数字化技术在颅颌面外科的应用进展

颅颌面外科主要的治疗对象是各种先后天因素造成的颅颌面骨及相应软组织的严重畸形，这类畸形多数为医学史上公认的一类疑难病，对患者的危害极为严重而治疗的难度很高，风险也很大，其诊治必须以整形外科为主导的多学科专家的密切配合并充分利用各种先进的科学技术。现就数字化技术在颅颌面外科的应用进展综述如下。

1 数字化外科技术的概况

数字化外科学是以医学影像学及解剖学为基础，将三维重建、计算机辅助设计和制造、计算机导航系统等相关的数字化技术应用于临床外科，将二维图像或结构光测量数据转化为三维立体测量分析，从而精确地辅助及模拟手术设计。数字化技术最初应用于骨科、神经外科等。1983年，Hemmy等[1]首次将三维重建技术应用于颅颌面外科，开启了数字化技术在颅颌面应用的先河。随着计算机技术的发展，计算机辅助设计和制造技术（CAD/CAM）也被应用于颅颌面外科。1986年，Mankovich[2]首次以虚拟头颅三维重建技术为基础，将计算机辅助铸造出的硅胶用于眶颧骨缺损的病例中。随着数控加工技术日益成熟，快速成型技术（Rapid prototyping tecnology，简称RP技术）问世。1991年，RP技术中光固定化立体造型（SLA）在维也纳首次被引入口腔颌面外科的临床应用。20世纪90年代，计算机辅助手术技术开始应用于颅颌面外科，1991年，Atobelli等[3]在计算机生成的三维图像上模拟了颅面整形手术。近几年，3D摄影、手术导航系统、医学智能机器人等新型技术在国内外颅颌面临床开始应用[4-6]。

2 数字化外科技术的组成

2.1三维重建技术：三维重建技术是在二维CT图像数据的基础上，利用计算机技术将其转化为模拟数据输出为三维立体图像，从而准确地显示解剖结构与病变的空间位置、大小、几何形状以及与周围组织结构的空间关系，为颅颌面外科的畸形修复和颜面整形提供了更为精确且量化的模拟。1979年，Herman 等[7]报道了人体器官及骨组织的三维重建技术，将数字化技术引入外科学。20世纪80年代至90年代，三维重建技术迅速发展。1984年，Marsh[8]利用三维CT重建技术进行了颅眶整复手术的模拟设计；1986年至1989年，建立起基于CT 影像资料的计算机辅助颅颌面外科手术三维模拟设计系统[9-10]。1995年，Gulyas 等[11]提出了应用数字化三维技术进行颅颌面外科手术设计的理念。近年来，三维重建技术在颅颌面外科的应用已不仅局限于硬组织，颅面部的三维重建可从组织结构进行细致的分层显示，将面部皮肤、皮下浅筋膜、面部血管神经等逐层显示出来[12-13]。三维重建技术是数字化外科的基本技术，为模拟外科提供了重要的方法。

2.2计算机辅助设计技术（CAD）和计算机辅助制造技术（CAM）：计算机辅助设计技术是数字化外科的核心，利用CT扫描得到的对颅面部解剖结构的虚拟数据，在三维编辑软件环境下，对数据进行各种处理，完成数字化三维重建。其组成包括：镜像技术、有限元分析、自由曲面构建技术、数据分割技术、数据构建技术、图像配准技术、差值分析技术等。应用计算机辅助设计软件可对颅面骨进行三维重建，在PC机上完成颅面骨虚拟切割和移动，使复杂手术的模拟成为可能并预测术后效果。很多学者将计算机辅助设计及制造技术应用于颌面骨缺损修复、畸形修复以及颌面牵引成骨，均取得了良好效果[14-17]。

计算机辅助制造技术（CAM）以快速成型技术（简称RP技术）为代表。快速成型技术是20世纪80年代后期发展起来的新型工业制造，它以光敏树脂为原料将计算机辅助设计零件（CAD）模型通过软件分层离散和数据成型系统重新分层、逐层叠加，完成填充物的轮廓编辑和成型，从而制造出三维实体模型，其中SLA方法是目前快速成型技术领域中研究最多且技术上最为成熟的方法。SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度可达到0.1mm，原材料利用率近100%。在颅颌面外科，在CT扫描数据基础上运用快速成型技术制作的三维头颅模型能直观、真实、立体、精确地显示颅面部的三维解剖结构及空间关系，在此基础上可进行精确的测量和准确的临床诊断，为制定合理的手术治疗计划提供重要依据。同时，术前可在三维头颅模型上进行手术设计、模拟操作并预制个性化修复体进行填充。

2.3计算机辅助手术模拟（Computer Assisted Surgery Simulation，CASS）：计算机辅助手术模拟是虚拟手术的一种，是基于各种医学影像数据运用计算机图形学与虚拟现实来模拟、指导手术，使复杂精确的手术成为可能。对于颅颌面外科而言，准确的术前设计是手术成功的保证，因而建立基于CT的三维图像的虚拟现实外科计划、模拟系统的计算机系统工作站对颅颌面外科有重大意义。近年来，CASS开始应用于颅颌面复杂畸形和创伤患者的治疗修复并取得了良好的效果[18-20]。

2.4计算机辅助导航系统（computer assisted navigation system， CANS）：计算机辅助导航系统是计算机辅助外科技术的重要组成部分。计算机辅助导航系统是将计算机处理的三维模型与实际手术进行交互，通过红外线或者激光对手术器械位置的追踪，最大可能地提供术区信息，属于计算机增强现实。其基本操作步骤包括获得术前三维图像、制定手术方案、模拟手术和术中注册导航。计算机导航的优点：①定位确切，使手术更为精准，提高手术成功率；②将三维模型与手术部位准确匹配，实施个体化手术方案；③避开重要解剖结构，使手术更为安全，减少术后并发症；④辅助教学和远程医疗[21]。导航系统的精确度主要受系统本身误差、影像资料的准确性、术中组织移位等因素的影响[22]。

2.5数字化新技术： 已被证实，机器人手臂可以完成复杂的手术轨道切割[23]。随着术中导航系统的成熟，出现了比机器人手臂更为完善的手术机器人辅助系统，可获得比外科医生手术操作更为准确的精度，如用于颅内植入定位[24-25]。迄今为止，相关机电研究为手术机器人辅助系统进入临床提供了坚实的基础，但是在术中应用的安全性还需进一步被证实[26]。

3 数字化技术在颅颌面外科治疗中的应用

颅颌面外科是法国整形外科专家Tessier教授于20世纪60年代后期创立的一门新兴学科。它通过特殊的截骨和植骨方法将颅颌面骨分块移动，按照整形修复原则重新排列组合与固定，从根本上矫正各种严重的颅颌面畸形[27]。颅颌面肿瘤、外伤和畸形经常导致严重的咀嚼功能障碍和面部轮廓损坏，显著降低患者的生活质量。然而，畸形的颅面骨是立体多面且不完全规则的，X片和CT的二维图像不能对三维结构进行立体呈现和定量测定，导致受损及畸形骨的复位缺乏准确性，通常很难恢复预期的面部形态。对于外科医生而言，提高颅颌面缺损和畸形患者的术后效果仍然是一个挑战。把数字化技术应用于外科诊断和治疗中，可以帮助解决这个问题[28]。

3.1在颅颌面肿瘤中的应用：数字化技术在颅颌面肿瘤的评估、手术切除和术后修复中均有重大帮助。一些学者应用三维数字立体摄影测量技术评估患侵袭性纤维瘤病的儿童进行下颌骨节段性切除术后2年内的面部发育情况，认为三维数字立体摄影测量是一种客观、量化的监测面部增长的无创性方法[29]。Lübbers等[30]为一个巨大额骨和颞骨骨母细胞瘤的患者进行术前虚拟规划，运用镜像技术和导航系统在术中切除病灶，同时利用自体颅骨根据健侧重建患侧，术后效果良好，为复杂的颅颌面肿瘤手术提供了新方法。近年来，国内不少学者也将数字化技术应用在颅颌面肿瘤并取得了很好效果。一些学者对14例颧上颌骨骨纤维异常增殖症的患者进行术前颅面骨三维重建，运用镜像技术精确标记需要切除的骨量，术中导航系统指导病变骨的切除，每例患者术后效果与预先估计值最大差异小于2mm[31]。此外，数字化技术在颅骨缺损修复也有应用。数字化三维颅骨成形技术应用在Ⅰ期颅骨修补术，提高颅骨塑形的精确度，减少颅骨修补术后的并发症和缩短手术时间[32]。

3.2在颅颌面外伤中的应用：在颅颌面外伤中，眶颧骨折占很大比例。眼眶重建修复最大的困难在于眼眶周边结构复杂，血管神经丰富，要精确恢复病前的眼眶骨性轮廓和恢复眼外肌功能是临床的一个难点。传统的手术虽然行之有效，但却会给患者留下外观上的缺陷。国外一些学者将术前手术模拟和术中导航相结合，对外伤导致的单侧眼眶畸形进行修复重建，解剖学复位精度高，但由于软组织限制导致的继发畸形并未完全克服。结果提示，术前模拟手术和术中导航可为复杂的眶壁修复提供有益的指导[33]。国内有学者研究表明，计算机辅助导航外科有助于提高颅颌面陈旧性骨折的复位精度[34]。一些学者运用镜像技术制作眶颧骨折患者的三维头颅模型，并在模型上对钛网进行解剖塑形，修复眶壁缺损的准确性比预成钛网更高[35]。此外，SLA模型在颅骨缺损的修复中也有着广泛应用。一些学者应用光学三维成像和快速成型技术对比例越过面中线的颌面大面积缺损进行假体移植，证实虚拟移植用于保留眼结构的大面积颌面部缺损修复是可行的[36]。

3.3在颅颌面畸形方面的应用： 颅颌面畸形修复手术包括了对先天及后天因素导致头面畸形的矫治。手术成功与否不仅取决于手术操作，在很大程度上也取决于精确的手术方案[37-39]。传统的手术在石膏模型上模拟手术截骨轨迹，这对于要求高精度的复杂颅颌面畸形手术是巨大限制，于是开始有学者运用三维计算机手术模拟（CASS）进行颅颌面手术术前设计[40]。一些学者收集12例颅颌面畸形患者，为其制造三维颅骨模型，并进行两次模拟手术：在CASS辅助下进行模拟手术和传统手术。术后从颅面整体骨骼矫正以及上颌、下颌、颏的矫正水平分别进行统计学评估。结果表明，运用CASS取得的手术效果明显优于传统方法，术者应用CASS能更好地矫正偏牙合畸形，恢复下颌骨的对称性[41]。Malis等[42]在术中导航的辅助下对颞下颌关节强直患者进行了精确的截骨术和假体置入，完成了全颞下颌关节置换术，术后效果良好。

3.4在颅颌面外科其他领域的应用： 一些学者使用3D立体摄影或3D软件进行颅颌面术前与术后软组织的评估，以及软组织的变化和正颌手术复发的客观评价[43-44]。一些学者运用三维电脑断层数据的体积和表面积分析可精确评估冠突的大小，为冠突肥大的临床诊断和治疗提供了帮助[45]。

4 展望

数字化技术可为复杂的颅颌面畸形提供准确的诊断及合理有效的治疗方案。近年来，有关颅颌面外科术前三维重建及术中导航应用的研究激增，但数字化技术需要基本的设备和软件，花费的时间比较多，使用成本也较高，临床推广有一定限制。另外，很多医生对数字化外科的熟悉程度不够，很难将其灵活运用于临床，远期的评估及相关的收益分析也有待进一步研究。这需要计算机、机电和医学等多方面人才的共同努力，才能将数字化技术的优势在颅颌面外科充分发挥。

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[收稿日期]2012-04-28 [修回日期]2012-06-01