正颌外科手术数字化辅助定位方法研究

任战平等

[摘要]目的：提出一种正颌外科手术数字化定位方法。方法：根据计算机模拟结果设计基于分离骨段表面特征与空间位置关系的定位板，通过快速成型技术完成数字化定位板的制造，进行模型验证。结果：设计制作出SSRO骨表面划线和定位模板，骨表面定位板可以较为精确的对各骨段间定位，在三维方向贴合良好。结论：骨表面定位板提高了术后骨段间的精确性，是一种较为方便易行的正颌外科辅助定位方法，为进一步研究颌骨的定位分析打下基础。

[关键词]手术模拟；计算机辅助正颌外科；表面定位板；数字化定位方法

[中图分类号]R782.2 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2014）12-0970-04

Abstract：Objective To put forward the digital navigation method by computer-assisited orthognathic surgery. Methods According to the simulation result， the surface templates was designed which fit the bone segments' surface characteristics and space position to increase the navigation progress accurately. Results The result showed that SSRO Templates was fabricated with RP technology and used in the model surgery. The surface templates can be more accurate positioning between the bone segment and achieved in three-dimensional direction. Conclusion The method improve the accuracy between the postoperative bone segments.it is a relatively convenient and feasible method of aided positioning.

Key words： surgery simulation；computer-assisited orthognathic surgery； surface templates digital navigation mothod

正颌外科是一种以改善面部美观和功能为目的的不可逆的手术方式，现阶段人们对美观要求逐渐增高，对手术的期望值也增高，面部手术微小的偏差就可能严重影响美观，给患者带来终身痛苦。随着计算机及医学影像技术的发展，应用计算机辅助正颌外科的技术在术中进行精确地截骨、移动，定位是正颌外科手术计划能够顺利实施，获得理想的手术效果的前提[1-3]。

本研究旨在设计应用于正颌外科的数字化定位方法，首先利用医学反求技术与逆向工程技术完成颌面部骨骼模型的三维重建，其次在三维模型上模拟手术操作，包括截骨、移动/旋转、固定等，然后设计应用于下颌升支矢状劈开截骨术（Sagittal split ramus osteotomy，SSRO）数字化定位板，以期提高手术精度。

1 资料和方法

1.1临床资料

1.1.1一般资料：选择一名就诊于西安交通大学口腔医院颅颌面整形创伤外科的成年男性牙颌面畸形患者为对象，正颌外科治疗计划：双颌外科手术，上颌骨前徙5mm，下颌骨后退10mm。术前CBCT扫描。试验前已获得志愿者知情同意。

1.1.2试验工具：个人图像工作站 （组装）；锥形束 CT（Cone-Beam computed tomography，CBCT，韩国，2009 年生产）；Mimics 10.0医用图像与三维重建软件 （Materialise公司，比利时）；Geomagic Studio 12.0逆向工程和三维检测软件 （美国 RainD rop公司 ）； SPS-600 激光快速成形机。

1.2方法

1.2.1原始数据采集：对样本颅面部进行CBCT扫描。曝光时间15s，管电压90 kV ，管电流7mA.s-1；层厚0.4 mm。共扫描图像476张CBCT 扫描数据以DICOM 格式刻盘保存导出。

1.2.2在Mimics中原始图像的处理和初始三维图像的生成：根据患者体位分别定义横断面、冠状面和矢状面，将患者476张CBCT图片有序叠放，将数据信息存入计算机并将不同序列的数据导入Mimics 10.0软件。利用软件阈值分割（Thresholding）的功能提取出不同的组织数据。选择软件默认的骨组织CT 值范围（226-3071），得到患者颌面骨骼数据蒙板，通过三个视图窗口观察提取出的骨组织数据。适当调节阈值分割的上下限，采用蒙版编辑命令去除伪影，在骨组织提取完全的前提下减少伪影。

1.2.3上下颌骨分离：通过 Mimics 软件区域增长（Region growing）命令，将CT图像上彼此不相连的分割区域细分，形成新的分割区域。利用编辑蒙板（Editing mask）命令，分离图像中下颌骨数据，分割完毕后进行区域增长，得到下颌骨数据的蒙板，利用布尔操作（Boolean operation）命令，对整体蒙板和下颌骨蒙板做布尔减运算，即可得到上颌骨数据的蒙板。

1.2.4 三维重建：采用Mimics软件的计算3D模型（Calculate 3D）命令，选择需要重建的蒙板以及重建质量，即可重建三维模型。重建过程中，重建质量参数的设定较为关键，选择高质量，精度高的重建参数如表重建出的颌面骨骼模型光滑、美观，更逼近真实骨骼模型（如图1）。

1.2.5计算机模拟截骨：利用 Mimics 软件 Silulation 模块中的面板切割（cut with polyplane）命令，模拟下颌升支矢状劈开截骨术以及上颌骨Le Fort I型骨切开术，利用分离（split）命令，将不同的骨段部分相互分离，完成截骨。

1.2.6 计算机模拟正颌外科手术：在虚拟环境下模拟相分离骨段的移动/旋转、拼接以及截除，手术方案由外科医生根据X 线头影测量以及模型外科预测的结果提供：上颌水平前徙 5mm，下颌水平后退10mm。完成相分离骨段移动方向的建立，利用软件重定位（Reposition）命令完成颌骨相分离骨段的移动。选中下颌骨远心骨段，选择沿轴线移动命令，按手术方案完成上下颌骨的移动。观察模拟手术前后患者面形及咬合关系的变化，分别测量术前术后患者ANB角，进行手术方案的验证。

1.2.7 SSRO划线板和定位板的设计过程：将Mimics软件导出的STL文件导入Geomagic studio12.0软件。根据SSRO骨切口线的走向形态以及模拟手术后下颌骨相分离骨段之间的表面解剖结构特征与空间位置关系设计划线板和定位板，这2副导板在 X、Y、Z 三个方向上设计，其内表面取自下颌骨切口区域的外表面，定位板外表面由内表面向外偏移1mm形成，最后完成定位板的封装，在其过渡处设计圆角，避免应力集中，应用快速原型技术进行加工（如图2）。

1.2.8 下颌骨树脂模型外科验证：利用光固化快速原型技术加工出患者下颌骨树脂模型，划线板与定位板模型，体外模拟手术，应用划线板严格按照三维模拟重建影像上的截骨线完成划线并进行SSRO截骨手术并去除多余干扰骨质，验证定位板的有效性。

2 结果

利用Mimics软件成功重建了颌骨的三维模型，并按照手术计划完成计算机模拟正颌外科手术。经观察模拟手术后颌面部轮廓变化明显，获得较为理想的面形和咬合关系。由三维模型测量可知，术前患者 ANB 角为-12.5，经过骨段平移后 ANB 角变为-1.9°（如图3）。

应用光固化快速原型技术加工出患者下颌骨树脂模型，根据下颌骨骨质表面解剖结构特征，利用Geomagic studio12.0 软件成功设计出SSRO划线板与定位板（如图4）。设计定位板为带有升支部挡板和体部台阶的J 型结构，从而完成下颌骨矢状劈开后近远心骨段在三维方向上的定位（如图5）。经树脂模型验证，定位板各个位置与骨质表面贴合良好，表明下颌骨近、远心骨段按术前设计达到准确的位置（如图6）。

3 讨论

严重的颌面部骨骼畸形需要正畸与外科联合治疗。通过正颌外科手术主要改变患者颌面部轮廓，重建患者咬合关系，手术的质量直接决定了整个矫正过程的质量，也决定着术后正畸能否顺利进行，因此保证正颌外科手术的定位精度以及固定稳定性就成了畸形矫正的重点[4]。咬合导板是目前正颌外科手术中确定截骨段重新定位的主要方法，也是重建术后咬合关系，保证达到术前设计精确性的重要保障[5]。然而，咬合板的制作是通过石膏模型外科设计制作完成，其更多地是反应了术后咬合关系所处的状态，无法精确的反应上下颌骨截骨线之间的变化，忽略了颌面部相分离骨段的空间位置关系；同时截骨过程过分依靠医生经验，截骨精度低；定位过程重点在保证患者咬合关系，固定过程产生的附加力容易破坏已形成的定位关系，这些缺点往往造成术后结果偏离术前设计，导致术后畸形复发，甚至手术失败[6-7]。因此，如何在保证术后良好咬合关系的同时进行相分离骨段的定位与固定就成为正颌外科手术的关键[8-9]。

在SSRO手术中，由于在完成截骨后近远心骨段分离后，远心骨段位置可以通过咬合导板来确定，而近心骨段由于颞下颌关节头即髁状突的存在，导致其位置的不确定，因此有必要对截骨后各个骨段的精确定位进行研究[10]。本研究中，通过逆向工程软件Mimics将患者CBCT数据进行处理，分离上下颌骨、创建三维模型，依据手术设计方案完成虚拟截骨、定向移动骨段，重点关注颌骨在截骨线之间的变化情况[11]。根据术式中显露的下颌骨骨面解剖特征，利用快速成型技术根据预定方案设计制作划线板、定位板，实现基于骨段移动后表面特征以及空间位置关系的定位。划线板的目的在于保证在树脂模型模拟外科手术中截骨线与虚拟手术的一致性和准确性。在截骨线的两侧设计定位导板，其水平骨切口处设计挡板，在垂直骨切口处设计台阶，以及下颌骨下缘处设计成J型结构，通过导板与截骨后近远心骨段表面的贴合程度来确定近远心骨段之间的位置关系，一方面可以使得近远心骨段在截骨移动后的定位，另一方面，也可以保障髁状突位置与术前保持一致，从而减少术后的复发。

该定位板的优势在于：通过三维重建了解颌骨畸形的特征，虚拟手术对术后效果直观的了解，树脂模型模拟手术对临床手术的实施提供有益帮助[12]。设计配套划线切骨板，可以准确将计算机模拟的手术结果转移到临床中，保证术中截骨与定位的精确性。操作简单、截骨精确，避免了传统手术中截骨部分过分依赖医生经验的现状。有望缩短手术时间，降低手术风险。当然，在临床上，多数患者畸形较严重，手术中上下颌骨不仅要作前后方向的移动，同时还伴有左右方向，垂直方向，甚至作旋转移动。如何将咬合导板与骨间定位板结合应用，获得更为理想的咬合关系以及骨段间的精确定位，仍需进一步探索研究。

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[收稿日期]2014-03-25 [修回日期]2014-04-30

编辑/何志斌