计算机三维仿真设计技术在下颌骨复杂骨折治疗中的研究进展

顾徐嘉,孟 箭,2,李志萍

下颌骨占据面下1/3,且在面部位置突出,颌面部外伤后极易遭受损伤,其骨折发生率占颌面部骨折的首位[1]。同时由于其结构众多且形状不规则,受力情况较为复杂,常导致复杂骨折例如粉碎性、多发性骨折的发生,严重破坏患者的面部外形及咬合功能。对于发生于下颌骨的粉碎性骨折,尽管影像学和固定技术不断进步,但骨折段较差的稳定性及术后较高的并发症率,仍然给颌面外科医生的诊疗带来不小的挑战[2]。近年来,得益于医学影像技术和计算机技术的发展,数字化外科技术(computer-aided surgery,CAS)在颌面部外伤领域的应用不断得到拓展和提升,极大地突破了传统手法复位手术过分依赖术者个人经验的限制,大大节省手术时间,做到手术精确化、个性化。数字化外科技术包括计算机三维仿真技术(3D simulation technology)、快速成型技术(rapid prototyping,RP)、手术导航(surgery navigation,SN)及手术机器人等[3]。随着混合现实技术(mixed reality,MR)、人工智能(artificial intelligence,AI)、虚拟仿真(virtual reality,VR)和5G等技术不断出现,数字化的内涵更加丰富。本文就计算机三维仿真技术在下颌骨复杂骨折中的临床应用及其与快速成型技术、手术导航技术、混合现实技术、人工智能的联合应用这五个方面作一综述和展望。

1 计算机三维仿真技术

计算机三维仿真技术的临床应用流程是指利用患者影像学资料包括螺旋CT、CBCT等通过mimics、geomagic studio、abaqus等数字化软件重建患者病灶区的三维实体模型,为生物力学分析和手术模拟提供理想的研究基础[4]。该技术能为下颌骨骨折的患者建立起具有个性化伤情的数字化仿真系统,为术前伤情的判断与分析、术中问题的预见、术后效果的评估提供重要指导。

1.1 虚拟手术计划

虚拟手术计划(virtual surgical planning,VSP)是一种利用数字数据处理手术程序的工作流程。大多数情况下,该套流程包括数据采集、模型可视化、数据整合、手术规划、工具制造等。目前计算机三维仿真技术已取代传统2D的X线片成为VSP模型可视化环节的首选手段[5]。术前VSP的应用能弥补传统手术单纯依靠术者临床经验制定手术方案和完成手术的不足,使手术更加精确化和个性化,缩短手术时间,提高手术质量[6]。近年来,相关文献报道VSP已成功运用于创伤和肿瘤引起的下颌骨节段性缺损的数字化血管化腓骨肌皮瓣精确重建[7-8]、辅助下颌骨陈旧畸形的解剖复位[9]、萎缩性无牙颌下颌骨骨折的坚固复位内固定[10]以及正颌手术和髁突骨折手术中对于髁突解剖位置的精确复位[11-12]。目前VSP已由传统线性规划模式朝着基于预测模型、效果评估、方案选择、术后反馈的闭环模式发展[5],并且呈现出多学科交叉的趋势如联合有限元分析优化接骨材料、植入物的力学设计,引入深度学习、多模式图像融合技术优化图像分割技术等[13]。

然而下颌骨复杂骨折的VSP只能让操作者在电脑屏幕前与虚拟骨折碎片进行二维交互,缺乏实体模型的力触觉反馈。近年有文献描述了一种触觉辅助手术规划系统(haptic assisted surgery planning system,HASP),该系统能让操作者佩戴立体眼镜,通过触觉设备上的笔状手柄操纵虚拟骨片,计算骨片是否发生碰撞,并模拟碰撞声音进行反馈,以此让操作者评估虚拟骨片是否贴合及咬合是否正确[14]。避免了VSP系统中视觉上难以分辨骨折片相互渗透的问题。Nilsson等[15]评估了该系统用于下颌骨粉碎性骨折手术的准确性、精确度和时间效率,认为其相较于VSP,对下颌骨复杂骨折手术的术前规划和评估更具实用性。

1.2 数字化牙牙合模型

颌骨骨折整复手术需要个性化且较为精细的牙牙合关系作为参考。临床目前最常用的牙牙合数字化三维建模方式有激光三维扫描技术、CT扫描技术、口内直接扫描技术[16]。下颌骨骨折由于伴有疼痛和升颌肌群痉挛,多数患者存在不同程度张口受限。因此相比于需要制取石膏模型的激光三维扫描技术和需要探头探入的口内直接扫描技术,CBCT扫描技术成为临床上下颌骨复杂骨折患者建立数字化牙牙合模型的不二选择。

1.3 术后预测模型

下颌骨复杂骨折对于气道与面容有较大的影响,甚至有窒息风险。通过术前、术后气道三维仿真容积和面颊软组织三维模型的重建,分析其变化,对预测复位后患者呼吸、发音的影响程度和面容效果有重要指导意义[17-18]。未来建立相应的数据库,能够为患者选择最佳手术方案提供重要参考。

2 联合快速成型技术

快速成型技术又称快速原型技术,指在计算机的辅助控制下,依据物体模型或CT、MRI等影像资料,短时间内通过材料的层层堆叠构建出复杂精细的三维实体。其中3D打印技术(3D printing)相较于使用机床铣销整块材料的CAD/CAM技术制作上更灵活、设备更简单,突破了传统CAD/CAM技术的诸多局限,更适用于复杂精细结构物件。因此三维打印已成为在颅颌面外科领域最被广泛采用的技术。其在颌面外科的手术中主要被用于制作轮廓模型、骨折复位导板、数字化咬合导板、植入物这四个方面[19]。

2.1 仿真头颅模型

应用DICOM数据三维重建制作超仿真的头颅模型引导,在全面评价患者病情,制定治疗计划和指导手术施行等方面有着传统治疗方式无法比拟的优势。Chew等[20]利用三维仿真颅面骨折模型精细分割碎骨块并用三维打印设备打印出来拼接出下颌骨解剖复位模型用于指导手术和钛板的预弯,大大节省了手术时间。然而相关的术前规划、打印模型、术前预弯的流程需要一定的时间,这增加了术前的时间和服务成本,不利于急性损伤的及时救治。为了解决这个问题,King等[21]直接在术中将患者CT数据呈现为3D模型并通过三维打印设备即时打印出来,并用带切割轮的高速钻头沿骨折线切割模型,将分离的骨折片通过目视边缘互锁的方式拼接并黏固在一起用于指导术中预弯钛板,达到了缩短手术时间和减少服务成本的目的。在面对三维重建难度较大的广泛下颌骨粉碎性骨折时,Alagarsamy等[22]利用另一位年龄、性别相同的患者的下颌骨计算机断层扫描数据进行虚拟复位并打印参考头颅模型用于重建钢板的预弯,取得了令人满意的临床效果。

2.2 骨折复位导板

根据国际内固定协会(AO/ASIF)相关原则,下颌骨粉碎性骨折需要切开复位和坚固内固定以达到通过钛板和皮质螺钉获得骨折碎片的绝对固定和一期修复[23]。然而由于骨折线周围骨骼表面解剖标志往往不清楚,预弯钛板放置位置会与术前虚拟计划中的位置不完全相同,因此无法保证手术结果。三维打印骨折复位导板就是基于虚拟复位模型设计制作,用来辅助钛板的放置和骨折片的复位。Zhao等[24]设计了一种中间带有能够置入预弯钛板凹槽的骨折复位导板,导板的形状及凹槽的位置都根据术前虚拟规划的结果进行个性化设计,兼顾颌骨伴行血管和神经的解剖保护,并运用3D打印技术制作。术中使用结果表明其组织面能紧密贴合骨面并快速放置预弯钛板,术后与单用预弯钛板和传统手法复位的手术组相比具有更高的对称性和精确性,并极大地缩短了手术时间,提高了患者的获益。对于要使用重建钛板固定的患者,由于其体积大且塑形难度大,往往导致预弯精度差且费时长。为了解决这一问题,陆友正等[25]根据放置了虚拟弯制重建钛板的骨折复位模型设计了一种导板,其外形与下颌骨虚拟复位后的颊侧外形相一致,下缘包裹下颌骨下缘,表面有与虚拟弯制重建钛板螺钉孔相一致的孔洞。术中使用导板内侧缘辅助复位骨折片,用导板上设计的孔位打孔并指导重建钛板的预弯。结果手术时间较常规缩短1 h,10例患者临床效果优良率为90%,与虚拟计划偏差均<2 mm,大大提高手术精确性。

2.3 数字化咬合导板

咬合导板在正颌外科矫治中可促使下颌骨有效恢复至生理位置,并恢复咬合关系。然而并发咬合紊乱的下颌骨骨折患者由于张口受限,无法通过石膏模型来设计咬合导板。Ren等[26]将正颌手术使用的咬合导板引入了下颌骨骨折的治疗,并且为规避外伤患者张口受限难以制作石膏模型的难题,他们将患者MSCT和CBCT图像联合建立的数字化骨折模型进行了虚拟复位,并在此基础上设计个性化的咬合导板,并运用3D打印技术打印出来,用于术中咬合关系的获得。通过与未使用导板组和仅用MSCT图像进行建模设计组的对比表明,联合模型设计出的数字化咬合导板具有最高的精确性和最大的术后咬合恢复率,达到94.73%,其余两组分别为72.22%和85.71%。Ramanathan等[27]则从骨折复位的临床效果角度评价了数字化咬合导板在发生咬合紊乱的下颌骨骨折中的应用。结果表明数字化咬合导板能使更多患者达到解剖复位且明显提高手术的精确度,与传统在石膏模型上用丙烯酸材料制作的咬合导板相比制作过程具有更高舒适度并能大幅减少制作的时间成本。这些都证明数字化咬合导板能有效运用于快速寻找下颌骨粉碎性骨折的咬合关系中。

2.4 数字化钛网

对于外形遭到严重破坏,含有较多碎骨片的下颌骨粉碎性骨折,传统方法是通过预弯钛网进行坚固内固定。Ma等[28]通过选择性激光熔化技术(selective laser melting,SLM)直接将虚拟预弯的钛网模型打印出来成功治疗一例下颌骨严重粉碎性骨折的患者,节省了时间成本,取得了令人满意的临床效果。

3 联合手术导航技术

手术导航系统依靠虚拟现实技术与定位跟踪系统将术前三维仿真颅面骨折模型和术中骨面进行配准,可视化手术器械的实时位置,用于引导手术器械进行精确操作,使颌面部诊疗更加直观、精确、安全和有效。在下颌骨粉碎性骨折领域主要用于并发严重颌骨缺损需要骨移植进行下颌骨重建的患者,可选用的骨头包括腓骨、髂骨等[1]。但是由于下颌骨的移动性,术中与术前成像数据的实时匹配往往十分复杂。目前可采取的方法主要是在下颌骨上安装动态参考系或者将上下颌结扎固定或制作咬合导板使上下颌保持在一种可重复的相对固定的状态[29]。由于皮瓣移植手术需要患者在术中保持开口位,因此在手术导航系统中引入咬合导板的方法就成为Shan等[30]对下颌骨缺损进行腓骨肌皮瓣精确移植的合适选择,20例患者均成功进行了手术。Abbate等[31]则评估了4例将动态参考系(dynamic reference frame,DRF)放置在下颌支上进行手术导航的患者,他们均需进行下颌骨部分切除并腓骨肌皮瓣移植,最终手术的精确性和准确性令人满意。Yamamoto等[32]另辟蹊径,设计了一种使患者保持开口位的咬合导板,该导板上集成了参考框架和配准标记,成功在手术导航系统的引导下对患者下颌骨进行了角化囊肿的精确切除,在应用导航系统的下颌骨手术中有巨大潜力。未来,手术导航系统还可用于下颌骨粉碎性骨折碎骨片和异物的精确取出,Yang等[33]报道了成功运用导航系统取出患者颌面部24个异物的手术。

4 联合混合现实技术

MR系统能通过将三维仿真模型与实际物体相结合从而实现现实世界与虚拟环境的实时交互。是继虚拟现实技术、增强现实技术(augmented reality,AR)后的全新数字化全息技术[34]。Meng等[35]运用MR商用软件Hololens指导对尸体腓骨的截骨用于下颌骨缺损模型的重建,结果实际截骨段与术前规划存在细微偏差。其原因在于全息图的位置是固定的,每次手术区域的活动都要对全息图与术区进行一次人工匹配进行重叠,否则视觉差异会造成误差,该操作不仅耗时费力,且影响精确度,而且重叠本身也会对术者造成干扰。Tang等[36]将手术导航技术与MR结合,用于7例颌骨肿瘤患者病灶切除的术中实时导航,通过IGT-link端口将两个系统的工作站连接,全息图结构可通过手术导航实时显示,术者可将其投影到视野内任何地方,不必与术区重叠,从而解决了视觉差异问题及重叠干扰问题,初步验证了手术可行性。两种技术的联合应用互相弥补了各自的缺点。

5 联合人工智能技术

AI通过模拟人类意识和思维过程,赋予计算机执行认识功能能力,机器学习(machine learning, ML)是其核心。深度学习是机器学习的子领域,其克服了过去人工智能中被认为难以解决的一些问题,促进了人工智能的发展,成为近年人工智能研究领域的热门。深度学习主要使用人工神经网络(artificial neural network, ANN),卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)是其中一种经典而广泛应用的结构,近年CNN在医学图像处理中的应用研究大量增加[37-38]。Qiu等[39]开发了一种基于CNN的下颌骨自动分割方法,该方法采用U-Net的架构,将来自三个正交平面的2D分割组合成一个3D分割,成功对109例头颈部CT扫描数据实现下颌骨的自动3D分割。另有团队开发了一款基于CNN的AI截骨软件,评估其在术前下颌骨仿真模型上的下颌角截骨方案,认为AI截骨软件设计效率高,安全性、对称性和美观性与人工设计相当,可作为人工截骨的替代方案[40]。Lo等[41]首次应用迁移学习模型和基于面部三维轮廓仿真模型的CNN来自动评估正颌手术前后的面部对称性,量化了全面和特定面部结构,让临床医生能客观地获得面部对称性评分,以定量评估手术结果改善情况。该系统对于下颌骨粉碎性骨折或缺损患者术后面部对称性的评估还有待进一步的应用验证。

6 总结和展望

随着数字化技术的发展,大数据与计算机仿真虚拟技术联合应用于颌面部创伤将是未来的趋势之一。我们可以看到计算机三维仿真技术用于术前VSP结合3D打印技术已形成一套用于治疗下颌骨复杂骨折的成熟的数字化流程,骨折复位导板和轮廓模型的选择取决于骨折程度、患者经济条件、切口设计、医院条件等。但是对于较为复杂的下颌骨粉碎性骨折的虚拟复位,传统VSP耗时费力且复位流程并无统一标准,有待改良系统的开发和相关复位流程的进一步明确。同时数字化咬合导板应用于下颌骨骨折的临床效果已被相关文献证明,其与骨折复位导板、计算机导航技术的联合应用价值还有待相关临床研究的进一步验证。未来MR与手术导航技术联合用于骨移植精确修复下颌骨节段性缺损有着重大的应用潜力。同时以CNN为主要结构的深度学习将越来越频繁参与手术的术前规划与术后评价中。

随着5G时代的到来,如能将颞颌关节和肌肉的运动轨迹进行描记并能真正模拟患者的功能咬合,再加之颌骨、牙列的三维重建,体现牙-颌骨-颞颌关节及颌面肌肉的联合仿真时动态模型重建,必将实现数字化技术在颌面骨折诊疗中三维到四维的飞跃,这也是外科精准诊疗的重要方向。