計算機輔助游離腓骨下頜骨重建的術(shù)后效果評估

康澤標(biāo)買曉雪王鑫謝富強，2

1.蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院口腔頜面外科教研室，蘭州730000；

2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院口腔科，蘭州730000

腫瘤導(dǎo)致的下頜骨畸形嚴(yán)重影響患者的咀嚼、吞咽、呼吸、美觀等功能，下頜骨功能的復(fù)雜性使得下頜骨缺損的重建成為口腔頜面外科醫(yī)生面臨的一大挑戰(zhàn)，恢復(fù)患者下頜骨形態(tài)和功能對腫瘤切除術(shù)后患者生活質(zhì)量的提高有重要意義[1]。

下頜骨重建并非簡單意義上的恢復(fù)下頜骨連續(xù)性，而是一項以外科為主，同時綜合口腔修復(fù)、口腔種植等多個專業(yè)的系統(tǒng)工程，具有一定的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性[2]。近年來，計算機輔助手術(shù)（computer-assisted surgery，CAS）有力地促進了顱頜面骨骼重建手術(shù)向個性化、高精確度的方向發(fā)展，與傳統(tǒng)的手術(shù)相比，它正在成為實現(xiàn)精確對稱的骨修復(fù)的里程碑式的技術(shù)[3-7]。但目前對于CAS術(shù)后效果的評估方法還比較匱乏，大多數(shù)研究方法都是通過對比虛擬手術(shù)與實際手術(shù)的差異，進而評估手術(shù)的精確度[8-9]，忽略了術(shù)前與術(shù)后下頜骨形態(tài)的對比及CAS對患者術(shù)后面容及功能的改善。

因此，本研究提出了一種通過對比術(shù)前與術(shù)后下頜骨三維模型在冠狀、矢狀、軸向3個方向的三維下頜角差異來精確、可重復(fù)、簡易地評估計算機輔助游離腓骨下頜骨重建術(shù)術(shù)后效果的方法。

1 材料和方法

1.1 病例選擇

選擇2015年1月—2020年1月期間因下頜骨腫瘤于蘭州大學(xué)第二醫(yī)院口腔科行計算機輔助游離腓骨下頜骨重建的20名患者作為研究對象，男性10例，女性10例；最大年齡59歲，最小年齡17歲，平均年齡38.70歲±13.72歲；病理診斷為成釉細(xì)胞瘤15例，角化囊性瘤2例，骨化纖維瘤3例；平均術(shù)中出血量230 mL±76.35 mL；平均住院時長30.25 d±5.85 d。采用Brown等[10]基于重建需求及腫瘤學(xué)原則的分類方法對下頜骨缺損進行分類：Ⅰ類缺損7例，Ⅱ類缺損5例，Ⅱc類缺損8例（表1）。分別于術(shù)前1周、術(shù)后1月采集患者錐形束CT（cone beam computed tomography，CBCT）圖像，CBCT圖像采集選擇同一機器，掃描層厚均為1 mm。

表1 20例患者臨床資料Tab 1 Clinical data of 20 patients

1.2 手術(shù)過程

所有的手術(shù)均由2個手術(shù)小組協(xié)作完成，一組負(fù)責(zé)原發(fā)灶切除及受區(qū)準(zhǔn)備，另一組負(fù)責(zé)游離腓骨皮瓣的制取，所有的手術(shù)都是由資深的口腔頜面外科醫(yī)生完成。受區(qū)部位的準(zhǔn)備見圖1，行頜下切口暴露下頜骨后，在下頜骨切割導(dǎo)板引導(dǎo)下進行切緣準(zhǔn)備。另一組同時切取腓骨，在腓骨切割導(dǎo)板引導(dǎo)下進行腓骨楔形切除，然后進行腓骨塑形（圖2）。塑形后的腓骨轉(zhuǎn)移至切除后的下頜骨缺損處，用預(yù)先彎制的重建鈦板鈦釘固定后進行顯微血管吻合（圖3），最后分別進行受區(qū)創(chuàng)面和供區(qū)創(chuàng)面縫合。術(shù)中對皮瓣進行了嚴(yán)密的監(jiān)測，并立即記錄和處理發(fā)生的并發(fā)癥。

圖1 在下頜骨切割導(dǎo)板引導(dǎo)下進行切緣準(zhǔn)備Fig 1 Preparation of the excision edges under the guidance of the mandibular cutting guide plate

圖2 在腓骨切割導(dǎo)板的引導(dǎo)下行腓骨楔形切除塑形Fig 2 Wedge resection and shaping of fibula under the guidanceof fibulacutting guide plate

圖3 腓骨塑形后重建鈦板、鈦釘固定，行顯微血管吻合Fig 3 Microvascular anastomosis after fibulareconstruction plate and titanium nail fixation

1.3 研究方法

將采集的CBCT圖像導(dǎo)出為DICOM圖像集后導(dǎo)入Mimics Research 21.0軟件中進行下頜骨的三維重建，然后將重建得到的下頜骨模型以STL文件格式導(dǎo)入3-matic Research 13.0軟件。利用點對齊工具在術(shù)前、術(shù)后的下頜骨模型上確定多個特征性標(biāo)記點將患者術(shù)前及術(shù)后下頜骨模型對齊（圖4）。

圖4 術(shù)前與術(shù)后下頜骨模型的對齊Fig 4 Align the mandibular model before and after operation

在對齊后的下頜骨模型上建立3個平面以確定下頜骨的三維空間坐標(biāo)系（圖5），水平面采用法蘭克福平面，通過繪制一個通過內(nèi)耳道和眶下緣的最低點的平面來確定[11]，正中矢狀面是通過繪制一個通過眉尖、基底孔和切牙孔的平面來確定[12]，將通過鼻根點并垂直于矢狀面和水平面的平面確定為冠狀面。

圖5 通過繪制正中狀面、水平面、冠狀面確定下頜骨的三維空間坐標(biāo)系Fig 5 Determine the three-dimensional coordinate system of the mandible by the median sagittal plane，horizontal planeand coronal plane

將髁突內(nèi)外極與垂直角確定的平面定義為冠狀小平面，將髁突上緣中點、水平角、頦頂點3個點確定的平面定義為矢狀小平面，將垂直角、水平角與頦頂點確定的平面定義為軸向小平面。當(dāng)手術(shù)切除髁突、水平角、垂直角及頦頂點時的處理方法如下：1）如果切除垂直角，則應(yīng)選擇兩段植骨節(jié)段之間截骨面的最下點作為垂直角；2）水平角缺失時，應(yīng)在植骨水平段的最前最下部創(chuàng)建一個虛擬點，并將其作為水平角；3）對于切除髁突的病例，則選擇植骨節(jié)段上緣中點及最內(nèi)側(cè)、最外側(cè)作為虛擬點；4）對于切除頦頂點的病例，在植骨節(jié)段最前、最下緣建立一個虛擬點，將其作為頦頂點。水平角與垂直角根據(jù)Brown等[10]的分類方法可以確認(rèn)。

冠狀小平面與冠狀面的夾角記為冠狀下頜角，矢狀小平面與正中矢狀面的夾角記為矢狀下頜角，軸向小平面與冠狀小平面的夾角記為軸向下頜角。根據(jù)以下公式，使用水平面、正中矢狀面、冠狀面、冠狀小平面、矢狀小平面、軸向小平面的法向量來計算角度（圖6）。

圖6 確定矢狀小平面、冠狀小平面、軸向小平面Fig 6 Determine the sagittal plane，the coronal plane and the axial plane

其中α表示2個平面之間的夾角，n1和n2表示這2個平面的法向量，根據(jù)冠狀小平面的法向量與冠狀面的法向量計算得到冠狀下頜角，矢狀小平面的法向量與正中矢狀面的法向量計算得到矢狀下頜角，軸向小平面法向量與冠狀小平面的法向量計算得到軸向下頜角。

1.4 數(shù)據(jù)計算與評估

計算術(shù)前、術(shù)后的健側(cè)和患側(cè)三維下頜角：比較術(shù)前健側(cè)和患側(cè)三維下頜角的差異，評估腫瘤對下頜骨三維形態(tài)的影響；比較術(shù)后健側(cè)和患側(cè)三維下頜角的差異，評估手術(shù)后下頜骨健患側(cè)形態(tài)的對稱性。

根據(jù)不同的缺損類型將病例分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅱc類，計算不同缺損類型術(shù)前、術(shù)后的健側(cè)和患側(cè)三維下頜角：分類比較不同缺損類型術(shù)前健側(cè)和患側(cè)三維下頜角的差異，評估腫瘤在不同缺損類型中對下頜骨三維形態(tài)的影響；分類比較不同缺損類型術(shù)后健側(cè)和患側(cè)三維下頜角的差異，評估手術(shù)后下頜骨健側(cè)和患側(cè)形態(tài)的對稱性。

計算術(shù)前、術(shù)后的健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差值的絕對值：比較術(shù)前、術(shù)后健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差值的絕對值，評估手術(shù)對下頜骨三維方向畸形的改善效果，進而評估手術(shù)的精確度。

根據(jù)缺損類型分類計算不同的缺損類型術(shù)前、術(shù)后的健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差值的絕對值：分類比較不同缺損類型術(shù)前、術(shù)后健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差值的絕對值，評估手術(shù)對不同缺損類型下頜骨三維方向畸形的改善效果，進而評估手術(shù)在不同類型的下頜骨缺損中的精確度。

1.5 統(tǒng)計分析

上述測量數(shù)據(jù)收集整理后，統(tǒng)一編碼，采取雙人核對錄入法錄入數(shù)據(jù)以控制錄入質(zhì)量，所得數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 26.0軟件進行分析。采用配對樣本T檢驗的方法評價：術(shù)前、術(shù)后的健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差異；不同缺損類型術(shù)前、術(shù)后的健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差異；術(shù)前、術(shù)后健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差值的絕對值差異；不同的缺損類型術(shù)前、術(shù)后的健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差值的絕對值差異。當(dāng)P＜0.05時，認(rèn)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。計量資料采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差進行表示。

2 結(jié)果

2.1 成功率及并發(fā)癥

在納入研究的20例病例中，發(fā)生并發(fā)癥5例，其中術(shù)后供區(qū)感染3例，受區(qū)感染1例，術(shù)后呼吸困難1例，給予及時的對癥處理后均消除了對應(yīng)的并發(fā)癥。所有患者術(shù)后1年內(nèi)均得以保留植入骨塊，未發(fā)現(xiàn)因骨塊感染取出植入骨塊者。

2.2 術(shù)前、術(shù)后三維下頜角的比較

在納入研究的20例病例中，術(shù)前健側(cè)冠狀下頜角平均為16.43°±5.80°，矢狀下頜角平均為26.18°±6.50°，軸向下頜角平均為66.54°±9.12°。術(shù)前患側(cè)冠狀下頜角平均為16.24°±5.46°，矢狀下頜角平均為29.90°±5.13°，軸向下頜角平均為65.00°±9.46°。術(shù)前健側(cè)和患側(cè)下頜角在冠狀向、及軸向差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），術(shù)前健側(cè)和患側(cè)下頜角在矢狀向差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），表明腫瘤造成的下頜骨畸形在冠狀向及軸向表現(xiàn)不明顯而在矢狀向則表現(xiàn)較為明顯。

術(shù)后健側(cè)冠狀下頜角平均為16.79°±5.76°，矢狀下頜角平均為26.43°±6.31°，軸向下頜角平均為66.76°±8.98°。術(shù)后患側(cè)冠狀下頜角平均為17.03°±5.06°，矢狀下頜角平均為27.35°±5.36°，軸向下頜角平均為66.11°±8.16°。術(shù)后健側(cè)和患側(cè)下頜角在冠狀向、矢狀向及軸向差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），表明術(shù)后下頜骨健側(cè)和患側(cè)形態(tài)在三維方向上均沒有顯著的差異，下頜骨健側(cè)和患側(cè)的形態(tài)對稱，手術(shù)有效地改善了腫瘤造成的下頜骨三維方向的畸形（表2）。

表2 術(shù)前和術(shù)后下頜骨模型冠狀、矢狀、軸向下頜角統(tǒng)計分析Tab 2 Statistical analysis of coronal，sagittal and axial mandibular angle of mandibular model before and after operation

2.3 不同缺損類型術(shù)前、術(shù)后三維下頜角之間的比較

在對Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅱc類病例的統(tǒng)計分析中，Ⅰ類缺損術(shù)前健側(cè)和患側(cè)矢狀下頜角、術(shù)后健側(cè)和患側(cè)軸向下頜角差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），其余各類缺損術(shù)前與術(shù)后健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），提示在Ⅰ類缺損時，術(shù)前方案的設(shè)計需要特別關(guān)注下頜骨軸向的對稱性（表3）。

表3 不同缺損類型術(shù)前和術(shù)后下頜骨模型冠狀、矢狀、軸向下頜角統(tǒng)計分析Tab 3 Statistical analysis of coronal，sagittal and axial mandibular angles of mandibular models with different types of defects before and after operation

2.4 不同缺損類型術(shù)前、術(shù)后三維下頜角差值的絕對值的比較

Ⅰ類缺損術(shù)前與術(shù)后健側(cè)和患側(cè)矢狀、冠狀下頜角差值的絕對值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），其余各類缺損術(shù)前與術(shù)后健側(cè)和患側(cè)三維下頜角差值的絕對值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），提示Ⅰ類缺損的病例在術(shù)前設(shè)計時，需要特別注意恢復(fù)下頜骨矢狀向與冠狀向的對稱性（表4）。

表4 不同缺損類型術(shù)前與術(shù)后冠狀、矢狀、軸向下頜角差值的絕對值統(tǒng)計分析Tab 4 Statistical analysis of the absolute value of the difference of coronal，sagittal and axial mandibular angle between different types of defects before and after operation

2.5 術(shù)前、術(shù)后三維下頜角差值的絕對值的比較

術(shù)前健側(cè)和患側(cè)冠狀下頜角差值的絕對值平均為6.15°±4.88°，術(shù)后健側(cè)和患側(cè)冠狀下頜角的差值的絕對值平均為1.35°±1.03°。術(shù)前健側(cè)和患側(cè)矢狀下頜角的差值的絕對值平均為6.44°±5.27°，術(shù)后健側(cè)和患側(cè)矢狀下頜角的差值的絕對值平均為1.97°±1.23°。術(shù)前健側(cè)和患側(cè)軸向下頜角差值的絕對值平均為5.43°±3.66°，術(shù)后健側(cè)和患側(cè)軸向下頜角的差值的絕對值平均為1.53°±1.08°。術(shù)前與術(shù)后健側(cè)和患側(cè)冠狀、矢狀、軸向下頜角差值絕對值之間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01），表明手術(shù)對于腫瘤造成的三維方向的頜骨畸形均有極為明顯的改善，能有效恢復(fù)下頜骨解剖結(jié)構(gòu)的精確對稱（表5）。

表5 術(shù)前與術(shù)后冠狀、矢狀、軸向下頜角差值的絕對值統(tǒng)計分析Tab 5 Statistical analysis of the absolute value of the difference of coronal，sagittal and axial mandibular angle before and after operation

3 討論

自2009年由Hirsch等[13]引入以來，CAS獲得了廣泛的臨床應(yīng)用。CAS的流程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)操作和虛擬手術(shù)、手術(shù)計劃和輔助工具的準(zhǔn)備。手術(shù)計劃和輔助工具包括手術(shù)藍圖、切割指南、患者的個性化植入物（patient-specific implant，PSI）等[14]。目前大多數(shù)的CBCT都能獲得足夠的數(shù)據(jù)來完成手術(shù)的設(shè)計。CAS允許外科醫(yī)生在手術(shù)前進行虛擬手術(shù)，并在腦海中提前規(guī)劃，進而預(yù)測可能的困難和并發(fā)癥，縮短實際手術(shù)的時間。其次，可以規(guī)劃腫瘤的切除邊緣，從而根據(jù)腫瘤切除后預(yù)期的缺陷對重建進行分類。第三，使用鏡像功能，可以創(chuàng)建精確對稱的模型。與傳統(tǒng)重建手術(shù)相比，CAS能夠有效縮短手術(shù)時間、降低術(shù)中發(fā)生錯誤的風(fēng)險，降低手術(shù)成本。

經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，CAS已經(jīng)發(fā)展相對成熟，并被廣泛用于節(jié)段性下頜骨缺損的重建。但是目前對于下頜骨重建的術(shù)后效果及精確度缺乏系統(tǒng)的評估方法。van Baar等[15]從成像、數(shù)據(jù)比較、三維模型的體積評估、缺陷的分類提出了一種可重復(fù)的精確評估指南。但是這一評估指南只能用于評估虛擬手術(shù)與實際手術(shù)的精確度差異，無法評估手術(shù)對腫瘤造成下頜骨畸形的改善效果。而本研究通過術(shù)前與術(shù)后下頜骨模型三維下頜角的對比可以評估CAS對于腫瘤造成的下頜骨畸形的改善效果，可以有效地彌補該評估指南的不足。

本研究對比了術(shù)前患者健側(cè)和患側(cè)下頜骨冠狀、矢狀、軸向下頜角的差異，發(fā)現(xiàn)術(shù)前健側(cè)和患側(cè)矢狀下頜角差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），提示腫瘤造成的畸形主要表現(xiàn)在下頜骨的矢狀向，這與腫瘤的頰舌側(cè)生長造成的頰舌側(cè)骨板的膨隆是相符的，而術(shù)前的健側(cè)和患側(cè)下頜角在冠狀向及軸向差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），提示腫瘤造成的畸形在下頜骨的冠狀向及軸向表現(xiàn)不明顯。而術(shù)后健側(cè)和患側(cè)下頜角在冠狀向、矢狀向及軸向差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），說明手術(shù)有效改善了下頜骨的畸形，特別是矢狀向的下頜骨畸形。

此外，本研究還對比了術(shù)前健側(cè)和患側(cè)下頜角與術(shù)后健側(cè)和患側(cè)下頜角差值的絕對值，用于評估手術(shù)對于患者下頜骨對稱性的改善程度。結(jié)果顯示在納入研究的20例病例中，術(shù)后健側(cè)和患側(cè)冠狀下頜角差值的絕對值較術(shù)前縮小了78%（P＜0.01），術(shù)后健側(cè)和患側(cè)矢狀下頜角差值的絕對值較術(shù)前縮小了69%（P＜0.01），術(shù)后健側(cè)和患側(cè)軸向下頜角的差值的絕對值較術(shù)前縮小了72%（P＜0.01）。

最后本研究對不同缺損類型的病例進行了分組討論，結(jié)果提示在Ⅰ類缺損的病例中，術(shù)后健側(cè)和患側(cè)冠狀下頜角之間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），術(shù)前與術(shù)后健側(cè)和患側(cè)矢狀、冠狀下頜角差值的絕對值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。結(jié)果表明，雖然Ⅰ類缺損相對簡單，但是容易導(dǎo)致手術(shù)設(shè)計者忽略術(shù)前下頜骨三維方向的對稱性。提示手術(shù)設(shè)計者在面對Ⅰ類缺損病例的術(shù)前設(shè)計時，需要對待下頜骨三維方向的對稱性的設(shè)計更加謹(jǐn)慎。

本研究結(jié)果表明計算機輔助游離腓骨移植手術(shù)是一項高度精確的下頜骨重建手術(shù)，能有效地改善腫瘤造成的下頜骨三維方向的畸形，恢復(fù)下頜骨形態(tài)的精確對稱，恢復(fù)患者面容的美觀。本研究的評估方法能夠有效地評估計算機輔助游離腓骨下頜骨重建手術(shù)的術(shù)后效果，定量評價手術(shù)對于下頜骨健側(cè)和患側(cè)對稱性的改善效果，間接地評價手術(shù)對患者術(shù)后面容的改善效果，且本研究的方法相對簡易，可以為臨床醫(yī)生提供一種實用、標(biāo)準(zhǔn)化的評估方法。

在本研究中，由于病例數(shù)量的限制，缺少Ⅲ類、Ⅳ類缺損的病例資料，未能對Ⅲ類、Ⅳ類缺損病例下頜角按缺損類型進行評估。在后續(xù)的研究中，本研究團隊將繼續(xù)完善病例資料，進一步研究手術(shù)對不同類型的缺損的術(shù)后效果。同時，本研究團隊將繼續(xù)依托計算機輔助分析軟件，嘗試對患者術(shù)前與術(shù)后軟組織的差異進行進一步的探索研究。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。