計算機輔助技術在顱頜面部整形中應用的研究進展

白文博 陳華

[關鍵詞]計算機輔助技術;顱頜面部;整形手術;3D打印

[中圖分類號]R622? ? [文獻標志碼]A? ? [文獻標志碼]1008-6455（2021）11-0182-04

Research Progress in Application of Computer Aided Technology in Cranial and Maxillofacial Plastic Surgery

BAI Wen-bo1， CHEN Hua2

（1. Inner Mongolia Medical University， Hohhot 010050， Inner Mongolia，China;2.Department of Plastic Surgery and Aesthetic Burns， Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Inner Mongolia， Hohhot 010050， China）

Abstract： With the continuous development of science and technology， doctors continue to innovate and explore the treatment scheme of craniofacial plastic surgery with the combination of computer-assisted surgery （computer-aided surgery，CAS） and traditional medical technology. A variety of digital auxiliary technologies are also widely used in the treatment of cranio-maxillofacial deformities. The author summarizes several commonly used computer-assisted surgical techniques， and introduces the new research results of these techniques in craniofacial surgery in recent years. Such as EasyImplant software system; An integrated tactile VR system named "OSSys"，using computer-aided technology to design and manufacture pre-bending titanium plate cutting drilling guide to correct bony III class malocclusion; combined with 3D printing and tissue engineering technology to make a new type of nasal cartilage implant in rhinoplasty. It not only improves the treatment level and concept of doctors， but also brings good news to patients.

Key words： computer-aided surgery; craniomaxillofacial; plastic surgery; 3D printing

現代顱頜面外科的創立應歸功于法國外科醫生Paul Tessier，20世紀60年代，通過與神經外科醫生及眼科醫生的密切合作，Paul在1964年首次經顱內路徑，成功治療了1例先天性眶距增寬癥[1-2]。由于顱頜面感官分布密集，具有美學地位，解剖結構復雜，產生的畸形也復雜多樣。因此，顱頜面外科手術難度高、危險性大，既要做到保證安全、恢復功能，又要高度注重形態的完美，所以通過手術完全恢復顱頜面組織結構功能，極具挑戰性[3-4]。計算機輔助手術在本世紀初應用于頭頸外科，改變了頭頸部重建和下頜重建的概念。它可以提前規劃和執行模擬手術，從而減少傳統手術過程中的反復雕琢，提高手術精度，并縮短手術時間。CAS技術包括計算機輔助設計（Computer-aided design，CAD）、計算機輔助制造（Computer-aided manufacturing，CAM）、虛擬現實（Virtual reality，VR）、手術仿真（Surgical simulation）和3D打印（3D printing）等[5]。本文就近年來計算機輔助技術在顱頜面外科中最新的研究進展做一介紹。

1? 計算機輔助技術

1.1 CAD/CAM技術：CAD是使用計算機系統創建、修改、分析或優化設計的過程，CAM是使用計算機系統計劃、管理或控制制造的過程[6]。隨著CAD/CAM技術的發展，通過更精確的手術和更短的手術時間，修復顱頜面部缺損、改善外觀和功能的病例越來越多[7]。外科醫生可以使用軟件精確地準備術前計劃、進行虛擬切除、規劃截骨并設計重建或創建植入物等[8]。設計顱頜面缺損重建的方法包括使用術前數據打印術前模型，虛擬手術后打印模板，使用虛擬手術后鏡像打印重建數據模型，并使用鏡像重建后直接獲取的相關數據來制造PSI。有些學者認為，數字技術既耗時又耗資。但術前應用CAD/CAM技術耗費的時間和資金成本可被手術時間、術后并發癥、平均住院日等成本的降低而抵消，且手術規劃更精確，植入物安裝更精準，美學結果更確切。同時CAD/CAM技術在修復大型和復雜的幾何解剖缺損、自體骨移植等問題上有顯著優勢[9-10]。

1.2 手術仿真技術和虛擬現實技術：手術仿真是計算機結合虛擬現實技術，來模擬一系列臨床外科手術操作的方法，用以演示和指導與手術相關的各個過程。手術仿真技術在時間上涵蓋了圍手術期的各個階段，包括術前手術計劃的制定、術中導航和術后虛擬康復訓練等，并在手術教學及手術仿真訓練中有著廣泛應用[11]。

虛擬現實是一門創造虛擬環境的藝術和科學。它為疾病診斷、手術規劃和外科訓練提供一個標準化、安全且靈活的平臺。其主要的兩個特點是沉浸感和交互性。根據用戶體驗的臨場感程度，大致分為沉浸式和非沉浸式虛擬現實。一個成功的VR系統是建立在以下基本功能之上的：真實和虛擬數據源、跟蹤、配準技術、可視化處理、感知位置和反饋機制[12-13]。通過手術仿真與VR的結合，可以為外科醫生精確地再現診療計劃，提供交互操作以便在實時的3D虛擬可視化環境中模擬不同的手術過程，為矯正顱面部畸形制定明確和客觀的治療方案，并提供可預測的、安全的治療結果。準確地將虛擬手術計劃轉化為實際手術，簡化定位程序，減少手術時間，獲得滿意的面部美容效果，改善患者護理效果，降低費用[14]。

近年來，隨著虛擬現實與增強現實（Augmented reality，AR）技術的不斷發展與完善，混合現實（Mixed reality，MR）的概念應運而生。該技術通過在現實場景中呈現虛擬場景信息，在現實世界、虛擬世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，以增強用戶體驗的真實感。在新的可視化環境里物理和數字對象共存，并實時互動。將虛擬環境與真實環境進行匹配合成，降低了三維建模的工作量，并借助真實場景及實物提高用戶的體驗感和可信度。混合現實技術能在術中通過三維重建模型實施立體可視化，提供術區解剖結構信息，引導和修正手術操作，提高頜面部手術的準確性和安全性[15-17]。

1.3 3D打印技術：3D打印技術又稱快速成型技術（Rapid Prototype，RP），它的引入與CAD/CAM緊密相關。在各醫學領域中，顱頜面外科是率先使用3D打印技術的專業之一。其原理是將臨床影像學檢查獲得的源文件導入CAD/CAM平臺，轉化為三維數據，通過各類3D成型機器逐層疊加堆積制作成三維模型，繼而轉化成實物模型。按技術類型分為光固化快速成型（SLA），選擇性激光燒結（SLS），3D打印，熔融沉積建模（FDM），直接金屬激光燒結（DMLS），層壓制品制造（LOM）和電子束熔化（EBM）。使用的材料有10余種包括熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末、低共熔金屬、合金金屬、光敏樹脂材料、紙、箔及鈦合金等[18-19]。3D打印技術不僅可以制定個性化手術方案、降低手術成本、縮短手術時間、減少操作副損傷及術后并發癥[20]，對于解剖要求更精細的年輕患者甚至是兒童患者來說，更是提高了手術精度，侵入性更小、瘢痕更小，極大地改善了外觀與功能的重建，從而滿足患者的審美需求[21]。

2? 計算機輔助技術在顱頜面部整形中的應用

2.1 應用于顱面部整形手術：顱面部損傷主要原因有自然災害、交通事故和疾病。目前，臨床手術的金標準是自體骨移植和同種異體骨移植[22]。大量的動物實驗表明，多孔結構的植入物具有良好的生物相容性和力學性能[23]。不同的單位、孔隙率和孔徑大小對成骨效果有不同影響。Wang等[24]開發了一種新型的顱面部多孔種植體設計軟件EasyImplant，該系統可以輕松高效地設計和定制多孔結構的顱頜面植入物。首先，通過3D重建軟件錄入患者的CT數據進行3D頭骨模型的重建。基于3D頭骨模型，可以根據缺損部位明確植入物的位置。然后，通過顱骨解剖的對稱點獲得鏡面，從而獲得健康側骨骼的鏡面結果。通過鏡像模型的切割面中心擬合、表面擬合、多孔結構形成及添加連接板獲得最終的植入物模型。EasyImplant具有效率高，集成和用戶友好性等優點，用戶只需要導入從CT數據重建的原始3D模型，就可以在10min內通過上述步驟獲得最終的多孔植入物。雖然該軟件處于起步階段，某些功能有待進一步開發，但與一些商業軟件相比，其在鏡像和重新定位、獲得多孔模型、添加連接板等方面操作時長明顯縮短，實用性和可操作性顯著提高。

2.2 應用于頜面部整形手術：正頜手術是一種旨在矯正頜骨錯位和牙面畸形的頜面部手術方式。手術需要精確的術前計劃，用以生成手術室所需的手術信息，達到預期的手術結果。Jorge Zaragoza-Siqueiros等[25]提出一種用于正頜手術規劃的集成觸覺VR系統，名為OSSys系統。該系統包括四個模塊：①面部分析模塊;②頭影測量分析模塊;③模型手術艙;④手術模板模塊。該系統結合了CAD和觸覺，進行更完備的規劃過程，并能夠自動生成術前計劃。該系統還能根據患者測量后的數字數據自動提供臨床預診斷。基于實際患者案例的功能評價，進行實例分析，結果表明系統提供的虛擬規劃方法具有較好的指導性，遠遠優于傳統的規劃方法，在增加直觀性、減少誤差和規劃時間等方面比傳統方法更可行、更有效。

以骨性Ⅲ類錯牙合畸形的矯正為例，頜面外科治療該畸形的目的是減少下頜骨過度發育或促進上頜骨發育不足，或兩者兼而有之。為了達到美觀和咬合效果，準確的截骨和重新定位是評價正頜外科手術成功的關鍵因素[26]。傳統上，中間夾板和最終夾板是用傳統方法手工制作而成的，手術復雜、耗時，并且精確度可能會有所不同[27]。Li Kehan等[28]以46例骨性Ⅲ類錯牙合畸形患者為研究對象，來評估使用CAD/CAM技術設計制造預彎鈦板切割鉆孔導向器來矯正骨性Ⅲ類錯牙合的效果。46例患者按隨機數字表法隨機分為兩組。一組采用計算機輔助設計制造預彎鈦板切割鉆孔導向器（實驗組），另一組采用計算機輔助設計制造夾板（對照組），患者平均年齡24歲。所有病例均由同一組外科醫生進行正頜外科手術。首先在虛擬手術和手術規劃上，實驗組術前使用螺旋CT掃描儀對顱面部進行三維掃描。在成像過程中，患者被要求放松并保持溫和的咬合姿勢。所有圖像均以標準的醫學數字成像和通信格式保存。應用Mimics及Geomix Studio軟件對每個病例的虛擬顱頜面部骨骼模型進行重建。使用FreeForm程序對患者口腔頜面畸形進行綜合三維評價后，將結果應用于虛擬手術仿真技術進行進一步設計。在進行Le Fort I截骨術和雙側矢狀劈開截骨術后，將虛擬上下頜骨重新定位到所需位置，并用虛擬鋼板模型固定。然后去除虛擬模型，使螺紋孔的位置保留在骨段表面。然后將上頜節段和下頜節段移回原來的位置。根據螺紋孔和截骨線的位置確定切割和鉆孔方向。下一步制作中間夾板和最終夾板，用來連接切割、鉆孔導軌及夾板連接臂。通過偏移彎曲虛擬板模型的表面來生成空洞塊。所有部件均采用3D打印技術制造。手術前，商業鈦板被手動預彎方便與空洞塊完美銜接。對照組的工作流程與實驗組基本相同。

手術方面，所有患者均接受鼻氣管插管全麻。實驗組在計算機輔助設計制造切割鉆孔導向器的指導下，將行Le Fort I截骨術和雙側矢狀劈開截骨術后的上下頜節段復位到預定位置。放置預彎的商用鈦板，并將螺釘固定在相應的孔中。對照組先用支撐于下顎的中間夾板確定新的上頜位置，然后用最后的夾板確定下頜位置。在手術過程中，彎曲鈦板以適應骨段的表面。如果存在垂直運動，則根據術前模擬中確定的骨的干擾情況進行部分骨切除。兩組使用的四孔鈦板均在截骨骨塊兩側各有2枚螺釘，且不能繞螺紋軸旋轉。術后通過1年的隨訪，結果顯示實驗組在隨訪期間沒有復發或出現顳下頜關節不適的跡象，術后即刻出現的任何暫時性感覺異常在3～7個月內完全消失。而在對照組中，個別患者出現早期復發、咬合障礙、關節異響或疼痛及神經感覺異常等情況。術后兩組患者面部側貌均有改善，實驗組的復位效果更好。該技術可以改善導向和重新定位，從而獲得更準確的結果，雖然在費用上有額外的支出，但在治療效果上有提高，并有助于減少并發癥，縮短正畸治療時間。

2.3 應用于鼻整形術：鼻整形術是最常用的整形手術之一，用于矯正和重建鼻部的形態和功能，以達到治療和美容的目的。鼻部植入材料大致可分為自體組織、同種異體組織和假體植入物三類[29]。3D打印在當前臨床應用中的功能主要是遵循精確醫學的原理來構建針對患者的植入物。目前，軟骨植入的骨來源主要來自患者的耳廓或肋骨軟骨，也可以選擇商業植入物。適當植入物的產生不僅受到軟骨質量的限制，而且還會對患者造成繼發性創傷。3D打印現在已成為個體化精確設計和構造植入物的首選方法。組織工程軟骨有望解決上述問題，3D生物打印將成為研究組織工程軟骨植入物的主導力量。3D生物打印基于3D打印原理，在體外構建活性組織或器官。具有生物相容性并可以包含其他生物成分（例如：細胞或生物活性因子）的生物墨水的開發對于促進3D打印的應用至關重要，鼻軟骨區域的3D打印可以分為：①基于組織工程，可以使用3D生物打印制造用于再生生物軟骨的支架，然后將其應用或植入到缺陷區域;②3D打印可直接用于構建生物相容性支架或植入物，以用作軟骨本身或制造出不需要生物軟骨的假體。用于組織工程的3D打印材料可以概括為四種類型：聚合物、陶瓷、復合材料和細胞聚集體[30]。

Hee-Gyeong Yi等[31]介紹了一種結合3D打印和組織工程技術的鼻整形新技術。通過一套基于計算機輔助設計的系列程序，通過3D打印進行制作生成定制化鼻腔植入物。通過將含有人脂肪干細胞的軟骨水凝膠注入含有八面體內部結構的植入物中，得到一種工程化鼻軟骨植入物。

這項研究為鼻整形手術的診療過程提供了一種新模式：在術前咨詢中，根據患者的需求使用面部編輯軟件設計所需的鼻子形狀;鼻植入物模型生成算法和CAD可以創建所需鼻形的鼻植入物模型;制作3D打印的鼻植入物而無需擔心外科醫生的手術熟練程度;外科醫生將混合從脂肪抽吸物中提取的人脂肪源性干細胞和水凝膠，并將載有細胞的水凝膠簡單地注入3D打印的鼻植入物中，準備工程化的鼻軟骨;經工程改造的鼻軟骨將被植入患者體內，并最終被轉化成自體軟骨組織，并保持其最初確定的鼻子形狀。這種新工藝可以縮短準備植入物所需的額外操作時間，對于患者和外科醫生而言，都是一個舒適而便捷的過程。研究者選擇了小鼠背部的皮下區域來植入工程化鼻軟骨，來模擬發生在皮下某個位置的物理應力。且研究結果證實，工程鼻軟骨在其周圍有物理壓力（包括皮膚張力和自然彎曲產生的屈曲）的體內條件下仍能很好地保留。在植入12周后，回收工程鼻軟骨，未觀察到植入物周圍物理環境造成的損傷。此外，植入物被血管覆蓋并充滿了新組織。由于干細胞分化為軟骨后可能形成玻璃軟骨組織，再被骨組織所置換，可能存在進一步骨化可能，需要遠期隨訪。

應用該技術實現了定制鼻植入物的3D打印和軟骨組織再生，改善了目前自體鼻移植物和人工鼻植入物在鼻整形手術中的局限性。具有八面體結構的鼻植入物的定制設計，是通過計算機輔助制造過程產生的，該過程確定了手術前和手術后鼻形之間的幾何差異。這種將軟骨來源的水凝膠應用到定制的鼻腔植入物中的技術帶來了獨特的優勢，可以根據患者的具體設計促進軟骨再生，實現結構和生物學上的優勢。3D打印植入物主要貢獻了工程化鼻軟骨的結構準確性，軟骨源水凝膠為軟骨分化和新軟骨的形成提供了良好的生化環境。

3? 小結和展望

隨著科學技術的不斷發展，各種數字化技術已在顱頜面外科手術中得到普遍應用。醫生結合計算機輔助技術與傳統醫療技術，不斷創新和探索出新的治療方案。不僅使疾病診斷更加準確，手術預案更加明確，手術精度與安全性明顯提高，術后并發癥明顯減少。還能針對不同患者個性化定制手術方案，減輕術后護理方面的負擔，極大地改善了外觀并促進功能的重建，從而獲得滿意的面部美容效果，滿足了患者功能與審美的雙重需求。

MR技術作為一種新興的三維可視化技術，其主要特征體現在現實與虛擬世界結合、實時交互性和精確匹配性上，建立三維模型與空間位置的空間配準相當重要，但目前還未開發出有效的定位跟蹤系統，由于軟組織受到體位、呼吸等影響，會引發組織移位、組織變形及體積改變等問題，造成配準誤差[17]。3D打印技術在顱面外科中的應用最為活躍。缺乏先進的3D打印技術和材料是其發展的主要挑戰。不同的醫療問題對3D打印技術往往有不同的要求。一個3D打印系統往往很難滿足不同醫療問題的要求。因此，應設計更有針對性、更自動化的用于顱面重建的計算機軟件[32]。目前，CAS軟件種類繁多，缺乏一站式系統，從二維數據的收集到三維模型的建立和制作，從虛擬手術過程的設計到真實手術的實施，醫生需要將數據在不同的軟件中輾轉遷移，增加了術前準備時間和成本。術前向患者介紹手術計劃及虛擬建模效果后，可能導致患者對術后預期過高，一旦術前模擬效果與術后相比外觀形態上有差異，可能會增加患者的心理負擔和治療成本。造成差異的原因可能源自于術前測量誤差及術中操作導致的差異;骨組織切割移位對軟組織的影響產生的差異[33];參差不齊的計算機輔助軟件使用熟練度問題導致的差異等。上述情況還需要在后續的計算機輔助技術領域進一步探索，完善和改進現有的技術，使其為顱頜面畸形的治療提供更好的治療技術。

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[收稿日期]2020-09-15

本文引用格式：白文博，陳華.計算機輔助技術在顱頜面部整形中應用的研究進展[J].中國美容醫學，2021，30（11）：182-186.