宋鑫利，張瑋，于笑，李大魯

1 濱州醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)院，山東煙臺(tái) 264003；2 濟(jì)南市口腔醫(yī)院口腔頜面外科

在傳統(tǒng)的正頜手術(shù)中，頜面外科醫(yī)生和正畸醫(yī)生協(xié)同工作，術(shù)前通過(guò)面部照片、2D 頭影測(cè)量、面弓轉(zhuǎn)移、上架、模擬骨塊移動(dòng)等步驟進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)、制作手術(shù)導(dǎo)板。在這一過(guò)程中，可能在多個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生誤差，影響手術(shù)的準(zhǔn)確性和最終效果［1］。與傳統(tǒng)正頜手術(shù)相比，計(jì)算機(jī)輔助正頜外科能夠更為精確呈現(xiàn)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系、預(yù)測(cè)手術(shù)效果、提高手術(shù)精度、縮短手術(shù)時(shí)間，現(xiàn)已在臨床上被廣泛應(yīng)用［2］。近年來(lái)，3D 打印、面部軟組織成像、人工智能、手術(shù)導(dǎo)航等技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步促進(jìn)了正頜外科的發(fā)展。本文就數(shù)字化技術(shù)在正頜外科手術(shù)的術(shù)前、術(shù)中應(yīng)用總結(jié)如下。

1 數(shù)字化技術(shù)在正頜外科手術(shù)前的應(yīng)用

1.1 數(shù)據(jù)采集 進(jìn)行正頜手術(shù)之前先要收集數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)構(gòu)建出可以準(zhǔn)確反映骨骼、軟組織和牙列位置的頭顱模型［3］，數(shù)據(jù)采集包括頜面部骨骼、牙列和面部軟組織三部分。①頜面部骨骼數(shù)據(jù)采集：采集頜面部骨骼數(shù)據(jù)可以用錐形束CT（CBCT）或多排螺旋CT（MSCT），二者都可以實(shí)現(xiàn)三維模型重建。影響三維模型重建精度的因素有很多，如CT體素、掃描系統(tǒng)、視場(chǎng)、檢測(cè)對(duì)象、曝光時(shí)間、管電壓和電流等。盡管CT檢查的大多數(shù)參數(shù)都是預(yù)先設(shè)定，可保證模型重建精度良好，但是檢查醫(yī)生針對(duì)不同診斷可能對(duì)體素、掃描系統(tǒng)、視場(chǎng)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整［4］，從而影響模型精度。有學(xué)者研究表明，對(duì)頜面部骨骼進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，CBCT 和MSCT 空間分辨率較高，二者均可獲得較好的圖像質(zhì)量［5］。但圖像質(zhì)量越好，體素越小，患者所接受的輻射劑量就越大。因此在不影響圖像質(zhì)量的情況下，為減少患者接受的輻射劑量，可使用較大尺寸的體素（0.4 mm）［6］。進(jìn)行CT掃描時(shí)，設(shè)定掃描區(qū)域下至舌骨、上至顱頂、前至患者鼻部軟組織。拍攝后的頭顱CT數(shù)據(jù)（DICOM格式）可利用影像學(xué)資料分析軟件（如Mimics 20.0）處理，并在電腦中創(chuàng)建患者的頭顱骨骼3D 數(shù)字模型。②牙列數(shù)據(jù)采集：患者進(jìn)行CBCT 掃描時(shí)多帶有金屬牙套，在牙列上易產(chǎn)生金屬偽影，阻礙了CBCT 對(duì)牙齒的精確識(shí)別［7］。因此，需要借助其他方法來(lái)獲取高精度的數(shù)字化牙列信息。目前，常用于正頜外科牙列掃描的方法是激光掃描石膏模型和口內(nèi)牙列掃描，二者均可獲得高精度的數(shù)字化牙列信息，但二者精度目前存在爭(zhēng)議［8］。數(shù)字化正頜外科的相關(guān)配準(zhǔn)方法有多種，而目前研究趨勢(shì)多是基于內(nèi)部特征配準(zhǔn)法（利用點(diǎn)、表面和體素配準(zhǔn)方法來(lái)進(jìn)行牙列-頜骨的配準(zhǔn)）［9］。將掃描的牙列數(shù)據(jù)（STL格式）導(dǎo)入數(shù)字化軟件中，通過(guò)點(diǎn)、表面、體素（可兩兩結(jié)合使用，以提高配準(zhǔn)精度）與CT模型進(jìn)行配準(zhǔn)，生成具有高精度牙列信息的數(shù)字三維頭顱模型［10］。但目前口內(nèi)牙列掃描數(shù)據(jù)與CBCT 重建牙齒模型數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度仍然是值得商榷的問(wèn)題。BAAN 等［11］發(fā)現(xiàn)上下頜骨前部和后部配準(zhǔn)精度最低，但這種低精度的原因仍未找到。③面部軟組織數(shù)據(jù)采集：面部軟組織的重建主要有CT 數(shù)據(jù)重建和面部掃描儀（包含激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光學(xué)掃描儀等）掃描重建兩種方式。CT 掃描時(shí)患者采取仰臥位，面部掃描儀掃描時(shí)患者采取端坐位。有研究發(fā)現(xiàn)，掃描體位的不同可能影響數(shù)據(jù)的精度。史雨林等［12］將兩種掃描方式所得的面部軟組織數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，兩者基本能夠完全重疊，但在頰部，面部掃描儀掃描的模型明顯位于CT 重建模型的前方，二者相差約2 mm。由于頰部下方無(wú)骨組織支撐，仰臥位進(jìn)行CT 掃描時(shí)，頰部軟組織受重力作用的影響而向下塌陷，容易造成誤差。此外，即使術(shù)后也采用相似的體位獲得CT 數(shù)據(jù)，但面部骨骼位置已發(fā)生變化，對(duì)術(shù)后評(píng)估的指導(dǎo)意義不大。使用面部掃描儀掃描來(lái)獲取口腔軟組織數(shù)據(jù)是目前較為推崇的方法。隨著面部掃描儀不斷的更新?lián)Q代，其高精度、高真實(shí)、非接觸、可重復(fù)、用時(shí)短暫、便于遠(yuǎn)程傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)已被證實(shí)［13］。因此，目前將頭顱CT數(shù)據(jù)與面部掃描儀掃描數(shù)據(jù)擬合進(jìn)行面部軟組織重建是新的趨勢(shì)。在擬合過(guò)程中需要在頭顱CT 掃描數(shù)據(jù)重建的面部軟組織模型和面部掃描儀掃描重建的面部軟組織上選取一樣的配準(zhǔn)點(diǎn)，利用軟件的匹配功能，將面部掃描儀掃描的三維面像數(shù)據(jù)貼敷于顱面CT數(shù)據(jù)表面。這樣，在分析軟件中就可以獲得具有高精度的面部軟組織數(shù)據(jù)。

1.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與模擬 獲得頭顱部位的CT數(shù)據(jù)后，可通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行三維重建，構(gòu)建頭顱坐標(biāo)參考系統(tǒng)，在參考系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)定相關(guān)標(biāo)志點(diǎn)、基準(zhǔn)面中線、參考平面及各測(cè)量數(shù)據(jù)［14］。重建完成后，可進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、手術(shù)方案設(shè)計(jì)，模擬截骨、骨塊在三維空間上移動(dòng)，從而模擬整個(gè)手術(shù)過(guò)程。在設(shè)計(jì)虛擬骨切口線時(shí)，虛擬切口線與實(shí)際切口線位置一致有利于手術(shù)。多項(xiàng)研究表明三維頭影測(cè)量較二維頭影測(cè)量更為準(zhǔn)確［15］，但如何創(chuàng)建參考系統(tǒng)、如何評(píng)估頜面部對(duì)稱性仍然需要進(jìn)一步研究。構(gòu)建頭顱的坐標(biāo)參考系前要確定患者自然頭位（NHP），也就是被檢查者雙眼平視前方，視線與地面平行，記錄此時(shí)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［16］。但在CBCT掃描期間，患者受到限制，其位置與NHP 不一致。在三維中記錄NHP 時(shí)，有學(xué)者提出了6 種三維記錄NHP 的方法，即立體攝影測(cè)量、沿激光線的面部標(biāo)記、臨床照片和POSIT 算法、數(shù)字定位傳感、手持3D相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)和激光掃描，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究數(shù)字定位傳感的方法具有良好的精度。近兩年，人工智能（AI）已出現(xiàn)于正頜外科中，盡管應(yīng)用還有一些缺陷，但隨著AI在正頜外科中的不斷研究和完善，未來(lái)AI在正頜手術(shù)術(shù)前設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

1.3 軟組織預(yù)測(cè) 正頜手術(shù)主要在患者硬組織上進(jìn)行，而術(shù)后面部軟組織的形態(tài)變化往往是患者更為關(guān)注的?？梢暬委熌繕?biāo)即在治療之前就對(duì)患者的頜面部軟硬組織的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立出一個(gè)治療完成時(shí)的視覺(jué)效果圖，使患者能夠直觀地看到術(shù)后效果，進(jìn)而提高患者的滿意度。以往通過(guò)二維頭影測(cè)量片對(duì)于正頜手術(shù)面部變化進(jìn)行評(píng)估，但不能較好的體現(xiàn)面部軟組織的預(yù)測(cè)［17］。有學(xué)者研究了不同計(jì)算機(jī)算法預(yù)測(cè)術(shù)后的面部形態(tài)的準(zhǔn)確度，得出新型質(zhì)量張量模型和線性有限元模型的準(zhǔn)確度最高，平均偏差僅0.6 mm，其中，有限元模型在正頜手術(shù)軟組織預(yù)測(cè)上應(yīng)用較多，被公認(rèn)為模擬軟組織形變最有效的方法。多位學(xué)者對(duì)軟組織預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證得出：鼻尖部軟組織預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確，其次是下巴的軟組織的預(yù)測(cè)，但嘴唇的位置以及鼻腔和鼻旁組織的預(yù)測(cè)仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。面部軟組織預(yù)測(cè)比頜面部骨骼預(yù)測(cè)難度大，其原因不僅來(lái)自于計(jì)算機(jī)算法的誤差，還來(lái)自于面部軟組織相關(guān)的許多不可控因素，如年齡（軟組織彈性）、脂肪分布、肌肉的張力等［18］。所以，術(shù)前應(yīng)告知患者目前軟組織預(yù)測(cè)只是一個(gè)指南，并不完全代表手術(shù)的實(shí)際結(jié)果。

2 數(shù)字化技術(shù)在正頜外科手術(shù)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助正頜外科可以根據(jù)術(shù)前的數(shù)據(jù)采集和手術(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)用3D打印技術(shù)根據(jù)術(shù)中需要來(lái)制作板、截骨導(dǎo)板、定位導(dǎo)板、個(gè)性化鈦板等來(lái)提高正頜手術(shù)的精準(zhǔn)性，也可以利用導(dǎo)航系統(tǒng)在術(shù)中輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)操作。

2.2 截骨導(dǎo)板與定位導(dǎo)板的聯(lián)合應(yīng)用 截骨導(dǎo)板和定位導(dǎo)板主要依據(jù)CT 重建及虛擬手術(shù)后的骨表面形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。截骨導(dǎo)板在術(shù)中保證了截骨線與虛擬設(shè)計(jì)的手術(shù)方案一致，進(jìn)而可以縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)安全性。定位導(dǎo)板的作用是引導(dǎo)截骨塊在術(shù)中進(jìn)行準(zhǔn)確定位，進(jìn)而提高手術(shù)的精準(zhǔn)性。截骨導(dǎo)板和定位導(dǎo)板在術(shù)中可聯(lián)合使用。高廷益等［24］研究了截骨導(dǎo)板聯(lián)合定位導(dǎo)板在上頜骨Le Fort Ⅰ型截骨術(shù)中的應(yīng)用，研究結(jié)果顯示上頜骨截骨和定位導(dǎo)板可精準(zhǔn)地控制上頜骨的三維移動(dòng)， 提高正頜外科中上頜骨Le Fort Ⅰ型截骨術(shù)的精度。陳瑩等［25］在頦部畸形患者的研究中發(fā)現(xiàn)在行頦成形術(shù)時(shí)，術(shù)中截骨導(dǎo)板和定位導(dǎo)板的聯(lián)合使用可以使術(shù)后獲得良好的效果，所有患者均對(duì)頦部外形滿意。

2.3 截骨導(dǎo)板與個(gè)性化鈦板聯(lián)合應(yīng)用 截骨導(dǎo)板與個(gè)性化鈦板協(xié)同應(yīng)用于正頜外科也是正頜手術(shù)的趨勢(shì)。截骨導(dǎo)板用于指導(dǎo)截骨和釘孔的制備，個(gè)體化鈦板用于上頜骨的定位和固定，是將術(shù)前虛擬設(shè)計(jì)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)移至術(shù)中實(shí)際的可靠方法［26-27］。個(gè)體化鈦板在手術(shù)中發(fā)揮頜骨定位導(dǎo)板和固定鈦板的作用，因此手術(shù)過(guò)程中不再需要中間板、頜間結(jié)扎及術(shù)中彎制鈦板，手術(shù)步驟得以簡(jiǎn)化。MAZZONI等［28］報(bào)道將截骨導(dǎo)板和個(gè)性化鈦板用于Le Fort Ⅰ型截骨術(shù)中上頜骨的定位和固定有更好的精度且空間位置的再現(xiàn)性可達(dá)92%。但實(shí)際手術(shù)操作過(guò)程中，上頜骨前壁骨組織的薄弱使釘洞不易制備；此外，術(shù)中醫(yī)師只能在術(shù)前設(shè)計(jì)的截骨導(dǎo)板和個(gè)性化鈦板的引導(dǎo)下來(lái)進(jìn)行截骨和骨塊定位，如需改變手術(shù)方案就只能放棄個(gè)性化鈦板的使用。

2.4 導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用 隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)也逐漸應(yīng)用在了正頜外科中。由于口腔頜面部解剖的復(fù)雜性，計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在術(shù)中能實(shí)時(shí)跟蹤術(shù)前設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，使得正頜手術(shù)過(guò)程中安全性增加［29］。但導(dǎo)航系統(tǒng)在正頜手術(shù)中的應(yīng)用有一些限制，如下頜骨的可移動(dòng)性、面部軟組織的形變性、光學(xué)導(dǎo)航系受光線的影響以及磁導(dǎo)航系統(tǒng)受金屬影響等，這些都阻礙了導(dǎo)航系統(tǒng)在頜骨和面部軟組織中的定位［30］。雖然已經(jīng)研究出了相關(guān)措施，如計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)與超聲技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于軟組織的導(dǎo)航、與頜板結(jié)合應(yīng)用于下頜骨手術(shù)的導(dǎo)航，但這些措施精確性的相關(guān)研究還較少。導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用為正頜外科提供了安全性，但由于設(shè)備成本高、系統(tǒng)的精確度不夠穩(wěn)定以及學(xué)習(xí)曲線較長(zhǎng)等原因［31］，目前導(dǎo)航在正頜外科中應(yīng)用仍較少。

目前，數(shù)字化技術(shù)在正頜外科中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)手術(shù)設(shè)計(jì)、醫(yī)師操作、應(yīng)用效果均有重要作用。但數(shù)字化技術(shù)在正頜外科的應(yīng)用中還有一些不足之處，如CT 掃描的灰度值不均一、影響手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計(jì)和術(shù)中實(shí)現(xiàn)，面部軟組織的預(yù)測(cè)還不夠準(zhǔn)確等。即便如此，數(shù)字化技術(shù)在正頜外科中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不容忽視。