计算机辅助导航手术在复杂颌面部骨折中的应用新进展

陆磊 王鑫 康泽标 谢富强,

1.兰州大学口腔医学院口腔颌面外科教研室 兰州 730000；2.兰州大学第二医院口腔科 兰州 730000

颌面部骨折按部位大致可以分为上颌骨骨折、下颌骨骨折、颧骨及颧弓骨折、鼻骨骨折、眼眶骨折及全面部骨折。颌面部解剖结构复杂，功能与美观并存的治疗效果是当代口腔颌面外科医生不懈的追求。

计算机辅助外科手术是一种新兴的临床治疗方式，它与计算机视觉、计算机图形学等计算机技术相结合，用于手术计划和模拟、导航或指导、监测和可视化[1]。随着计算机辅助外科技术的不断发展，为外科手术治疗上提供了更多的选择，使外科手术朝着更精确化和微创化的方向发展。计算机辅助导航手术（computer-assisted navigation surgery，CANS）是计算机辅助外科技术的核心，CANS可以对解剖目标和相关器械进行准确跟踪和直观的实时可视化，为外科医生提供有用的信息，如解剖结构的位置、手术区域的识别、实时反馈以及监测手术器械的位置和方向[2]。CANS的引入为颌面部骨折诊治提供了更佳的方案，许多临床医师和学者对其进行了大量的研究，并且取得了一定的进展。本文就CANS在颌面部不同类型骨折中的研究进展以及仍需解决的问题作一综述。

1 CANS的发展过程及应用流程

CANS由Horsley和Clarke于1908年引入神经外科，使手术计划数据在术中应用成为现实[3]。CANS实现外科医生将手术方法和器械定位到所需要的解剖位置，同时避免损伤相邻的关键解剖结构[4]。根据Goguet等[5]的报道，CANS已被广泛应用于颌面外科手术，尤其是涉及眼眶和颅底的手术。CANS在颌面外科领域主要应用于颌面部骨折、颞下颌关节强直[6]、颌面部肿瘤[7]、颌面部异物取出[8]、颌骨重建[9]、骨纤维异常增殖症[10]、种植[11]等。

CANS的临床使用流程主要包括4个部分：术前数据收集和处理→模型登记与注册→术中跟踪和直接可视化→术后验证。收集患者术前的螺旋CT 或磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRⅠ）的数据，设计计划模型。术前将示踪器、手术工具、骨折部位及周围解剖标志参考点在CANS系统上注册。配准参考架安装完毕后，使用长探针依次触碰计划的标志点，标志点平均误差范围小于1 mm时，即可完成配准。患者模型登记与注册完成后，术者可以清晰看见术区的解剖结构和手术器械的具体位置。在完成复位后，可以通过探针比较横断面、冠状面及矢状面的复位情况与预期模型是否一致，如若未达到设计位置，可术中及时调整，避免二次手术。

2 CANS在复杂颌面部骨折的应用

2.1 上颌骨骨折

CANS应用于上颌骨骨折的病例很少，可能原因如下：1）上颌骨骨折发生率较眼眶骨折和颧骨颧弓骨折低，并且单纯的上颌骨骨折少见；2）上颌骨的解剖形态不似颧骨颧弓对于面部的轮廓影响巨大，同时重要解剖结构也不如眼眶部位复杂，因此大多数的单纯上颌骨骨折通过传统手术即可获得良好的效果，只有对于复杂的陈旧性上颌骨骨折，CANS可提供更佳治疗方案。

随着正颌外科的不断发展，在复杂的陈旧性上颌骨骨折的治疗中引入了正颌外科手术的思路。LefortⅠ型截骨是一项成熟的纠正上颌骨位置的术式，正颌外科常用此术来改善面中部的外形[12]，此法也可以解决因外伤导致的面中部畸形的问题，按照LefortⅠ型骨折线来截断上颌骨，灵活移动截断后的骨块，减少切口数目且切口在口内，手术效果更美观，同时也达到改善咬合关系的目的。此方法达到良好效果的前提是精确复位，并且术中避免损伤重要解剖结构。Chen等[13]的研究证实了CANS可以准确定位LefortⅠ型截骨术中的骨段，是一种在手术过程中传递手术计划的可靠方法。研究[14]表明，CANS辅助下的上颌骨截骨术的距离可以精确到2 mm 以内，翻转可以精确到3°。CANS提高了截骨的精确性，避免损伤关键的解剖结构，为复杂上颌骨骨折手术提供了更优方案。在处理大面积上颌骨缺损问题中，CANS可以准确地转移广泛上颌骨缺损患者的术前计划，使颧骨植入物的准确放置成为可能，显著提高上颌骨缺损部位假体的稳定性[15]。

2.2 下颌骨骨折

CANS在眼眶及颧骨颧弓的应用较下颌骨更为广泛，这是因为下颌骨的可动性给配准和实时追踪方面增加了难度，精确配准是CANS应用于下颌骨骨折需要解决的首要问题，以下介绍3种目前临床上常用的解决方法。

第1种是颌间固定的方式，也是临床最常用的一种方式，将定位参考架放置于上颌骨，通过稳定的牙尖交错，结扎固定上下颌牙，将上颌骨和下颌骨当作一个整体来配准。这种方案存在一定的局限性，对于咬合关系紊乱以及需要从固有口腔入路的患者并不适用。第2种方法是使用咬合夹板将下颌骨以可重复的姿势或固定的位置来对抗上颌骨，从而保持下颌骨位置的相对稳定[16]。这种方法对下颌骨的相对固定位置非常敏感，严重影响了导航的精确性。第3种方法是在下颌骨内安装一个动态参照系，将下颌骨视为一个单独的个体，不同于前两者的间接跟踪，这是对下颌骨的直接定位跟踪[17]。将下颌骨定位支架安装在患者的颏部，然后选择合适的标志点，无侵入性的如牙齿，但就准确性而言，使用侵入性标记物更为准确[18]。以上3种是临床较常见的配准方法，可以解决大部分下颌骨难精确配准的问题，今后如何提高CANS技术和软件的配准和实时追踪的准确性仍是需要攻克的难题。

大面积的粉碎性下颌骨骨折是下颌骨骨折的难点，因为在重建下颌骨时一旦术中情况与设计方案发生轻微的不一致就可能导致髁突不能复位至关节窝。Bartier等[19]通过形态学定量比较评估使用和未使用CANS辅助腓骨游离皮瓣重建下颌骨的效果，证实CANS可以提高下颌骨重建的精确性，并可实现比传统徒手技术更佳的对称性，改善术后的美学与功能效果。Ter等[20]使用新型电磁导航辅助手术切割截骨，在下颌骨模型进行20次截骨术，计划截骨术与实际截骨术之间的平均距离差为1.1 mm。CANS辅助下颌骨骨折手术实现实时可视化，尽可能按术前设计的方案进行复位、截骨及重建，不仅可以减少术后发生面部不对称的概率，也极大降低了损伤关键的神经血管的风险。CANS也可以由机器人完成，尤其是下颌骨重建术，手术时间有时长达8 h甚至更长，通过机械臂的协助，术者可以在手术过程中保持正确的姿势，便于术者在狭窄的区域内工作，减少术者的疲劳[21]。

2.3 眶部骨折

眼眶骨折不仅会累及眼眶四壁，而且常合并其他颌面部临近骨的塌陷及错位造成眶部塌陷、面部畸形等，同时可能伴有眼球内陷、眼球运动受限、眶下神经感觉障碍、不同程度的复视及视神经功能障碍等问题[22]。复杂性眼眶骨折手术难度大、手术时间长，涉及口腔颌面外科、眼科等相关学科。以下总结了眶部骨折需要解决的问题及CANS辅助下解决的方案。

2.3.1保护眶部的重要解剖结构 眼眶骨折的手术区域狭小，重要解剖结构多，术中要注意保护眼眶内容物、眶腔后部的视神经、眶下缘下方的眶下神经等。临床上可使用数字化导板辅助手术。数字化导板提供了清晰且准确的手术入路的定位，并引导手术器械的方向，但是在深度的把握上仍存在欠缺，需要凭借术者的经验，在深度把握不佳的情况下可能会损伤眼眶内容物，CANS的优势在于可以实时监测手术入路的深度，实时追踪导航探针与重要解剖结构的关系，在术中最大程度地保护眶部重要解剖结构。

2.3.2粉碎性眼眶骨折的重建复位 眼眶骨折最常受累的是眶底，其次是内侧眶壁[23]。当眼眶发生粉碎性骨折时，重建眶底和眶壁是极具挑战性的手术。眼眶复位的解剖标志被破坏，单纯依靠肉眼和医生经验进行复位难以达到理想的效果。CANS能够指导术者正确复位， CANS能够提高手术干预的安全性，并且在丧失解剖标志点的情况下，开辟更合理可执行的手术方案。

2.3.3视野清晰且手术微创 眼眶结构复杂，手术视野局限，CANS辅助下可以使用导航探针通过较小的入路到达目标手术区域，监测实时复位情况以及术后验证，同时也可以选择性联合使用内镜或三维C臂等技术，真正做到实时监测重要结构、期间可视化和识别深部眶组织，达到减小手术创伤、手术视野更加清晰、手术复位更精确的目的，提升了眼眶骨折手术的效果。Zhuang等[24]将CANS与内镜联合应用于治疗眶底和内侧壁的骨折手术中，分析患者的损伤原因、临床特征、影像学数据和随访信息（复视、眼球运动障碍、眶下感觉减退和其他疾病），还评估了眼眶体积和植入物位置，证实了CANS与内镜联合应用是一种安全、有效、准确的辅助治疗广泛的眶底和内侧壁骨折的方法。CANS可与内镜、三维C臂等器械联用，实现微创化和精确化。

2.4 颧骨颧弓骨折

颧骨颧弓骨折是发生率仅次于鼻骨骨折的面中部骨折，常见的原因是殴打和跌倒[25]。轻中度的颧骨颧弓骨折，传统手术即可获得较好的疗效，但是对于复杂的、陈旧的颧骨颧弓骨折，传统手术的术后效果仍需提高，外科手术导航可以改善以下传统手术中遇到的问题。

2.4.1手术入路的选择 颧骨颧弓骨折手术一般采用冠状切口、睑下缘切口、骨折表面切口[26]。与传统开放入路相比，CANS允许微创入路，在视野受限的情况下，清晰可见手术器械到达的部位，而传统开放入路则需要广泛的解剖才能暴露[27]。CANS可以在手术中更精确、更个性化的设计局部切口的长度、方向和位置，减少术后面部瘢痕的概率，满足患者对于颌面部美观的需求[28]。在CANS辅助下通过选择多个联合小切口替代冠状切口达到减少创伤的目的。

2.4.2精确复位，恢复良好的外形 颧骨颧弓在面部突出的部位，对支撑面部轮廓有重要作用，颧骨颧弓骨折会导致患侧面部塌陷扁平，造成双侧面部不对称[29]。据相关文献[30]报道：传统经验复位的颧骨颧弓骨折仍存在10%~15%的术后畸形。手术最大的目的是恢复美观和功能，颧弓复位的好坏直接严重影响面部轮廓外形美观。对于陈旧性或粉碎性的颧骨颧弓骨折，骨表面不规则，解剖标志模糊，难以按照解剖标志复位，外科医生在术中难以通过肉眼判断是否将节段移至所需位置。Chu等[31]通过定量分析研究CANS辅助颧弓骨折切开复位内固定的效果，证明了CANS有助于提高颧骨颧弓骨折复位的准确性和精度，尤其是不稳定、移位和粉碎性骨折。Chu等[32]研究15例使用CANS进行术中三维C臂计算机断层扫描的颧骨眼眶骨折的患者，通过对比分析术前术后CT以及与术前虚拟计划的定量值，证实CANS配合术中三维C臂可以有效提高颧骨眼眶骨折重建精度，减少调整的植入物时间。Yang等[33]将28例颧骨骨折患者分为使用CANS辅助颧骨骨折手术组和未使用CANS辅助的颧骨骨折手术组，对比分析5处颧骨缝合线的位移、重建前后各点的变化以及患者对其外观的主观评分，术后CT显示导航组平均总位移量（0.53 mm）明显小于对照组（2.93 mm），差异有统计学意义（P=0.001），证明CANS是一个有用的工具，在颧骨骨折早期治疗中以更小的侵入性实现了更精确的矫正，也可在陈旧性颧骨骨折以及二次重建中改善面部对称性。

3 CANS与其他数字化技术应用的比较

3.1 增强现实（augmented reality，AR）

将虚拟现实场景与特定案例的真实环境相结合，实现集成图像，通过复杂的配准过程将真实场景与虚拟场景增强，并可叠加围手术期成像、解剖标志、导航指导等[34]。AR可使导航和其他图像可视化叠加，以3D形式直接进入术者视野，从而实现间接解剖可视化和微创入路，提高定位的准确性，减少辐射[35]。AR与CANS同样依靠光学方法定位注册，AR的成功使用依赖于光学校准的准确性、摄像机的视线、手术器械在手术视野内的注册，AR依靠计算机视觉来识别目标（多为骨骼），当视野部分被软组织、血液或外科助手遮挡时，会影响AR的效果[36]。CANS会增加手术的时间，是因为术者需将视野移出手术视野来解读实时的定位图像；但AR可以实现缩短手术时间的目的，是因为术前计划和预期的轨迹和截骨直接叠加在视图中，从而减少手术时间，降低感染的风险[37]。

3.2 机器人辅助手术（robotic-assisted surgery，RAS）

RAS是由外科医生坐在控制台上操控多个主机器人构成的，术中操作和视图捕获由3个机器人仪器臂和1个相机臂执行[38]。RAS可以克服传统手术的缺点，如深度感知不足、不可避免的手部震颤、外科医生在长时间手术后更容易疲劳，辅助外科医生在重点解剖部位更灵活的操作，避免损伤重要解剖结构等[39]。但是RAS目前存在触觉灵敏度的问题，机械臂没有触觉反馈，器械的盲目运动会对周围器官和结构造成损害，因此机器人手术需要更高质量的术中图像，并且机器人辅助手术术前组装耗时，会增加手术的时长[40]。对于新技术，医疗机构必须为此支付相对较高的成本，医务人员也需要花费时间来学习和适应新设备和新技术，因此提供易于操作、学习时间短并表现出高效率、高准确性的设备至关重要[41]。CANS和RAS共同辅助外科手术，具有提高手术精度、减少术后并发症等优点。

4 CANS的不足与未来发展方向

目前CANS大多是通过光学追踪来传导术中数据，术者需避让光学的路径才能实时传递数据，存在术中阻挡、光干扰等问题。磁导航可以改善以上光学导航光路阻挡的问题。磁导航发射器可以放置在患者头部附近，在手术器械和患者的接收器中诱导电流从而实现传递数据[42]。电磁传感器较光学导航更小，可以嵌入手术器械的尖端，减少跟踪误差，同时也不阻挡视线，因此磁导航更适用于内镜和腹部手术[43]。Berger等[44]借助磁导航辅助正颌手术，将计划与实际正颌手术之间上颌转位的差异平均降低到0.3 mm。尽管电磁追踪具有潜在优势，但是磁导航的适应证范围也有一定的限制，容易受到带磁性物体的干扰。已有研究[45]发现透视和锥形束CT设备会降低电磁跟踪的精度，因此使用磁导航需要特殊的无磁性器械，不适用于装有心脏起搏器的患者、体内有胰岛素泵刺激器的患者，以及体内有金属的患者，同时电磁导航的设备、耗材昂贵，增大了手术成本。

CANS的成本在于导航设备的高额投资以及必要的影像设备、碳素材料[46]。对于一些简单的颌面部骨折，CANS术前的注册、术中的实时追踪以及术后的反复验证，提高手术精确度的同时也相应地增加了手术的时长，同时CANS的高额花费也增加了患者的手术费用，应用性价比不高，因此在CANS的使用上更倾向于复杂的骨折病例。

由于软组织的可动性会造成术中影像的漂移，CANS对于软组织的定位不够准确，限制了CANS在软组织中的应用。临床中存在许多颌面部软组织外伤、肿瘤、畸形需要通过更精确的方法来实现手术更佳的效果。现有研究[47]将虚拟支气管镜导航联合超声进行肺结节冰冻活检，取得不错的疗效，由此可以展望今后通过将颅颌面超声数据与CANS注册进一步克服人体偏差和软组织移位的问题。目前已有学者[48]研究融合算法，并实现了基于光学定位的颅颌面超声与CT图像融合技术方法的建立及初步临床应用，今后是否可以将超声、MRⅠ、CT的成像结果同时应用于导航，实现软组织和硬组织共同追踪值得继续研究。

CANS在进行标志点注册配准时，会进行附加的皮肤切口和钻孔来固定精确的参考架[49]。目前临床也有应用头戴式参考架，此参考架的优点是无创，但是对于长时间的手术，头戴式参考架可能会在术中松动移位，影响术中成像的效果。

配准是一项费时且关键的步骤，精确配准是后续定位追踪的前提，选择稳定的标志点是最需要克服的一大难题。在CT扫描中，使用金属标记物和金属基牙冠修复可能会产生大量伪影，使标志点的识别变得复杂[50]。常用标志点为骨面标志点或者某一牙尖，面部软组织一般不选用为标志点，尤其是面颊部软组织较厚，表面轮廓的标志点易随软组织变化而变化，增加了配准的难度。

CANS不能直观显示术中骨块移动的方向与位置，只能通过探针来追踪骨块表面标志显示是否达到计划的位置，不能保证内部骨结构能达到一个完美的复位。目前临床上已经开展CANS联合应用内镜或术中三维C臂辅助手术，利用内镜最小的通路，最大程度和安全地显示目标和关键结构的优点直达手术区域，术中三维C臂利于术中观察目标骨块移动的情况从而提高手术的精确度。考虑到CANS的辐射量远低于三维C臂，并且在术中使用方便，可以随时监测复位的效果，术中三维C臂更适合辅助CANS检验其复位效果，保证更深部组织的复位良好。期待在不久的将来CANS可以实现术中结构变化的实时反馈，同时对软组织有更好的追踪效果以及扩大手术适应证。

CANS可能会使患者暴露在更多的辐射中，但是如果不确定手术最终恢复位置，则能减少额外的影像学检查[51]。CANS需要术前CT或者MRⅠ数据，对于是否需要使用CANS的患者，术前的影像学检查都是必须的。术中通过红外线反馈术中的实时数据，无论医生或者患者都会接收到部分红外线辐射，这个辐射量是可接受的，因为红外线辐射穿透力小，对人体影响很小。CANS辅助下的骨折手术，术中通过导航探针明确骨折端复位的位置，减少术后二次手术的风险，也减少了因复位不当反复拍摄CT的概率。总结来说，虽然术中会暴露于更多辐射之中，但是术中辐射量小，是可接受的程度，并且减少了术后反复暴露辐射的风险。

5 总结与展望

颌面部骨折治疗的目标是恢复功能和美观，早期修复为精确复位提供了最佳机会，此时一来瘢痕组织尚未形成，二来骨折端未完全愈合，轮廓清晰，存在的问题是早期面部水肿严重，手术显示极为困难，因此比较适宜的时机是水肿消除后的7~10 d，明显的骨愈合发生之前的这一时期[52]。因此需要把握治疗的时机，避免损伤重要解剖结构同时做到精确复位，才能达到恢复功能和美观的最佳效果。

CANS集中了多项医疗技术，以提高所有治疗阶段的可预测性和准确性，各种步骤已经标准化，可以认为这些步骤独立于患者[53]。目前已有文献[36]证实，在专家指导下，初级或中级职称的外科医生进行CANS辅助外科手术种植体定位和长期临床结果方面与高级外科医生进行的效果相同，这给经验尚不丰富的青年骨干医生增加了信心。此外，CANS辅助手术也利于医生术前与患者直接沟通，通过术前设计方案让患者对手术流程和风险有更加清晰的认识，制定最佳的手术方案。CANS不仅运用于颌面部骨折有较好的效果，在颌面部异物取出、颌面部肿瘤、种植等方面都有不错的效果，尤其在颌面部肿瘤定位切除和重建方面。CANS可以在恶性肿瘤术后将重要数据传递给放射科，以便制定最佳的治疗方案[54]。CANS辅助计算机辅助设计与计算机辅助制作（computer-aided design/computer-aided manufacture，CAD/CAM）可提高颌骨重建手术的效果，尤其是规划骨轮廓的对称性[55]。CANS有诸多优点，但仍存在许多需改进的地方，期待在将来可以实现更便捷、稳定的定位追踪方式以及更准确的软组织和硬组织实时追踪，并且加强跨学科合作，以改善患者的预后。

随着数字化技术的不断发展，CANS、AR、RAS等技术均被应用于外科手术中，这些技术都可以提高手术精度，改善传统手术效果，但没有一项数字化技术是完美的，都存在需要提升的地方，而多种数字化外科技术的联合应用可以减少或避免单一技术带来的局限。总的来说，数字化外科技术，尤其是以CANS为代表的数字化外科技术正成为解决颌面部骨折，尤其是复杂骨折的一种新型技术，值得进一步研究。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。