數字化時代的正頜手術概況

劉建華 黃佳夢 林軍 林軼 李娟

劉建華，現任浙江大學醫學院附屬第一醫院口腔醫療中心主任，口腔頜面外科(國家臨床重點專科)主任；浙江大學《口腔科學》教學委員會主任/責任教授；博士生導師；浙江省口腔醫師協會副會長；浙江省口腔頜面外科專業委員會主任委員；中國腫瘤防治聯盟（UCOM）口腔腫瘤專業委員會浙江省主任委員。兼任《BioMed Research International》《Jacobs Journal of Surgery》等國際雜志編委；作為主要完成人獲得省部級科技進步二、三等獎8項；獲國家專利2項；先后發表論文100余篇，部分在 《J Oral Maxillofac Surg》《Int J Oral Maxillofac Surg》《British J of Oral and Maxillofacial Surg》等國際知名期刊發表；作為主編編寫《唇鼻整形美容手術圖譜》（人民衛生出版社）；具有30多年口腔頜面外科各類手術臨床經驗。

傳統正頜手術的治療設計是在X線頭影測量分析的基礎上，獲取患者牙列石膏模型及咬合記錄，轉移面弓上牙合架進行模型外科分析，設計頜骨運動的方向和范圍，最后制作手術牙合板。然而，這種方法在真實骨骼運動的精確模擬，以及復雜三維頜面部結構的表達和分析（如標志點識別和解剖結構重疊）等方面存在局限性。隨著數字化成像技術和計算機軟件的發展，計算機輔助正頜手術系統（CAOS）已越來越多地被應用于正頜手術中的診斷和治療設計[1-3]。應用專業的軟件（如Dolphin Imaging）可以整合CT圖像數據和三維激光表面掃描數據，重建顱面骨骼、軟組織、上下牙列模型的三維影像，精確呈現復雜的三維結構和位置關系，并在此基礎上制定手術計劃，模擬手術過程以及預測手術效果。本文對筆者團隊近幾年來數字化正頜手術的概況進行總結，包括三維成像及手術設計、手術模擬、3D打印和手術導航系統，以期為其臨床實際應用的推廣提供參考。

1 三維成像在正頜手術術前設計中的應用

基于錐形束CT（CBCT）的3D成像技術相較于2D成像能提供更準確的解剖結構顯示，有助于臨床醫師進行正頜手術的診斷、治療設計和治療結果評估。

CBCT是一種容積式圖像采集技術，可獲得高質量的三維重建模型，與傳統的CT成像相比，輻射劑量更低，掃描時間更短，成本更低，它已被廣泛用于正頜手術中的牙頜面成像[4]。

在CBCT掃描重建中，面部形態無顏色和紋理，我們可以通過兩類立體表面成像系統（即三維攝影和激光表面掃描）獲得面部表面的紋理和顏色信息，然后建立面部表面和三維重建骨骼相結合的虛擬模型，以實現自然逼真的軟組織模擬和測定[5-6]。此外，CBCT在牙齒的精確識別上存在不足，隨著3D激光牙頜模型掃描儀、口內掃描儀等儀器的出現，我們能夠獲得精確的牙齒表面數據，對咬合關系的重建更加精準。許多研究已經報道了CBCT骨模型和數字牙模型的整合方法，能夠同時呈現三維骨骼結構、牙齒和咬合[7-8]。

2 模擬手術

Dolphin Imaging是一款應用于正畸正頜領域的診斷、設計軟件，它有多種功能，如整合多源性的三維圖像數據，三維頭影測量分析，識別和描繪特定的解剖結構并進行圖像分割，模擬正頜手術以及預測軟組織的變化等。結合臨床檢查、三維頭影測量分析以及數字化模型的研究，能夠對頜面部畸形進行正確的診斷[9]，并形成一個初步的治療計劃。外科醫生根據初步治療計劃在Dolphin Imaging軟件中對顱骨-牙齒復合體模型執行特定的虛擬手術[1，10]。在模擬過程中，不僅可以實現精確量化截骨和截骨段的自由移動，還能夠進行測量數據的實時監測，便于調整截骨段使其移動至最佳位置[11]，并且可以更加真實地描繪軟組織的變化[12]。此外，醫生可以使用3D模型向患者展示制定的手術方案，以便于患者更好地理解。目前用于正頜模擬手術的其它常用軟件還包括Mimics、Sim-Plant OMS和Maxilim。

病例1（圖1）：患者男，35歲。因“阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征”至本中心就診。運用Dolphin Imaging軟件三維成像，進行三維頭影測量分析，診斷為“上頜前突、下頜后縮”。手術方案擬行“上頜骨LefortⅠ型截骨術+雙側下頜升支截骨術+頦成形術”，在Dolphin Imaging中進行模擬手術，并預測軟組織的變化。術后患者氣道狹窄問題得到糾正，面型明顯改善。

3 3D打印技術在正頜手術中的應用

3D打印技術是一種以數字模型為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。隨著計算機輔助設計和計算機輔助制造（CAD/CAM）的快速發展，3D打印模型、手術牙合板、個性化截骨導板和再定位導板等逐漸應用于正頜手術中[13]，有助于診斷和分析問題，節省制作時間，提高手術精確度，促進了手術效果的可預見性[1，14-15]。

傳統的正頜手術是以模型外科為基礎，用自凝塑料制作手術牙合板，不僅工作量大，而且存在較大誤差。使用3D打印技術制作的數字化牙合板較傳統牙合板精確很多，其可靠性和準確性已經得到了大量研究的驗證[16-18]。完成手術模擬后，根據中間和終末牙齒位置，在計算機輔助設計軟件中進行牙合板的數字化設計，然后在快速成型機中制造出來（圖2），大大提高了牙合板的精確度及制作效率，有利于手術計劃的準確實現。

此外，復雜的截骨操作也可以在個性化截骨導板的引導下進行，并用再定位導板輔助骨塊定位，使其移動至理想位置上。許多研究評估并肯定了使用CAD/CAM再定位導板聯合截骨導板等能將模擬手術計劃有效并精確轉移至手術中[19-21]。此外還有多種改良的數字化定位方法，例Shehab等[22]提出了一種牙/骨支持式的牙合板設計來輔助上頜定位；Yamauchi、Gander、Kraeima等[23-25]報道了使用牙支持式CAD/CAM截骨導板及個性化鈦板，指示LefortⅠ截骨線及鈦板固定位置，快速準確定位上頜骨；Lee等[26]引入一個新的CAD/CAM鑰匙和鎖孔系統，能夠同時再定位上頜骨和下頜骨，不需要中間牙合板；Polley和Figueroas[27]介紹了一種以咬合為基礎的“正頜定位系統”。以上這些衍生的數字化定位方法，都實現了將術前虛擬設計準確轉移至術中實際，便于臨床操作。

圖1 病例1患者應用Dolphin Imaging軟件完成三維成像、正頜手術模擬及軟組織變化預測

圖2 3D打印手術牙合板

病例2（圖3）：患者女，25歲。正頜術后6個月，面型不對稱，右側下頜骨稍膨隆，要求二次修復。通過3D打印患者下頜骨模型，進行診斷并設計治療方案。同時，制作3D打印個性化截骨導板引導手術操作，達到手術計劃精確實現的目的。

圖3 病例2患者正頜手術（a：患者面型不對稱；b：3D打印模型研究示左右兩側下頜骨體部高度不一致；c、d：制作右下頜骨3D打印個性化截骨導板，引導術中截骨）

病例 3（圖 4）：患兒女，2 歲。因“腭裂、面部畸形”至本中心就診，通過臨床檢查結合3D打印頜骨模型分析，診斷為“Ⅱ度腭裂、頜骨發育不全”，于本中心行下頜骨牽張成骨術，再擇期行腭裂修整術。術前，在3D打印模型上設計截骨線及鈦板固定位置，制作個性化截骨導板及鈦板，提高了手術的精準度。術后1年復診，患者下頜骨生長情況良好，面型改善效果較為理想。

圖4 病例3患兒正頜手術（a、b：患兒治療前面型，上下頜骨嚴重發育不足；c、d、f：手術前，在3D打印模型上設計截骨線及鈦板固定位置，制作個性化截骨導板及鈦板；g、h：術后1年復診，患兒面型改善佳）

4 實時手術導航系統在正頜手術中的應用

實時手術導航系統是將經計算機處理的三維立體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，最大化地提供術區信息，屬于計算機增強現實技術。在數字化正頜外科中，實時導航系統擴展了手術醫生臨床操作中有限的視野范圍，使手術在更加直視、更加清晰的術野內完成。手術期間，根據術前導航計劃中制備的截骨點，可以安全地進行常規截骨術。同時，骨塊原始位置和新位置均會顯示在計算機屏幕上，可以觀察到探針和驗證點之間的距離，能夠實現準確定位，更加客觀、量化地反映治療過程[28-29]（圖5-6，見插頁）。該技術可以作為引導截骨，檢查骨移動，確定最終骨位置的權威性工具，有利于提高復雜雙頜手術的準確性，降低手術風險。常用導航系統包括 Instatrak、Stealth Station、Stryker Navigation System。

圖5 術中固定手術導航儀

圖6 利用手術導航系統進行左側上頜骨修整術（a：紅色區域為膨隆的上頜骨區域，藍色區域為正常區域，需要修整左側上頜骨以達到面型對稱的目的；b：根據藍色正常區域鏡像生成綠色區域，即確定了預期的治療結果）

5 討論

傳統的正頜手術設計基于二維X線影像和石膏模型，對骨塊移動以及術后軟組織預測的精確度不高，而正頜手術計劃對準確性要求較高，患者對外貌以及功能的需求往往高于其它類別的手術，較小的偏差都可能導致治療結果不理想，特別是對于面部嚴重畸形或不對稱的患者。采用CAOS系統，可以提高治療計劃的準確性和手術執行的精確性。

通過Dolphin Imaging軟件將三維虛擬模型與頭影測量分析結合在診斷和治療計劃中，可以協助臨床醫師對頜面結構進行綜合評估；同時，能在軟件中執行虛擬手術，并建立一個明確且客觀的矯正面部畸形的治療計劃，最終有利于改善患者的治療結果。手術過程中，應用截骨導板、再定位導板和實時手術導航系統等，有助于外科醫生在術中將骨塊準確地移動到預期理想位置，實現虛擬手術計劃的高精度轉移。

通常術后有兩種驗證虛擬設計轉移準確性的方法，即色差度量和描述性統計分析[30]。術后拍攝CBCT，以顱底為基準初始配準模擬和實際術后圖像，進行可視表面模型重疊，通過色度劃分比較虛擬手術圖像與術后結果之間的差異，也可以采用某些統計分析方法比較虛擬和實際術后圖像的各個測量參數之間是否存在統計學差異，對其準確性和可靠性進行更進一步的量化分析[31-32]。我中心近幾年開展數字化正頜外科的經驗結論證實了通過計算機輔助設計和制造技術，能夠實現虛擬手術計劃的準確轉移，誤差較小。

總而言之，數字化正頜手術已逐漸在臨床實踐中應用。它有助于在手術前通過問題分析和計劃設計來提高手術精確度，減小術中誤差，縮短手術時間，達到令人滿意的咬合及美觀效果。隨著相關軟件的進一步發展，未來的數字化設計操作將更簡單、結果更精確。