顱頜面整形手術機器人在頦部水平截骨手術中的精確性分析

孫鐵成 楊斌 王豫 楊青 孫志彬

頦部發育不全是下頜發育不全的一種形式，其中以小頦畸形較為常見。頦部的畸形會導致面部整體的畸形并影響面部美觀[1]，患者可能產生心理問題并影響其自身的社交、工作、學習等[2]。頦部水平截骨手術已經成為一種公認的治療頦部發育不全的有效手術方法，常被用于改善面部輪廓[3]。隨著三維數字化技術的發展，術前三維手術模擬設計已經在頦部水平截骨手術中廣泛應用，但是在實際操作中，術者無法保證能完全按照手術模擬的設計進行截骨，往往存在角度、距離、方向位置等的偏差。近年來，隨著對手術機器人技術的不斷研究，機器人輔助下的外科手術得到了長足的發展。因其具備微創、精確、并發癥少的特點，臨床應用愈加廣泛[4-8]。顱頜面外科手術機器人尚處于研究階段[9-10]，其精確性尚需驗證。本研究利用顱頜面整形手術機器人對接受頦部水平截骨的小頦畸形患者的等比例石膏模型進行與臨床相同的手術，對比兩種方式手術操作的精確性。

1 資料與方法

1.1 患者選擇標準

納入標準：①臨床資料完整；②因單純小頦畸形而對自身正面及側面觀不滿意；③無明顯的頦部偏斜畸形；④無顱頜面手術史及嚴重外傷史；⑤術前行三維數字化頦部水平截骨前移手術模擬，且術中未改變手術方式。

排除標準：①有過頦部注射填充、假體植入等治療史；②存在咬牙合畸形或處于畸形矯正期；③有明顯的頜面部或顱腦畸形導致的頦部畸形；④伴有先天性疾病或全身系統性疾病；⑤伴有其他類型的軟組織異常。

1.2 一般資料

選取2015 年1 月至2020 年12 月收治的10 例典型小頦畸形患者，所有患者均采用數字化三維技術進行術前頦部水平截骨前移的手術模擬，并按照模擬方案進行手術操作。由于性別、民族、患者骨質密度等差異會導致研究誤差，本次選取的病例均為青年女性患者，年齡21～36 歲，平均（28.6±4.95）歲，術后隨訪6～12 個月，平均（10±3）個月。

本研究經我院醫學倫理委員會審核批準，所有患者知情同意。

1.3 方法

1.3.1 術前測量及手術模擬

所有患者均在術前行頭顱CT 掃描，將DICOM格式的CT 數據導入ProPlan CMF 3.0 軟件（比利時Materialise 公司）進行三維重建，以我們的前期實驗為基礎，于三維重建模型上設定測量項目指標及參考平面（圖1），并進行術前測量（表1～3），本研究選取的均未矢狀方向小頦畸形的患者[11]。

表1 設定骨性標記點Table 1 Setting the bone marker points

表2 設定參考平面Table 2 Setting the reference planes

表3 測量指標Table 3 Measurement metrics

圖1 標記用于術前測量的參考點Fig.1 Mark reference points for preoperative measurements

1.3.2 虛擬手術與實際手術

通過軟件中的截骨（Osteotomy）功能，按照頦部水平截骨設計截骨平面，設計截骨平面長度、寬度及深度等特性，將分割的頦部骨塊進行三維空間的移動。以1 mm 為移動單位，進行三維空間的平移（圖2）。達到正常測量值位置后，與患者溝通并觀看手術模擬效果，根據患者意愿再次調整骨塊位置。與患者溝通談話簽字后，按照模擬手術方案進行實際截骨及頦部骨塊的平移，所需實現的移動距離通過術中多次使用刻度尺測量校準。

圖2 三維數字化重建模型上實施虛擬截骨手術Fig.2 Virtual bone osteotomy performed on a 3D digital reconstruction model

1.3.3 石膏模型打印與機器人截骨

由于石膏模型與人骨頭顱在螺旋CT 機中的顯影效果相同，并能準確進行三維重建，故本研究使用3D 打印石膏模型進行機器人手術精確性研究。將患者DICOM 格式的CT 數據轉換成STL 格式數據導入3D 模型打印機，為提高打印效率及降低實驗成本，我們僅打印出1∶1 大小的下頜骨石膏模型，并按照常規的手術模擬流程進行同一部螺旋CT 機掃描，數據導入ProPlanCMF 軟件，與患者本人術前數字化頭顱模型重疊配準，標記相同測定點；并與患者術前標記點對比測量，要求所有測量數據完全一致。將患者最終選擇的手術模擬方案導入機器人導航系統（圖3）。

圖3 石膏模型的手術模擬Fig.3 Surgical simulation of plaster models

本研究所使用的為Universal Robots 第5 代機器人原型機改進而成的顱頜面整形手術機器人，具備手術導航系統、超聲骨刀（圖4A）、鉆孔執行器。在顱骨模型上植入與導航系統匹配的紅外線追蹤器Tracker（圖4B），安裝Tracker 于機械臂上，使頭顱模型與導航中的虛擬頭顱模型處于同一個三維空間中（圖4C）。截骨前首先在模擬手術中確定骨塊固定后的鈦板、鈦釘的固定位置，截骨前在模型上打好釘孔，術前按照模擬結果提前準備固定所用的已預彎的鈦板，要求長度及彎曲角度與模擬一致。按照模擬截骨規劃路徑，在人機協同下使用機械臂末端超聲骨刀進行水平截骨，截下的骨塊游離后，使用預制彎曲的鈦板固定，術后再次使用螺旋CT 機進行掃描，并將數據導入軟件進行測量（圖5）。

圖4 石膏模型截骨Fig.4 Genioplasty on plaster model

圖5 石膏模型截骨術后掃描Fig.5 Scan of the post-operation gypsum model

1.3.4 評價機器人手術精確性

患者術后2～3 周內再次進行頭顱CT 掃描，并導入軟件進行重新測量。將機器人截骨固定后的石膏模型再次通過CT 掃描進行重新測量。將患者手術后、石膏截骨術后及數字化模擬術后的評價指標進行對比，測量兩種手術方式與模擬手術的差異，并評價顱頜面整形手術機器人在頦部水平截骨術中應用的精確性及安全性。為保證測量的可靠性，本研究的數據測量由同一名研究人員于不同時間分別進行3 次測量，取平均值，為保證統計的準確性，由另一研究人員統計測量值[12]。

1.4 統計方法

使用SPSS 18.0 統計學軟件進行統計學分析。采用配對t 檢驗，分別將機器人手術和臨床手術的術后測量項目與術前模擬的測量項目比較。P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果

機器人組的術后測量指標Pog-N、ANS-Me、Gn-Mf、Go-Mf 與對照組模擬指標相比無明顯統計學差異（P＞0.05），臨床組術后測量指標與對照組模擬指標相比，統計學差異明顯（P＜0.05）。機器人組的手術截骨路線與對照組術前模擬的截骨路線一致（P＞0.05），而臨床組的手術截骨路線與對照組模擬的截骨路線之間存在差異（P＜0.05）。機器人截骨術后的MfL 為0.36±0.05，臨床 組手術后 的MfL 為0.09±0.06。臨床組與機器人組相比，術后的內固定與頦前點的最小距離更小（表4～6）。

表4 對照組與機器人組臨床指標比較Table 4 Comparison of clinical indexes between control group and robot group

表5 對照組與臨床組臨床指標比較Table 5 Comparison of clinical indexes between control group and clinical group

表6 機器人組與臨床組各臨床指標比較Table 6 Comparison of clinical indexes between robot group and clinical group

3 討論

與傳統臨床手術操作相比，配備了手術導航系統、末端超聲骨刀執行器的顱頜面整形手術機器人可以更加精準地進行頦部水平截骨，其結果更加接近術前模擬設計方案，安全性也更高。

在截骨手術中，為了克服人手的局限性，截骨手術導航系統已獲得了成功應用。該系統可以幫助術者在術中穿透體表組織的遮擋，直觀展現手術部位和實時定位手術器械[13]。但是，在一般的配有導航系統的手術環境中，由于術者在截骨器械行進過程中無法同時兼顧導航模擬圖像與術區，即便截骨前精確配準，實際操作時，也可能在握持截骨器械切割過程中出現角度、高度、長度、深度等的偏差，并不能與模擬計劃完全相符，導航系統的優點無法得以完全體現。手術機器人的機械臂可以在導航配準患者頦部的截骨路線后，完全按照導航中的術前模擬規劃路徑進行截骨，并且能克服人手操作時存在的不穩定、顫抖、疲勞等缺點，確保截骨路線與計劃完全一致，使手術更加安全、準確。

在導航系統引導的基礎上，通過手術機器人操作的截骨路線更加精準，損傷更小。本研究中，機器人在石膏模型上的截骨路線比臨床組截骨更加接近手術模擬規劃路線。所研發的顱頜面整形手術機器人使用導航配準引導機械臂進行截骨工具的定位，截骨過程中同時追蹤截骨器械及顱骨模型，確保截骨路線與模擬設計一致，避免出現因徒手切割的截骨塊雙側不對稱及截骨平面的偏斜引起游離骨塊固定不準確；而且，截骨路線的精準可以減少附著軟組織的剝離，保留軟組織附著點對于維持頦游離段的血液供應和有效恢復頦部活力至關重要[14]。

通過手術機器人操作的內固定位置更加安全。本研究中，實際手術后的內固定與頦前點的最小距離比手術機器人的術后測量值更小，相應的頦神經損傷風險也更高。常規的術前手術模擬設計僅設計了截骨路徑的高度，并沒有進一步設計內固定植入的位置。在術中截骨后，臨時根據情況決定內固定植入的位置，存在著損傷頦神經的風險。本研究中，機器人手術的內固定與頦前點的平均最小距離大于臨床操作的距離，對于頦神經起到了更好的保護作用。本研究中，我們提前根據三維重建模擬選取釘孔的安全位置，并且在截骨前提前鉆孔，相較截骨后使用器械把持游離骨塊再進行打孔，孔道的位置及角度會更加準確、穩定、安全。本研究結果表明，機器人手術的石膏模型術后的各個測量值及預計螺釘固定位置，與模擬的術后測量值更加接近。在今后的研究中，我們將進一步使用錐形束CT 進行充分的術前臨床和放射學評估，以精確定位術區解剖結構[15-16]。

目前，手術機器人在顱頜面外科的應用較少，而無論是輪廓手術、正頜手術還是先天性疾病如顱縫早閉、半面短小等診療方面，均有使用顱頜面整形手術機器人的需求[17]。隨著技術的進步及相關應用的拓展，不斷有新的技術與手術機器人系統整合，不僅能降低傳統手術導致的出血、術后感染等風險，還能提高手術的精確度，減少手術時間，使相關的治療更為精準、安全[18-19]。