数字化技术在口腔颌面部肿瘤精准外科诊疗中的应用

彭歆 章文博 于尧

(北京大学口腔医学院口腔颌面外科，北京 100081)

口腔颌面部肿瘤是口腔颌面外科的常见疾病。口腔颌面部解剖结构复杂，肿瘤的位置常常比较深在，手术风险较大。术前根据影像资料对肿瘤位置、范围等进行正确判断，确定肿瘤切除的安全边界，是肿瘤治疗的关键。口腔颌面部肿瘤手术常会造成颌骨缺损，不仅影响患者外形，而且导致患者的语音、咀嚼、吞咽等功能障碍，严重影响患者的生活质量。在传统的外科治疗模式中，医生基于临床表现和影像学检查结果，依靠经验和主观判断实施肿瘤切除和修复重建手术。这种诊疗模式中，没有针对患者进行个体化的方案设计，依靠术者经验进行手术，对于复杂的重建手术难以达到较高精度，导致术后治疗效果不尽满意，与“精准医疗”的理念和“个性化治疗”的目标有一定差距。

数字化外科技术是一种将计算机成像、图形处理、精密制造等技术相结合的一门交叉学科技术，上世纪90年代开始应用于医疗工作领域，并逐步应用于口腔颌面外科领域。数字化外科技术的核心组成部分包括三维图像重建技术、计算机辅助设计技术、计算机辅助制造技术、手术导航技术以及近年来逐步发展的手术机器人技术等[1]。目前，数字化外科技术已经广泛应用于口腔颌面部创伤整复、颌面部畸形矫正、颌面部缺损修复重建等多个领域[2-5]。近几年，数字化外科技术发展迅速，已成为口腔颌面部肿瘤外科领域的常规诊疗技术。目前，口腔颌面部肿瘤的准确诊断、精准治疗以及口腔颌面部缺损的精确修复和个性化重建，已成为口腔颌面部肿瘤诊治的新目标。本文将结合国内外文献与本课题组工作经验，对数字化外科技术在口腔颌面部肿瘤精准治疗中的应用进行总结。

1 口腔颌面部肿瘤外科常用的数字化技术

1.1 三维重建与三维标记技术

口腔颌面部肿瘤通常位置深在，与重要的神经、血管等解剖结构关系密切。影像学检查是对口腔颌面部肿瘤进行诊断所必不可少的重要工具。CT以及MRI是用于口腔颌面部肿瘤诊断最常用的影像学检查方法，但二者都只能从轴位、冠状位及矢状位等二维角度进行观察判断，肿瘤的三维位置和周围毗邻关系需依靠术者的经验判断，术中需凭借术者的经验确定肿瘤边界和切除范围，难以达到精准治疗的目标[6]。随着三维重建技术的发展，目前可以基于CT和MRI数据对颅颌面骨组织进行三维重建，但对于肿瘤等软组织的三维重建仍存在困难[7]。

利用三维重建和定位技术，可以在数字化软件中三维重建口腔颌面部手术区域软硬组织的三维结构，并获得三维可视化的肿瘤图像，用于判断其位置和范围。在数字化软件中，基于CT和MRI等影像学检查的数据，重建三维模型；根据表面阴影重建法的原理，在不同的二维层面上“描绘”肿瘤，从而获得肿瘤、周围重要血管以及其他解剖标志的三维图像。在软件中，可以对三维图像进行编辑，设定不同的颜色、调整透明度，并任意角度旋转和移动。在这种三维可视化模型中，可以清晰显示肿瘤与颈内外动脉、颈内静脉等重要解剖结构的位置关系以及软、硬组织的侵犯和破坏情况。此外，三维可视化模型也可以帮助医生术前直观地与患者进行沟通交流。

1.2 多模态影像融合技术

影像学检查在口腔颌面部肿瘤术前诊断中扮演着重要角色，目前临床上常用单一模态的影像学数据进行辅助诊断。其中CT和MRI具有较高的组织对比分辨率和空间分辨率，已常规用于口腔颌面部肿瘤的术前影像学诊断。但对于同时累及软、硬组织的肿瘤，常难以从单一的CT或MRI影像上获得准确的肿瘤边界、浸润深度等信息。以PET为代表的功能性模态成像，可通过肿瘤的高代谢特征对肿瘤进行显像，已越来越多地应用于恶性肿瘤全身转移的筛查，但同时具有层厚较大、空间分辨率差的缺陷。

随着信息技术和医学影像技术的不断发展，以及一体式多模态影像扫描仪器的普遍使用，多模态影像融合已成为口腔颌面部肿瘤诊断和治疗的重要辅助手段。多模态影像融合是指将医学成像设备采集到的不同影像数据，利用计算机软件进行适当处理使其匹配、融合，融合后的多模态影像较单一模态影像信息量增加，弥补了单一模态影像的缺陷。与单一模态影像相比，多模态影像的诊断能力更为强大，具体表现为：①可在同一坐标系内同时显示肿瘤与软、硬组织间及邻近重要解剖结构间的关系，直观显示肿瘤浸润的深度及范围，医生无需在不同的影像之间来回判读[8]；②提升诊断恶性肿瘤颈淋巴结转移的灵敏度，并且能检测出位置深在的隐匿性转移，在颈部转移癌的原发灶寻找中也发挥着关键作用[9-10]；③加强手术治疗或放化疗后肿瘤复发灶的诊断能力，避免因局部解剖结构破坏、瘢痕增生等形态学紊乱而造成的漏诊或误诊[11-12]；④使因口内义齿等产生的伪影区域得到更准确的解读，提高诊断的可信度[13]。

多模态影像融合可通过手动平移、旋转一张影像使其与另一张配对，由视觉评估是否对齐；也可以通过外标志点(如皮肤、体表上的人工标志点)和内标志点(如前鼻棘、髁突等)实现手动或半自动融合。随着技术发展，多模态影像融合可以由软件基于互信息最大化法全自动完成，其误差范围小于2 mm，比既往的融合方法更加精确[14]。

1.3 计算机辅助设计(CAD)技术

CAD是指基于CT和MRI等影像学数据，在数字化软件中通过虚拟设计制定手术方案的过程。口腔颌面部肿瘤的切除范围的确定主要依据临床检查和影像学检查结果。对于恶性肿瘤和复发性肿瘤，肿瘤的边界往往不明确，增加了肿瘤安全边界确定的难度。肿瘤切除术后颌骨的缺损通常采用血管化游离骨组织瓣重建。当肿瘤范围较大，明显破坏颌骨外形时，仅依靠术者经验难以精确定位移植骨的三维位置，导致术后移植骨的位置不理想，继而影响咬合关系的恢复，往往也难以恢复对称的面部外形。

临床中可以在数字化软件中，对三维模型进行肿瘤切除与颌骨缺损重建的虚拟手术设计，包括确定肿瘤的安全边界与截骨位置；通过镜像技术恢复被肿瘤破坏的颌骨外形；根据颌骨缺损范围和形态虚拟设计移植骨的位置。

1.4 3D打印和手术导板技术

3D打印技术是快速成型(Rapid prototyping)的一种，基于数字模型文件，应用粉末状金属或树脂等材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，也称为增材制造[15]。近年来，3D打印技术已广泛应用于临床医疗与研究工作中。在口腔颌面部肿瘤手术中，通过3D打印技术，制作各类手术辅助导板、模板和模型，是将术前设计转化到临床实际手术操作中的重要途径。

根据术前在数字化软件中设计的的手术方案，可同步设计颌骨截骨导板、移植骨(腓骨/髂骨)塑形导板等手术导板，进行3D打印。在手术当中,使用3D打印的截骨导板辅助肿瘤切除和截骨，使用塑形导板对移植骨进行塑形，使手术实际切除范围和移植骨的重建位置和术前设计一致，达到精确治疗的目标。

此外，在下颌骨重建手术中，可以在下颌骨重建模型上弯制个性化重建钛板，用于术中精确修复下颌骨外形及重建咬合关系。当上颌骨或面中部肿物范围较大时，肿瘤切除后，常会导致上颌-眶-颧复合体的大型缺损。该解剖区域形态个体差异大，具有重要的功能与外形意义，难以在手术中依靠经验进行精确的重建。可在镜像后的三维头颅模型基础上进行3D打印，在模型上弯制个性化钛网，重建上颌-眶-颧复合体缺损。

使用3D打印技术制作的各类手术导板、模板和模型，通过精确设计，降低了手术难度，简化了手术操作，节省了手术时间，提高了手术精确性和安全性，因此目前该技术在临床中应用越来越广泛。

近年来，数字化外科技术提高了颌骨缺损的修复效果，实现了个性化重建的目标[16]。术前虚拟设计和3D打印技术相结合，可以提高颌骨重建的精确度，取得良好的治疗效果。然而，该技术也存在一定的局限性。例如，CAD流程手术导板均是完全基于骨性结构设计。而在实际手术中，肌肉、脂肪等软组织的存在是不容忽视的，会对精度产生影响。软组织的存在一方面影响术前对肿瘤范围的判断，当术中发现肿瘤范围与设计不符，需扩大切除范围时，将不能再依靠手术导板。另一方面，软组织的存在会影响手术导板与骨组织的匹配与贴合程度，对手术的精确性有一定程度的影响。另外，为使手术导板充分就位与固定，需要扩大手术暴露范围，在一定程度上又增加了手术创伤[17]。

1.5 手术导航技术

手术导航技术是另一种连接虚拟设计与实际手术的方法。手术导航技术就是基于CT、MRI等影像学数据，并结合立体定位技术，直观显示人类肉眼无法直接看到的人体结构以及手术器械，提高手术的精确性和安全性[4]。在神经外科领域手术导航技术也是应用最早和最成熟的[18-19]，本世纪以来，才在颅颌面手术中得到越来越广泛的应用[20-21]。

手术导航技术在口腔颌面部肿瘤手术中，主要应用于两个方面。在切除肿瘤时，根据术前虚拟设计的截骨方案，采用导航引导精确定位各个截骨线的位置，完成肿瘤切除与颌骨截骨。在修复重建时，根据术前设计方案，精确定位钛网、重建钛板等植入物和腓骨、髂骨等移植骨的三维位置。同时，验证重要解剖结构的位置，如眶底、髁突、下颌角以及颌骨中线位置等，从而恢复正常的咬合关系与对称的面部外形。

目前，导航技术多用于上颌骨及面中部肿瘤与重建手术中，由于下颌骨的活动性和不稳定性，在一定程度上限制了其在下颌骨肿瘤切除与重建手术中的应用。但总起来近年来应用在逐渐增多，多项研究也证实导航技术在下颌骨重建中也是比较可靠和稳定的[22-23]。BELL等[24]提出了3种提高下颌骨导航手术精度的方法，包括：①采用牙弓夹板等固定装置将上下颌固定在一起后再进行CT扫描；②手术中使用牙弓夹板或咬合板将下颌骨固定在正中关系位；③在下颌骨安装专门的导航用固定装置。与手术导板辅助手术相比，采用导航技术辅助手术的优势在于：可以在手术中进行“实时”引导和反复验证。可以精确实施术前设计的手术方案，也可以根据实际情况进行必要的调整和改进。导航手术的局限性在于需配备导航仪设备以及相应软件，成本较高，在基层单位推广应用相对困难；另外，对初学者而言导航操作具有一定的难度，有一定的学习曲线，目前使用的导航系统仍多为“被动式”的导航系统，定位后术者仍需要反复验证位置，有时会延长手术时间。

1.6 混合现实(MR)技术

尽管目前手术导板技术和手术导航技术已在口腔颌面部肿瘤手术中广泛应用，但仍有其局限性。手术导板制作成本较高，且只适用于骨性结构的定位与切割；导航技术的开展需要依赖手术导航系统，成本昂贵；且目前导航系统的图像载体仍为二维的平面形式，难以实现在三维空间的实时定位与导航。PIETRUSKI等[25]发现，在手术过程中不断观察导航系统屏幕会影响手眼协调操作，从而降低手术过程的精度。

目前随着数字化影像技术的不断发展，以增强现实(AR)、MR为代表的计算机图形技术以及可视化技术已经对医学领域产生显著的影响[26]。MR技术作为一种新兴的三维可视化技术，其目的是通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感[27]，该技术的出现改善了以往的“经验依赖”治疗模式。利用患者术前高分辨率的医学影像数据，软件辅助自动识别皮肤、骨组织、动脉等结构，手动描记肿物和静脉，标记重要解剖结构，降低混杂图像影响，重建效果更加精细；利用标志点定位与配准可将三维虚拟模型与患者真实结构精确融合，模拟术中肿瘤切除范围以及手术切除后的效果，制定个性化手术计划，减少对经验的依赖[28]；在与患者及家属进行术前沟通与交流中，可获得患者对手术的看法，使其对疾病和手术过程有更直观的认识，提高其依从性[29]；通过术中三维模型可视化及面部外形配准，术者可以直观、精确地在术区查看三维解剖图像，提高手术效率[30]。同时在整个手术过程中，术者以及助手可共享三维全息图像，避免术中讨论中信息传递出现偏差，便于及时改进手术方案[30]。

目前，MR技术多用于神经外科、肝胆外科等领域，在口腔颌面部手术中的应用仍处于初步探索阶段，其应用流程与精度仍需进一步研究验证。

2 数字化技术在口腔颌面部肿瘤精确诊断和治疗中的应用

近年来，本课题组在数字化外科技术辅助口腔颌面部肿瘤的诊治及缺损修复重建方面进行了系统深入的研究，下面将主要研究结果进行总结介绍。

三维重建和三维标记技术是数字化技术应用的基础，是实现口腔颌面部肿瘤精确诊断的重要方法。本课题组采用三维重建和三维标记技术对靠近颅底、咽旁区域，紧邻颈内动静脉等重要血管神经的面侧深区肿瘤进行辅助手术[31]。研究共纳入10例病例，结果显示，用iPlan CMF软件三维重建增强CT影像有助于显示位置深在的口腔颌面部肿瘤的特征并判断其与周围重要解剖结构的关系，从而辅助制定手术方案，提高手术安全性，减少术后并发症。

此外，本课题组采用三维标记技术辅助治疗17例上颌骨恶性肿瘤患者[32]。结果显示，所有患者术前标记的肿瘤范围与手术中实际所见一致。16例(94.1%)患者术中切缘阴性，13例(76.5%)患者术后无复发，治疗效果满意。研究结果表明，术前对上颌骨肿瘤进行三维标记，并根据肿瘤的三维位置和范围进行手术设计，术中利用导航辅助手术，可以使上颌骨恶性肿瘤达到精确切除的目的。与传统手术方法相比，该方法可提高治疗的准确性和可靠性。

近年来，本课题组对多模态影像融合技术在口腔颌面部肿瘤诊断中的应用进行研究，分析了不同影像融合方法之间的精度差异[33]。分别使用自动融合、手动融合与基于配准点的融合三种融合方法进行多模态影像融合，评估不同融合方法的精度。改良的精度评估方法包括全局融合精度和肿瘤靶区融合精度。结果表明，三种融合方法的肿瘤靶区融合精度无显著差异，但自动融合与基于配准点的融合较手动融合有着更好的全局融合精度，因此临床中更推荐应用自动融合与基于配准点的融合方法。

随着全息影像技术的发展，MR技术逐步开展应用于口腔颌面外科手术中。本课题组对MR技术在口腔颌面部肿瘤手术中的应用进行了探索研究。目前已完成8例口腔颌面部肿瘤患者的MR辅助手术。术者在所有病例的手术中均能通过MR眼镜装置直观、立体地观看肿物以及周围解剖结构的三维重建模型，并可在术中自行调整图像。结果显示，MR技术能通过三维重建模型实时立体可视化，提供术区解剖结构信息，引导和修正手术操作，提高口腔颌面部肿瘤切除手术的准确性和安全性。

3 数字化技术在面中部缺损重建中的应用

上颌-眶-颧复合体是面中部的骨性支撑，对维持面部外形和语音、吞咽、咀嚼功能和眼球功能等起着重要作用。目前，临床上多采用游离骨组织瓣(腓骨瓣/髂骨瓣)修复上颌骨牙槽突部分缺损，而个性化钛网是修复眶-颧复合体缺损的主流方法。随着数字化技术的发展，面中部大型缺损的个性化修复成为了可能。本课题组在此方面进行了系统深入研究，总结如下。

本课题组采用病例对照研究的方法，比较了采用数字化外科技术辅助游离腓骨瓣重建上颌骨缺损的精度和修复效果[34]。结果表明，在游离腓骨瓣重建上颌骨手术中，采用数字化技术有利于对腓骨三维位置进行精确定位。对于数字化设计组患者，采用色谱分析法比较术后修复效果与术前设计方案的误差，结果显示，术后腓骨位置与术前设计方案平均偏差小于5 mm。研究结果表明，数字化外科技术显著提高了游离腓骨瓣修复上颌骨缺损的精度和临床效果。

本课题组采用数字化技术辅助个性化钛网修复上颌骨切除术后的眶底缺损[35]。结果显示，导航引导钛网植入可以提高手术的安全性和精确性；患侧与健侧的平均眼球突度、眶容积均无显著性差异，术后随访中无复视、眼球运动障碍、钛网外露、感染等症状，提示三维个性化钛网能很好地维持眼球位置与功能。VAS评分显示患者对术后外形均较满意。研究结果表明，三维个性化钛网是一种修复上颌骨切除导致的眼眶缺损的可靠方法，显著提高了肿瘤切除后眶区缺损修复的临床治疗效果。

本课题组还对面中部肿瘤切除术后遗留的大型上颌-眶-颧复合体缺损的修复进行了研究[36]。采用游离组织瓣结合个性化钛网修复上颌-眶-颧复合体缺损。结果显示，术后双侧颧骨突度无显著性差异，所有患者均对术后外形满意。1例患者术后放疗后出现钛网外露，其他患者均无明显并发症。研究结果表明，三维个性化钛网结合游离组织瓣技术是修复肿瘤切除术后颧骨复合体缺损的可靠方法，具有良好的临床治疗效果。

4 数字化技术在下颌骨肿瘤切除与缺损重建中的应用

下颌骨是面下1/3主要的骨性支架，由于肿瘤切除引起的下颌骨缺损，不仅影响患者的外形与美观，还造成咀嚼、吞咽及言语等生理功能障碍，严重影响患者的生活质量。目前，游离骨组织瓣移植是修复下颌骨缺损的重要方法，骨组织瓣主要包括腓骨瓣和髂骨瓣。为实现下颌骨的个性化及精确化重建，数字化外科技术发挥着越来越重要的作用。本课题组对数字化技术辅助下颌骨缺损的个性化重建也进行了系统研究，总结如下。

本课题组采用回顾性研究的方法，评价数字化外科技术在下颌骨缺损修复重建中的应用效果[24]。共纳入29例下颌骨良性肿瘤患者为研究对象，采用游离腓骨瓣修复半侧下颌骨缺损，分为三组：传统手术组、数字化设计组及导航手术组。基于患者术前术后的CT数据，比较分析术前及术后髁突位置、下颌角点位置偏移情况以及下颌角角度的变化。结果显示，数字化设计组和导航手术组在重建髁突位置的精确性方面显著优于传统手术组，数字化设计组和手术导航组之间无显著性差异；导航手术组在恢复下颌角点位置的精确性方面显著优于传统手术组和数字化设计组。研究结果表明，数字化外科技术在下颌骨缺损重建中，有利于维持髁突、下颌角等重要解剖结构的位置，显著提高游离腓骨瓣修复下颌骨缺损的精度，从而提高游离腓骨瓣功能性重建下颌骨缺损的临床治疗效果。

本课题组提出了应用数字化外科技术与个性化重建钛板，结合游离髂骨瓣精确修复下颌骨缺损的新方法[37-38]。基于3D打印重建后的下颌骨模型，预弯制个性化重建钛板；并将带有重建钛板的三维模型再次进行CT扫描，获得重建钛板的三维位置数据；手术中采用导航技术引导下颌骨肿瘤切除，并精确引导重建钛板的就位与固定，采用手术导航系统验证手术精度。结果显示，数字化设计和导航辅助手术能有效控制患者的髁突位置并修复对称的下颌骨形态；并使患者术后获得更高的义齿修复率和更好的修复效果。VAS评分系统显示，数字化设计组患者术后外形满意度明显优于传统经验组。两组患者均未出现明显的术后并发症。以上结果表明，数字化外科技术结合个性化重建钛板，可以提高下颌骨缺损修复的精确性以及稳定性，降低手术操作难度，显著提高游离髂骨瓣修复下颌骨缺损的临床治疗效果。

5 总结与展望

随着“精准医疗”理念的提出与发展，口腔颌面部肿瘤的精确诊疗和口腔颌面部缺损的精确重建是现代口腔颌面部肿瘤外科治疗的新目标。近年来，以计算机辅助设计、3D打印、手术导航等技术为代表的数字化外科技术的发展与应用，显著提高了口腔颌面部肿瘤诊治及缺损修复的临床治疗效果，提高了患者的术后生存质量。数字化外科技术仍在不断发展中，以AR、MR技术为代表的数字影像技术，以及手术机器人的开发与应用，将是未来一段时间内的研究热点与方向，有望将口腔颌面部肿瘤的诊治水平提升至新的高度。