数字化三维手术模拟在正颌外科专科医师培训中的应用

沈末伦，王旭东

上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面科，上海市口腔医学研究所，上海市口腔医学重点实验室，上海 200011



·数字医学·

数字化三维手术模拟在正颌外科专科医师培训中的应用

沈末伦，王旭东

上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面科，
上海市口腔医学研究所，上海市口腔医学重点实验室，上海 200011

牙颌面畸形患者面部形态异常和咬合功能障碍常较严重，需要采用正颌—正畸联合治疗的方法进行矫正。治疗牙颌面畸形的正颌手术术野狭小、操作复杂、风险较大，其手术教学和操作培训手段有限，限制了此类技术的推广应用。文章介绍了将数字化三维手术设计与模拟系统应用于正颌外科专科医师培训，可取得良好的手术教学效果。实践表明，通过手术虚拟操作，可使受训医师加深对牙颌面畸形和正颌外科手术的理解。

牙颌面畸形；正颌手术；数字医学；培训；手术模拟

牙颌面畸形是指个体颅颌面生长发育过程中，受先天性或获得性因素影响所致的颌骨生长发育畸形，患者常有较严重的面部形态异常和咬合功能障碍，单纯正畸代偿治疗往往无法矫正畸形或不能获得满意的矫治效果，需通过正颌—正畸联合治疗才能获得较满意的面部美容效果和咬合功能。通过正颌手术矫正牙颌面畸形需要截开并移动牙—骨复合体，重建牙颌面结构三维空间关系。因此，对截骨的方式和牙—骨复合体移动的方向、距离，应在术前有精确的设计。正颌外科手术操作相对复杂、风险较大，并且在口腔内操作，视野狭小、手术教学困难，限制了此类技术的推广。

近年来，随着计算机技术和数字医学的飞速发展，越来越多的新兴技术被应用于外科领域。虚拟手术是利用虚拟现实技术将各种医学影像数据导入计算机中，建立一个数字模型，医师在虚拟环境中进行手术设计与模拟，并引导实际手术过程的一种新兴技术［1］。近年来，上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面科建立了数字化三维工作室，利用计算机技术将牙颌面畸形患者的螺旋CT数据以DICOM标准格式导入，并与患者的牙列三维扫描图像进行融合，重建颅颌面三维模型，通过相关软件在虚拟环境中进行三维头影测量分析以及虚拟截骨和移动，构建了颌骨畸形的数字化三维手术设计和模拟系统，并应用于正颌外科专科医师培训中，取得了较好的效果。

1　材料与方法

1.1病例资料

选择2014年5月至2015年6月在上海第九人民医院口腔颅颌面科完成正颌手术治疗，并随访一年以上术后效果满意的牙颌面畸形患者10例，男4例，女6例，平均年龄22.5岁（19～31岁），骨性II类错颌畸形3例，骨性III类错颌畸形7例。在数字化三维工作室资料库中调取该10例患者的术前面部正面、侧面及口内咬合照片，术前X线全口牙列曲面断层片、头颅定位正位及侧位片，术前螺旋CT数据以及牙列三维扫描图像，并调取患者的实际手术记录。

1.2数字化三维手术设计与模拟

将患者的螺旋CT数据以DICOM格式导入Proplan 1.0软件（Materialise公司，比利时），进行颅颌面骨骼三维重建，并与牙列三维扫描图像进行融合，构建颅颌面数字化三维模型，进行三维头影测量分析。在三维模型上，利用Proplan1.0软件分离下颌骨，并模拟上颌骨Le Fort I型截骨、双侧下颌支矢状骨劈开及颏成形截骨操作，各骨块经体数据重建，生成颅颌面骨骼的数字化树状结构模型。在此数字化三维模型上，对骨块进行上抬、下降、平移、旋转等操作，改变它们的相对空间位置，进行正颌手术设计与模拟，根据患者的面形、咬合、X线头颅定位侧位片头影测量分析以及三维头影测量分析结果，决定各截骨块移动的方向及量（如图1所示）。手术方案确定后，将设计模型数据以STL格式输出，在三维打印机上进行虚拟截骨导板、中间颌板及终末颌板的三维打印（如图2所示）。

图1　牙颌面畸形患者数字化三维模型正颌手术设计及虚拟操作

图2　图1所示患者的三维打印手术导板

1.3正颌外科专科医师手术虚拟操作及培训

选取刚进入专科医师培训基地的年轻医师5名，进行正颌手术的教学及操作培训。首先利用该数字化三维手术设计与模拟系统平台进行手术的教学示教，在虚拟环境中进行模拟截骨和骨块的移动操作演示，提醒注意事项。然后，由这5名受训医师分别独自利用该系统对选定的10例牙颌面畸形病例进行手术设计和模拟，完成正颌手术方案设计后，再与病案中记录的实际手术方式进行比较，由两名经验丰富的高级职称正颌外科专家共同对受训医师设计的方案进行评估，指出不足，分析原因，修正方案，引导受训医师思考不同截骨方式和骨块移动的意义。

2　结果

Proplan软件既可对牙颌面畸形患者的螺旋CT数据进行三维重建，并与牙列的三维扫描图像进行融合，构建数字化虚拟模型，又可对颌骨畸形进行三维头影测量分析及诊断。在三维虚拟模型上可以直观的确定患者畸形所在的部位、类型及程度。利用数字化三维手术设计与模拟系统，可以在三维空间上模拟Le Fort I型截骨、SSRO及颏成形截骨等操作，通过各骨块的相对移动来重建良好的面形及咬合。

数字化三维手术设计与模拟培训系统具有可重复性，受训医师可在虚拟模型上进行反复的截骨移动尝试，确定最终的手术方案。通过与实际手术方案的比较以及正颌外科专家的点评，受训医师可以找到自己设计的不足及原因，在三维空间上加深了对牙颌面畸形特征以及各种正颌手术截骨方式和骨块移动意义的理解，显著提高了其诊断分析能力与操作技能，使其可以快速、直观地理解颌骨畸形的空间解剖结构，掌握正颌外科手术操作，具有较高的手术教学意义。

3　讨论

3.1数字化三维手术虚拟操作及培训的作用

由于正颌手术都在口腔内进行，术区暴露有限、视野狭小、解剖结构复杂，即使在一助的位置有时也难以观察手术操作的具体过程，并且在术野及其邻近部位存在很多危险的重要解剖结构，一旦术中出现损伤，就可能出现严重的并发症，甚至危及患者生命安全［2］。因此，为避免医疗差错和医患纠纷的发生，年轻医师在进行临床实际操作训练前，应尽可能最大限度地掌握各种手术操作技能，在临床前的教学培训中提供高仿真的模拟环境进行技能训练显得尤为重要。数字化虚拟手术教学技术正是医学教育顺应现代医学发展的需要而产生的，该技术为教师和学生提供了一个无创、安全、高效、允许出错、可重复的训练方式，通过在虚拟模型上的模拟操作，完成技能训练，为临床实际手术操作训练打下坚实的基础［3-4］。Lehmann等［5］研究发现，利用内窥镜模型在虚拟环境下训练获得的操作技能可直接应用于临床实际，提示手术模拟训练可以通过短期强化培训获得以往临床上需要通过几年实践来获得的操作技能，培训效率高。Sternberg等［6］发现虚拟截骨手术系统可显著提高受训医师的手术操作技巧，较好地满足外科医师的临床教学培训需要，使受训者快速学习解剖结构，掌握手术技能。Sohmura等［7］在三维虚拟模型上借助力反馈设备对牙颌面畸形患者进行正颌手术设计、模拟截骨及移动操作，实现了力的实时感知反馈，高度仿真地模拟了真实的手术操作。该研究利用Proplan软件生成牙颌面畸形的数字化三维虚拟模型，受训者在虚拟环境下行骨块三维空间旋转、移位等模拟操作，实现了上颌骨Le FortⅠ型截骨术、SSRO、颏成形术等常规手术操作，模拟了真实的正颌外科手术截骨及移动过程。

3.2数字化三维手术设计与模拟系统在正颌外科教学中的意义

以往年轻的外科医师只能通过教科书和术中助手的形式来逐步积累解剖知识和手术技巧，学习效率低下。在当前医疗环境下，年轻医师实际手术操作训练的机会很少［8］。对于颌面部较为复杂、精确度要求较高并且手术风险较大的正颌手术，所需要的培训周期将更长。传统的基于头颅定位X线片的头影测量分析局限于二维的侧貌模拟；而石膏模型外科尽管实现了三维的手术设计和模拟操作，但缺乏颅颌面骨的整体空间结构，只能反映上颌骨和下颌骨的位置关系。数字化三维手术设计与模拟系统利用计算机软件重建了颅颌面骨骼的三维结构，并与牙列的三维扫描图像进行了融合，实现了三维头影测量分析，受训医师可以在虚拟三维空间中从不同的角度直观地观察分析，加深了对牙颌面畸形特征、类型及程度的理解。通过该系统平台，能在虚拟环境下模拟各种类型的正颌手术截骨及骨块的移动，更加逼真、形象、直观。在正颌手术过程中，骨块移动到新的位置后可能产生骨早接触，干扰牙—骨复合体的就位，术前利用该系统平台进行手术虚拟操作，可以预估骨早接触点的部位，使实际手术中的去骨操作更加精确。正颌外科专科医师利用该手术模拟系统进行手术操作技能的训练，缩短了临床培训时间，减少了医疗失误的发生。

另一方面，通过审核评估受训医师设计的手术方案，临床带教教师可以发现年轻医师容易出现的失误和不足。比如:对于骨性III类错颌畸形，年轻医师设计手术方案时，将下颌骨后退过多，忽视了术后气道变窄的问题；对于上颌骨发育不足、鼻旁区凹陷的病例，年轻医师设计时将上颌骨过度前移，未考虑鼻唇角变锐对容貌的不利影响；对于骨性II类错颌畸形、上颌前突的病例，年轻医师设计上颌骨Le Fort I型截骨后退距离过大，未考虑实际手术操作的可行性。利用该数字化三维手术设计与模拟系统，带教教师通过评估年轻医师手术设计方案的缺陷，发现其易犯的错误，从而在临床带教中做到有的放矢，提高临床教学效果。

总之，该研究充分肯定了数字化三维手术设计与模拟系统在正颌外科临床教学及操作训练上的意义。利用该系统进行正颌外科术前设计与规划，并模拟手术操作过程，满足了手术教学培训的需要。随着医学教育理念的改变和虚拟手术技术在教学培训中的推广，数字化虚拟手术教学及操作训练将在外科医师手术技能培训中发挥越来越重要的作用，需要加强有关虚拟现实与力和触觉反馈方面的研究。

［1］Kim JY，Kim W S，Choi EC，et al.The Role of Virtual Surgical Planning in the Era of Robotic Surgery［J］.Yonsei Med J，2016，57（1）：265-268

［2］李阳，曲卫国，马卫东，等.正颌外科手术矫治牙颌面畸形的临床回顾性研究［J］.现代口腔医学杂志，2009，23（3）：249-251

［3］于洪波，王博，王旭东，等.髁突骨软骨瘤治疗的虚拟设计及教学模拟［J］.中国医学教育技术，2015，29（2）：187-190

［4］周学东，张凌琳，叶玲，等.虚拟仿真技术在口腔医学教育领域的应用［J］.实验技术与管理，2014，31（5）：4-6，16

［5］Lehmann KS，Ritz JP，Maass H，et al.A prospective randomized study to test the transfer of basic psychomotor skills from virtual reality to physical reality in a comparable training setting［J］.Ann Surg，2005，241（3）：442-449

［6］Sternberg N，Bartsch M S，Petersik A，et al.Leaning by doing virtually［J］.Int JOral Maxillofac Surg，2007，36（5）：386-390

［7］Sohmura T，Hojo H，NakajimaM，etal.Prototype of simulation of orthognathic surgery using a virtual reality haptic device［J］.Int JOral Maxillofac Surg，2004，33（8）：740-750

［8］朱宏晋，徐玉梅.关于新医疗环境下临床实习生职业胜任力的培养研究［J］.中国医学伦理学，2015，28（4）：495-497

基金项目:该课题受北京大学口腔医学院教学改革项目资助。

收稿日期:2016-01-16

作者简介:赵雪竹（1983-），女，北京人，主治医师，博士，主要研究方向:3D打印模型及导板在口腔种植及教学中的应用。

通信作者:唐志辉（1970-），男，广西柳州人，主任医师，教授，博士，主要研究方向:3D打印导板在口腔种植中的应用、骨替代材料和促骨生长因子的研究。电话:010-82196237；E-mail:tang_zhihui@live.cn

App lication of digital three-dimensional surgical simu lation system in specialist training of orthognathic surgery

Shen Molun，Wang Xudong
Department of Oral and Craniomaxillofacial Surgery，the Ninth People's Hospital of Shanghai Jiaotong University School of Medicine；Shanghai Research Institute of Stomatology；Shanghai Key Laboratory of Stomatology，Shanghai200011，China

Patients with dento-maxillofacial deformities often suffer relatively severe facial anomalies and occlusal dysfunction，which need to be corrected with combined orthodontic and orthognathic treatment.Orthognathic surgery is very complicated with narrow operative field and relatively high risk.Themeans of orthognathic surgery teaching and operation training are limited，which restricts the promotion of orthognathic surgical technology.In this study，a digital three-dimensional surgical design and simulation system was applied to specialist training of orthognathic surgery with satisfactory results.Practice proves that through virtual operation training，the trained surgeons obtained a deeper understanding of dento-maxillofacial deformities and orthognathic surgery.

dento-maxillofacial deformity；orthognathic surgery；digital medicine；training；surgical simulation

G434

A

1004-5287（2016）03-0310-03

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603021

上海交通大学医学院2015本科教学改革立项项目［沪交医教（2015）9号文件］；上海交通大学医学院高峰高原计划“研究型医师”项目（20152225）；上海市市级医院新兴前沿技术联合攻关项目（SHDC12013103）

2016-01-19

沈末伦（1978-），男，安徽池州人，主治医师，硕士，主要研究方向:牙颌面畸形的临床与基础研究。

王旭东（1970-），男，福建泉州人，教授，主任医师，博士研究生导师，主要研究方向:颅颌面畸形的临床与基础研究。电话:021-53315144；E-mail:xudongwang70@hotmail.com