数字化导板在手术优先正颌外科中应用的初步探讨

黄 跃， 林李嵩， 黄建平， 施 斌， 黄 立， 江 燕

正颌外科是颌面部不对称畸形治疗的主要方式，传统的正颌外科治疗是正颌-正畸联合治疗[1]。在治疗周期中，术前正畸过程时间占全部治疗过程的一半[2]。而在此过程中，由于牙齿去代偿的原因，患者会感觉面部畸形较治疗前更严重。针对于此，“手术优先”治疗牙颌面畸形的概念逐步应用于临床实践。“手术优先”是指在牙颌面畸形治疗中优先进行正颌手术，后再配合术后正畸治疗的方法[3]。在“手术优先”过程中要解决的首要问题是患者颌骨的位置，只有颌骨移动到适合的位置才能引导术后牙齿正常的咬合及合适的面型，这一切都需要良好的手术模拟[4]。笔者所在课题组将口内牙齿石膏模型的数据进行数字化处理，与头颅CT数据进行联接。通过手术软件对头颅模型进行上下颌的截骨、骨块移动等操作，收集并输出数据，经快速原型机打印形成三维导板从而代替传统模型外科用于指导手术，以期为“手术优先”模式提供一个新的参考。

1 对象与方法

1.1对象 选取2017年8月—2018年8月笔者医院收治的6例下颌骨不对称畸形患者，男性2例，女性4例，年龄(21.2±2.6)岁(18～25岁)，均为下颌骨髁突发育异常引起的面部不对称畸形，病史>3年。患者在正中咬合位和下颌骨姿势位时下颌骨都处于不对称状态。

1.2头颅螺旋CT扫描与三维重建 所有患者术前均进行层厚为1.25 mm的颅颌面部CT扫描(320排螺旋 CT 扫描机，Aquilionone，日本东芝公司)：选择螺距为15，球管螺旋时间0.5 s/圈，球管电流350 mA，电压120 V，图像的视野范围240 mm，重建图像的间距为0.5 mm，矩阵大小为512×512。CT扫描时，需预先在患者口内放置厚度约2～3 mm的棉球或告知患者保持轻度张口状态，以便扫描时上下颌牙尖分开。所有数据采用容积重建法进行三维重建。CT数据采用DICOM格式输入电脑软件 Proplan CMF 3.0(Materialise Medical, Leuven, Belgium)。

每位患者取1副超硬石膏上下颌牙模，修整模型，检查保证牙齿面形态完整清晰；将术后的咬合情况与正畸科医师确定，将该模型按照术后咬合关系妥善固定，使用国产Vscan130激光扫描仪扫描咬合状态的石膏模型，形成最终的咬合关系。分别扫描上下颌牙列石膏模型，数据均以STL格式保存。将扫描数据及CT薄层扫描获取的颅颌面部数据(DICOM)模式导入Proplan CMF 3.0进行数据拟合，得到精准牙齿形态和颌骨形态(图1)。

1.3虚拟正颌外科截骨手术 选取适当阈值及感兴趣区域，通过影像的逐层分割及布尔算法，形成颅上颌骨和下颌骨两个功能主体；选用该软件内含的骨截开方式，按照上下颌骨所选用的正颌手术的常规截骨线，分别对上颌骨部分及下颌骨部分进行模拟施行手术；通过对截骨平面的三维位置不同部位进行比对调整，确定截骨完全完成。当骨质分离后进行咬合配准，移动上下颌骨骨块至所需位置；检查移动的量和方向。根据患者术前对自己面型的要求，结合头颅侧位片中头影测量结果，术前正颌-正畸联合讨论中拟定的手术方案选择最佳截骨计划。同时比较手术前后的头影测量及石膏模型上的咬合结果，确认硬组织的移动幅度及下颌修整的大小及范围(图2，3)。

A，B：原始CT数据；C：数据拟合；D：拟合完成重建的效果.图1 在CMF软件中拟合模型及CT数据Fig 1 The data from CT scan and laser scan were imported into ProPlan CMF software

A：术前软组织面型； B：术前颌骨影像； C：术后软组织面型模拟； D：模拟手术后的颌骨形态.图2 在软件中行截骨、骨移动Fig 2 The preoperative planning including segmentation, osteotomies and movements of the jaw bones was simulated using the ProPlan CMF

1.4三维导板的制备 在之前确定的手术方案基础上，将得到的导板信息以STL文件导入到多功能快速原型机(RS Pro450 型光固化三维打印机)，通过快速原型技术制作三维导板(中间板和终末板，图4)。

1.5传统导板制备 为比较三维导板的临床实用性，对每位入选的患者进行传统模型外科设计准备，参考文献[2]得到手工制作的导板：上下颌牙齿用硬石膏取模，咬合关系通过面弓转移至半解剖架，石膏模型的切开、移动同术前手术设计，用自凝塑料制作导板(也包括中间板和终末板)。

A，B，C：冠状位、平扫及矢状向上的颌骨形态；D：图下方加矩形标记的蓝色部分为模拟后颏部的修整范围.图3 在软件中选择颏部修整的大小范围Fig 3 Genioplasty was simulated by using the Proplan CMF

A，C：导板与上下颌骨的匹配情况；B：导板的形态.图4 在软件中设计三维导板Fig 4 The digital guide plate were designed by ProPlan CMF

1.6两种导板的比较 手术时将三维导板及传统导板同时带入手术室。当完成手术截骨后，先应用传统导板指导移动骨块进行颌间固定，钢丝结扎，并按常规进行钛板钛钉坚固内固定；骨块固定后打开颌间结扎，戴入三维打印导板，模拟咬合运动，检查所固定的骨块是否与传统导板相匹配。如果两者相一致，则证明三维导板和传统导板匹配；如果发现咬合位置与导板不一致，则证明二者不能互相吻合。拆除原来的固定钛板，测量颌骨移动的数据，以术前模拟的最终测量数据作为颌骨移动的位置标准，判定该选用哪种导板重新行钛板固定(图5)。

2 结 果

2.1术中情况 6例中，3例行单颌手术，即双侧下颌升支矢状劈开截骨术(bilateral saggital split ramus osteotomy, BSSRO)，3例行上颌骨Le Fort-I型截骨术与BSSRO。其中，3例患者通过三维导板进行移动和固定的颌骨位置与传统导板达到的位置完全符合；另有1例单颌手术患者终末咬合的三维导板与传统导板出现较大偏差，拆除之前固定的钛板钛钉，重新检查移动数据后以传统导板作为骨块移动的标准，在该位置重新行内固定。

图5 三维导板(左)及传统导板(右)对比图Fig 5 The digital guide plate(left) and the traditional surgical plate (right)

2.2术后评估 6 例中，5例术前建立三维打印数字化导板能起到引导手术，软件术前能达到预测手术效果的作用。术中及术后两侧髁突在关节窝的位置均无明显改变。术后咬合关系、颌骨突度及颏部对称性均得到明显改善。术后随访3月，所有患者均对术后的外形感到满意，颌面下颌骨畸形无复发，咬合关系稳定，无颞下颌关节病等并发症的产生。

3 讨 论

在“手术优先”治疗中，预测术后颌骨的位置是治疗的关键点[5]。在传统术前正畸治疗过程中，漫长的术前正畸让牙齿去代偿，使得正颌手术时可以相对容易地获得较为稳定的术中咬合关系，从而确定术后的颌骨位置，实现相对准确的术中颌骨三维移动。然而，“手术优先”方式因为缺少相对稳定可靠的、可供参考的咬合关系和颌骨位置，使得手术设计变得不确定[6]，这就需要颌面外科医生及正畸科医师的密切配合，共同确定手术达到的咬合关系和术后的颌骨位置[7]。

传统的正颌手术预测方法包含三维的模型外科和二维的模板外科[1]。模板外科仅为患者面部外形(正侧面)的二维表现形式，模型外科通过全口牙石膏模型将咬合关系、上下颌骨相对于颅底的关系转移到半解剖架上；在石膏模型上根据二维的模板外科预测的结果移动上下颌骨与牙列进行模拟截骨，根据移动后上下颌牙齿模型的相对位置，制作咬合导板来指导手术中颌骨移动和固定的位置[2]。虽然基于牙齿石膏模型的模型外科操作是一项经典的技术，但这项技术理论上存在一定的错误和不精确性，表现在指导模型外科移动情况的头影测量分析是二维性的结果，某些解剖标志点如鼻根点、外耳道点定点的主观性较大，是不精确性的来源；其次，在咬合平面转移过程中，尤其是严重的下颌骨不对称畸形累及上颌骨的患者，两侧外耳道位置的不对称畸形使得面弓的不正确操作带来误差；再者，石膏模型的操作有一定难度，模型的定点和测量有一定的主观性。另外，模型的旋转和移动由于周围硬石膏材料的悬突等部分的阻挡使得术后模拟得到的数据难以控制；这些所有的误差在最后制作咬合导板时都会有所表现甚至被人为扩大。

三维打印技术又称快速成型技术(rapid prototyping，RP)，是上个世纪末随着计算机技术制作工业发展起来的一种技术[8-9]。计算机辅助正颌外科是近年来口腔颌面外科领域的研究热点之一。现有的数字化外科软件已在临床上得到应用。但其基于CT数据建模，在牙面形态和精确度方面仍需要进一步提高。为克服这些缺点，笔者采用颅颌面部三维打印模型与石膏模型等比例复合利用标识线进行嫁接，通过这种方法去除三维打印模型在牙弓区域的不精确性，使三维打印模型外科更为精确，从而更好地预测颌骨不对称畸形患者术后面部外形的改变，为该类患者的“手术优先”治疗模式提供合理的参考[10]。这个方法虽然直观，但目前尚无法模拟面部软组织的外形轮廓，而且该方法尚无法形成精确的导板用以准确指导手术，与测量软件相比有一定差距。

Materialise公司发布的ProPlan CMF是专门为颅颌面外科设计的一款软件,目前已发展到3.0版本，其前身为SurgiCase CMF。ProPlan CMF除拥有SurgiCase软件的三维测量功能外，还具有对手术骨移位、术中截骨、颌骨牵引、颌骨重建与及正颌外科等手术进行模拟的功能。笔者通过这款软件，运用之前实验得到的将三维打印模型与石膏模型复合体进行嫁接的原理和经验，在该计算机软件中将患者的石膏模型扫描数据与头颅CT数据进行连接。通过该软件对头颅模型进行上下颌的截骨、骨块移动等操作，收集并输出数据，经快速原型机打印形成三维导板指导手术。经过对下颌骨不对称畸形矫正患者的治疗，笔者发现：(1)该软件可以真实模拟正颌手术设计，形象地展示出上下颌骨骨块的切割和移动，较传统模型外科具有很大的优势。同时，该模拟手术过程直观易懂，方便医师和患者直观交流。(2)通过模拟过程可以观察手术后下颌骨轮廓的对称性，从而预测是否需要同期行颏成形手术以及面部轮廓修整手术。(3)通过三维打印形成的数字化导板精确性较传统导板高，能提高与上下颌牙齿的密合度，通过密合的牙齿更好地确定颌骨的位置，方便正畸医生开始术后正畸。但是，数字化模型外科需对CT重建颅颌面模型以及激光扫描的牙列石膏模型进行多次扫描及配准，包括两个单独石膏模型的分别扫描及正畸医生一起确认咬合状态下的扫描，在石膏模型咬合关系对位后如果石膏模型的固定方式处理不好，则此时的咬合关系易发生偏移，在激光扫描过程后会产生较大误差，影响术后颌骨的移动。本研究中，1例患者三维导板与传统导板出现较大偏差的原因即是石膏模型激光扫描时发生了位置移动，当时扫描人员未发现，导致终末合板阶段出现偏差。另外，数字化模型外科需要配套软硬件支持及相应多学科参与的操作人员，如激光扫描仪、三维打印机等，由此产生购买以及维护、升级软件的费用、人员培训及磨合的问题，需在临床实践中注意。