骨性Ⅲ类面形患者数字化正颌外科治疗
2016-07-18商洪涛史雨林白石柱赵晋龙刘彦普
商洪涛, 史雨林, 白石柱, 赵晋龙, 刘彦普
论著-颧面部整形专题
骨性Ⅲ类面形患者数字化正颌外科治疗
商洪涛, 史雨林, 白石柱, 赵晋龙, 刘彦普
目的 提出一种计算机辅助设计正颌外科手术并3D打印手术截骨及定位导板的方法，评估其临床应用价值。方法 该研究选取34例需接受正颌手术治疗的住院患者，利用ProPlan CMF 2.0软件进行术前虚拟手术设计，并在3-matic软件中设计完成虚拟截骨和定位导板，将设计的截骨和定位导板3D打印用于现实手术中，以指导术中方案精准实施。通过比较术前计划与术后CT进行准确性评估。结果 34例患者均在截骨导板和定位导板的指导下完成手术。术后患者咬牙合功能良好，外形满意，术前规划与术后CT骨组织重叠比对色阶图比较误差，成组t检验显示，差异无统计学意义，表明结果在临床可接受范围内。结论 该数字化正颌手术系统流程可以取得良好的手术准确性，是一种虚拟现实技术的良好体现，可提高正颌手术的精确性。
正颌手术； 数字化； 导板； 精准医学
面部轮廓美是人体形态美的首要条件和最显著标志，与人的面部软组织特别是骨组织的结构及形态密切相关[1]。正颌外科是对颌面骨骼重构的学科，通过骨骼形态、位置的重构达到改善咬牙合功能与面部轮廓的目的，这是正颌外科的一个美学特点。医师在正颌外科手术设计分析中，综合运用尺度、比例、对称、均衡、协调、形状等美学要求，以产生良好的审美效果，这是正颌外科的另一个美学特点[2]。笔者通过计算机辅助设计正颌手术方案[3]，制作并3D打印手术截骨、定位导板来指导实际手术的精准实施，并比较了术前计划与术后实际效果，从而提出一套完整的数字化正颌外科技术流程。
1 临床资料与方法
1.1 病例资料 回顾自2015年7月至2016年2月，第四军医大学口腔医院颌面外科接受正颌外科手术253例患者。根据设定的纳入标准：⑴发育性上颌后缩下颌前突畸形者，年龄18～35岁；⑵头颅侧位片头影测量分析：-5°
1.2 影像资料获取及三维重建 在正颌手术前1个月(T0)、正颌手术后6个月(T1)(时间范围限制在时间点前后1周之内)分别对所有入选对象进行CT扫描(Philips Brilliance 64排螺旋CT，Netherlands，扫描层厚1.0 mm)，并将获得全头颅CT数据，以DICOM格式导入ProPlan CMF 2.0软件(Materialise, Belgium)。
在ProPlan CMF 2.0软件中，选择“Import CT Images”命令，选取纳入患者头颅CT的DICOM格式文件，使用软件中的单击“Segment”功能模块将分割阈值设为“250～3071HU”，选择Quality参数为“High”，并运行“Calculate a 3D object”命令子菜单，然后运行“Calculate”命令，即可获得三维重建模型。然后同此法，将下颌骨与颅上颌骨进行阈值分割，得到独立的颅上颌骨和下颌骨。
1.3 建立三维测量体系及虚拟手术设计 在ProPlan CMF 2.0软件中选择“service”目录下 “orthognathics”模块，在此模块下，单击“Step1:Prepare for Planning”，依次完成“Create Maxillary Composite Model”“Create Mandibular Composite Model”；再单击“Set Horizontal Reference”，依次点击选取两侧眶下点、外耳道点，定眶耳平面为参考平面；然后依次“Step2:Creat 3D Cephalometry”完成3D头影测量；“Step3:Plan Osteotomy”完成虚拟截骨手术[4-6]；“Step4:Occlusion Registration”完成最终咬牙合关系配准；“Step5:Reposition”前徙上颌骨到预定位置；“Step6: Soft Tissue Simulation”观察软组织预测效果。
1.4 手术截骨导板及定位导板的设计及3D打印 将虚拟手术规划好的颅面骨骼3D模型，以STL格式导出到3-matic软件进行截骨和定位导板的设计。正颌手术的导板系统包括两个部分：一对截骨导板和一对定位导板。截骨导板用于辅助手术医师实施LeFort Ⅰ型截骨并制备钉孔的位置。定位导板用于指导手术医师将截下来的上颌骨骨块移动至所计划的空间位置。
截骨导板左右各1块，设计类似于表面贴附，导板沿上颌骨表面的凹凸不平解剖标志扣锁贴合，使手术医师可以快速而准确地将截骨导板安置于上颌骨前壁。截骨导板中部的设计使其可以标记截骨线的位置。截骨导板面积要小，下端可附着于前鼻嵴。在截骨导板的外侧可设计有6个钉道，分别位于截骨线的两侧。这6个钉道可以用于术中暂时固定截骨导板，通过导板中钉道在骨面所制备的钉孔，可在下一步骨块移动中发挥骨性参考标志点的作用。
定位导板包括左、右2块，用以将上颌骨骨块引导至其终末位置。设计采用上颌骨前壁表面贴合的原理，同时利用截骨导板固位时在上颌骨留下的钉道将定位导板就位。就位后的上颌骨表面定位导板，已经使上颌骨移动至计划的空间位置。此设计的优点在于双侧12个钉道同时保证骨块的位置，就位定位导板时，任何一个螺钉不能进入钉道，都说明上颌骨未准确移动至所计划的位置。见图1。
在导板设计中，由截骨导板所制定的钉孔跟随位于原始位置的上颌骨骨块一同移动到计划的空间位置，并在移动后的上颌骨骨块模型上设计定位导板。从而保证了截骨导板与定位导板中钉道的一致性。因此，术中通过钛钉准确固位即可辅助颏部骨段准确移动到术前规划位置，并加以固定。利用最终配准的咬牙合关系，3D打印制作最终牙牙合板(图2)。
所有导板的设计(包括导板的尺寸以及术中安置的位置)均在术前由手术医师确定并认可。牙牙合板以及手术导板设计完成后，将数据输入3D打印机(3D systems, 美国)，使用光敏性树脂进行制作。
1.5 手术实施及准确性评估 根据设计3D打印制作的手术导板进行截骨手术。所有手术均由同一术者主刀完成，以控制偏倚误差。将计算机虚拟手术规划设计的全头颅3D模型与术后6个月(T1)CT扫描后重建的3D模型，在ProPlan CMF 2.0软件中进行骨组织重叠比对，打开ProPlan CMF 2.0软件，单击左侧工具栏中“Analyze”下的“Soft Tissue Simulation”命令，选择“Compare Soft Tissue”选项，选择术前设计的3D全头颅模型和术后6个月3D全头颅模型，进行多点配准重叠比对，生成重叠比对图。用鼠标单击此图，选择距离最大的位置，记录数据，进行多样本t检验(表1)。
2 结果
本实验是前瞻性研究，34例患者按照此方法完成数字化正颌手术设计及实施。术后患者咬牙合功能良好，畸形程度显著改善，外形满意(图3)。术前虚拟手术规划与术后实际CT重叠配准比对后，进行多点配对t检验，差异无统计学意义 。说明计算机辅助虚拟手术设计完成的手术截骨导板和定位导板，能够将手术规划准确地反应到实际手术中，误差无统计学意义。
图1 个性化手术导板设计及3D打印 图2 3D打印最终咬牙合板 图3 颌面部整形手术前后对比a. 术前正位b. 术后6个月正位c. 术前斜位d. 术后6个月斜位e. 术前侧位f. 术后6个月侧位
Fig 1 Personalized surgical guide design and 3D printing. Fig 2 Occlusal plate by 3D printing. Fig 3 Comparison of maxillofacial plastic surgery before and after surgery. a. frontal preview. b. frontal postview at 6 months. c. oblique preview. d. oblique postview at 6 months. e. lateral preview. f. lateral postview at 6 months.
表1 使用均方根偏差表示手术实际与术前方案上颌骨骨块的位移误差和角度误差
Tab 1 Using the root mean square deviation (RMSD) to indicate displacement error and angle error of maxillary bone in operation and preoperative program
位移误差(mm)均方根偏差平均值方差95%可信区间角度误差(°)均方根偏差平均值方差95%可信区间上颌骨水平向0．620．020．66-0．210．24俯仰角3．04-1．632．61-2．52-0．75前后向1．14-0．770．75-1．13-0．60侧滚角1．780．251．89-0．360．91垂直向0．81-0．030．85-0．310．28偏转角1．450．081．47-0．600．46
注：水平向为沿X轴方向，前后向为沿Y轴方向，垂直向为沿Z轴方向；俯仰角为绕X轴方向的旋转，侧滚角为绕Y轴方向的旋转，偏转角为绕Z轴方向的旋转
3 讨论
一个良好的手术计划及其在术中精准地实施是获得良好术后效果的前提条件。由数字化技术设计制作的手术导板，在正颌外科手术的应用已见诸于报道[7-10]。但定位导板和截骨导板设计各具特色。笔者通过总结多年经验，不断摸索认为上述截骨及定位导板用于临床，轻巧方便实用。
在正颌手术中，面部软组织(皮肤、结缔组织、脂肪和肌肉)、 面部骨骼(骨和软骨)和牙列是3个重要的组织群体，可称为“三元体”。骨骼和牙齿与其他结构如表浅肌肉腱膜系统一起支撑着面部软组织的表面。在正颌外科治疗方案规划中，“三元体” 起着决定性的作用。颌骨畸形的患者，需要谨慎评估面部软组织表面、其下的颌面骨骼、牙列位置以及其相互依存关系。影像融合技术为正畸与正颌外科治疗方案规划分析面部轮廓、面部骨骼及牙列，已有超过一个世纪的时间，并可以被描述为模拟技术、数字技术及图像融合模型[11]。数字化正颌外科技术的前提条件即模型的建立及精准度的控制。
根据临床实践，我们归纳数字化正颌外科技术的流程为：第一步是图像采集与诊断，可用于制定手术计划；第二步是在 CT 图像三维模型进行虚拟手术和使用专业软件程序，对手术效果进行预测，从而指导术中定位、放置内固定板等操作；第三步是将虚拟手术计划真实用于手术中对患者进行操作；第四步是用于术后评估治疗计划是否准确地实现以及评价手术结果。
复杂的牙牙合面畸形给正颌外科手术带来了巨大挑战，良好的术后效果是患者牙牙合信息的精确采集、准确的手术设计及精准的术中实施等几个方面共同作用的结果[12-14]。科学技术的发展为精细化操作带来了更多的可能，同时，通过在正颌外科的临床实践中更多在使用数字化操作，以追求并达到更好的术后美学及功能效果[15-16]。
4 结论
数字化正颌外科技术在纠治牙牙合面畸形上，比传统依赖于石膏模型设计制定手术方案具有较明显的优势。数字化正颌外科技术能使手术实施更加精准，术后效果更加可控。可见，数字化正颌外科技术是未来发展的方向和重点。
[1] 朱家恺, 黄洁夫, 陈积圣. 外科学辞典[M]. 北京:北京科学技术社, 2003:428.
[2] 沈国芳, 房 兵. 正颌外科学[M]. 浙江:浙江科学技术出版社, 2012:94.
[3] 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]. J Oral Maxillofac Surg, 2007,65(2):248-254.
[4] Maal TJ, van Loon B, Plooij JM, et al. Registration of 3-Dimensional Facial Photographs for Clinical Use[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2010,68(10):2391-2401.
[5] Ayoub AF, Xiao B, Khambay B, et al. Towards building a photo-realistic virtual human face for craniomaxillofacial diagnosis and treatment planning[J]. Int J Oral Maxillofac Surg, 2007,36(5):423-428.
[6] Grayson B, Cutting C, Bookstein FL, et al. The three-dimensional cephalogram: theory, technique, and clinical application[J]. Am J Orthod Dentofac Orthop, 1988,94(4):327-37.
[7] Gateno J, Xia JJ, Teichgraeber JF, et al. Clinical feasibility of computer-aided surgical simulation (CASS) in the treatment of complex cranio-maxillofacial deformities[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2007,65(4):728-734.
[8] Hsu SS, Gateno J, Bell RB, et al. Accuracy of a computer-aided surgical simulation protocol for orthognathic surgery: a prospective multicenter study[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2013,71(1):128-142.
[9] Xia JJ, Gateno J, Teichgraeber JF. New clinical protocol to evaluate craniomaxillofacial deformity and plan surgical correction[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2009,67(10):2093-2106.
[10] 陈春艳, 张 力, 鲍海宏, 等. 数字化导板和三维模型在儿童髁状突骨折重建中的应用[J]. 中国医科大学学报, 2016,45(2):171-173.
[11] Uribe F, Janakiraman N, Nanda R. Three-dimensional cone-beam computed tomography-based virtual treatment planning and fabrication of a surgical splint for asymmetric patients: surgery first approach[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2013,144(5):748-758.
[12] Xia JJ, Shevchenko L, Gateno J, et al. Outcome study of computer-aided surgical simulation in the treatment of patients with craniomaxillofacial deformities[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2011,69(7):2014-2024.
[13] Hsu SS, Gateno J, Bell RB, et al. Accuracy of a computer-aided surgical simulation protocol for orthognathic surgery: a prospective multicenter study[J]. J Oral Maxillofac Surg, 2013,71(1):128-142.
[14] 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]. J Oral Maxillofac Surg, 2007,65(2):248-254.
[15] Sun Y, Luebbers HT, Agbaje JO, et al. The accuracy of image-guided navigation for maxillary positioning in bimaxillary surgery[J]. J Craniofac Surg, 2014,25(3):1095-1099.
[16] De Riu G, Meloni SM, Baj A, et al. Computer-assisted orthognathic surgery for correction of facial asymmetry: results of a randomised controlled clinical trial[J]. Br J Oral Maxillofac Surg, 2014,52(3):251-257.
Digital orthognathic surgery in the treatment of skeletal class Ⅲ type patients
SHANGHong-tao,SHIYu-Lin,BAIShi-zhu,ZHAOJin-long,LIUYan-pu.
(StateKeyLaboratoryofMilitaryStomatology&NationalClinicalResearchCenterforOralDiseases&ShanXiClinicalResearchCenterforOralDiseases&DepartmentofOralandMaxillofacialSurgery,SchoolofStomatology,TheFourthMilitaryMedicalUniversity,Xi′an710032,China)
LIUYan-pu,Email:liuyanpu@fmmu.edu.cn
Objective To propose a method for computer-aided design of orthognathic surgery and surgical osteotomy and localization of 3D printing plate, to evaluate its clinical application value. Methods This study selected 34 cases in our department for orthognathic surgery. Preoperative virtual prosthetic design was performed using ProPlan CMF2.0 software. 3-matic software was used to design and complete the virtual osteotomy and positioning guide. The designed osteotomy and positioning guide plate was printed by 3D technology. These are used in the actual operation to guide the precise implementation of the surgical program. Accuracy assessment was performed by comparing preoperative planning with postoperative CT. Postoperative patient bite function is good, satisfactory shape, preoperative planning and postoperative CT bone overlap. Results All 34 patients completed the surgery under the guidance of the osteotomy plate and positioning plate. The patients achieved good occlusal function and satisfactory appearance after the operation. Preoperative and postoperative CT comparison results supported our conclusion. Groupttestshowsnosignificantdifference,indicatingthatresultswereinaclinicallyacceptablerange. Conclusion The digital surgical procedure can achieve good accuracy, which is a good embodiment of virtual reality technology. It can improve the accuracy of the surgery.
Orthognathic surgery； Digital technology; Surgical templates； Precision medicine
710032 陕西 西安，军事口腔医学国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 陕西省口腔疾病临床医学研究中心 第四军医大学口腔医院 颌面外科(商洪涛,史雨林,赵晋龙,刘彦普)；军事口腔医学国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 陕西省口腔医学重点实验室 第四军医大学口腔医院 修复科(白石柱) 第一作者：商洪涛(1972-)，男，广西南宁人，副主任医师，硕士学位. 通信作者：刘彦普，710032，第四军医大学口腔医院 颌面外科，电子信箱：liuyanpu@fmmu.edu.cn
10.3969/j.issn.1673-7040.2016.12.003
R
A
1673-7040(2016)12-0713-04
2016-10-19)
