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數(shù)字化外科學(xué)（digitalsurgery）是一門融合了外科學(xué)、圖形圖像處理、三維重建、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造、快速成形技術(shù)、反求技術(shù)、外科導(dǎo)航技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的交叉學(xué)科，其可以為臨床醫(yī)師提供三維實物模型，術(shù)前進(jìn)行可視化手術(shù)設(shè)計和模擬，協(xié)助制作復(fù)雜手術(shù)方案，術(shù)中導(dǎo)航精確實現(xiàn)術(shù)前設(shè)計，術(shù)后量化評估手術(shù)效果［1］。近年來數(shù)字化外科技術(shù)在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，本文針對其在口腔頜面外科的分支學(xué)科—正頜外科中的發(fā)展與應(yīng)用作一述評。

1數(shù)字化外科在正頜外科中的發(fā)展應(yīng)用

近30年以來，正頜外科已經(jīng)發(fā)展成為治療牙頜面畸形的一項成熟而安全的外科技術(shù)［2⁃4］。傳統(tǒng)的正頜外科通過臨床體檢、頭影測量分析、石膏模型外科等步驟制作板用作術(shù)中導(dǎo)航，其缺點主要是由于頭影測量分析是二維圖像，因此，基于對頭影描跡圖的裁剪、移動、和拼對難以模擬頜骨在三維空間的移動；另外，模型外科技術(shù)需要先用面弓轉(zhuǎn)移關(guān)系到架上，繼而對牙頜模型進(jìn)行移動、切割和拼對，步驟繁瑣，易于產(chǎn)生誤差［5］。計算機輔助的手術(shù)模擬（computer⁃aidedsurgicalsimulation，CASS）在正頜外科中的應(yīng)用并非新事，早期的研究實踐主要通過虛擬手術(shù)使術(shù)后效果可視化，方便術(shù)前設(shè)計及方案擬定，但無法在電腦中設(shè)計板真正用于指導(dǎo)手術(shù)［6⁃8］。直到2005年，以JamesXia為代表的學(xué)者才首次應(yīng)用CAD/CAM（Computer⁃aideddesigning/computeraidedmanufacturing）技術(shù)開發(fā)制作出可應(yīng)用于術(shù)中指導(dǎo)正頜外科手術(shù)的板［9］。自此以后，計算機輔助的手術(shù)模擬在正頜外科中的應(yīng)用才進(jìn)入了新時代［10⁃17］。與此相伴的同時，大量諸如ProPlanCMF（MaterializeNV，Belgium），Dol⁃phin3DSurgery（DolphinImagingandManagementSolution，USA），3dMDvultus（3dMDLLC，USA），Mimics（MaterializeNV，Belgium）和3DStudioMax（Autodesk，USA）的商業(yè)輔助軟件應(yīng)運而生。雖然目前有眾多商業(yè)軟件應(yīng)用于正頜外科術(shù)前設(shè)計，但是多數(shù)無法在一個軟件中完成正頜外科術(shù)前設(shè)計的所有步驟，存在操作繁瑣，不易掌握的缺點。為此，近年來JamesXia［18⁃20］帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種簡便易于操作且集數(shù)據(jù)分析、切割和手術(shù)模擬等模塊于一體的名為AnatomicAligner的軟件。

2數(shù)字化正頜外科設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)操作流程

以AnatomicAligner系統(tǒng)為例，它包括6個模塊，分別是分割/3D模型模塊、記錄/NHP（naturalheadposition）模塊、3D頭影測量模塊、虛擬骨切開模塊、手術(shù)模擬模塊、板設(shè)計模塊［19⁃23］。以下部分將對每一個模塊作出詳細(xì)闡述。

2.1分割/3D模型模塊此模塊的主要功能是建立一組可以準(zhǔn)確顯示頜面骨骼及軟組織的3D模型。首先，通過CT掃描獲取患者頭顱CT數(shù)據(jù)參數(shù)（（DICOM格式）），輸入系統(tǒng)并在電腦中創(chuàng)建患者的頭顱骨骼3D數(shù)字模型［18⁃20］。其次，應(yīng)用分割、區(qū)域分割、手工編輯、區(qū)域增長、布爾運算等分割工具創(chuàng)建個體模型的原型（如上頜骨、下頜骨）。最后，應(yīng)用MarchingCubes算法對所創(chuàng)建原型進(jìn)行三維重建。在正頜外科術(shù)前設(shè)計中，需要生成包括面中部、下頜骨、軟組織及基準(zhǔn)標(biāo)志點在內(nèi)的四個CT模型［24］。另外還需要在系統(tǒng)中輸入高分辨率的上、下頜數(shù)字牙模及其基準(zhǔn)標(biāo)志點［24⁃26］。

2.2記錄/NHP模塊此模塊主要功能主要包括2個方面，第一，構(gòu)建可以準(zhǔn)確反映骨骼、軟組織和牙列位置的頭顱模型以利于術(shù)前設(shè)計［20］。由于牙齒上通常粘有金屬托槽、弓絲通常會造成局部偽影而影響牙齒的CT成像［27⁃28］。因此，有必要應(yīng)用具有高分辨率的激光掃描儀對牙模進(jìn)行掃描建立數(shù)字牙模［29］。然后，通過基準(zhǔn)標(biāo)志點與三維CT模型進(jìn)行融合替換生成具有高分辨率的帶牙列的數(shù)字三維頭顱模型［23］。第二，構(gòu)建頭顱的坐標(biāo)參考系，首先確定自然頭位，也就是被檢查者雙眼平視前方，視線與地面平行，記錄此時正確的頭顱正中矢狀面、冠狀面和軸面在坐標(biāo)參考系的位置［19，30］。

2.33D頭影測量模塊傳統(tǒng)上的X線頭影測量應(yīng)用二維的X線平片通過一系列的顱面部解剖標(biāo)志點對顱面畸形的個體進(jìn)行測量，可以相對了解畸形的性質(zhì)和程度。但是，學(xué)界普通認(rèn)為將三維的解剖結(jié)構(gòu)投影到二維的平片上會造成不同程度的誤差［17⁃20，30］。為此，近年CBCT的普及應(yīng)用使得三維頭影測量成為可能。它可以在5個方面分析研究對象的幾何學(xué)特征，包括對稱度、形狀、大小、位置、方向。并在三維坐標(biāo)系內(nèi)數(shù)值化紀(jì)錄以便于后續(xù)步驟進(jìn)行虛擬手術(shù)切割移動骨塊和分析結(jié)果［24⁃25，31⁃34］。

2.4虛擬骨切開模塊虛擬骨切開是數(shù)字化外科設(shè)計模擬的基本功能。它的作用在于將數(shù)字化重建的3D模型在軟件中進(jìn)行分塊切開［1，20，35］。首先，按手術(shù)設(shè)計方案在3D模型中進(jìn)行骨切開位置的定點、連線（圖1a）。其次，相鄰各點連線后向內(nèi)側(cè)延伸70mm，形成厚約0.5mm的六面體（圖1b），相鄰六面體之間以鉸鏈結(jié)構(gòu)鏈接匯合而成骨切開面。最后，應(yīng)用軟件將骨塊分開，形成面中部骨塊、帶牙列的上頜骨LeFortI型截骨塊，帶牙列的下頜骨遠(yuǎn)心骨塊和帶髁突的左、右近心骨塊。

2.5手術(shù)模擬模塊繼在上一模塊中將3D模型進(jìn)行骨切開分塊后，各骨塊就能夠在三維空間內(nèi)移動而模擬正頜手術(shù)中頜骨的移動并在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生實時的各解剖標(biāo)志點的三維頭影測量數(shù)據(jù)（圖2）。在手術(shù)模擬模塊［20］中主要包括3個步驟：①將帶牙列的上頜骨LeFortI型截骨塊與帶牙列的下頜骨遠(yuǎn)心骨塊按術(shù)前設(shè)計的終末咬合關(guān)系（術(shù)前外科醫(yī)生與正畸醫(yī)生共同擬定并應(yīng)用高分辨率激光掃描儀將石膏模型的咬合關(guān)系掃描記錄輸入電腦）進(jìn)行拼對，重建穩(wěn)定的咬合關(guān)系，形成上、下頜骨復(fù)合體［18，36］。②按術(shù)前設(shè)計的骨塊移動量在三維空間內(nèi)移動骨塊，包括橫向、矢狀向、垂直向的調(diào)整移動和旋轉(zhuǎn)，在保證髁突位置基本不變的條件下將骨塊就位。③如有必要，可對頦部骨切開進(jìn)行頦成型術(shù)并在三維空間內(nèi)移動至術(shù)前設(shè)計位置。

2.6板設(shè)計模塊數(shù)字化板是將虛擬手術(shù)效果在現(xiàn)實手術(shù)中實現(xiàn)的必要媒介和工具。若是雙頜手術(shù)則需設(shè)計中間板與終末板兩塊，單頜手術(shù)只需終末板。通常先行上頜手術(shù)，以下頜牙列為基準(zhǔn)設(shè)計中間板，接著以骨塊定位后的上頜牙列為基準(zhǔn)設(shè)計終末板［37］。首先，應(yīng)用軟件在上頜牙列咬合面進(jìn)行定點（至少3點）從而形成板的上表面，此平面自動離開咬合面2mm構(gòu)成板的厚度。同法應(yīng)用軟件以下頜牙列為基準(zhǔn)構(gòu)建板的下表面，至此，一個包含上、下牙列在內(nèi)的原始板在計算機內(nèi)宣告生成。其次，通過計算機布爾運算將上、下牙列從原始板中減去，即生成終末板并以stl格式文件輸出保存。最后，在3D打印機中使用醫(yī)用高分子材料打印板并最終應(yīng)用于術(shù)中指導(dǎo)手術(shù)。

3數(shù)字化正頜外科典型病例

患者為17歲女性，要求手術(shù)矯治“齙牙”。經(jīng)臨床檢查、CBCT和頭影測量分析等影像學(xué)檢查后（圖4）診斷為“骨性Ⅱ類上頜前突伴下頜后縮畸形”。將患者頭顱CT數(shù)據(jù)參數(shù)（DICOM格式）輸入系統(tǒng)并在電腦中創(chuàng)建患者的頭顱骨骼3D數(shù)字模型，應(yīng)用數(shù)字化正頜外科術(shù)前設(shè)計流程和方法在電腦中應(yīng)用軟件對頜骨進(jìn)行三維空間內(nèi)的頭影測量分析，對頜骨的解剖標(biāo)志點的三維空間位置進(jìn)行實時記錄跟蹤顯示，在虛擬骨切開和虛擬手術(shù)中精確計算骨塊移動的方向、幅度并實時呈現(xiàn)術(shù)后效果（圖5）。確定手術(shù)方案為：上頜骨LeFortⅠ型骨切開：上頜骨上升（前份4mm，后份2mm）+后退4mm；雙側(cè)下頜升支矢狀劈開隨上頜移動；頦前徙成形術(shù)：8mm。最后在3D打印機中使用醫(yī)用高分子材料打印骨切開導(dǎo)板和板并最終應(yīng)用于術(shù)中指導(dǎo)手術(shù)（圖6）。術(shù)后3個月患者隨訪結(jié)果顯示面型及頭影測量分析結(jié)果達(dá)到術(shù)前設(shè)計要求（圖7），并且患者自覺主觀訴求也得到滿足。

4前景展望

21世紀(jì)以來，數(shù)字化技術(shù)與醫(yī)學(xué)技術(shù)的結(jié)合衍生了數(shù)字醫(yī)學(xué)這一嶄新概念和交叉學(xué)科。其在口腔頜面外科⁃特別是正頜外科中的應(yīng)用使得牙頜面畸形的治療的設(shè)計進(jìn)一步精確化、可視化［17，38］。它在概念上與傳統(tǒng)的正頜外科相比存在較大的不同，傳統(tǒng)正頜外科術(shù)前設(shè)計主要依賴臨床檢查、二維的頭影測量分析和石膏模型外科，無論在畸形的判斷分析還是手術(shù)模擬，往往都局限于二維空間的線性分析［3，4，39⁃42］；而數(shù)字化正頜外科術(shù)前設(shè)計可以在電腦中應(yīng)用軟件對頜骨進(jìn)行三維空間內(nèi)的頭影測量分析，對頜骨解剖標(biāo)志點的三維空間位置進(jìn)行實時記錄跟蹤顯示，在虛擬骨切開和虛擬手術(shù)中精確計算骨塊移動的方向、幅度并實時呈現(xiàn)術(shù)后效果［43］。特別是對于較嚴(yán)重復(fù)雜的頜骨不對稱畸形，如：第一、第二鰓弓綜合征，數(shù)字化正頜外科術(shù)前設(shè)計具有較明顯優(yōu)勢，可以更加明確地量化頜骨畸形的部位并在三維空間準(zhǔn)確測量頜骨不對稱的程度和方向，在虛擬手術(shù)中實時呈現(xiàn)矯正后的手術(shù)效果［44⁃50］。板是實現(xiàn)正頜外科術(shù)前設(shè)計方案的必要媒介和工具，相比傳統(tǒng)的板，數(shù)字化3D打印板具有精度高、材料厚度薄、可依賴性強的優(yōu)點。國內(nèi)外均有報道證明數(shù)字化3D打印板相比傳統(tǒng)板具有制作簡便、生產(chǎn)時間大幅縮短，可靠性強的優(yōu)勢。筆者的應(yīng)用經(jīng)驗也表明數(shù)字化3D打印板厚度薄、精度高，與牙齒咬合面貼合，可以使術(shù)后的咬合誤差降至毫米級以下，術(shù)中很少出現(xiàn)終末板不能就位的情況。數(shù)字化設(shè)計的骨切開導(dǎo)板盡管普遍應(yīng)用于術(shù)中指導(dǎo)骨切開位置及方向的準(zhǔn)確定位，但因材料脆性過大常常出現(xiàn)骨切開過程中導(dǎo)板爆裂的情況。因此，后續(xù)的研究中非常有必要加強3D打印材料方面的研究開發(fā)攻關(guān)，以增加材料的強度和韌性。目前，數(shù)字化3D打印的正頜外科預(yù)成型鈦板已逐步開始研究并應(yīng)用于臨床實踐，顯著減少了手術(shù)時間和提高了頜骨固定的精確性與穩(wěn)定性，獲得良好臨床效果［51，52］。同時也有不少學(xué)者在數(shù)字化正頜外科術(shù)前設(shè)計的輔助下提出“無板正頜外科”（splintlessorthognathicsurgery）的概念［53］，即完全依賴數(shù)字外科設(shè)計的骨切開導(dǎo)板，結(jié)合一體化種植釘復(fù)合鈦板進(jìn)行骨切開和堅固內(nèi)固定的技術(shù)。展望未來，數(shù)字化正頜外科術(shù)前設(shè)計必將獲得長足發(fā)展，為牙頜面畸形的正頜外科治療的實施提供更為精確可靠的保證。

參考文獻(xiàn)

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作者：劉顯文，艾偉健 單位：南方醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院口腔頜面外科