手術操作，引導手術進行的一種具有現代化元素的臨床手術應用。虛擬手術是在接近真實解剖形態的立體模型上實施，從不同角度、不同手術路徑上觀察分析，盡量做到使手術切口最小化，術后效果最優化[2]。

由于顱面畸形復雜多樣，解剖結構復雜，涉及顱頜面部的手術風險大、不易處理，一些經典手術難以獲得相對滿意的效果，所以可結合醫生經驗、畸形特點、手術風險及術后復發傾向選用靈活的人機交互進行手術的模擬、設計和研究以獲得醫患雙方都滿意的療效[3]。

1 計算機輔助技術的原理及起源

1.1 計算機輔助技術的原理：計算機輔助設計技術(CAD)和計算機輔助制作技術(CAM)是計算機輔助技術的基本組成。其原理是對患者頭顱或缺損部位進行二維掃描，將所得數據傳輸到該系統，通過一系列圖像或數據處理，最終將二維平面圖像轉化為三維空間立體圖像，三維數字化重建就此完成，然后根據三維圖像制作出缺損部位，繼之用三維精確測量法分析畸形性質及范圍[4]。三維重建的目的就是從獲取的各種數據中恢復頭顱的三維結構，得出定量化診斷，作為整復手術依據[5-8]。

1.2 計算機輔助技術的起源：1979年Herman[9]首先提出CT三維重建這一概念并測量各解剖數據，為臨床診斷、術前模擬提供了有效的解剖學知識；1983年Hermy[9]等人將CT三維重建技術用于顱和面部疾病的診斷；1984年Vannier和Marsh[10]創造性的將CT數據重構用于三維影像并進行測量和手術設計；2002年Runte應用激光掃描獲得面部三維圖像，后利用三維平板印刷制作眼距缺損的三維模型；Tsutsuimi[11]最早將激光三維技術用于頭面部缺損患者的治療。

2 計算機輔助技術在顱面部治療中的應用

2.1 在下頜骨整形中的應用：南昌大學第一附屬醫院[12]對9例單側下頜骨發育過度引起的雙側下頜骨不對稱的女性患者進行下頜骨整形，所有患者均接受CT頭顱掃描，數據以DICOM格式保存后輸入計算機，應用西門子16排螺旋CT的Wizar圖像處理工作站進行頭顱三維重建，在重建出的模型上進行術前設計，規劃，模擬手術路徑進行切割并反復調整與修復，確定截骨線，最終根據術前虛擬手術操作和術前CT測量數據對9例患者行截骨術。術中所有患者均未出現下頜骨骨折，神經損傷的現象，術后也沒有傷口血腫及裂開等并發癥，且所有患者恢復快，雙下頜骨對稱，與術前虛擬手術結果差異甚小。Yu[13]等人經試驗探索發現，應用計算機輔助導航系統糾正頜面外科畸形，不僅能提高手術準確性，減少操作風險，并且面部恢復勻稱美觀。

2.2 在顴骨降低術中的應用：北京協和醫院鄒翀博士[14]對21例顴骨不對稱患者（其中13例為發育型單側顴骨肥大，其他為半側顱面肥大）采用了計算機輔助單側顴骨截骨降低術。用飛利浦Brillancen納米64排128層CT進行術前掃描，掃描定位線定于眶耳平面以固定掃描位置，掃描時矚患者頭部保持位置固定，避免圖像模糊，以DICOM格式將CT斷層影像數據保存并導入Mimics15.0軟件中，采用默認骨組織CT閾值(226～3071)，進行顱骨結構的三維重建，同時測量各線距（額骨最小寬，面寬，前面寬，下頜角間寬，顴突距）角度指標，再用Mimics15.0軟件下的cut功能進行模擬截骨手術，完成模擬截骨手術后檢查各徑線是否與健側一致，雙側是否對稱，微調截骨線以期達到滿意的效果，再將帶有截骨線的三維模型以STL格式輸出，將STL導入Geomagie studio12.0中，根據顱和面三維結構與由各徑線測量值所定的截骨線設計手術導板，輸入激光快速成型機，得到三維立體手術導板，術前碘酒浸泡以備手術使用。所有手術均在全麻下進行，在骨膜下剝離完成后，將手術導板置入術區，按照手術導板設計標記L形顴骨截骨線，用長裂鉆從眶外后緣眶顴結合部進行斜形截骨，用磨球將截骨線兩側骨性臺階打磨光滑，清洗創面，加壓止血，全層間斷縫合黏膜切口。術中未出現意外骨折和顱面神經血管損傷。術后2周對所有患者復查CT，并將數據輸入Geomagie studio12.0軟件中，與術前模擬相比較，結果顯示，術后實際與術前設計模型配比和差值只有略微差異（小于2mm），所有患者對術后效果包括對稱性、美觀性及術后恢復狀態表示滿意。

2.3 在眶周畸形中的應用：上海交通大學附屬第九人民醫院整形外科[15]對106例復雜眶畸形患者（排除顱眶顴骨外傷患者）行眶周畸形矯正術，所有患者術前均接受顱面部CT掃描，將所得數據保存為DICOM3.0格式，再導入三維重建軟件Mimics10.1軟件獲得數字三維模型，術前模擬手術過程，切割模型獲得正常眶周部位，得到植入體形態后根據手術需要，切口限制加以必要的切割調整。以STL格式將設計好的植入體和骨骼數字模型保存，運用快速成型裝置（Z-printer510）打印成三維實體模型[16]，根據植入體的形態和位置選擇手術切口進行植入體放置及固定術，術后6個月，所有患者再次行CT掃面，所得數據及圖像與術前影像設計及術前模擬基本一致。所有患者表示外觀獲得了明顯改善。

2.4 在顱骨缺損修復中的應用：顱骨缺損多由開放性顱骨損傷、或因顱高壓去瓣減壓、顱面骨病變切除以及顱骨畸形等所致，這將嚴重影響患者的顱面美觀，也對患者產生了不良的心理影像。應用CAD和CAM技術，采用個性化三維塑形鈦網修補顱面部損傷，不僅縮短了手術時間，延續了骨組織的完整性，而且達到了很好的美容效果[17]。安徽醫科大學附屬醫院整形外科[18]從2003年到2010年應用計算機輔助技術設計個性化塑形鈦網進行顱面缺損修復，取得滿意的臨床效果；解放軍第三醫院[19]將109例顱骨缺損患者按照隨即分組分為A、B兩組。A組（60例患者，平均年齡34.8歲）采用傳統手工塑形，B組（49例患者，平均年齡33.78歲）采用數字化三維成型技術，分別進行手術。兩組患者在平均年齡、缺損大小，缺損時間上均具有可比性。手工塑形組術前依據顱骨缺損部位大小、形狀及缺損對側部位外觀，結合術者經驗，使用磨具壓制出適當弧度，裁剪鈦網。術中將鈦網覆蓋于缺損區，適當調整，使鈦網與顱骨契合滿意，最后用鈦釘固定。數字化三維塑形組，術前所有患者均行CT掃描骨窗，并測量出缺損部位的大小及各徑線，將測量值導入鈦網數字化成型機，構建顱骨的三維模型，完成模擬裝配，運用數字化成型技術制作鈦網模型，同時進行精細部位的手工測量，人工調節。最后將計算機模擬出來的鈦網進行工業加工，三維塑形。手術方式同手工塑形組。兩組患者術后均用抗生素48h，7～8d拆線。分析比較兩組不同，手工塑形組手術時間、手術并發癥及塑形滿意度分別為108min、22%、67%；而數字化三維塑形組為78min、4%、100%。因此得出數字化成型技術無論是在術前設計，術中操作，術后美觀和盡量減少并發癥方面均優于手工塑形組。

2.5 在鼻整形中的應用：第四軍醫大學Dong[20]等人，采用三維立體照相，收集了289例中國漢族年輕人（146名男性，143名女性）的面部圖像數據，用Geomagic Studio 10軟件對數據進行處理，使圖像在一個統一的坐標系統。其中收集了17例患者的鼻部測量結果，然后分別計算男性和女性鼻部各徑線的平均值，并結合快速成型技術制作三維模型，獲得了鼻部參數，建立了代表中國男性和女性鼻部形態的三維立體模型數據庫。制作出的鼻部模型，形態逼真，立體感強，分界清楚，結構清晰，這項針對鼻部的研究方法同樣也適用于身體其他部位的測量。Chaid[21]等通過二維掃描，再計算機三維成像，然后快速成型技術制作出不同性別，多個尺寸的標準頭顱模型，在模型上進行術前設計，規劃手術模擬，假體制作，模擬操作過程，最終對十二例因外傷造成鼻骨缺損的患者進行鼻部整形手術，術后3個月對所有患者行CT掃面，比較術前模擬與術后實際鼻部各形態及數據無明顯差異，且所有患者鼻部形態逼真，輪廓曲線光滑，患者滿意度高。

2.6 在小耳畸形中的應用：內蒙古醫科大學附屬醫院陳華主任收集本科室從2000年-2005年臨床上先天性或后天性因素導致的小耳畸形患者86例(男女比例不等)，行HRCT掃描,層厚0.75mm，層隔0.5mm。將獲取的 DICOM格式數據輸入三維重建軟件3D DOCOTOR,經圖像分割后,利用表面重建算法重建出顳骨的三維結構，同時進行了19項指標的測量，然后在3D虛擬環境下,復制畸形耳的模型;進而研究小耳畸形虛擬整復手術的方法，最終所有患者均得到滿意術后效果。在3D虛擬環境中,能清晰地觀察到形態逼真、立體感強的耳三維立體圖像,能較好的反映耳廓立體空間中眾多復雜結構的外形,且重建的結構空間毗鄰及定位準確,。同時軟件可以把患者面部皮膚質地清楚的顯示在重建的三維立體模型之中,該模型可以在計算機中旋轉和放大, 并且可以進行精細地三維測量，其所建的面部軟組織精度可限制在0.5mm以內,從而為小耳畸形的整形修復提供精確的術前設計和術后效果評價。得出結論：耳廓的形態個體差異較大，但自身比例接近，整形時應考慮自身比例。基于力反饋的技術，進行小耳畸形整形修復的手術模擬，使現實與計算機上的實時立體三維模型相結合，具有人機交互，可重復性，無損傷性，操作準確等特點。

3 總結

科技的發展、計算機的普及，使計算機輔助技術在臨床診斷治療中的應用將成為必然。將計算機三維重建及仿真技術用于顱面部缺損整形修復不僅縮短了手術時間，降低了操作的難度，提高了手術的精確度、安全性[22]，減少術中損傷，還可提高手術成功率，減少術后并發癥，使塑形滿意外觀對稱，達到顱面生理形態的美學要求[23]。計算機三維仿真技術在鼻部整形，眶周缺損整形、顴骨降低整形及下頜骨整形中均充分發揮了創傷小，愈合快，并發癥少的優點，通過計算機輔助系統建立顱面三維模型，模擬真實手術，有助于手術方案的選擇，手術前的規劃，同時在術前也促進醫患之間達成良好的共識，最終達到預期手術效果。

4 展望

計算機三維重建及仿真技術是一項先進性、綜合性很強的技術，這項技術越來越被臨床醫生及患者所接受，不僅強化了年輕醫生在臨床操作中的規范意識，模擬手術真實過程，夯實操作基本功，培養醫生開拓性思維，而且還為患者提供了個性化的設計方案，為器官再造提供了更加準確的指導，增加了患者的信任度，同時也為良好的醫患關系創造了條件，這就說明計算機輔助技術在臨床推廣應用將成為一個必然趨勢，但這項技術目前仍有較大的研究發展空間，主要有以下幾個方面。

4.1 國內設備：計算機產業在中國的發展本不算先進，因此在計算機輔助設備上國內的PC系統遠遠落后于國外。為適應我國現有發展條件，有必要開發基于微機的顱面外科計算機輔助手術系統，這也將為未來在虛擬現實環境中培訓外科醫師以及遠程會診奠定基礎。

4.2 術前仿真模擬與真實手術效果的差距：計算機輔助仿真技術很大程度上降低了手術風險及手術難度，使手術靈活，易于操作，但其也存在一些不可避免的問題，如術前模擬仿真手術達到的效果與手術完成后相比存在外觀形態上的差異，這使得手術效果不盡如人意，增加了患者的心理及經濟負擔。

4.3 骨組織切割移位對軟組織的影響：與骨組織相比，軟組織的模擬較為復雜，除了要考慮骨組織的移動量和移動方向外，還需要考慮軟組織厚度，軟組織表面張力，軟組織與骨的聯接以及手術相鄰區域等問題，這些因素都將使術前預測與術后實際效果相比出現不可預知的差異[24]。

4.4 國內缺乏顱頜面正常解剖結構的數據庫：目前國內在實施計算機仿真手術前為了獲取正常標準解剖部位模型，往往要先搜集幾十甚至幾百例結構正常、形態美觀的志愿者的二維或三維圖像，這大大增加了醫務人員的工作量，而且也摻雜了術者的主觀因素，因此，建立一個符合東方經典美學標準的頭顱及面部數據庫是確保整形效果質量的重要因素之一[25]。

4.5 計算機輔助技術規范化培訓：對醫務工作者進行計算機輔助技術知識的普及以及規范化培訓是提升我國計算機醫療的必備條件。

[1]裴國獻,張元智.數字骨科學:一門骨科學新分支的萌生[J].中華創傷骨科雜志,2007,9(7):601-604

[2]陳華,李世榮.計算機醫學手術仿真技術在整形外科領域中的應用[J].中國美容醫學,2006,15(5):600-602.

[3]楊斌,黃洪章,李晶,等.顱頜面整形手術仿真模擬的研究[J].中山大學學報(醫學科學版),2000,21(S1):87-91.

[4]陳勇,周正炎.計算機輔助技術重建顱頜面骨缺損的應用及展望[J].國際口腔醫學雜志,2003,30(6):481-483.

[5]Hsiu-Hsia Lin,Lun-Jou Lo.Three-dimensional computerassisted surgical simulation and intraoperative navigation in orthognathic surgery: A literature review[J].J Formos Med Assoc,2015,114(4):300-307.

[6]Narra N,Valásek J,Hannula M,et al.Finite element analysis of customized reconstruction plates for mandibular continuity defect therapy[J].J Biomech, 2014,47(1):264-268.

[7]]Mazzoni S,Marchetti C,Sgarzani R,et al.Prosthetically guided maxillofacial surgery: evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom- made boneplate in oncology patients after mandibular reconstruction[J].Plast Reconstr Surg,2013,131(6):1376-1385.

[8]Ciocca L,Mazzoni S,Fantini M,et al.CAD/CAM guided secondary mandibular reconstruction of a discontinuity defect after ablative cancer surgery[J].J Craniomaxillofac Surg,2012,40(8):e511-515.

[9]Yang B,Shen W,Hong QQ,et al.Three- dimensional visualized diagnositics and reconstructive operation of traumatic cianio-orbital deform ities[J].Chin J Aesthet Med,2007,16(4):479-482

[10]Vannier M W,Mash J L,Warren J O.Three-dimensional CT reconstruction images for craniofacial surgical planning and evaluation[J].Radiology,1984,150(1):179.

[11]Chen LH,Tsutsumi S,Iizuka TA.CAD/CAM techniquer for fabricating facial prostheses : a preliminary report[J].Int J Prosthodont,1997,10(5):467-472.

[12]程立新,朱慧茹,周著祖.螺旋CT三維重建技術在下頜骨畸形整形中的應用研究[J].中國醫療美容,2014(1):21-22.

[13]Yu H,Shen SG,Wang X,et al.The indication and application of computer-assisted navigation in oral and maxillofacial surgerydShanghai’s experience based on 104 cases[J].J Craniomaxillofac Surg,2013,41(8):770-774.

[14]鄒翀.數字化技術在“L型”顴骨降低術的分析及應用研究[D].北京協和醫學院中國醫學科學院 北京協和醫學院 清華大學醫學部 中國醫學科學院,2015.

[15]俞哲元,曹德君,柴崗,等.計算機輔助設計定制化植入體在復雜眶周畸形治療中的應用[J].組織工程與重建外科,2014,10(1):22-25.

[16]Su R,Campbell GM,Boyd SK.Establishment of an architecturespecific experimental validation approach for finite element modeling of bone by rapid prototyping and high resolution computed tomography[J].Med Eng Phys,2007,29(4):480-490.

[17]Nakayama B,Hasegawa Y,Hyodo I,et a1.Reconstruction Using a three-dimensional orbitozygomatic skeletal model of titanium mesh plate and soft-tissue free flap transfer following total maxillectomy[J].Plast Reconstr Surg,2004,114(3):631-639.

[18]卓雷,汪春蘭,趙宇,等.計算機輔助技術在顱面骨缺損整形修復中的應用[J].中國美容醫學,2013,22(1):93-95.

[19]彭雅濱,毛小林,王曉峰,等.數字化三維重建鈦網在大面積顱骨缺損修補中的應用[J]. 中國組織工程研究,2010,14(26):4760-4763.

[20]Dong Y,Zhao Y,Bai S,et al.Three-dimensional anthropometric analysis of the Chinese nose[J].J Plast Reconstr Aesthet Surg,2010,63(11):1832-1834.

[21]Chai G,Zhang Y,Ma X,et al.Reconstruction of fron-orbital and nasal defects with compound epoxied madeic acrylate/hydroxyapatite implant prefabricated with a computer design program[J].Comput Methods Program Biomed,2011,104:472-479.

[22]Zhou LB,Shang HT,He LS,et al.Accurate reconstruction of discontinuous mandible using a revere engineering/computeraided design/rapid prototyping technique: a preliminary clinical study[J].J Oral Maxillofac Surg,2010,68(9):2115-2121.

[23]王成燾.硬組織外科臨床數字技術系統研究[J].中國骨科臨床與基礎研究雜志,2010,2(2):87-91.

[24]Becker OE,Avelar RL,et al.Soft and hard tissue changes in skeletal Class III patients treated with double-jaw orthognathic surgerymaxillary advancement and mandibular setback[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2014,43(2):204-212.

[25]何顏秋,陳華.快速成型結合3D打印技術在顱頜面畸形整形修復中的應用[J].中國美容醫學,2015,24(13):80-83.

Application of Computer Aided Technology in Craniofacial Plastic Surgery

GUO Ya-qian, CHEN Hua
(Department of Plastic and Cosmetic Surgery,the First Hospital of Inner Mongolia Medical University,Hohhot 010050,Inner Mongolia,China)

In recent years Computer technology and software technology have developed and are used in the f i eld of medicine widely. The application of computer aided technology is also popularized in plastic surgery gradually, the plastic surgery of the various craniofacial organs involved in computer aided technology has obtained satisfactory effect compared with traditional surgery, which not only brought good news to patients, but also made plastic surgeons’s treatment concept and technical level a great improvement. The author makes a summary on the application of computer aided technology in plastic surgery of the nose, cheekbones and other common craniofacial parts, aiming at providing experience of a systematic literature learning for professional counterparts.

computer;simulation technique;craniofacial;plastic operation

R622

A

1008-6455（2017）05-0119-04

2017-01-21

2017-04-03

編輯/張惠娟

國家自然科學基金（項目編號：81560317），蒙古族成人顱頜面骨、軟組織三維形態與容貌的關系；內蒙古自治區自然科學基金面上項目（項目編號：2015MS(LH)0814），顱頜面畸形個性化修復的三維動態建模和仿真研究

陳華，內蒙古醫科大學附屬醫院整形美容燒傷科，科主任，主任醫師，醫學博士，碩士研究生導師；E-mail:wi116699@sina.com