沈末倫，王旭東

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科，上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011

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·數(shù)字醫(yī)學(xué)·

數(shù)字化三維手術(shù)模擬在正頜外科專科醫(yī)師培訓(xùn)中的應(yīng)用

沈末倫，王旭東

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科，
上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011

牙頜面畸形患者面部形態(tài)異常和咬合功能障礙常較嚴(yán)重，需要采用正頜—正畸聯(lián)合治療的方法進(jìn)行矯正。治療牙頜面畸形的正頜手術(shù)術(shù)野狹小、操作復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)較大，其手術(shù)教學(xué)和操作培訓(xùn)手段有限，限制了此類技術(shù)的推廣應(yīng)用。文章介紹了將數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)應(yīng)用于正頜外科?？漆t(yī)師培訓(xùn)，可取得良好的手術(shù)教學(xué)效果。實(shí)踐表明，通過(guò)手術(shù)虛擬操作，可使受訓(xùn)醫(yī)師加深對(duì)牙頜面畸形和正頜外科手術(shù)的理解。

牙頜面畸形；正頜手術(shù)；數(shù)字醫(yī)學(xué)；培訓(xùn)；手術(shù)模擬

牙頜面畸形是指?jìng)€(gè)體顱頜面生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，受先天性或獲得性因素影響所致的頜骨生長(zhǎng)發(fā)育畸形，患者常有較嚴(yán)重的面部形態(tài)異常和咬合功能障礙，單純正畸代償治療往往無(wú)法矯正畸形或不能獲得滿意的矯治效果，需通過(guò)正頜—正畸聯(lián)合治療才能獲得較滿意的面部美容效果和咬合功能。通過(guò)正頜手術(shù)矯正牙頜面畸形需要截開(kāi)并移動(dòng)牙—骨復(fù)合體，重建牙頜面結(jié)構(gòu)三維空間關(guān)系。因此，對(duì)截骨的方式和牙—骨復(fù)合體移動(dòng)的方向、距離，應(yīng)在術(shù)前有精確的設(shè)計(jì)。正頜外科手術(shù)操作相對(duì)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)較大，并且在口腔內(nèi)操作，視野狹小、手術(shù)教學(xué)困難，限制了此類技術(shù)的推廣。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的新興技術(shù)被應(yīng)用于外科領(lǐng)域。虛擬手術(shù)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中，建立一個(gè)數(shù)字模型，醫(yī)師在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬，并引導(dǎo)實(shí)際手術(shù)過(guò)程的一種新興技術(shù)［1］。近年來(lái)，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科建立了數(shù)字化三維工作室，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將牙頜面畸形患者的螺旋CT數(shù)據(jù)以DICOM標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入，并與患者的牙列三維掃描圖像進(jìn)行融合，重建顱頜面三維模型，通過(guò)相關(guān)軟件在虛擬環(huán)境中進(jìn)行三維頭影測(cè)量分析以及虛擬截骨和移動(dòng)，構(gòu)建了頜骨畸形的數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)和模擬系統(tǒng)，并應(yīng)用于正頜外科?？漆t(yī)師培訓(xùn)中，取得了較好的效果。

1　材料與方法

1.1病例資料

選擇2014年5月至2015年6月在上海第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科完成正頜手術(shù)治療，并隨訪一年以上術(shù)后效果滿意的牙頜面畸形患者10例，男4例，女6例，平均年齡22.5歲（19～31歲），骨性II類錯(cuò)頜畸形3例，骨性III類錯(cuò)頜畸形7例。在數(shù)字化三維工作室資料庫(kù)中調(diào)取該10例患者的術(shù)前面部正面、側(cè)面及口內(nèi)咬合照片，術(shù)前X線全口牙列曲面斷層片、頭顱定位正位及側(cè)位片，術(shù)前螺旋CT數(shù)據(jù)以及牙列三維掃描圖像，并調(diào)取患者的實(shí)際手術(shù)記錄。

1.2數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬

將患者的螺旋CT數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Proplan 1.0軟件（Materialise公司，比利時(shí)），進(jìn)行顱頜面骨骼三維重建，并與牙列三維掃描圖像進(jìn)行融合，構(gòu)建顱頜面數(shù)字化三維模型，進(jìn)行三維頭影測(cè)量分析。在三維模型上，利用Proplan1.0軟件分離下頜骨，并模擬上頜骨Le Fort I型截骨、雙側(cè)下頜支矢狀骨劈開(kāi)及頦成形截骨操作，各骨塊經(jīng)體數(shù)據(jù)重建，生成顱頜面骨骼的數(shù)字化樹(shù)狀結(jié)構(gòu)模型。在此數(shù)字化三維模型上，對(duì)骨塊進(jìn)行上抬、下降、平移、旋轉(zhuǎn)等操作，改變它們的相對(duì)空間位置，進(jìn)行正頜手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬，根據(jù)患者的面形、咬合、X線頭顱定位側(cè)位片頭影測(cè)量分析以及三維頭影測(cè)量分析結(jié)果，決定各截骨塊移動(dòng)的方向及量（如圖1所示）。手術(shù)方案確定后，將設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)以STL格式輸出，在三維打印機(jī)上進(jìn)行虛擬截骨導(dǎo)板、中間頜板及終末頜板的三維打?。ㄈ鐖D2所示）。

圖1　牙頜面畸形患者數(shù)字化三維模型正頜手術(shù)設(shè)計(jì)及虛擬操作

圖2　圖1所示患者的三維打印手術(shù)導(dǎo)板

1.3正頜外科?？漆t(yī)師手術(shù)虛擬操作及培訓(xùn)

選取剛進(jìn)入?？漆t(yī)師培訓(xùn)基地的年輕醫(yī)師5名，進(jìn)行正頜手術(shù)的教學(xué)及操作培訓(xùn)。首先利用該數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行手術(shù)的教學(xué)示教，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬截骨和骨塊的移動(dòng)操作演示，提醒注意事項(xiàng)。然后，由這5名受訓(xùn)醫(yī)師分別獨(dú)自利用該系統(tǒng)對(duì)選定的10例牙頜面畸形病例進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)和模擬，完成正頜手術(shù)方案設(shè)計(jì)后，再與病案中記錄的實(shí)際手術(shù)方式進(jìn)行比較，由兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的高級(jí)職稱正頜外科專家共同對(duì)受訓(xùn)醫(yī)師設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行評(píng)估，指出不足，分析原因，修正方案，引導(dǎo)受訓(xùn)醫(yī)師思考不同截骨方式和骨塊移動(dòng)的意義。

2　結(jié)果

Proplan軟件既可對(duì)牙頜面畸形患者的螺旋CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，并與牙列的三維掃描圖像進(jìn)行融合，構(gòu)建數(shù)字化虛擬模型，又可對(duì)頜骨畸形進(jìn)行三維頭影測(cè)量分析及診斷。在三維虛擬模型上可以直觀的確定患者畸形所在的部位、類型及程度。利用數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)，可以在三維空間上模擬Le Fort I型截骨、SSRO及頦成形截骨等操作，通過(guò)各骨塊的相對(duì)移動(dòng)來(lái)重建良好的面形及咬合。

數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬培訓(xùn)系統(tǒng)具有可重復(fù)性，受訓(xùn)醫(yī)師可在虛擬模型上進(jìn)行反復(fù)的截骨移動(dòng)嘗試，確定最終的手術(shù)方案。通過(guò)與實(shí)際手術(shù)方案的比較以及正頜外科專家的點(diǎn)評(píng)，受訓(xùn)醫(yī)師可以找到自己設(shè)計(jì)的不足及原因，在三維空間上加深了對(duì)牙頜面畸形特征以及各種正頜手術(shù)截骨方式和骨塊移動(dòng)意義的理解，顯著提高了其診斷分析能力與操作技能，使其可以快速、直觀地理解頜骨畸形的空間解剖結(jié)構(gòu)，掌握正頜外科手術(shù)操作，具有較高的手術(shù)教學(xué)意義。

3　討論

3.1數(shù)字化三維手術(shù)虛擬操作及培訓(xùn)的作用

由于正頜手術(shù)都在口腔內(nèi)進(jìn)行，術(shù)區(qū)暴露有限、視野狹小、解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使在一助的位置有時(shí)也難以觀察手術(shù)操作的具體過(guò)程，并且在術(shù)野及其鄰近部位存在很多危險(xiǎn)的重要解剖結(jié)構(gòu)，一旦術(shù)中出現(xiàn)損傷，就可能出現(xiàn)嚴(yán)重的并發(fā)癥，甚至危及患者生命安全［2］。因此，為避免醫(yī)療差錯(cuò)和醫(yī)患糾紛的發(fā)生，年輕醫(yī)師在進(jìn)行臨床實(shí)際操作訓(xùn)練前，應(yīng)盡可能最大限度地掌握各種手術(shù)操作技能，在臨床前的教學(xué)培訓(xùn)中提供高仿真的模擬環(huán)境進(jìn)行技能訓(xùn)練顯得尤為重要。數(shù)字化虛擬手術(shù)教學(xué)技術(shù)正是醫(yī)學(xué)教育順應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要而產(chǎn)生的，該技術(shù)為教師和學(xué)生提供了一個(gè)無(wú)創(chuàng)、安全、高效、允許出錯(cuò)、可重復(fù)的訓(xùn)練方式，通過(guò)在虛擬模型上的模擬操作，完成技能訓(xùn)練，為臨床實(shí)際手術(shù)操作訓(xùn)練打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［3-4］。Lehmann等［5］研究發(fā)現(xiàn)，利用內(nèi)窺鏡模型在虛擬環(huán)境下訓(xùn)練獲得的操作技能可直接應(yīng)用于臨床實(shí)際，提示手術(shù)模擬訓(xùn)練可以通過(guò)短期強(qiáng)化培訓(xùn)獲得以往臨床上需要通過(guò)幾年實(shí)踐來(lái)獲得的操作技能，培訓(xùn)效率高。Sternberg等［6］發(fā)現(xiàn)虛擬截骨手術(shù)系統(tǒng)可顯著提高受訓(xùn)醫(yī)師的手術(shù)操作技巧，較好地滿足外科醫(yī)師的臨床教學(xué)培訓(xùn)需要，使受訓(xùn)者快速學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)，掌握手術(shù)技能。Sohmura等［7］在三維虛擬模型上借助力反饋設(shè)備對(duì)牙頜面畸形患者進(jìn)行正頜手術(shù)設(shè)計(jì)、模擬截骨及移動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)了力的實(shí)時(shí)感知反饋，高度仿真地模擬了真實(shí)的手術(shù)操作。該研究利用Proplan軟件生成牙頜面畸形的數(shù)字化三維虛擬模型，受訓(xùn)者在虛擬環(huán)境下行骨塊三維空間旋轉(zhuǎn)、移位等模擬操作，實(shí)現(xiàn)了上頜骨Le FortⅠ型截骨術(shù)、SSRO、頦成形術(shù)等常規(guī)手術(shù)操作，模擬了真實(shí)的正頜外科手術(shù)截骨及移動(dòng)過(guò)程。

3.2數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)在正頜外科教學(xué)中的意義

以往年輕的外科醫(yī)師只能通過(guò)教科書(shū)和術(shù)中助手的形式來(lái)逐步積累解剖知識(shí)和手術(shù)技巧，學(xué)習(xí)效率低下。在當(dāng)前醫(yī)療環(huán)境下，年輕醫(yī)師實(shí)際手術(shù)操作訓(xùn)練的機(jī)會(huì)很少［8］。對(duì)于頜面部較為復(fù)雜、精確度要求較高并且手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大的正頜手術(shù)，所需要的培訓(xùn)周期將更長(zhǎng)。傳統(tǒng)的基于頭顱定位X線片的頭影測(cè)量分析局限于二維的側(cè)貌模擬；而石膏模型外科盡管實(shí)現(xiàn)了三維的手術(shù)設(shè)計(jì)和模擬操作，但缺乏顱頜面骨的整體空間結(jié)構(gòu)，只能反映上頜骨和下頜骨的位置關(guān)系。數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)軟件重建了顱頜面骨骼的三維結(jié)構(gòu)，并與牙列的三維掃描圖像進(jìn)行了融合，實(shí)現(xiàn)了三維頭影測(cè)量分析，受訓(xùn)醫(yī)師可以在虛擬三維空間中從不同的角度直觀地觀察分析，加深了對(duì)牙頜面畸形特征、類型及程度的理解。通過(guò)該系統(tǒng)平臺(tái)，能在虛擬環(huán)境下模擬各種類型的正頜手術(shù)截骨及骨塊的移動(dòng)，更加逼真、形象、直觀。在正頜手術(shù)過(guò)程中，骨塊移動(dòng)到新的位置后可能產(chǎn)生骨早接觸，干擾牙—骨復(fù)合體的就位，術(shù)前利用該系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行手術(shù)虛擬操作，可以預(yù)估骨早接觸點(diǎn)的部位，使實(shí)際手術(shù)中的去骨操作更加精確。正頜外科?？漆t(yī)師利用該手術(shù)模擬系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)操作技能的訓(xùn)練，縮短了臨床培訓(xùn)時(shí)間，減少了醫(yī)療失誤的發(fā)生。

另一方面，通過(guò)審核評(píng)估受訓(xùn)醫(yī)師設(shè)計(jì)的手術(shù)方案，臨床帶教教師可以發(fā)現(xiàn)年輕醫(yī)師容易出現(xiàn)的失誤和不足。比如:對(duì)于骨性III類錯(cuò)頜畸形，年輕醫(yī)師設(shè)計(jì)手術(shù)方案時(shí)，將下頜骨后退過(guò)多，忽視了術(shù)后氣道變窄的問(wèn)題；對(duì)于上頜骨發(fā)育不足、鼻旁區(qū)凹陷的病例，年輕醫(yī)師設(shè)計(jì)時(shí)將上頜骨過(guò)度前移，未考慮鼻唇角變銳對(duì)容貌的不利影響；對(duì)于骨性II類錯(cuò)頜畸形、上頜前突的病例，年輕醫(yī)師設(shè)計(jì)上頜骨Le Fort I型截骨后退距離過(guò)大，未考慮實(shí)際手術(shù)操作的可行性。利用該數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)，帶教教師通過(guò)評(píng)估年輕醫(yī)師手術(shù)設(shè)計(jì)方案的缺陷，發(fā)現(xiàn)其易犯的錯(cuò)誤，從而在臨床帶教中做到有的放矢，提高臨床教學(xué)效果。

總之，該研究充分肯定了數(shù)字化三維手術(shù)設(shè)計(jì)與模擬系統(tǒng)在正頜外科臨床教學(xué)及操作訓(xùn)練上的意義。利用該系統(tǒng)進(jìn)行正頜外科術(shù)前設(shè)計(jì)與規(guī)劃，并模擬手術(shù)操作過(guò)程，滿足了手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)的需要。隨著醫(yī)學(xué)教育理念的改變和虛擬手術(shù)技術(shù)在教學(xué)培訓(xùn)中的推廣，數(shù)字化虛擬手術(shù)教學(xué)及操作訓(xùn)練將在外科醫(yī)師手術(shù)技能培訓(xùn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，需要加強(qiáng)有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)與力和觸覺(jué)反饋方面的研究。

［1］Kim JY，Kim W S，Choi EC，et al.The Role of Virtual Surgical Planning in the Era of Robotic Surgery［J］.Yonsei Med J，2016，57（1）：265-268

［2］李陽(yáng)，曲衛(wèi)國(guó)，馬衛(wèi)東，等.正頜外科手術(shù)矯治牙頜面畸形的臨床回顧性研究［J］.現(xiàn)代口腔醫(yī)學(xué)雜志，2009，23（3）：249-251

［3］于洪波，王博，王旭東，等.髁突骨軟骨瘤治療的虛擬設(shè)計(jì)及教學(xué)模擬［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2015，29（2）：187-190

［4］周學(xué)東，張凌琳，葉玲，等.虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（5）：4-6，16

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基金項(xiàng)目:該課題受北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目資助。

收稿日期:2016-01-16

作者簡(jiǎn)介:趙雪竹（1983-），女，北京人，主治醫(yī)師，博士，主要研究方向:3D打印模型及導(dǎo)板在口腔種植及教學(xué)中的應(yīng)用。

通信作者:唐志輝（1970-），男，廣西柳州人，主任醫(yī)師，教授，博士，主要研究方向:3D打印導(dǎo)板在口腔種植中的應(yīng)用、骨替代材料和促骨生長(zhǎng)因子的研究。電話:010-82196237；E-mail:tang_zhihui@live.cn

App lication of digital three-dimensional surgical simu lation system in specialist training of orthognathic surgery

Shen Molun，Wang Xudong
Department of Oral and Craniomaxillofacial Surgery，the Ninth People's Hospital of Shanghai Jiaotong University School of Medicine；Shanghai Research Institute of Stomatology；Shanghai Key Laboratory of Stomatology，Shanghai200011，China

Patients with dento-maxillofacial deformities often suffer relatively severe facial anomalies and occlusal dysfunction，which need to be corrected with combined orthodontic and orthognathic treatment.Orthognathic surgery is very complicated with narrow operative field and relatively high risk.Themeans of orthognathic surgery teaching and operation training are limited，which restricts the promotion of orthognathic surgical technology.In this study，a digital three-dimensional surgical design and simulation system was applied to specialist training of orthognathic surgery with satisfactory results.Practice proves that through virtual operation training，the trained surgeons obtained a deeper understanding of dento-maxillofacial deformities and orthognathic surgery.

dento-maxillofacial deformity；orthognathic surgery；digital medicine；training；surgical simulation

G434

A

1004-5287（2016）03-0310-03

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603021

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院2015本科教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目［滬交醫(yī)教（2015）9號(hào)文件］；上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院高峰高原計(jì)劃“研究型醫(yī)師”項(xiàng)目（20152225）；上海市市級(jí)醫(yī)院新興前沿技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目（SHDC12013103）

2016-01-19

沈末倫（1978-），男，安徽池州人，主治醫(yī)師，碩士，主要研究方向:牙頜面畸形的臨床與基礎(chǔ)研究。

王旭東（1970-），男，福建泉州人，教授，主任醫(yī)師，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向:顱頜面畸形的臨床與基礎(chǔ)研究。電話:021-53315144；E-mail:xudongwang70@hotmail.com