数字化时代的正颌手术概况

刘建华 黄佳梦 林军 林轶 李娟

刘建华，现任浙江大学医学院附属第一医院口腔医疗中心主任，口腔颌面外科(国家临床重点专科)主任；浙江大学《口腔科学》教学委员会主任/责任教授；博士生导师；浙江省口腔医师协会副会长；浙江省口腔颌面外科专业委员会主任委员；中国肿瘤防治联盟（UCOM）口腔肿瘤专业委员会浙江省主任委员。兼任《BioMed Research International》《Jacobs Journal of Surgery》等国际杂志编委；作为主要完成人获得省部级科技进步二、三等奖8项；获国家专利2项；先后发表论文100余篇，部分在 《J Oral Maxillofac Surg》《Int J Oral Maxillofac Surg》《British J of Oral and Maxillofacial Surg》等国际知名期刊发表；作为主编编写《唇鼻整形美容手术图谱》（人民卫生出版社）；具有30多年口腔颌面外科各类手术临床经验。

传统正颌手术的治疗设计是在X线头影测量分析的基础上，获取患者牙列石膏模型及咬合记录，转移面弓上牙合架进行模型外科分析，设计颌骨运动的方向和范围，最后制作手术牙合板。然而，这种方法在真实骨骼运动的精确模拟，以及复杂三维颌面部结构的表达和分析（如标志点识别和解剖结构重叠）等方面存在局限性。随着数字化成像技术和计算机软件的发展，计算机辅助正颌手术系统（CAOS）已越来越多地被应用于正颌手术中的诊断和治疗设计[1-3]。应用专业的软件（如Dolphin Imaging）可以整合CT图像数据和三维激光表面扫描数据，重建颅面骨骼、软组织、上下牙列模型的三维影像，精确呈现复杂的三维结构和位置关系，并在此基础上制定手术计划，模拟手术过程以及预测手术效果。本文对笔者团队近几年来数字化正颌手术的概况进行总结，包括三维成像及手术设计、手术模拟、3D打印和手术导航系统，以期为其临床实际应用的推广提供参考。

1 三维成像在正颌手术术前设计中的应用

基于锥形束CT（CBCT）的3D成像技术相较于2D成像能提供更准确的解剖结构显示，有助于临床医师进行正颌手术的诊断、治疗设计和治疗结果评估。

CBCT是一种容积式图像采集技术，可获得高质量的三维重建模型，与传统的CT成像相比，辐射剂量更低，扫描时间更短，成本更低，它已被广泛用于正颌手术中的牙颌面成像[4]。

在CBCT扫描重建中，面部形态无颜色和纹理，我们可以通过两类立体表面成像系统（即三维摄影和激光表面扫描）获得面部表面的纹理和颜色信息，然后建立面部表面和三维重建骨骼相结合的虚拟模型，以实现自然逼真的软组织模拟和测定[5-6]。此外，CBCT在牙齿的精确识别上存在不足，随着3D激光牙颌模型扫描仪、口内扫描仪等仪器的出现，我们能够获得精确的牙齿表面数据，对咬合关系的重建更加精准。许多研究已经报道了CBCT骨模型和数字牙模型的整合方法，能够同时呈现三维骨骼结构、牙齿和咬合[7-8]。

2 模拟手术

Dolphin Imaging是一款应用于正畸正颌领域的诊断、设计软件，它有多种功能，如整合多源性的三维图像数据，三维头影测量分析，识别和描绘特定的解剖结构并进行图像分割，模拟正颌手术以及预测软组织的变化等。结合临床检查、三维头影测量分析以及数字化模型的研究，能够对颌面部畸形进行正确的诊断[9]，并形成一个初步的治疗计划。外科医生根据初步治疗计划在Dolphin Imaging软件中对颅骨-牙齿复合体模型执行特定的虚拟手术[1，10]。在模拟过程中，不仅可以实现精确量化截骨和截骨段的自由移动，还能够进行测量数据的实时监测，便于调整截骨段使其移动至最佳位置[11]，并且可以更加真实地描绘软组织的变化[12]。此外，医生可以使用3D模型向患者展示制定的手术方案，以便于患者更好地理解。目前用于正颌模拟手术的其它常用软件还包括Mimics、Sim-Plant OMS和Maxilim。

病例1（图1）：患者男，35岁。因“阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征”至本中心就诊。运用Dolphin Imaging软件三维成像，进行三维头影测量分析，诊断为“上颌前突、下颌后缩”。手术方案拟行“上颌骨LefortⅠ型截骨术+双侧下颌升支截骨术+颏成形术”，在Dolphin Imaging中进行模拟手术，并预测软组织的变化。术后患者气道狭窄问题得到纠正，面型明显改善。

3 3D打印技术在正颌手术中的应用

3D打印技术是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）的快速发展，3D打印模型、手术牙合板、个性化截骨导板和再定位导板等逐渐应用于正颌手术中[13]，有助于诊断和分析问题，节省制作时间，提高手术精确度，促进了手术效果的可预见性[1，14-15]。

传统的正颌手术是以模型外科为基础，用自凝塑料制作手术牙合板，不仅工作量大，而且存在较大误差。使用3D打印技术制作的数字化牙合板较传统牙合板精确很多，其可靠性和准确性已经得到了大量研究的验证[16-18]。完成手术模拟后，根据中间和终末牙齿位置，在计算机辅助设计软件中进行牙合板的数字化设计，然后在快速成型机中制造出来（图2），大大提高了牙合板的精确度及制作效率，有利于手术计划的准确实现。

此外，复杂的截骨操作也可以在个性化截骨导板的引导下进行，并用再定位导板辅助骨块定位，使其移动至理想位置上。许多研究评估并肯定了使用CAD/CAM再定位导板联合截骨导板等能将模拟手术计划有效并精确转移至手术中[19-21]。此外还有多种改良的数字化定位方法，例Shehab等[22]提出了一种牙/骨支持式的牙合板设计来辅助上颌定位；Yamauchi、Gander、Kraeima等[23-25]报道了使用牙支持式CAD/CAM截骨导板及个性化钛板，指示LefortⅠ截骨线及钛板固定位置，快速准确定位上颌骨；Lee等[26]引入一个新的CAD/CAM钥匙和锁孔系统，能够同时再定位上颌骨和下颌骨，不需要中间牙合板；Polley和Figueroas[27]介绍了一种以咬合为基础的“正颌定位系统”。以上这些衍生的数字化定位方法，都实现了将术前虚拟设计准确转移至术中实际，便于临床操作。

图1 病例1患者应用Dolphin Imaging软件完成三维成像、正颌手术模拟及软组织变化预测

图2 3D打印手术牙合板

病例2（图3）：患者女，25岁。正颌术后6个月，面型不对称，右侧下颌骨稍膨隆，要求二次修复。通过3D打印患者下颌骨模型，进行诊断并设计治疗方案。同时，制作3D打印个性化截骨导板引导手术操作，达到手术计划精确实现的目的。

图3 病例2患者正颌手术（a：患者面型不对称；b：3D打印模型研究示左右两侧下颌骨体部高度不一致；c、d：制作右下颌骨3D打印个性化截骨导板，引导术中截骨）

病例 3（图 4）：患儿女，2 岁。因“腭裂、面部畸形”至本中心就诊，通过临床检查结合3D打印颌骨模型分析，诊断为“Ⅱ度腭裂、颌骨发育不全”，于本中心行下颌骨牵张成骨术，再择期行腭裂修整术。术前，在3D打印模型上设计截骨线及钛板固定位置，制作个性化截骨导板及钛板，提高了手术的精准度。术后1年复诊，患者下颌骨生长情况良好，面型改善效果较为理想。

图4 病例3患儿正颌手术（a、b：患儿治疗前面型，上下颌骨严重发育不足；c、d、f：手术前，在3D打印模型上设计截骨线及钛板固定位置，制作个性化截骨导板及钛板；g、h：术后1年复诊，患儿面型改善佳）

4 实时手术导航系统在正颌手术中的应用

实时手术导航系统是将经计算机处理的三维立体模型与实际手术进行交互，通过红外线或者激光对手术器械位置的追踪，最大化地提供术区信息，属于计算机增强现实技术。在数字化正颌外科中，实时导航系统扩展了手术医生临床操作中有限的视野范围，使手术在更加直视、更加清晰的术野内完成。手术期间，根据术前导航计划中制备的截骨点，可以安全地进行常规截骨术。同时，骨块原始位置和新位置均会显示在计算机屏幕上，可以观察到探针和验证点之间的距离，能够实现准确定位，更加客观、量化地反映治疗过程[28-29]（图5-6，见插页）。该技术可以作为引导截骨，检查骨移动，确定最终骨位置的权威性工具，有利于提高复杂双颌手术的准确性，降低手术风险。常用导航系统包括 Instatrak、Stealth Station、Stryker Navigation System。

图5 术中固定手术导航仪

图6 利用手术导航系统进行左侧上颌骨修整术（a：红色区域为膨隆的上颌骨区域，蓝色区域为正常区域，需要修整左侧上颌骨以达到面型对称的目的；b：根据蓝色正常区域镜像生成绿色区域，即确定了预期的治疗结果）

5 讨论

传统的正颌手术设计基于二维X线影像和石膏模型，对骨块移动以及术后软组织预测的精确度不高，而正颌手术计划对准确性要求较高，患者对外貌以及功能的需求往往高于其它类别的手术，较小的偏差都可能导致治疗结果不理想，特别是对于面部严重畸形或不对称的患者。采用CAOS系统，可以提高治疗计划的准确性和手术执行的精确性。

通过Dolphin Imaging软件将三维虚拟模型与头影测量分析结合在诊断和治疗计划中，可以协助临床医师对颌面结构进行综合评估；同时，能在软件中执行虚拟手术，并建立一个明确且客观的矫正面部畸形的治疗计划，最终有利于改善患者的治疗结果。手术过程中，应用截骨导板、再定位导板和实时手术导航系统等，有助于外科医生在术中将骨块准确地移动到预期理想位置，实现虚拟手术计划的高精度转移。

通常术后有两种验证虚拟设计转移准确性的方法，即色差度量和描述性统计分析[30]。术后拍摄CBCT，以颅底为基准初始配准模拟和实际术后图像，进行可视表面模型重叠，通过色度划分比较虚拟手术图像与术后结果之间的差异，也可以采用某些统计分析方法比较虚拟和实际术后图像的各个测量参数之间是否存在统计学差异，对其准确性和可靠性进行更进一步的量化分析[31-32]。我中心近几年开展数字化正颌外科的经验结论证实了通过计算机辅助设计和制造技术，能够实现虚拟手术计划的准确转移，误差较小。

总而言之，数字化正颌手术已逐渐在临床实践中应用。它有助于在手术前通过问题分析和计划设计来提高手术精确度，减小术中误差，缩短手术时间，达到令人满意的咬合及美观效果。随着相关软件的进一步发展，未来的数字化设计操作将更简单、结果更精确。