数字化技术在正颌外科治疗中的应用进展

宋鑫利，张玮，于笑，李大鲁

1 滨州医学院口腔医学院，山东烟台 264003；2 济南市口腔医院口腔颌面外科

在传统的正颌手术中，颌面外科医生和正畸医生协同工作，术前通过面部照片、2D 头影测量、面弓转移、上架、模拟骨块移动等步骤进行术前设计、制作手术导板。在这一过程中，可能在多个环节产生误差，影响手术的准确性和最终效果［1］。与传统正颌手术相比，计算机辅助正颌外科能够更为精确呈现复杂的三维结构和位置关系、预测手术效果、提高手术精度、缩短手术时间，现已在临床上被广泛应用［2］。近年来，3D 打印、面部软组织成像、人工智能、手术导航等技术的应用进一步促进了正颌外科的发展。本文就数字化技术在正颌外科手术的术前、术中应用总结如下。

1 数字化技术在正颌外科手术前的应用

1.1 数据采集 进行正颌手术之前先要收集数据通过计算机辅助设计构建出可以准确反映骨骼、软组织和牙列位置的头颅模型［3］，数据采集包括颌面部骨骼、牙列和面部软组织三部分。①颌面部骨骼数据采集：采集颌面部骨骼数据可以用锥形束CT（CBCT）或多排螺旋CT（MSCT），二者都可以实现三维模型重建。影响三维模型重建精度的因素有很多，如CT体素、扫描系统、视场、检测对象、曝光时间、管电压和电流等。尽管CT检查的大多数参数都是预先设定，可保证模型重建精度良好，但是检查医生针对不同诊断可能对体素、扫描系统、视场等参数进行调整［4］，从而影响模型精度。有学者研究表明，对颌面部骨骼进行数据采集时，CBCT 和MSCT 空间分辨率较高，二者均可获得较好的图像质量［5］。但图像质量越好，体素越小，患者所接受的辐射剂量就越大。因此在不影响图像质量的情况下，为减少患者接受的辐射剂量，可使用较大尺寸的体素（0.4 mm）［6］。进行CT扫描时，设定扫描区域下至舌骨、上至颅顶、前至患者鼻部软组织。拍摄后的头颅CT数据（DICOM格式）可利用影像学资料分析软件（如Mimics 20.0）处理，并在电脑中创建患者的头颅骨骼3D 数字模型。②牙列数据采集：患者进行CBCT 扫描时多带有金属牙套，在牙列上易产生金属伪影，阻碍了CBCT 对牙齿的精确识别［7］。因此，需要借助其他方法来获取高精度的数字化牙列信息。目前，常用于正颌外科牙列扫描的方法是激光扫描石膏模型和口内牙列扫描，二者均可获得高精度的数字化牙列信息，但二者精度目前存在争议［8］。数字化正颌外科的相关配准方法有多种，而目前研究趋势多是基于内部特征配准法（利用点、表面和体素配准方法来进行牙列-颌骨的配准）［9］。将扫描的牙列数据（STL格式）导入数字化软件中，通过点、表面、体素（可两两结合使用，以提高配准精度）与CT模型进行配准，生成具有高精度牙列信息的数字三维头颅模型［10］。但目前口内牙列扫描数据与CBCT 重建牙齿模型数据的配准精度仍然是值得商榷的问题。BAAN 等［11］发现上下颌骨前部和后部配准精度最低，但这种低精度的原因仍未找到。③面部软组织数据采集：面部软组织的重建主要有CT 数据重建和面部扫描仪（包含激光扫描仪、结构光学扫描仪等）扫描重建两种方式。CT 扫描时患者采取仰卧位，面部扫描仪扫描时患者采取端坐位。有研究发现，扫描体位的不同可能影响数据的精度。史雨林等［12］将两种扫描方式所得的面部软组织数据进行比较后发现，两者基本能够完全重叠，但在颊部，面部扫描仪扫描的模型明显位于CT 重建模型的前方，二者相差约2 mm。由于颊部下方无骨组织支撑，仰卧位进行CT 扫描时，颊部软组织受重力作用的影响而向下塌陷，容易造成误差。此外，即使术后也采用相似的体位获得CT 数据，但面部骨骼位置已发生变化，对术后评估的指导意义不大。使用面部扫描仪扫描来获取口腔软组织数据是目前较为推崇的方法。随着面部扫描仪不断的更新换代，其高精度、高真实、非接触、可重复、用时短暂、便于远程传输等优点已被证实［13］。因此，目前将头颅CT数据与面部扫描仪扫描数据拟合进行面部软组织重建是新的趋势。在拟合过程中需要在头颅CT 扫描数据重建的面部软组织模型和面部扫描仪扫描重建的面部软组织上选取一样的配准点，利用软件的匹配功能，将面部扫描仪扫描的三维面像数据贴敷于颅面CT数据表面。这样，在分析软件中就可以获得具有高精度的面部软组织数据。

1.2 计算机辅助设计与模拟 获得头颅部位的CT数据后，可通过计算机辅助系统进行三维重建，构建头颅坐标参考系统，在参考系统内标定相关标志点、基准面中线、参考平面及各测量数据［14］。重建完成后，可进一步通过计算机系统进行数据分析、手术方案设计，模拟截骨、骨块在三维空间上移动，从而模拟整个手术过程。在设计虚拟骨切口线时，虚拟切口线与实际切口线位置一致有利于手术。多项研究表明三维头影测量较二维头影测量更为准确［15］，但如何创建参考系统、如何评估颌面部对称性仍然需要进一步研究。构建头颅的坐标参考系前要确定患者自然头位（NHP），也就是被检查者双眼平视前方，视线与地面平行，记录此时正确的头颅正中矢状面、冠状面和轴面在坐标参考系的位置［16］。但在CBCT扫描期间，患者受到限制，其位置与NHP 不一致。在三维中记录NHP 时，有学者提出了6 种三维记录NHP 的方法，即立体摄影测量、沿激光线的面部标记、临床照片和POSIT 算法、数字定位传感、手持3D相机测量系统和激光扫描，经过实验研究数字定位传感的方法具有良好的精度。近两年，人工智能（AI）已出现于正颌外科中，尽管应用还有一些缺陷，但随着AI在正颌外科中的不断研究和完善，未来AI在正颌手术术前设计中的应用将会更加广泛。

1.3 软组织预测 正颌手术主要在患者硬组织上进行，而术后面部软组织的形态变化往往是患者更为关注的。可视化治疗目标即在治疗之前就对患者的颌面部软硬组织的变化进行预测，建立出一个治疗完成时的视觉效果图，使患者能够直观地看到术后效果，进而提高患者的满意度。以往通过二维头影测量片对于正颌手术面部变化进行评估，但不能较好的体现面部软组织的预测［17］。有学者研究了不同计算机算法预测术后的面部形态的准确度，得出新型质量张量模型和线性有限元模型的准确度最高，平均偏差仅0.6 mm，其中，有限元模型在正颌手术软组织预测上应用较多，被公认为模拟软组织形变最有效的方法。多位学者对软组织预测结果进行验证得出：鼻尖部软组织预测最为准确，其次是下巴的软组织的预测，但嘴唇的位置以及鼻腔和鼻旁组织的预测仍面临着巨大挑战。面部软组织预测比颌面部骨骼预测难度大，其原因不仅来自于计算机算法的误差，还来自于面部软组织相关的许多不可控因素，如年龄（软组织弹性）、脂肪分布、肌肉的张力等［18］。所以，术前应告知患者目前软组织预测只是一个指南，并不完全代表手术的实际结果。

2 数字化技术在正颌外科手术中的应用

计算机辅助正颌外科可以根据术前的数据采集和手术设计，应用3D打印技术根据术中需要来制作板、截骨导板、定位导板、个性化钛板等来提高正颌手术的精准性，也可以利用导航系统在术中辅助医生进行手术操作。

2.2 截骨导板与定位导板的联合应用 截骨导板和定位导板主要依据CT 重建及虚拟手术后的骨表面形态进行设计。截骨导板在术中保证了截骨线与虚拟设计的手术方案一致，进而可以缩短手术时间，提高手术安全性。定位导板的作用是引导截骨块在术中进行准确定位，进而提高手术的精准性。截骨导板和定位导板在术中可联合使用。高廷益等［24］研究了截骨导板联合定位导板在上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术中的应用，研究结果显示上颌骨截骨和定位导板可精准地控制上颌骨的三维移动， 提高正颌外科中上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术的精度。陈莹等［25］在颏部畸形患者的研究中发现在行颏成形术时，术中截骨导板和定位导板的联合使用可以使术后获得良好的效果，所有患者均对颏部外形满意。

2.3 截骨导板与个性化钛板联合应用 截骨导板与个性化钛板协同应用于正颌外科也是正颌手术的趋势。截骨导板用于指导截骨和钉孔的制备，个体化钛板用于上颌骨的定位和固定，是将术前虚拟设计准确转移至术中实际的可靠方法［26-27］。个体化钛板在手术中发挥颌骨定位导板和固定钛板的作用，因此手术过程中不再需要中间板、颌间结扎及术中弯制钛板，手术步骤得以简化。MAZZONI等［28］报道将截骨导板和个性化钛板用于Le Fort Ⅰ型截骨术中上颌骨的定位和固定有更好的精度且空间位置的再现性可达92%。但实际手术操作过程中，上颌骨前壁骨组织的薄弱使钉洞不易制备；此外，术中医师只能在术前设计的截骨导板和个性化钛板的引导下来进行截骨和骨块定位，如需改变手术方案就只能放弃个性化钛板的使用。

2.4 导航系统应用 随着数字化技术的发展，计算机导航技术也逐渐应用在了正颌外科中。由于口腔颌面部解剖的复杂性，计算机导航技术在术中能实时跟踪术前设计方案的特点，使得正颌手术过程中安全性增加［29］。但导航系统在正颌手术中的应用有一些限制，如下颌骨的可移动性、面部软组织的形变性、光学导航系受光线的影响以及磁导航系统受金属影响等，这些都阻碍了导航系统在颌骨和面部软组织中的定位［30］。虽然已经研究出了相关措施，如计算机导航技术与超声技术结合应用于软组织的导航、与颌板结合应用于下颌骨手术的导航，但这些措施精确性的相关研究还较少。导航技术的应用为正颌外科提供了安全性，但由于设备成本高、系统的精确度不够稳定以及学习曲线较长等原因［31］，目前导航在正颌外科中应用仍较少。

目前，数字化技术在正颌外科中的应用越来越广泛，对手术设计、医师操作、应用效果均有重要作用。但数字化技术在正颌外科的应用中还有一些不足之处，如CT 扫描的灰度值不均一、影响手术导板的设计和术中实现，面部软组织的预测还不够准确等。即便如此，数字化技术在正颌外科中的应用优势不容忽视。