计算机辅助技术在颅颌面整形手术中的应用现状

郭雅倩 综述，陈 华 审校

计算机辅助技术在颅颌面整形手术中的应用现状

郭雅倩 综述，陈 华 审校

（内蒙古医科大学附属医院整形美容烧伤科 内蒙古 呼和浩特 010050）

计算机技术及软件技术近些年不断发展，在医学领域的应用十分广泛，计算机辅助技术在整形外科的应用也逐步成熟，涉及到颅面部各器官的整形手术与传统手术相比效果满意，不仅给患者带来了福音，也使整形外科医生的治疗理念及技术水平得到了很大改善，笔者就计算机辅助技术在整形手术中鼻、颧骨等颅面常见部位的应用现状做一综述，旨在为专业同行提供系统的文献学习心得。

计算机；仿真模拟；颅面部；整形手术

计算机辅助三维重建是应用计算机图形图像处理，结合人体解剖学和影像学的方法在计算机上构建出人体真实结构三维立体解剖的一种方法[1]。而虚拟手术则是在三维重建的基础上，模拟手术操作，引导手术进行的一种具有现代化元素的临床手术应用。虚拟手术是在接近真实解剖形态的立体模型上实施，从不同角度、不同手术路径上观察分析，尽量做到使手术切口最小化，术后效果最优化[2]。

由于颅面畸形复杂多样，解剖结构复杂，涉及颅颌面部的手术风险大、不易处理，一些经典手术难以获得相对满意的效果，所以可结合医生经验、畸形特点、手术风险及术后复发倾向选用灵活的人机交互进行手术的模拟、设计和研究以获得医患双方都满意的疗效[3]。

1 计算机辅助技术的原理及起源

1.1 计算机辅助技术的原理：计算机辅助设计技术(CAD)和计算机辅助制作技术(CAM)是计算机辅助技术的基本组成。其原理是对患者头颅或缺损部位进行二维扫描，将所得数据传输到该系统，通过一系列图像或数据处理，最终将二维平面图像转化为三维空间立体图像，三维数字化重建就此完成，然后根据三维图像制作出缺损部位，继之用三维精确测量法分析畸形性质及范围[4]。三维重建的目的就是从获取的各种数据中恢复头颅的三维结构，得出定量化诊断，作为整复手术依据[5-8]。

1.2 计算机辅助技术的起源：1979年Herman[9]首先提出CT三维重建这一概念并测量各解剖数据，为临床诊断、术前模拟提供了有效的解剖学知识；1983年Hermy[9]等人将CT三维重建技术用于颅和面部疾病的诊断；1984年Vannier和Marsh[10]创造性的将CT数据重构用于三维影像并进行测量和手术设计；2002年Runte应用激光扫描获得面部三维图像，后利用三维平板印刷制作眼距缺损的三维模型；Tsutsuimi[11]最早将激光三维技术用于头面部缺损患者的治疗。

2 计算机辅助技术在颅面部治疗中的应用

2.1 在下颌骨整形中的应用：南昌大学第一附属医院[12]对9例单侧下颌骨发育过度引起的双侧下颌骨不对称的女性患者进行下颌骨整形，所有患者均接受CT头颅扫描，数据以DICOM格式保存后输入计算机，应用西门子16排螺旋CT的Wizar图像处理工作站进行头颅三维重建，在重建出的模型上进行术前设计，规划，模拟手术路径进行切割并反复调整与修复，确定截骨线，最终根据术前虚拟手术操作和术前CT测量数据对9例患者行截骨术。术中所有患者均未出现下颌骨骨折，神经损伤的现象，术后也没有伤口血肿及裂开等并发症，且所有患者恢复快，双下颌骨对称，与术前虚拟手术结果差异甚小。Yu[13]等人经试验探索发现，应用计算机辅助导航系统纠正颌面外科畸形，不仅能提高手术准确性，减少操作风险，并且面部恢复匀称美观。

2.2 在颧骨降低术中的应用：北京协和医院邹翀博士[14]对21例颧骨不对称患者（其中13例为发育型单侧颧骨肥大，其他为半侧颅面肥大）采用了计算机辅助单侧颧骨截骨降低术。用飞利浦Brillancen纳米64排128层CT进行术前扫描，扫描定位线定于眶耳平面以固定扫描位置，扫描时瞩患者头部保持位置固定，避免图像模糊，以DICOM格式将CT断层影像数据保存并导入Mimics15.0软件中，采用默认骨组织CT阈值(226～3071)，进行颅骨结构的三维重建，同时测量各线距（额骨最小宽，面宽，前面宽，下颌角间宽，颧突距）角度指标，再用Mimics15.0软件下的cut功能进行模拟截骨手术，完成模拟截骨手术后检查各径线是否与健侧一致，双侧是否对称，微调截骨线以期达到满意的效果，再将带有截骨线的三维模型以STL格式输出，将STL导入Geomagie studio12.0中，根据颅和面三维结构与由各径线测量值所定的截骨线设计手术导板，输入激光快速成型机，得到三维立体手术导板，术前碘酒浸泡以备手术使用。所有手术均在全麻下进行，在骨膜下剥离完成后，将手术导板置入术区，按照手术导板设计标记L形颧骨截骨线，用长裂钻从眶外后缘眶颧结合部进行斜形截骨，用磨球将截骨线两侧骨性台阶打磨光滑，清洗创面，加压止血，全层间断缝合黏膜切口。术中未出现意外骨折和颅面神经血管损伤。术后2周对所有患者复查CT，并将数据输入Geomagie studio12.0软件中，与术前模拟相比较，结果显示，术后实际与术前设计模型配比和差值只有略微差异（小于2mm），所有患者对术后效果包括对称性、美观性及术后恢复状态表示满意。

2.3 在眶周畸形中的应用：上海交通大学附属第九人民医院整形外科[15]对106例复杂眶畸形患者（排除颅眶颧骨外伤患者）行眶周畸形矫正术，所有患者术前均接受颅面部CT扫描，将所得数据保存为DICOM3.0格式，再导入三维重建软件Mimics10.1软件获得数字三维模型，术前模拟手术过程，切割模型获得正常眶周部位，得到植入体形态后根据手术需要，切口限制加以必要的切割调整。以STL格式将设计好的植入体和骨骼数字模型保存，运用快速成型装置（Z-printer510）打印成三维实体模型[16]，根据植入体的形态和位置选择手术切口进行植入体放置及固定术，术后6个月，所有患者再次行CT扫面，所得数据及图像与术前影像设计及术前模拟基本一致。所有患者表示外观获得了明显改善。

2.4 在颅骨缺损修复中的应用：颅骨缺损多由开放性颅骨损伤、或因颅高压去瓣减压、颅面骨病变切除以及颅骨畸形等所致，这将严重影响患者的颅面美观，也对患者产生了不良的心理影像。应用CAD和CAM技术，采用个性化三维塑形钛网修补颅面部损伤，不仅缩短了手术时间，延续了骨组织的完整性，而且达到了很好的美容效果[17]。安徽医科大学附属医院整形外科[18]从2003年到2010年应用计算机辅助技术设计个性化塑形钛网进行颅面缺损修复，取得满意的临床效果；解放军第三医院[19]将109例颅骨缺损患者按照随即分组分为A、B两组。A组（60例患者，平均年龄34.8岁）采用传统手工塑形，B组（49例患者，平均年龄33.78岁）采用数字化三维成型技术，分别进行手术。两组患者在平均年龄、缺损大小，缺损时间上均具有可比性。手工塑形组术前依据颅骨缺损部位大小、形状及缺损对侧部位外观，结合术者经验，使用磨具压制出适当弧度，裁剪钛网。术中将钛网覆盖于缺损区，适当调整，使钛网与颅骨契合满意，最后用钛钉固定。数字化三维塑形组，术前所有患者均行CT扫描骨窗，并测量出缺损部位的大小及各径线，将测量值导入钛网数字化成型机，构建颅骨的三维模型，完成模拟装配，运用数字化成型技术制作钛网模型，同时进行精细部位的手工测量，人工调节。最后将计算机模拟出来的钛网进行工业加工，三维塑形。手术方式同手工塑形组。两组患者术后均用抗生素48h，7～8d拆线。分析比较两组不同，手工塑形组手术时间、手术并发症及塑形满意度分别为108min、22%、67%；而数字化三维塑形组为78min、4%、100%。因此得出数字化成型技术无论是在术前设计，术中操作，术后美观和尽量减少并发症方面均优于手工塑形组。

2.5 在鼻整形中的应用：第四军医大学Dong[20]等人，采用三维立体照相，收集了289例中国汉族年轻人（146名男性，143名女性）的面部图像数据，用Geomagic Studio 10软件对数据进行处理，使图像在一个统一的坐标系统。其中收集了17例患者的鼻部测量结果，然后分别计算男性和女性鼻部各径线的平均值，并结合快速成型技术制作三维模型，获得了鼻部参数，建立了代表中国男性和女性鼻部形态的三维立体模型数据库。制作出的鼻部模型，形态逼真，立体感强，分界清楚，结构清晰，这项针对鼻部的研究方法同样也适用于身体其他部位的测量。Chaid[21]等通过二维扫描，再计算机三维成像，然后快速成型技术制作出不同性别，多个尺寸的标准头颅模型，在模型上进行术前设计，规划手术模拟，假体制作，模拟操作过程，最终对十二例因外伤造成鼻骨缺损的患者进行鼻部整形手术，术后3个月对所有患者行CT扫面，比较术前模拟与术后实际鼻部各形态及数据无明显差异，且所有患者鼻部形态逼真，轮廓曲线光滑，患者满意度高。

2.6 在小耳畸形中的应用：内蒙古医科大学附属医院陈华主任收集本科室从2000年-2005年临床上先天性或后天性因素导致的小耳畸形患者86例(男女比例不等)，行HRCT扫描,层厚0.75mm，层隔0.5mm。将获取的 DICOM格式数据输入三维重建软件3D DOCOTOR,经图像分割后,利用表面重建算法重建出颞骨的三维结构，同时进行了19项指标的测量，然后在3D虚拟环境下,复制畸形耳的模型;进而研究小耳畸形虚拟整复手术的方法，最终所有患者均得到满意术后效果。在3D虚拟环境中,能清晰地观察到形态逼真、立体感强的耳三维立体图像,能较好的反映耳廓立体空间中众多复杂结构的外形,且重建的结构空间毗邻及定位准确,。同时软件可以把患者面部皮肤质地清楚的显示在重建的三维立体模型之中,该模型可以在计算机中旋转和放大, 并且可以进行精细地三维测量，其所建的面部软组织精度可限制在0.5mm以内,从而为小耳畸形的整形修复提供精确的术前设计和术后效果评价。得出结论：耳廓的形态个体差异较大，但自身比例接近，整形时应考虑自身比例。基于力反馈的技术，进行小耳畸形整形修复的手术模拟，使现实与计算机上的实时立体三维模型相结合，具有人机交互，可重复性，无损伤性，操作准确等特点。

3 总结

科技的发展、计算机的普及，使计算机辅助技术在临床诊断治疗中的应用将成为必然。将计算机三维重建及仿真技术用于颅面部缺损整形修复不仅缩短了手术时间，降低了操作的难度，提高了手术的精确度、安全性[22]，减少术中损伤，还可提高手术成功率，减少术后并发症，使塑形满意外观对称，达到颅面生理形态的美学要求[23]。计算机三维仿真技术在鼻部整形，眶周缺损整形、颧骨降低整形及下颌骨整形中均充分发挥了创伤小，愈合快，并发症少的优点，通过计算机辅助系统建立颅面三维模型，模拟真实手术，有助于手术方案的选择，手术前的规划，同时在术前也促进医患之间达成良好的共识，最终达到预期手术效果。

4 展望

计算机三维重建及仿真技术是一项先进性、综合性很强的技术，这项技术越来越被临床医生及患者所接受，不仅强化了年轻医生在临床操作中的规范意识，模拟手术真实过程，夯实操作基本功，培养医生开拓性思维，而且还为患者提供了个性化的设计方案，为器官再造提供了更加准确的指导，增加了患者的信任度，同时也为良好的医患关系创造了条件，这就说明计算机辅助技术在临床推广应用将成为一个必然趋势，但这项技术目前仍有较大的研究发展空间，主要有以下几个方面。

4.1 国内设备：计算机产业在中国的发展本不算先进，因此在计算机辅助设备上国内的PC系统远远落后于国外。为适应我国现有发展条件，有必要开发基于微机的颅面外科计算机辅助手术系统，这也将为未来在虚拟现实环境中培训外科医师以及远程会诊奠定基础。

4.2 术前仿真模拟与真实手术效果的差距：计算机辅助仿真技术很大程度上降低了手术风险及手术难度，使手术灵活，易于操作，但其也存在一些不可避免的问题，如术前模拟仿真手术达到的效果与手术完成后相比存在外观形态上的差异，这使得手术效果不尽如人意，增加了患者的心理及经济负担。

4.3 骨组织切割移位对软组织的影响：与骨组织相比，软组织的模拟较为复杂，除了要考虑骨组织的移动量和移动方向外，还需要考虑软组织厚度，软组织表面张力，软组织与骨的联接以及手术相邻区域等问题，这些因素都将使术前预测与术后实际效果相比出现不可预知的差异[24]。

4.4 国内缺乏颅颌面正常解剖结构的数据库：目前国内在实施计算机仿真手术前为了获取正常标准解剖部位模型，往往要先搜集几十甚至几百例结构正常、形态美观的志愿者的二维或三维图像，这大大增加了医务人员的工作量，而且也掺杂了术者的主观因素，因此，建立一个符合东方经典美学标准的头颅及面部数据库是确保整形效果质量的重要因素之一[25]。

4.5 计算机辅助技术规范化培训：对医务工作者进行计算机辅助技术知识的普及以及规范化培训是提升我国计算机医疗的必备条件。

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Application of Computer Aided Technology in Craniofacial Plastic Surgery

GUO Ya-qian, CHEN Hua
(Department of Plastic and Cosmetic Surgery,the First Hospital of Inner Mongolia Medical University,Hohhot 010050,Inner Mongolia,China)

In recent years Computer technology and software technology have developed and are used in the f i eld of medicine widely. The application of computer aided technology is also popularized in plastic surgery gradually, the plastic surgery of the various craniofacial organs involved in computer aided technology has obtained satisfactory effect compared with traditional surgery, which not only brought good news to patients, but also made plastic surgeons’s treatment concept and technical level a great improvement. The author makes a summary on the application of computer aided technology in plastic surgery of the nose, cheekbones and other common craniofacial parts, aiming at providing experience of a systematic literature learning for professional counterparts.

computer;simulation technique;craniofacial;plastic operation

R622

A

1008-6455（2017）05-0119-04

2017-01-21

2017-04-03

编辑/张惠娟

国家自然科学基金（项目编号：81560317），蒙古族成人颅颌面骨、软组织三维形态与容貌的关系；内蒙古自治区自然科学基金面上项目（项目编号：2015MS(LH)0814），颅颌面畸形个性化修复的三维动态建模和仿真研究

陈华，内蒙古医科大学附属医院整形美容烧伤科，科主任，主任医师，医学博士，硕士研究生导师；E-mail:wi116699@sina.com