數(shù)字化技術(shù)在顱頜面外科的應(yīng)用進展

王玨等

顱頜面外科主要的治療對象是各種先后天因素造成的顱頜面骨及相應(yīng)軟組織的嚴重畸形，這類畸形多數(shù)為醫(yī)學(xué)史上公認的一類疑難病，對患者的危害極為嚴重而治療的難度很高，風(fēng)險也很大，其診治必須以整形外科為主導(dǎo)的多學(xué)科專家的密切配合并充分利用各種先進的科學(xué)技術(shù)?，F(xiàn)就數(shù)字化技術(shù)在顱頜面外科的應(yīng)用進展綜述如下。

1數(shù)字化外科技術(shù)的概況

數(shù)字化外科學(xué)是以醫(yī)學(xué)影像學(xué)及解剖學(xué)為基礎(chǔ)，將三維重建、計算機輔助設(shè)計和制造、計算機導(dǎo)航系統(tǒng)等相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于臨床外科，將二維圖像或結(jié)構(gòu)光測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維立體測量分析，從而精確地輔助及模擬手術(shù)設(shè)計。數(shù)字化技術(shù)最初應(yīng)用于骨科、神經(jīng)外科等。1983年，Hemmy等[1]首次將三維重建技術(shù)應(yīng)用于顱頜面外科，開啟了數(shù)字化技術(shù)在顱頜面應(yīng)用的先河。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計和制造技術(shù)（CAD/CAM）也被應(yīng)用于顱頜面外科。1986年，Mankovich[2]首次以虛擬頭顱三維重建技術(shù)為基礎(chǔ)，將計算機輔助鑄造出的硅膠用于眶顴骨缺損的病例中。隨著數(shù)控加工技術(shù)日益成熟，快速成型技術(shù)（Rapid prototyping tecnology，簡稱RP技術(shù)）問世。1991年，RP技術(shù)中光固定化立體造型（SLA）在維也納首次被引入口腔頜面外科的臨床應(yīng)用。20世紀90年代，計算機輔助手術(shù)技術(shù)開始應(yīng)用于顱頜面外科，1991年，Atobelli等[3]在計算機生成的三維圖像上模擬了顱面整形手術(shù)。近幾年，3D攝影、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)智能機器人等新型技術(shù)在國內(nèi)外顱頜面臨床開始應(yīng)用[4-6]。

2數(shù)字化外科技術(shù)的組成

2.1三維重建技術(shù)：三維重建技術(shù)是在二維CT圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用計算機技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)據(jù)輸出為三維立體圖像，從而準確地顯示解剖結(jié)構(gòu)與病變的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍組織結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，為顱頜面外科的畸形修復(fù)和顏面整形提供了更為精確且量化的模擬。1979年，Herman 等[7]報道了人體器官及骨組織的三維重建技術(shù)，將數(shù)字化技術(shù)引入外科學(xué)。20世紀80年代至90年代，三維重建技術(shù)迅速發(fā)展。1984年，Marsh[8]利用三維CT重建技術(shù)進行了顱眶整復(fù)手術(shù)的模擬設(shè)計；1986年至1989年，建立起基于CT 影像資料的計算機輔助顱頜面外科手術(shù)三維模擬設(shè)計系統(tǒng)[9-10]。1995年，Gulyas 等[11]提出了應(yīng)用數(shù)字化三維技術(shù)進行顱頜面外科手術(shù)設(shè)計的理念。近年來，三維重建技術(shù)在顱頜面外科的應(yīng)用已不僅局限于硬組織，顱面部的三維重建可從組織結(jié)構(gòu)進行細致的分層顯示，將面部皮膚、皮下淺筋膜、面部血管神經(jīng)等逐層顯示出來[12-13]。三維重建技術(shù)是數(shù)字化外科的基本技術(shù)，為模擬外科提供了重要的方法。

2.2計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD）和計算機輔助制造技術(shù)（CAM）：計算機輔助設(shè)計技術(shù)是數(shù)字化外科的核心，利用CT掃描得到的對顱面部解剖結(jié)構(gòu)的虛擬數(shù)據(jù)，在三維編輯軟件環(huán)境下，對數(shù)據(jù)進行各種處理，完成數(shù)字化三維重建。其組成包括：鏡像技術(shù)、有限元分析、自由曲面構(gòu)建技術(shù)、數(shù)據(jù)分割技術(shù)、數(shù)據(jù)構(gòu)建技術(shù)、圖像配準技術(shù)、差值分析技術(shù)等。應(yīng)用計算機輔助設(shè)計軟件可對顱面骨進行三維重建，在PC機上完成顱面骨虛擬切割和移動，使復(fù)雜手術(shù)的模擬成為可能并預(yù)測術(shù)后效果。很多學(xué)者將計算機輔助設(shè)計及制造技術(shù)應(yīng)用于頜面骨缺損修復(fù)、畸形修復(fù)以及頜面牽引成骨，均取得了良好效果[14-17]。

計算機輔助制造技術(shù)（CAM）以快速成型技術(shù)（簡稱RP技術(shù)）為代表?？焖俪尚图夹g(shù)是20世紀80年代后期發(fā)展起來的新型工業(yè)制造，它以光敏樹脂為原料將計算機輔助設(shè)計零件（CAD）模型通過軟件分層離散和數(shù)據(jù)成型系統(tǒng)重新分層、逐層疊加，完成填充物的輪廓編輯和成型，從而制造出三維實體模型，其中SLA方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域中研究最多且技術(shù)上最為成熟的方法。SLA工藝成型的零件精度較高，加工精度可達到0.1mm，原材料利用率近100%。在顱頜面外科，在CT掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上運用快速成型技術(shù)制作的三維頭顱模型能直觀、真實、立體、精確地顯示顱面部的三維解剖結(jié)構(gòu)及空間關(guān)系，在此基礎(chǔ)上可進行精確的測量和準確的臨床診斷，為制定合理的手術(shù)治療計劃提供重要依據(jù)。同時，術(shù)前可在三維頭顱模型上進行手術(shù)設(shè)計、模擬操作并預(yù)制個性化修復(fù)體進行填充。

2.3計算機輔助手術(shù)模擬（Computer Assisted Surgery Simulation，CASS）：計算機輔助手術(shù)模擬是虛擬手術(shù)的一種，是基于各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)運用計算機圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實來模擬、指導(dǎo)手術(shù)，使復(fù)雜精確的手術(shù)成為可能。對于顱頜面外科而言，準確的術(shù)前設(shè)計是手術(shù)成功的保證，因而建立基于CT的三維圖像的虛擬現(xiàn)實外科計劃、模擬系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)工作站對顱頜面外科有重大意義。近年來，CASS開始應(yīng)用于顱頜面復(fù)雜畸形和創(chuàng)傷患者的治療修復(fù)并取得了良好的效果[18-20]。

2.4計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)（computer assisted navigation system， CANS）：計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)是計算機輔助外科技術(shù)的重要組成部分。計算機輔助導(dǎo)航系統(tǒng)是將計算機處理的三維模型與實際手術(shù)進行交互，通過紅外線或者激光對手術(shù)器械位置的追蹤，最大可能地提供術(shù)區(qū)信息，屬于計算機增強現(xiàn)實。其基本操作步驟包括獲得術(shù)前三維圖像、制定手術(shù)方案、模擬手術(shù)和術(shù)中注冊導(dǎo)航。計算機導(dǎo)航的優(yōu)點：①定位確切，使手術(shù)更為精準，提高手術(shù)成功率；②將三維模型與手術(shù)部位準確匹配，實施個體化手術(shù)方案；③避開重要解剖結(jié)構(gòu)，使手術(shù)更為安全，減少術(shù)后并發(fā)癥；④輔助教學(xué)和遠程醫(yī)療[21]。導(dǎo)航系統(tǒng)的精確度主要受系統(tǒng)本身誤差、影像資料的準確性、術(shù)中組織移位等因素的影響[22]。

2.5數(shù)字化新技術(shù)： 已被證實，機器人手臂可以完成復(fù)雜的手術(shù)軌道切割[23]。隨著術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)的成熟，出現(xiàn)了比機器人手臂更為完善的手術(shù)機器人輔助系統(tǒng)，可獲得比外科醫(yī)生手術(shù)操作更為準確的精度，如用于顱內(nèi)植入定位[24-25]。迄今為止，相關(guān)機電研究為手術(shù)機器人輔助系統(tǒng)進入臨床提供了堅實的基礎(chǔ)，但是在術(shù)中應(yīng)用的安全性還需進一步被證實[26]。

3數(shù)字化技術(shù)在顱頜面外科治療中的應(yīng)用

顱頜面外科是法國整形外科專家Tessier教授于20世紀60年代后期創(chuàng)立的一門新興學(xué)科。它通過特殊的截骨和植骨方法將顱頜面骨分塊移動，按照整形修復(fù)原則重新排列組合與固定，從根本上矯正各種嚴重的顱頜面畸形[27]。顱頜面腫瘤、外傷和畸形經(jīng)常導(dǎo)致嚴重的咀嚼功能障礙和面部輪廓損壞，顯著降低患者的生活質(zhì)量。然而，畸形的顱面骨是立體多面且不完全規(guī)則的，X片和CT的二維圖像不能對三維結(jié)構(gòu)進行立體呈現(xiàn)和定量測定，導(dǎo)致受損及畸形骨的復(fù)位缺乏準確性，通常很難恢復(fù)預(yù)期的面部形態(tài)。對于外科醫(yī)生而言，提高顱頜面缺損和畸形患者的術(shù)后效果仍然是一個挑戰(zhàn)。把數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于外科診斷和治療中，可以幫助解決這個問題[28]。

3.1在顱頜面腫瘤中的應(yīng)用：數(shù)字化技術(shù)在顱頜面腫瘤的評估、手術(shù)切除和術(shù)后修復(fù)中均有重大幫助。一些學(xué)者應(yīng)用三維數(shù)字立體攝影測量技術(shù)評估患侵襲性纖維瘤病的兒童進行下頜骨節(jié)段性切除術(shù)后2年內(nèi)的面部發(fā)育情況，認為三維數(shù)字立體攝影測量是一種客觀、量化的監(jiān)測面部增長的無創(chuàng)性方法[29]。Lübbers等[30]為一個巨大額骨和顳骨骨母細胞瘤的患者進行術(shù)前虛擬規(guī)劃，運用鏡像技術(shù)和導(dǎo)航系統(tǒng)在術(shù)中切除病灶，同時利用自體顱骨根據(jù)健側(cè)重建患側(cè)，術(shù)后效果良好，為復(fù)雜的顱頜面腫瘤手術(shù)提供了新方法。近年來，國內(nèi)不少學(xué)者也將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用在顱頜面腫瘤并取得了很好效果。一些學(xué)者對14例顴上頜骨骨纖維異常增殖癥的患者進行術(shù)前顱面骨三維重建，運用鏡像技術(shù)精確標記需要切除的骨量，術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)指導(dǎo)病變骨的切除，每例患者術(shù)后效果與預(yù)先估計值最大差異小于2mm[31]。此外，數(shù)字化技術(shù)在顱骨缺損修復(fù)也有應(yīng)用。數(shù)字化三維顱骨成形技術(shù)應(yīng)用在Ⅰ期顱骨修補術(shù)，提高顱骨塑形的精確度，減少顱骨修補術(shù)后的并發(fā)癥和縮短手術(shù)時間[32]。

3.2在顱頜面外傷中的應(yīng)用：在顱頜面外傷中，眶顴骨折占很大比例。眼眶重建修復(fù)最大的困難在于眼眶周邊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，血管神經(jīng)豐富，要精確恢復(fù)病前的眼眶骨性輪廓和恢復(fù)眼外肌功能是臨床的一個難點。傳統(tǒng)的手術(shù)雖然行之有效，但卻會給患者留下外觀上的缺陷。國外一些學(xué)者將術(shù)前手術(shù)模擬和術(shù)中導(dǎo)航相結(jié)合，對外傷導(dǎo)致的單側(cè)眼眶畸形進行修復(fù)重建，解剖學(xué)復(fù)位精度高，但由于軟組織限制導(dǎo)致的繼發(fā)畸形并未完全克服。結(jié)果提示，術(shù)前模擬手術(shù)和術(shù)中導(dǎo)航可為復(fù)雜的眶壁修復(fù)提供有益的指導(dǎo)[33]。國內(nèi)有學(xué)者研究表明，計算機輔助導(dǎo)航外科有助于提高顱頜面陳舊性骨折的復(fù)位精度[34]。一些學(xué)者運用鏡像技術(shù)制作眶顴骨折患者的三維頭顱模型，并在模型上對鈦網(wǎng)進行解剖塑形，修復(fù)眶壁缺損的準確性比預(yù)成鈦網(wǎng)更高[35]。此外，SLA模型在顱骨缺損的修復(fù)中也有著廣泛應(yīng)用。一些學(xué)者應(yīng)用光學(xué)三維成像和快速成型技術(shù)對比例越過面中線的頜面大面積缺損進行假體移植，證實虛擬移植用于保留眼結(jié)構(gòu)的大面積頜面部缺損修復(fù)是可行的[36]。

3.3在顱頜面畸形方面的應(yīng)用： 顱頜面畸形修復(fù)手術(shù)包括了對先天及后天因素導(dǎo)致頭面畸形的矯治。手術(shù)成功與否不僅取決于手術(shù)操作，在很大程度上也取決于精確的手術(shù)方案[37-39]。傳統(tǒng)的手術(shù)在石膏模型上模擬手術(shù)截骨軌跡，這對于要求高精度的復(fù)雜顱頜面畸形手術(shù)是巨大限制，于是開始有學(xué)者運用三維計算機手術(shù)模擬（CASS）進行顱頜面手術(shù)術(shù)前設(shè)計[40]。一些學(xué)者收集12例顱頜面畸形患者，為其制造三維顱骨模型，并進行兩次模擬手術(shù)：在CASS輔助下進行模擬手術(shù)和傳統(tǒng)手術(shù)。術(shù)后從顱面整體骨骼矯正以及上頜、下頜、頦的矯正水平分別進行統(tǒng)計學(xué)評估。結(jié)果表明，運用CASS取得的手術(shù)效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，術(shù)者應(yīng)用CASS能更好地矯正偏牙合畸形，恢復(fù)下頜骨的對稱性[41]。Malis等[42]在術(shù)中導(dǎo)航的輔助下對顳下頜關(guān)節(jié)強直患者進行了精確的截骨術(shù)和假體置入，完成了全顳下頜關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)后效果良好。

3.4在顱頜面外科其他領(lǐng)域的應(yīng)用： 一些學(xué)者使用3D立體攝影或3D軟件進行顱頜面術(shù)前與術(shù)后軟組織的評估，以及軟組織的變化和正頜手術(shù)復(fù)發(fā)的客觀評價[43-44]。一些學(xué)者運用三維電腦斷層數(shù)據(jù)的體積和表面積分析可精確評估冠突的大小，為冠突肥大的臨床診斷和治療提供了幫助[45]。

4展望

數(shù)字化技術(shù)可為復(fù)雜的顱頜面畸形提供準確的診斷及合理有效的治療方案。近年來，有關(guān)顱頜面外科術(shù)前三維重建及術(shù)中導(dǎo)航應(yīng)用的研究激增，但數(shù)字化技術(shù)需要基本的設(shè)備和軟件，花費的時間比較多，使用成本也較高，臨床推廣有一定限制。另外，很多醫(yī)生對數(shù)字化外科的熟悉程度不夠，很難將其靈活運用于臨床，遠期的評估及相關(guān)的收益分析也有待進一步研究。這需要計算機、機電和醫(yī)學(xué)等多方面人才的共同努力，才能將數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢在顱頜面外科充分發(fā)揮。

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[收稿日期]2012-04-28 [修回日期]2012-06-01

編輯/李陽利