顧徐嘉,孟 箭,2,李志萍

下頜骨占據(jù)面下1/3,且在面部位置突出,頜面部外傷后極易遭受損傷,其骨折發(fā)生率占頜面部骨折的首位[1]。同時由于其結(jié)構(gòu)眾多且形狀不規(guī)則,受力情況較為復雜,常導致復雜骨折例如粉碎性、多發(fā)性骨折的發(fā)生,嚴重破壞患者的面部外形及咬合功能。對于發(fā)生于下頜骨的粉碎性骨折,盡管影像學和固定技術(shù)不斷進步,但骨折段較差的穩(wěn)定性及術(shù)后較高的并發(fā)癥率,仍然給頜面外科醫(yī)生的診療帶來不小的挑戰(zhàn)[2]。近年來,得益于醫(yī)學影像技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化外科技術(shù)(computer-aided surgery,CAS)在頜面部外傷領域的應用不斷得到拓展和提升,極大地突破了傳統(tǒng)手法復位手術(shù)過分依賴術(shù)者個人經(jīng)驗的限制,大大節(jié)省手術(shù)時間,做到手術(shù)精確化、個性化。數(shù)字化外科技術(shù)包括計算機三維仿真技術(shù)(3D simulation technology)、快速成型技術(shù)(rapid prototyping,RP)、手術(shù)導航(surgery navigation,SN)及手術(shù)機器人等[3]。隨著混合現(xiàn)實技術(shù)(mixed reality,MR)、人工智能(artificial intelligence,AI)、虛擬仿真(virtual reality,VR)和5G等技術(shù)不斷出現(xiàn),數(shù)字化的內(nèi)涵更加豐富。本文就計算機三維仿真技術(shù)在下頜骨復雜骨折中的臨床應用及其與快速成型技術(shù)、手術(shù)導航技術(shù)、混合現(xiàn)實技術(shù)、人工智能的聯(lián)合應用這五個方面作一綜述和展望。

1 計算機三維仿真技術(shù)

計算機三維仿真技術(shù)的臨床應用流程是指利用患者影像學資料包括螺旋CT、CBCT等通過mimics、geomagic studio、abaqus等數(shù)字化軟件重建患者病灶區(qū)的三維實體模型,為生物力學分析和手術(shù)模擬提供理想的研究基礎[4]。該技術(shù)能為下頜骨骨折的患者建立起具有個性化傷情的數(shù)字化仿真系統(tǒng),為術(shù)前傷情的判斷與分析、術(shù)中問題的預見、術(shù)后效果的評估提供重要指導。

1.1 虛擬手術(shù)計劃

虛擬手術(shù)計劃(virtual surgical planning,VSP)是一種利用數(shù)字數(shù)據(jù)處理手術(shù)程序的工作流程。大多數(shù)情況下,該套流程包括數(shù)據(jù)采集、模型可視化、數(shù)據(jù)整合、手術(shù)規(guī)劃、工具制造等。目前計算機三維仿真技術(shù)已取代傳統(tǒng)2D的X線片成為VSP模型可視化環(huán)節(jié)的首選手段[5]。術(shù)前VSP的應用能彌補傳統(tǒng)手術(shù)單純依靠術(shù)者臨床經(jīng)驗制定手術(shù)方案和完成手術(shù)的不足,使手術(shù)更加精確化和個性化,縮短手術(shù)時間,提高手術(shù)質(zhì)量[6]。近年來,相關文獻報道VSP已成功運用于創(chuàng)傷和腫瘤引起的下頜骨節(jié)段性缺損的數(shù)字化血管化腓骨肌皮瓣精確重建[7-8]、輔助下頜骨陳舊畸形的解剖復位[9]、萎縮性無牙頜下頜骨骨折的堅固復位內(nèi)固定[10]以及正頜手術(shù)和髁突骨折手術(shù)中對于髁突解剖位置的精確復位[11-12]。目前VSP已由傳統(tǒng)線性規(guī)劃模式朝著基于預測模型、效果評估、方案選擇、術(shù)后反饋的閉環(huán)模式發(fā)展[5],并且呈現(xiàn)出多學科交叉的趨勢如聯(lián)合有限元分析優(yōu)化接骨材料、植入物的力學設計,引入深度學習、多模式圖像融合技術(shù)優(yōu)化圖像分割技術(shù)等[13]。

然而下頜骨復雜骨折的VSP只能讓操作者在電腦屏幕前與虛擬骨折碎片進行二維交互,缺乏實體模型的力觸覺反饋。近年有文獻描述了一種觸覺輔助手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)(haptic assisted surgery planning system,HASP),該系統(tǒng)能讓操作者佩戴立體眼鏡,通過觸覺設備上的筆狀手柄操縱虛擬骨片,計算骨片是否發(fā)生碰撞,并模擬碰撞聲音進行反饋,以此讓操作者評估虛擬骨片是否貼合及咬合是否正確[14]。避免了VSP系統(tǒng)中視覺上難以分辨骨折片相互滲透的問題。Nilsson等[15]評估了該系統(tǒng)用于下頜骨粉碎性骨折手術(shù)的準確性、精確度和時間效率,認為其相較于VSP,對下頜骨復雜骨折手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃和評估更具實用性。

1.2 數(shù)字化牙牙合模型

頜骨骨折整復手術(shù)需要個性化且較為精細的牙牙合關系作為參考。臨床目前最常用的牙牙合數(shù)字化三維建模方式有激光三維掃描技術(shù)、CT掃描技術(shù)、口內(nèi)直接掃描技術(shù)[16]。下頜骨骨折由于伴有疼痛和升頜肌群痙攣,多數(shù)患者存在不同程度張口受限。因此相比于需要制取石膏模型的激光三維掃描技術(shù)和需要探頭探入的口內(nèi)直接掃描技術(shù),CBCT掃描技術(shù)成為臨床上下頜骨復雜骨折患者建立數(shù)字化牙牙合模型的不二選擇。

1.3 術(shù)后預測模型

下頜骨復雜骨折對于氣道與面容有較大的影響,甚至有窒息風險。通過術(shù)前、術(shù)后氣道三維仿真容積和面頰軟組織三維模型的重建,分析其變化,對預測復位后患者呼吸、發(fā)音的影響程度和面容效果有重要指導意義[17-18]。未來建立相應的數(shù)據(jù)庫,能夠為患者選擇最佳手術(shù)方案提供重要參考。

2 聯(lián)合快速成型技術(shù)

快速成型技術(shù)又稱快速原型技術(shù),指在計算機的輔助控制下,依據(jù)物體模型或CT、MRI等影像資料,短時間內(nèi)通過材料的層層堆疊構(gòu)建出復雜精細的三維實體。其中3D打印技術(shù)(3D printing)相較于使用機床銑銷整塊材料的CAD/CAM技術(shù)制作上更靈活、設備更簡單,突破了傳統(tǒng)CAD/CAM技術(shù)的諸多局限,更適用于復雜精細結(jié)構(gòu)物件。因此三維打印已成為在顱頜面外科領域最被廣泛采用的技術(shù)。其在頜面外科的手術(shù)中主要被用于制作輪廓模型、骨折復位導板、數(shù)字化咬合導板、植入物這四個方面[19]。

2.1 仿真頭顱模型

應用DICOM數(shù)據(jù)三維重建制作超仿真的頭顱模型引導,在全面評價患者病情,制定治療計劃和指導手術(shù)施行等方面有著傳統(tǒng)治療方式無法比擬的優(yōu)勢。Chew等[20]利用三維仿真顱面骨折模型精細分割碎骨塊并用三維打印設備打印出來拼接出下頜骨解剖復位模型用于指導手術(shù)和鈦板的預彎,大大節(jié)省了手術(shù)時間。然而相關的術(shù)前規(guī)劃、打印模型、術(shù)前預彎的流程需要一定的時間,這增加了術(shù)前的時間和服務成本,不利于急性損傷的及時救治。為了解決這個問題,King等[21]直接在術(shù)中將患者CT數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為3D模型并通過三維打印設備即時打印出來,并用帶切割輪的高速鉆頭沿骨折線切割模型,將分離的骨折片通過目視邊緣互鎖的方式拼接并黏固在一起用于指導術(shù)中預彎鈦板,達到了縮短手術(shù)時間和減少服務成本的目的。在面對三維重建難度較大的廣泛下頜骨粉碎性骨折時,Alagarsamy等[22]利用另一位年齡、性別相同的患者的下頜骨計算機斷層掃描數(shù)據(jù)進行虛擬復位并打印參考頭顱模型用于重建鋼板的預彎,取得了令人滿意的臨床效果。

2.2 骨折復位導板

根據(jù)國際內(nèi)固定協(xié)會(AO/ASIF)相關原則,下頜骨粉碎性骨折需要切開復位和堅固內(nèi)固定以達到通過鈦板和皮質(zhì)螺釘獲得骨折碎片的絕對固定和一期修復[23]。然而由于骨折線周圍骨骼表面解剖標志往往不清楚,預彎鈦板放置位置會與術(shù)前虛擬計劃中的位置不完全相同,因此無法保證手術(shù)結(jié)果。三維打印骨折復位導板就是基于虛擬復位模型設計制作,用來輔助鈦板的放置和骨折片的復位。Zhao等[24]設計了一種中間帶有能夠置入預彎鈦板凹槽的骨折復位導板,導板的形狀及凹槽的位置都根據(jù)術(shù)前虛擬規(guī)劃的結(jié)果進行個性化設計,兼顧頜骨伴行血管和神經(jīng)的解剖保護,并運用3D打印技術(shù)制作。術(shù)中使用結(jié)果表明其組織面能緊密貼合骨面并快速放置預彎鈦板,術(shù)后與單用預彎鈦板和傳統(tǒng)手法復位的手術(shù)組相比具有更高的對稱性和精確性,并極大地縮短了手術(shù)時間,提高了患者的獲益。對于要使用重建鈦板固定的患者,由于其體積大且塑形難度大,往往導致預彎精度差且費時長。為了解決這一問題,陸友正等[25]根據(jù)放置了虛擬彎制重建鈦板的骨折復位模型設計了一種導板,其外形與下頜骨虛擬復位后的頰側(cè)外形相一致,下緣包裹下頜骨下緣,表面有與虛擬彎制重建鈦板螺釘孔相一致的孔洞。術(shù)中使用導板內(nèi)側(cè)緣輔助復位骨折片,用導板上設計的孔位打孔并指導重建鈦板的預彎。結(jié)果手術(shù)時間較常規(guī)縮短1 h,10例患者臨床效果優(yōu)良率為90%,與虛擬計劃偏差均<2 mm,大大提高手術(shù)精確性。

2.3 數(shù)字化咬合導板

咬合導板在正頜外科矯治中可促使下頜骨有效恢復至生理位置,并恢復咬合關系。然而并發(fā)咬合紊亂的下頜骨骨折患者由于張口受限,無法通過石膏模型來設計咬合導板。Ren等[26]將正頜手術(shù)使用的咬合導板引入了下頜骨骨折的治療,并且為規(guī)避外傷患者張口受限難以制作石膏模型的難題,他們將患者MSCT和CBCT圖像聯(lián)合建立的數(shù)字化骨折模型進行了虛擬復位,并在此基礎上設計個性化的咬合導板,并運用3D打印技術(shù)打印出來,用于術(shù)中咬合關系的獲得。通過與未使用導板組和僅用MSCT圖像進行建模設計組的對比表明,聯(lián)合模型設計出的數(shù)字化咬合導板具有最高的精確性和最大的術(shù)后咬合恢復率,達到94.73%,其余兩組分別為72.22%和85.71%。Ramanathan等[27]則從骨折復位的臨床效果角度評價了數(shù)字化咬合導板在發(fā)生咬合紊亂的下頜骨骨折中的應用。結(jié)果表明數(shù)字化咬合導板能使更多患者達到解剖復位且明顯提高手術(shù)的精確度,與傳統(tǒng)在石膏模型上用丙烯酸材料制作的咬合導板相比制作過程具有更高舒適度并能大幅減少制作的時間成本。這些都證明數(shù)字化咬合導板能有效運用于快速尋找下頜骨粉碎性骨折的咬合關系中。

2.4 數(shù)字化鈦網(wǎng)

對于外形遭到嚴重破壞,含有較多碎骨片的下頜骨粉碎性骨折,傳統(tǒng)方法是通過預彎鈦網(wǎng)進行堅固內(nèi)固定。Ma等[28]通過選擇性激光熔化技術(shù)(selective laser melting,SLM)直接將虛擬預彎的鈦網(wǎng)模型打印出來成功治療一例下頜骨嚴重粉碎性骨折的患者,節(jié)省了時間成本,取得了令人滿意的臨床效果。

3 聯(lián)合手術(shù)導航技術(shù)

手術(shù)導航系統(tǒng)依靠虛擬現(xiàn)實技術(shù)與定位跟蹤系統(tǒng)將術(shù)前三維仿真顱面骨折模型和術(shù)中骨面進行配準,可視化手術(shù)器械的實時位置,用于引導手術(shù)器械進行精確操作,使頜面部診療更加直觀、精確、安全和有效。在下頜骨粉碎性骨折領域主要用于并發(fā)嚴重頜骨缺損需要骨移植進行下頜骨重建的患者,可選用的骨頭包括腓骨、髂骨等[1]。但是由于下頜骨的移動性,術(shù)中與術(shù)前成像數(shù)據(jù)的實時匹配往往十分復雜。目前可采取的方法主要是在下頜骨上安裝動態(tài)參考系或者將上下頜結(jié)扎固定或制作咬合導板使上下頜保持在一種可重復的相對固定的狀態(tài)[29]。由于皮瓣移植手術(shù)需要患者在術(shù)中保持開口位,因此在手術(shù)導航系統(tǒng)中引入咬合導板的方法就成為Shan等[30]對下頜骨缺損進行腓骨肌皮瓣精確移植的合適選擇,20例患者均成功進行了手術(shù)。Abbate等[31]則評估了4例將動態(tài)參考系(dynamic reference frame,DRF)放置在下頜支上進行手術(shù)導航的患者,他們均需進行下頜骨部分切除并腓骨肌皮瓣移植,最終手術(shù)的精確性和準確性令人滿意。Yamamoto等[32]另辟蹊徑,設計了一種使患者保持開口位的咬合導板,該導板上集成了參考框架和配準標記,成功在手術(shù)導航系統(tǒng)的引導下對患者下頜骨進行了角化囊腫的精確切除,在應用導航系統(tǒng)的下頜骨手術(shù)中有巨大潛力。未來,手術(shù)導航系統(tǒng)還可用于下頜骨粉碎性骨折碎骨片和異物的精確取出,Yang等[33]報道了成功運用導航系統(tǒng)取出患者頜面部24個異物的手術(shù)。

4 聯(lián)合混合現(xiàn)實技術(shù)

MR系統(tǒng)能通過將三維仿真模型與實際物體相結(jié)合從而實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬環(huán)境的實時交互。是繼虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)(augmented reality,AR)后的全新數(shù)字化全息技術(shù)[34]。Meng等[35]運用MR商用軟件Hololens指導對尸體腓骨的截骨用于下頜骨缺損模型的重建,結(jié)果實際截骨段與術(shù)前規(guī)劃存在細微偏差。其原因在于全息圖的位置是固定的,每次手術(shù)區(qū)域的活動都要對全息圖與術(shù)區(qū)進行一次人工匹配進行重疊,否則視覺差異會造成誤差,該操作不僅耗時費力,且影響精確度,而且重疊本身也會對術(shù)者造成干擾。Tang等[36]將手術(shù)導航技術(shù)與MR結(jié)合,用于7例頜骨腫瘤患者病灶切除的術(shù)中實時導航,通過IGT-link端口將兩個系統(tǒng)的工作站連接,全息圖結(jié)構(gòu)可通過手術(shù)導航實時顯示,術(shù)者可將其投影到視野內(nèi)任何地方,不必與術(shù)區(qū)重疊,從而解決了視覺差異問題及重疊干擾問題,初步驗證了手術(shù)可行性。兩種技術(shù)的聯(lián)合應用互相彌補了各自的缺點。

5 聯(lián)合人工智能技術(shù)

AI通過模擬人類意識和思維過程,賦予計算機執(zhí)行認識功能能力,機器學習(machine learning, ML)是其核心。深度學習是機器學習的子領域,其克服了過去人工智能中被認為難以解決的一些問題,促進了人工智能的發(fā)展,成為近年人工智能研究領域的熱門。深度學習主要使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(artificial neural network, ANN),卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(convolutional neural network, CNN)是其中一種經(jīng)典而廣泛應用的結(jié)構(gòu),近年CNN在醫(yī)學圖像處理中的應用研究大量增加[37-38]。Qiu等[39]開發(fā)了一種基于CNN的下頜骨自動分割方法,該方法采用U-Net的架構(gòu),將來自三個正交平面的2D分割組合成一個3D分割,成功對109例頭頸部CT掃描數(shù)據(jù)實現(xiàn)下頜骨的自動3D分割。另有團隊開發(fā)了一款基于CNN的AI截骨軟件,評估其在術(shù)前下頜骨仿真模型上的下頜角截骨方案,認為AI截骨軟件設計效率高,安全性、對稱性和美觀性與人工設計相當,可作為人工截骨的替代方案[40]。Lo等[41]首次應用遷移學習模型和基于面部三維輪廓仿真模型的CNN來自動評估正頜手術(shù)前后的面部對稱性,量化了全面和特定面部結(jié)構(gòu),讓臨床醫(yī)生能客觀地獲得面部對稱性評分,以定量評估手術(shù)結(jié)果改善情況。該系統(tǒng)對于下頜骨粉碎性骨折或缺損患者術(shù)后面部對稱性的評估還有待進一步的應用驗證。

6 總結(jié)和展望

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,大數(shù)據(jù)與計算機仿真虛擬技術(shù)聯(lián)合應用于頜面部創(chuàng)傷將是未來的趨勢之一。我們可以看到計算機三維仿真技術(shù)用于術(shù)前VSP結(jié)合3D打印技術(shù)已形成一套用于治療下頜骨復雜骨折的成熟的數(shù)字化流程,骨折復位導板和輪廓模型的選擇取決于骨折程度、患者經(jīng)濟條件、切口設計、醫(yī)院條件等。但是對于較為復雜的下頜骨粉碎性骨折的虛擬復位,傳統(tǒng)VSP耗時費力且復位流程并無統(tǒng)一標準,有待改良系統(tǒng)的開發(fā)和相關復位流程的進一步明確。同時數(shù)字化咬合導板應用于下頜骨骨折的臨床效果已被相關文獻證明,其與骨折復位導板、計算機導航技術(shù)的聯(lián)合應用價值還有待相關臨床研究的進一步驗證。未來MR與手術(shù)導航技術(shù)聯(lián)合用于骨移植精確修復下頜骨節(jié)段性缺損有著重大的應用潛力。同時以CNN為主要結(jié)構(gòu)的深度學習將越來越頻繁參與手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃與術(shù)后評價中。

隨著5G時代的到來,如能將顳頜關節(jié)和肌肉的運動軌跡進行描記并能真正模擬患者的功能咬合,再加之頜骨、牙列的三維重建,體現(xiàn)牙-頜骨-顳頜關節(jié)及頜面肌肉的聯(lián)合仿真時動態(tài)模型重建,必將實現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)在頜面骨折診療中三維到四維的飛躍,這也是外科精準診療的重要方向。