虛擬技術(shù)在牙頜面畸形治療中的應(yīng)用

劉慶成　李洪亮　王敏嬌　王旭東　沈國(guó)芳　張?jiān)娎住∮诤椴?/p>

牙頜面畸形，是由于牙頜面結(jié)構(gòu)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(guò)程十分復(fù)雜，需要正頜正畸聯(lián)合治療。在傳統(tǒng)正頜手術(shù)過(guò)程中，需要先通過(guò)模型外科獲得手術(shù)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(yīng)用十分廣泛，但仍有許多缺點(diǎn)，比如用時(shí)較長(zhǎng)而精確度較低[1-2]。同時(shí)，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(shù)中頜骨的移動(dòng)需要進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，然而傳統(tǒng)模型外科只能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)牙齒咬牙合，并不能直接反映出頜骨的移動(dòng)。尤其對(duì)于面部不對(duì)稱(chēng)畸形患者而言，利用傳統(tǒng)模型外科無(wú)法模擬預(yù)測(cè)頜骨的對(duì)稱(chēng)性[3-4]。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，虛擬技術(shù)為正頜手術(shù)提供了一個(gè)理想選擇。利用此技術(shù)，可以通過(guò)數(shù)字化模型進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)及手術(shù)模擬，通過(guò)不斷嘗試和修改，可獲得最佳的個(gè)體化治療方案，并在此基礎(chǔ)上利用3D打印技術(shù)打印出牙合板及手術(shù)導(dǎo)板[5-6]。2014年來(lái)，我科開(kāi)始探索虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)字化模型外科。至今已有超過(guò)1 500例將虛擬模型外科應(yīng)用于正頜手術(shù)的病例。現(xiàn)詳細(xì)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(shù)前所有患者進(jìn)行薄層（0.625 mm）螺旋CT掃描，將CT數(shù)據(jù)存為Dicom格式并導(dǎo)入Proplan軟件（版本1.4，Materialise，比利時(shí)），然后設(shè)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(guān)注區(qū)域定點(diǎn),并利用布爾運(yùn)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(guó)）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(dǎo)出為STL格式。采用圖像融合技術(shù)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(gè)顯著牙齒解剖位點(diǎn)，以此為基準(zhǔn)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(zhǔn)確代表頜骨和牙齒咬牙合的解剖結(jié)構(gòu)（圖2）。

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

1.3　虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)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(biāo)志點(diǎn)，描點(diǎn)結(jié)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(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成。要注意在確定正中矢狀面時(shí)，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(diǎn)和耳上點(diǎn)來(lái)調(diào)整眶耳（FH）平面，以獲得準(zhǔn)確正中矢狀面。另外，在調(diào)整FH平面時(shí)，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(jìn)行模擬截骨手術(shù)，截骨手術(shù)包括上頜LeFortⅠ型截骨、雙側(cè)下頜支矢狀劈開(kāi)截骨術(shù)（BSSRO）、頦成型和面部輪廓修整，截骨時(shí)需注意避開(kāi)牙根、頦神經(jīng)。將終末咬牙合牙模數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)入軟件，并分別與截?cái)嗟纳舷骂M骨匹配，匹配方法同上，以此來(lái)確定終末咬牙合。根據(jù)患者的主訴、臨床檢查、二維頭影測(cè)量和三維頭影測(cè)量，確定上下頜骨復(fù)合體的移動(dòng)趨勢(shì)，以上下頜骨復(fù)合體的形式在3個(gè)維度上進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。平移包括左右移動(dòng)以糾正面中線，上下移動(dòng)調(diào)整垂直高度，前后移動(dòng)調(diào)整矢狀向位置；旋轉(zhuǎn)包括decanting（繞Y軸旋轉(zhuǎn)，側(cè)滾角），糾正上頜合平面偏斜；tipping（繞X軸旋轉(zhuǎn)，俯仰角），矯正上頜平面的傾斜角度；yaw（擺尾，繞Z軸旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角），糾正上下頜骨的對(duì)稱(chēng)性。上述平移和旋轉(zhuǎn)方法可根據(jù)病例情況作出調(diào)整（圖3）。平移旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，根據(jù)頦部位置、面部對(duì)稱(chēng)性以及患者主訴進(jìn)行評(píng)估，以確認(rèn)是否同期進(jìn)行頦成型和輪廓修整（圖4）。頦成型截骨時(shí)應(yīng)先描出下牙槽神經(jīng)，避免截骨時(shí)損傷。若需進(jìn)行輪廓修整，以正中矢狀面作為參照平面。將理想側(cè)的面部解剖結(jié)構(gòu)和輪廓線鏡像到對(duì)側(cè)，以此來(lái)確定截骨線的位置和去骨量。通過(guò)不斷嘗試和修正，以獲得最佳個(gè)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?cái)嗖糠忠許TL文件導(dǎo)出，并據(jù)此打印牙合板和導(dǎo)板。

圖3　虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的STL文件導(dǎo)入GenmagicSpark（Geomagic，美國(guó)）軟件，并進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，以此來(lái)進(jìn)行虛擬牙合板及導(dǎo)板設(shè)計(jì)，保存并導(dǎo)出為STL格式的牙合板及導(dǎo)板數(shù)據(jù)。牙合板及導(dǎo)板設(shè)計(jì)結(jié)束后，根據(jù)空間位置大小使用ClientManager軟件（3D system，美國(guó)）進(jìn)行合理布局排版，然后導(dǎo)入3D打印機(jī)（3D systems，美國(guó)）打印出牙合板及導(dǎo)板。

1.5　正頜手術(shù)

三維牙合板和導(dǎo)板術(shù)前消毒備用，術(shù)中需根據(jù)術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行截骨手術(shù)，在牙合板及導(dǎo)板的指引下確定各類(lèi)截骨線的位置以及術(shù)后頜骨位置，并仔細(xì)核對(duì)手術(shù)實(shí)際情況與手術(shù)方案的差異。

1.6　術(shù)后評(píng)估

通過(guò)臨床檢查和影像學(xué)檢查，評(píng)價(jià)手術(shù)效果。患者術(shù)后3 d進(jìn)行頭顱CT檢查，對(duì)患者術(shù)后結(jié)果與術(shù)前計(jì)劃進(jìn)行定量比較。需將術(shù)后CT重建出的三維模型與術(shù)前方案擬合，然后測(cè)量術(shù)后模型與術(shù)前虛擬方案的差異（圖5）。

圖5　手術(shù)精確度評(píng)估（黃色部分為術(shù)前手術(shù)方案，白色部分為術(shù)后CT）Fig.5　Evaluation of surgical accuracy(the yellow represents virtual surgical planning,the white represents post-operative CT)

2　結(jié)果

將三維CT重建模型和激光掃描牙列模型結(jié)合，通過(guò)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(zhǔn)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(yīng)患者真實(shí)狀況。在此數(shù)字化模型上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)、模擬以及術(shù)后預(yù)測(cè)，簡(jiǎn)單直觀，更有利于醫(yī)患雙方的溝通。

為達(dá)到面部對(duì)稱(chēng)的目的，利用正中矢狀面作為參照平面。將理想側(cè)的面部解剖結(jié)構(gòu)和輪廓線鏡像到對(duì)側(cè)，以此來(lái)確定患者術(shù)后面部對(duì)稱(chēng)性。尤其對(duì)于偏頜畸形的患者，若單純平移和旋轉(zhuǎn)無(wú)法達(dá)到面部對(duì)稱(chēng)，可在平移和旋轉(zhuǎn)后進(jìn)行頦成型和輪廓修整。通過(guò)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(dǎo)板。

正頜手術(shù)以及頜骨輪廓修整手術(shù)在牙合板及導(dǎo)板的指導(dǎo)下進(jìn)行，能夠最大程度地保障術(shù)前設(shè)計(jì)在術(shù)中的精確實(shí)現(xiàn)。將術(shù)后CT重建模型與術(shù)前設(shè)計(jì)圖像擬合，可以進(jìn)行手術(shù)精確度的評(píng)價(jià)。

3　討論

對(duì)于先天性或發(fā)育性牙頜面畸形患者而言，正頜手術(shù)是一種恢復(fù)患者面形和良好咬牙合關(guān)系的有效手段。在此過(guò)程中，模型外科不可或缺。通過(guò)模型外科，不但可以進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)模擬，同時(shí)還可以獲得手術(shù)導(dǎo)板來(lái)指導(dǎo)手術(shù)。然而，傳統(tǒng)模型外科有其內(nèi)在缺陷，對(duì)整個(gè)顱頜面骨的旋轉(zhuǎn)和平移等移動(dòng)控制不足，導(dǎo)致了手術(shù)模擬不夠精確[7-9]。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于三維醫(yī)學(xué)圖像和建模技術(shù)的虛擬技術(shù)，為頜面部畸形患者提供了一個(gè)新的手術(shù)方案設(shè)計(jì)和模擬方法[10]。

在正頜正畸聯(lián)合治療過(guò)程中，頜面部軟組織、骨組織和牙列三者可視為一個(gè)聯(lián)合體，在正畸治療和正頜手術(shù)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(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[11]，對(duì)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(duì)成像存在干擾，無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)牙齒結(jié)構(gòu)和咬牙合狀態(tài)，不能達(dá)到牙合板及導(dǎo)板打印的精確度要求。為了克服這些問(wèn)題，在三維重建中引入了一種圖像擬合技術(shù)，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(jìn)行三維頭影測(cè)量、虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬和術(shù)后效果預(yù)測(cè)。同時(shí)，還可以3D打印牙合板及手術(shù)導(dǎo)板。

在手術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，準(zhǔn)確的三維頭影測(cè)量是至關(guān)重要的，這就要求解剖標(biāo)志點(diǎn)準(zhǔn)確定位。為保證患者面部對(duì)稱(chēng)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(cè)眶下點(diǎn)與雙側(cè)耳上點(diǎn)，使上下牙列中線位置和正中矢狀面位置關(guān)系與臨床檢查一致。同時(shí)，需確保上頜合平面偏斜程度與臨床檢查一致。對(duì)于偏頜畸形的患者，利用正中矢狀面作為參照平面評(píng)估患者術(shù)后對(duì)稱(chēng)性，需根據(jù)不對(duì)稱(chēng)的程度以及患者要求決定是否進(jìn)行同期頦成型和輪廓修整。

虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，利用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行虛擬手術(shù)模擬，可直接觀察到截骨線位置和骨結(jié)構(gòu)移動(dòng)情況[13-15]。第二，通過(guò)虛擬手術(shù)可以獲得更多重要信息，有效預(yù)測(cè)患者術(shù)后面部對(duì)稱(chēng)性，并可確定是否需同期進(jìn)行頦成型和輪廓修整手術(shù)。第三，手術(shù)模擬十分逼真、直觀，有利于術(shù)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(shí)少且易于調(diào)節(jié)，可進(jìn)行多次手術(shù)模擬以選出最佳手術(shù)方案。

但是，目前的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)仍存在許多缺點(diǎn)和不足，比如手術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)牙齒之間的早接觸，使得手術(shù)中導(dǎo)板安置困難或?qū)О宀环€(wěn)定。因此，今后需要在顱頜面-牙列虛擬模型中加入觸覺(jué)反饋。此外，三維CT模型與激光掃描牙齒模型圖像擬合過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)誤差而影響手術(shù)精確度。在復(fù)雜病例中，由于實(shí)際操作空間有限等原因，不能完全按照虛擬手術(shù)方案進(jìn)行，從而影響手術(shù)精確度。

綜上所述，虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)作為一種新興的、具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)，標(biāo)志著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要發(fā)展方向。由于其優(yōu)勢(shì)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(yīng)用潛力。

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