任戰(zhàn)平等

[摘要]目的：提出一種正頜外科手術(shù)數(shù)字化定位方法。方法：根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)基于分離骨段表面特征與空間位置關(guān)系的定位板，通過快速成型技術(shù)完成數(shù)字化定位板的制造，進(jìn)行模型驗(yàn)證。結(jié)果：設(shè)計(jì)制作出SSRO骨表面劃線和定位模板，骨表面定位板可以較為精確的對各骨段間定位，在三維方向貼合良好。結(jié)論：骨表面定位板提高了術(shù)后骨段間的精確性，是一種較為方便易行的正頜外科輔助定位方法，為進(jìn)一步研究頜骨的定位分析打下基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]手術(shù)模擬；計(jì)算機(jī)輔助正頜外科；表面定位板；數(shù)字化定位方法

[中圖分類號]R782.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1008-6455（2014）12-0970-04

Abstract：Objective To put forward the digital navigation method by computer-assisited orthognathic surgery. Methods According to the simulation result， the surface templates was designed which fit the bone segments' surface characteristics and space position to increase the navigation progress accurately. Results The result showed that SSRO Templates was fabricated with RP technology and used in the model surgery. The surface templates can be more accurate positioning between the bone segment and achieved in three-dimensional direction. Conclusion The method improve the accuracy between the postoperative bone segments.it is a relatively convenient and feasible method of aided positioning.

Key words： surgery simulation；computer-assisited orthognathic surgery； surface templates digital navigation mothod

正頜外科是一種以改善面部美觀和功能為目的的不可逆的手術(shù)方式，現(xiàn)階段人們對美觀要求逐漸增高，對手術(shù)的期望值也增高，面部手術(shù)微小的偏差就可能嚴(yán)重影響美觀，給患者帶來終身痛苦。隨著計(jì)算機(jī)及醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助正頜外科的技術(shù)在術(shù)中進(jìn)行精確地截骨、移動，定位是正頜外科手術(shù)計(jì)劃能夠順利實(shí)施，獲得理想的手術(shù)效果的前提[1-3]。

本研究旨在設(shè)計(jì)應(yīng)用于正頜外科的數(shù)字化定位方法，首先利用醫(yī)學(xué)反求技術(shù)與逆向工程技術(shù)完成頜面部骨骼模型的三維重建，其次在三維模型上模擬手術(shù)操作，包括截骨、移動/旋轉(zhuǎn)、固定等，然后設(shè)計(jì)應(yīng)用于下頜升支矢狀劈開截骨術(shù)（Sagittal split ramus osteotomy，SSRO）數(shù)字化定位板，以期提高手術(shù)精度。

1 資料和方法

1.1臨床資料

1.1.1一般資料：選擇一名就診于西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院顱頜面整形創(chuàng)傷外科的成年男性牙頜面畸形患者為對象，正頜外科治療計(jì)劃：雙頜外科手術(shù)，上頜骨前徙5mm，下頜骨后退10mm。術(shù)前CBCT掃描。試驗(yàn)前已獲得志愿者知情同意。

1.1.2試驗(yàn)工具：個(gè)人圖像工作站 （組裝）；錐形束 CT（Cone-Beam computed tomography，CBCT，韓國，2009 年生產(chǎn)）；Mimics 10.0醫(yī)用圖像與三維重建軟件 （Materialise公司，比利時(shí)）；Geomagic Studio 12.0逆向工程和三維檢測軟件 （美國 RainD rop公司 ）； SPS-600 激光快速成形機(jī)。

1.2方法

1.2.1原始數(shù)據(jù)采集：對樣本顱面部進(jìn)行CBCT掃描。曝光時(shí)間15s，管電壓90 kV ，管電流7mA.s-1；層厚0.4 mm。共掃描圖像476張CBCT 掃描數(shù)據(jù)以DICOM 格式刻盤保存導(dǎo)出。

1.2.2在Mimics中原始圖像的處理和初始三維圖像的生成：根據(jù)患者體位分別定義橫斷面、冠狀面和矢狀面，將患者476張CBCT圖片有序疊放，將數(shù)據(jù)信息存入計(jì)算機(jī)并將不同序列的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10.0軟件。利用軟件閾值分割（Thresholding）的功能提取出不同的組織數(shù)據(jù)。選擇軟件默認(rèn)的骨組織CT 值范圍（226-3071），得到患者頜面骨骼數(shù)據(jù)蒙板，通過三個(gè)視圖窗口觀察提取出的骨組織數(shù)據(jù)。適當(dāng)調(diào)節(jié)閾值分割的上下限，采用蒙版編輯命令去除偽影，在骨組織提取完全的前提下減少偽影。

1.2.3上下頜骨分離：通過 Mimics 軟件區(qū)域增長（Region growing）命令，將CT圖像上彼此不相連的分割區(qū)域細(xì)分，形成新的分割區(qū)域。利用編輯蒙板（Editing mask）命令，分離圖像中下頜骨數(shù)據(jù)，分割完畢后進(jìn)行區(qū)域增長，得到下頜骨數(shù)據(jù)的蒙板，利用布爾操作（Boolean operation）命令，對整體蒙板和下頜骨蒙板做布爾減運(yùn)算，即可得到上頜骨數(shù)據(jù)的蒙板。

1.2.4 三維重建：采用Mimics軟件的計(jì)算3D模型（Calculate 3D）命令，選擇需要重建的蒙板以及重建質(zhì)量，即可重建三維模型。重建過程中，重建質(zhì)量參數(shù)的設(shè)定較為關(guān)鍵，選擇高質(zhì)量，精度高的重建參數(shù)如表重建出的頜面骨骼模型光滑、美觀，更逼近真實(shí)骨骼模型（如圖1）。

1.2.5計(jì)算機(jī)模擬截骨：利用 Mimics 軟件 Silulation 模塊中的面板切割（cut with polyplane）命令，模擬下頜升支矢狀劈開截骨術(shù)以及上頜骨Le Fort I型骨切開術(shù)，利用分離（split）命令，將不同的骨段部分相互分離，完成截骨。

1.2.6 計(jì)算機(jī)模擬正頜外科手術(shù)：在虛擬環(huán)境下模擬相分離骨段的移動/旋轉(zhuǎn)、拼接以及截除，手術(shù)方案由外科醫(yī)生根據(jù)X 線頭影測量以及模型外科預(yù)測的結(jié)果提供：上頜水平前徙 5mm，下頜水平后退10mm。完成相分離骨段移動方向的建立，利用軟件重定位（Reposition）命令完成頜骨相分離骨段的移動。選中下頜骨遠(yuǎn)心骨段，選擇沿軸線移動命令，按手術(shù)方案完成上下頜骨的移動。觀察模擬手術(shù)前后患者面形及咬合關(guān)系的變化，分別測量術(shù)前術(shù)后患者ANB角，進(jìn)行手術(shù)方案的驗(yàn)證。

1.2.7 SSRO劃線板和定位板的設(shè)計(jì)過程：將Mimics軟件導(dǎo)出的STL文件導(dǎo)入Geomagic studio12.0軟件。根據(jù)SSRO骨切口線的走向形態(tài)以及模擬手術(shù)后下頜骨相分離骨段之間的表面解剖結(jié)構(gòu)特征與空間位置關(guān)系設(shè)計(jì)劃線板和定位板，這2副導(dǎo)板在 X、Y、Z 三個(gè)方向上設(shè)計(jì)，其內(nèi)表面取自下頜骨切口區(qū)域的外表面，定位板外表面由內(nèi)表面向外偏移1mm形成，最后完成定位板的封裝，在其過渡處設(shè)計(jì)圓角，避免應(yīng)力集中，應(yīng)用快速原型技術(shù)進(jìn)行加工（如圖2）。

1.2.8 下頜骨樹脂模型外科驗(yàn)證：利用光固化快速原型技術(shù)加工出患者下頜骨樹脂模型，劃線板與定位板模型，體外模擬手術(shù)，應(yīng)用劃線板嚴(yán)格按照三維模擬重建影像上的截骨線完成劃線并進(jìn)行SSRO截骨手術(shù)并去除多余干擾骨質(zhì)，驗(yàn)證定位板的有效性。

2 結(jié)果

利用Mimics軟件成功重建了頜骨的三維模型，并按照手術(shù)計(jì)劃完成計(jì)算機(jī)模擬正頜外科手術(shù)。經(jīng)觀察模擬手術(shù)后頜面部輪廓變化明顯，獲得較為理想的面形和咬合關(guān)系。由三維模型測量可知，術(shù)前患者 ANB 角為-12.5，經(jīng)過骨段平移后 ANB 角變?yōu)?1.9°（如圖3）。

應(yīng)用光固化快速原型技術(shù)加工出患者下頜骨樹脂模型，根據(jù)下頜骨骨質(zhì)表面解剖結(jié)構(gòu)特征，利用Geomagic studio12.0 軟件成功設(shè)計(jì)出SSRO劃線板與定位板（如圖4）。設(shè)計(jì)定位板為帶有升支部擋板和體部臺階的J 型結(jié)構(gòu)，從而完成下頜骨矢狀劈開后近遠(yuǎn)心骨段在三維方向上的定位（如圖5）。經(jīng)樹脂模型驗(yàn)證，定位板各個(gè)位置與骨質(zhì)表面貼合良好，表明下頜骨近、遠(yuǎn)心骨段按術(shù)前設(shè)計(jì)達(dá)到準(zhǔn)確的位置（如圖6）。

3 討論

嚴(yán)重的頜面部骨骼畸形需要正畸與外科聯(lián)合治療。通過正頜外科手術(shù)主要改變患者頜面部輪廓，重建患者咬合關(guān)系，手術(shù)的質(zhì)量直接決定了整個(gè)矯正過程的質(zhì)量，也決定著術(shù)后正畸能否順利進(jìn)行，因此保證正頜外科手術(shù)的定位精度以及固定穩(wěn)定性就成了畸形矯正的重點(diǎn)[4]。咬合導(dǎo)板是目前正頜外科手術(shù)中確定截骨段重新定位的主要方法，也是重建術(shù)后咬合關(guān)系，保證達(dá)到術(shù)前設(shè)計(jì)精確性的重要保障[5]。然而，咬合板的制作是通過石膏模型外科設(shè)計(jì)制作完成，其更多地是反應(yīng)了術(shù)后咬合關(guān)系所處的狀態(tài)，無法精確的反應(yīng)上下頜骨截骨線之間的變化，忽略了頜面部相分離骨段的空間位置關(guān)系；同時(shí)截骨過程過分依靠醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)，截骨精度低；定位過程重點(diǎn)在保證患者咬合關(guān)系，固定過程產(chǎn)生的附加力容易破壞已形成的定位關(guān)系，這些缺點(diǎn)往往造成術(shù)后結(jié)果偏離術(shù)前設(shè)計(jì)，導(dǎo)致術(shù)后畸形復(fù)發(fā)，甚至手術(shù)失敗[6-7]。因此，如何在保證術(shù)后良好咬合關(guān)系的同時(shí)進(jìn)行相分離骨段的定位與固定就成為正頜外科手術(shù)的關(guān)鍵[8-9]。

在SSRO手術(shù)中，由于在完成截骨后近遠(yuǎn)心骨段分離后，遠(yuǎn)心骨段位置可以通過咬合導(dǎo)板來確定，而近心骨段由于顳下頜關(guān)節(jié)頭即髁狀突的存在，導(dǎo)致其位置的不確定，因此有必要對截骨后各個(gè)骨段的精確定位進(jìn)行研究[10]。本研究中，通過逆向工程軟件Mimics將患者CBCT數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分離上下頜骨、創(chuàng)建三維模型，依據(jù)手術(shù)設(shè)計(jì)方案完成虛擬截骨、定向移動骨段，重點(diǎn)關(guān)注頜骨在截骨線之間的變化情況[11]。根據(jù)術(shù)式中顯露的下頜骨骨面解剖特征，利用快速成型技術(shù)根據(jù)預(yù)定方案設(shè)計(jì)制作劃線板、定位板，實(shí)現(xiàn)基于骨段移動后表面特征以及空間位置關(guān)系的定位。劃線板的目的在于保證在樹脂模型模擬外科手術(shù)中截骨線與虛擬手術(shù)的一致性和準(zhǔn)確性。在截骨線的兩側(cè)設(shè)計(jì)定位導(dǎo)板，其水平骨切口處設(shè)計(jì)擋板，在垂直骨切口處設(shè)計(jì)臺階，以及下頜骨下緣處設(shè)計(jì)成J型結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)板與截骨后近遠(yuǎn)心骨段表面的貼合程度來確定近遠(yuǎn)心骨段之間的位置關(guān)系，一方面可以使得近遠(yuǎn)心骨段在截骨移動后的定位，另一方面，也可以保障髁狀突位置與術(shù)前保持一致，從而減少術(shù)后的復(fù)發(fā)。

該定位板的優(yōu)勢在于：通過三維重建了解頜骨畸形的特征，虛擬手術(shù)對術(shù)后效果直觀的了解，樹脂模型模擬手術(shù)對臨床手術(shù)的實(shí)施提供有益幫助[12]。設(shè)計(jì)配套劃線切骨板，可以準(zhǔn)確將計(jì)算機(jī)模擬的手術(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)移到臨床中，保證術(shù)中截骨與定位的精確性。操作簡單、截骨精確，避免了傳統(tǒng)手術(shù)中截骨部分過分依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀。有望縮短手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，在臨床上，多數(shù)患者畸形較嚴(yán)重，手術(shù)中上下頜骨不僅要作前后方向的移動，同時(shí)還伴有左右方向，垂直方向，甚至作旋轉(zhuǎn)移動。如何將咬合導(dǎo)板與骨間定位板結(jié)合應(yīng)用，獲得更為理想的咬合關(guān)系以及骨段間的精確定位，仍需進(jìn)一步探索研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1]胡靜.正頜外科學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2010：4-8.

[2]孫應(yīng)明，段銀鐘，惠光燕，等.計(jì)算機(jī)輔助正頜外科手術(shù)的預(yù)測及模擬系統(tǒng)[J].中國美容醫(yī)學(xué)，2002，11（5）：473-475.

[3] 桂海軍，沈國芳.計(jì)算機(jī)輔助外科在正頜手術(shù)術(shù)前模擬中的應(yīng)用[J].中華口腔醫(yī)學(xué)研究雜志 （電子版），2010，4 （6）：55-57.

[4]秦科，呂婉瑜.牙頜面畸形正畸和手術(shù)聯(lián)合治療的正畸策略[J].中國實(shí)用口腔科雜志，2011，4 （5）：268-272.

[5]張震康，張熙恩，傅民魁.正頜外科學(xué)[M].北京.人民衛(wèi)生出版社，1994：112-251.

[6]Xia JJ，Gateno J，Teichgraeber JF，et al. Accuracy of the computer-aided surgical simulation （CASS） system in the treatment of patients with complex craniomaxillofacial deformity： A pilot study[J].Journal of oral and maxillofacial surgery，2007，65（2）：248-254.

[7]Bai S，Bo B，Bi Y，et al.CAD/CAM surface templates as an alternative to the intermediate wafer in orthognathic surgery[J].Oral Surgery，Oral Medicine，Oral Pathology，Oral Radiology，and Endodontology， 2010，110（5）：e1-e7.

[8]Popat H，Richmond S，Drage NA.New developments in：three-dimensional planning for orthognathic surgery[J].J Orthod，2010，37（1）：62-71.

[9]Uechi J，Okayama M，Shibata T，et al.A novel method for the3-dimensional simulation of orthognathic surgery by using a multimodal image-fusion technique[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop，2006，130（6）：786-798.

[10]Trauner R，Obwegeser H.The surgical correction of mandibular prognathism and retrognathia with consideration of genioplasty.I.Surgical procedures to correct mandibular prognathism and reshaping of the chin[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol，1957，10 （7）：677-689.

[11]Swennen G，Barth EL，Eulzer C，et al.The use of a new 3D splint and double CT scan procedure to obtain an accurate anatomic virtual augmented model of the skull[J]. International journal of oral and maxillofacial surgery，2007，36（2）：146-152.

[12]Metzger MC，Hohlweg-Majert B，Schwarz U， et al.Manufacturing splints for orthognathic surgery using a three-dimensional printer[J].Oral Surgery， Oral Medicine， Oral Pathology，Oral Radiology，and Endodontology，2008，105（2）： e1-e7.

[收稿日期]2014-03-25 [修回日期]2014-04-30

編輯/何志斌