數字化技術在正頜外科治療中的應用進展

宋鑫利，張瑋，于笑，李大魯

1 濱州醫學院口腔醫學院，山東煙臺 264003；2 濟南市口腔醫院口腔頜面外科

在傳統的正頜手術中，頜面外科醫生和正畸醫生協同工作，術前通過面部照片、2D 頭影測量、面弓轉移、上架、模擬骨塊移動等步驟進行術前設計、制作手術導板。在這一過程中，可能在多個環節產生誤差，影響手術的準確性和最終效果［1］。與傳統正頜手術相比，計算機輔助正頜外科能夠更為精確呈現復雜的三維結構和位置關系、預測手術效果、提高手術精度、縮短手術時間，現已在臨床上被廣泛應用［2］。近年來，3D 打印、面部軟組織成像、人工智能、手術導航等技術的應用進一步促進了正頜外科的發展。本文就數字化技術在正頜外科手術的術前、術中應用總結如下。

1 數字化技術在正頜外科手術前的應用

1.1 數據采集 進行正頜手術之前先要收集數據通過計算機輔助設計構建出可以準確反映骨骼、軟組織和牙列位置的頭顱模型［3］，數據采集包括頜面部骨骼、牙列和面部軟組織三部分。①頜面部骨骼數據采集：采集頜面部骨骼數據可以用錐形束CT（CBCT）或多排螺旋CT（MSCT），二者都可以實現三維模型重建。影響三維模型重建精度的因素有很多，如CT體素、掃描系統、視場、檢測對象、曝光時間、管電壓和電流等。盡管CT檢查的大多數參數都是預先設定，可保證模型重建精度良好，但是檢查醫生針對不同診斷可能對體素、掃描系統、視場等參數進行調整［4］，從而影響模型精度。有學者研究表明，對頜面部骨骼進行數據采集時，CBCT 和MSCT 空間分辨率較高，二者均可獲得較好的圖像質量［5］。但圖像質量越好，體素越小，患者所接受的輻射劑量就越大。因此在不影響圖像質量的情況下，為減少患者接受的輻射劑量，可使用較大尺寸的體素（0.4 mm）［6］。進行CT掃描時，設定掃描區域下至舌骨、上至顱頂、前至患者鼻部軟組織。拍攝后的頭顱CT數據（DICOM格式）可利用影像學資料分析軟件（如Mimics 20.0）處理，并在電腦中創建患者的頭顱骨骼3D 數字模型。②牙列數據采集：患者進行CBCT 掃描時多帶有金屬牙套，在牙列上易產生金屬偽影，阻礙了CBCT 對牙齒的精確識別［7］。因此，需要借助其他方法來獲取高精度的數字化牙列信息。目前，常用于正頜外科牙列掃描的方法是激光掃描石膏模型和口內牙列掃描，二者均可獲得高精度的數字化牙列信息，但二者精度目前存在爭議［8］。數字化正頜外科的相關配準方法有多種，而目前研究趨勢多是基于內部特征配準法（利用點、表面和體素配準方法來進行牙列-頜骨的配準）［9］。將掃描的牙列數據（STL格式）導入數字化軟件中，通過點、表面、體素（可兩兩結合使用，以提高配準精度）與CT模型進行配準，生成具有高精度牙列信息的數字三維頭顱模型［10］。但目前口內牙列掃描數據與CBCT 重建牙齒模型數據的配準精度仍然是值得商榷的問題。BAAN 等［11］發現上下頜骨前部和后部配準精度最低，但這種低精度的原因仍未找到。③面部軟組織數據采集：面部軟組織的重建主要有CT 數據重建和面部掃描儀（包含激光掃描儀、結構光學掃描儀等）掃描重建兩種方式。CT 掃描時患者采取仰臥位，面部掃描儀掃描時患者采取端坐位。有研究發現，掃描體位的不同可能影響數據的精度。史雨林等［12］將兩種掃描方式所得的面部軟組織數據進行比較后發現，兩者基本能夠完全重疊，但在頰部，面部掃描儀掃描的模型明顯位于CT 重建模型的前方，二者相差約2 mm。由于頰部下方無骨組織支撐，仰臥位進行CT 掃描時，頰部軟組織受重力作用的影響而向下塌陷，容易造成誤差。此外，即使術后也采用相似的體位獲得CT 數據，但面部骨骼位置已發生變化，對術后評估的指導意義不大。使用面部掃描儀掃描來獲取口腔軟組織數據是目前較為推崇的方法。隨著面部掃描儀不斷的更新換代，其高精度、高真實、非接觸、可重復、用時短暫、便于遠程傳輸等優點已被證實［13］。因此，目前將頭顱CT數據與面部掃描儀掃描數據擬合進行面部軟組織重建是新的趨勢。在擬合過程中需要在頭顱CT 掃描數據重建的面部軟組織模型和面部掃描儀掃描重建的面部軟組織上選取一樣的配準點，利用軟件的匹配功能，將面部掃描儀掃描的三維面像數據貼敷于顱面CT數據表面。這樣，在分析軟件中就可以獲得具有高精度的面部軟組織數據。

1.2 計算機輔助設計與模擬 獲得頭顱部位的CT數據后，可通過計算機輔助系統進行三維重建，構建頭顱坐標參考系統，在參考系統內標定相關標志點、基準面中線、參考平面及各測量數據［14］。重建完成后，可進一步通過計算機系統進行數據分析、手術方案設計，模擬截骨、骨塊在三維空間上移動，從而模擬整個手術過程。在設計虛擬骨切口線時，虛擬切口線與實際切口線位置一致有利于手術。多項研究表明三維頭影測量較二維頭影測量更為準確［15］，但如何創建參考系統、如何評估頜面部對稱性仍然需要進一步研究。構建頭顱的坐標參考系前要確定患者自然頭位（NHP），也就是被檢查者雙眼平視前方，視線與地面平行，記錄此時正確的頭顱正中矢狀面、冠狀面和軸面在坐標參考系的位置［16］。但在CBCT掃描期間，患者受到限制，其位置與NHP 不一致。在三維中記錄NHP 時，有學者提出了6 種三維記錄NHP 的方法，即立體攝影測量、沿激光線的面部標記、臨床照片和POSIT 算法、數字定位傳感、手持3D相機測量系統和激光掃描，經過實驗研究數字定位傳感的方法具有良好的精度。近兩年，人工智能（AI）已出現于正頜外科中，盡管應用還有一些缺陷，但隨著AI在正頜外科中的不斷研究和完善，未來AI在正頜手術術前設計中的應用將會更加廣泛。

1.3 軟組織預測 正頜手術主要在患者硬組織上進行，而術后面部軟組織的形態變化往往是患者更為關注的。可視化治療目標即在治療之前就對患者的頜面部軟硬組織的變化進行預測，建立出一個治療完成時的視覺效果圖，使患者能夠直觀地看到術后效果，進而提高患者的滿意度。以往通過二維頭影測量片對于正頜手術面部變化進行評估，但不能較好的體現面部軟組織的預測［17］。有學者研究了不同計算機算法預測術后的面部形態的準確度，得出新型質量張量模型和線性有限元模型的準確度最高，平均偏差僅0.6 mm，其中，有限元模型在正頜手術軟組織預測上應用較多，被公認為模擬軟組織形變最有效的方法。多位學者對軟組織預測結果進行驗證得出：鼻尖部軟組織預測最為準確，其次是下巴的軟組織的預測，但嘴唇的位置以及鼻腔和鼻旁組織的預測仍面臨著巨大挑戰。面部軟組織預測比頜面部骨骼預測難度大，其原因不僅來自于計算機算法的誤差，還來自于面部軟組織相關的許多不可控因素，如年齡（軟組織彈性）、脂肪分布、肌肉的張力等［18］。所以，術前應告知患者目前軟組織預測只是一個指南，并不完全代表手術的實際結果。

2 數字化技術在正頜外科手術中的應用

計算機輔助正頜外科可以根據術前的數據采集和手術設計，應用3D打印技術根據術中需要來制作板、截骨導板、定位導板、個性化鈦板等來提高正頜手術的精準性，也可以利用導航系統在術中輔助醫生進行手術操作。

2.2 截骨導板與定位導板的聯合應用 截骨導板和定位導板主要依據CT 重建及虛擬手術后的骨表面形態進行設計。截骨導板在術中保證了截骨線與虛擬設計的手術方案一致，進而可以縮短手術時間，提高手術安全性。定位導板的作用是引導截骨塊在術中進行準確定位，進而提高手術的精準性。截骨導板和定位導板在術中可聯合使用。高廷益等［24］研究了截骨導板聯合定位導板在上頜骨Le Fort Ⅰ型截骨術中的應用，研究結果顯示上頜骨截骨和定位導板可精準地控制上頜骨的三維移動， 提高正頜外科中上頜骨Le Fort Ⅰ型截骨術的精度。陳瑩等［25］在頦部畸形患者的研究中發現在行頦成形術時，術中截骨導板和定位導板的聯合使用可以使術后獲得良好的效果，所有患者均對頦部外形滿意。

2.3 截骨導板與個性化鈦板聯合應用 截骨導板與個性化鈦板協同應用于正頜外科也是正頜手術的趨勢。截骨導板用于指導截骨和釘孔的制備，個體化鈦板用于上頜骨的定位和固定，是將術前虛擬設計準確轉移至術中實際的可靠方法［26-27］。個體化鈦板在手術中發揮頜骨定位導板和固定鈦板的作用，因此手術過程中不再需要中間板、頜間結扎及術中彎制鈦板，手術步驟得以簡化。MAZZONI等［28］報道將截骨導板和個性化鈦板用于Le Fort Ⅰ型截骨術中上頜骨的定位和固定有更好的精度且空間位置的再現性可達92%。但實際手術操作過程中，上頜骨前壁骨組織的薄弱使釘洞不易制備；此外，術中醫師只能在術前設計的截骨導板和個性化鈦板的引導下來進行截骨和骨塊定位，如需改變手術方案就只能放棄個性化鈦板的使用。

2.4 導航系統應用 隨著數字化技術的發展，計算機導航技術也逐漸應用在了正頜外科中。由于口腔頜面部解剖的復雜性，計算機導航技術在術中能實時跟蹤術前設計方案的特點，使得正頜手術過程中安全性增加［29］。但導航系統在正頜手術中的應用有一些限制，如下頜骨的可移動性、面部軟組織的形變性、光學導航系受光線的影響以及磁導航系統受金屬影響等，這些都阻礙了導航系統在頜骨和面部軟組織中的定位［30］。雖然已經研究出了相關措施，如計算機導航技術與超聲技術結合應用于軟組織的導航、與頜板結合應用于下頜骨手術的導航，但這些措施精確性的相關研究還較少。導航技術的應用為正頜外科提供了安全性，但由于設備成本高、系統的精確度不夠穩定以及學習曲線較長等原因［31］，目前導航在正頜外科中應用仍較少。

目前，數字化技術在正頜外科中的應用越來越廣泛，對手術設計、醫師操作、應用效果均有重要作用。但數字化技術在正頜外科的應用中還有一些不足之處，如CT 掃描的灰度值不均一、影響手術導板的設計和術中實現，面部軟組織的預測還不夠準確等。即便如此，數字化技術在正頜外科中的應用優勢不容忽視。