虚拟技术在牙颌面畸形治疗中的应用

刘庆成　李洪亮　王敏娇　王旭东　沈国芳　张诗雷　于洪波

牙颌面畸形，是由于牙颌面结构中某些部分（如颌骨）的形态、大小和位置异常所致，临床表现为咬牙合紊乱和面部畸形。其治疗过程十分复杂，需要正颌正畸联合治疗。在传统正颌手术过程中，需要先通过模型外科获得手术牙合板，然后使用此牙合板重新定位颌骨位置。

虽然传统模型外科应用十分广泛，但仍有许多缺点，比如用时较长而精确度较低[1-2]。同时，牙颌面畸形一般在矢状向、垂直向和横向都有表现，因此手术中颌骨的移动需要进行模拟和预测，然而传统模型外科只能准确预测牙齿咬牙合，并不能直接反映出颌骨的移动。尤其对于面部不对称畸形患者而言，利用传统模型外科无法模拟预测颌骨的对称性[3-4]。

随着数字化技术的发展，虚拟技术为正颌手术提供了一个理想选择。利用此技术，可以通过数字化模型进行手术设计及手术模拟，通过不断尝试和修改，可获得最佳的个体化治疗方案，并在此基础上利用3D打印技术打印出牙合板及手术导板[5-6]。2014年来，我科开始探索虚拟手术设计和数字化模型外科。至今已有超过1 500例将虚拟模型外科应用于正颌手术的病例。现详细介绍虚拟模型外科的程序。

1　材料和方法

1.1　CT扫描和三维重建

选取我科确诊为牙颌面畸形的患者，术前所有患者进行薄层（0.625 mm）螺旋CT扫描，将CT数据存为Dicom格式并导入Proplan软件（版本1.4，Materialise，比利时），然后设定合理的重建阈值，将CT数据重建为三维模型，最后根据关注区域定点,并利用布尔运算分割、重建患者上颌骨和下颌骨（图1）。

图1　上下颌骨分割Fig.1　Segmentation of the maxilla and mandible

1.2　颅颌面模型重建

以牙模扫描仪（Smartoptics，德国）分别扫描上、下颌牙列石膏模型和终末咬牙合牙列模型，以此获得牙列三维模型，将数据保存并导出为STL格式。采用图像融合技术建立颅颌面-牙列模型，分别选取激光扫描上下颌牙列模型和3DCT重建模型上5～10个显著牙齿解剖位点，以此为基准将两者拟合。使用激光扫描模型中的牙齿替代三维CT重建模型上的牙齿，以获得精确的数字化颅颌面-牙列模型，此模型可准确代表颌骨和牙齿咬牙合的解剖结构（图2）。

图2　颅颌面模型重建Fig.2　Reconstruction of craniomaxillofacial dentition model

1.3　虚拟手术设计和模拟

首先在颅颌面-牙列三维模型上，根据临床检查描出一系列解剖标志点，描点结束后，冠状面、矢状面、横断面、上下牙合平面、眶耳平面及各种测量数据自动生成。要注意在确定正中矢状面时，需根据临床检查上颌牙列中线的偏斜情况，调整眶下点和耳上点来调整眶耳（FH）平面，以获得准确正中矢状面。另外，在调整FH平面时，也需要注意牙合平面偏斜情况，尤其是在偏颌畸形的病例中。

在数字化颅颌面-牙列模型上进行模拟截骨手术，截骨手术包括上颌LeFortⅠ型截骨、双侧下颌支矢状劈开截骨术（BSSRO）、颏成型和面部轮廓修整，截骨时需注意避开牙根、颏神经。将终末咬牙合牙模数据以STL格式导入软件，并分别与截断的上下颌骨匹配，匹配方法同上，以此来确定终末咬牙合。根据患者的主诉、临床检查、二维头影测量和三维头影测量，确定上下颌骨复合体的移动趋势，以上下颌骨复合体的形式在3个维度上进行平移和旋转。平移包括左右移动以纠正面中线，上下移动调整垂直高度，前后移动调整矢状向位置；旋转包括decanting（绕Y轴旋转，侧滚角），纠正上颌合平面偏斜；tipping（绕X轴旋转，俯仰角），矫正上颌平面的倾斜角度；yaw（摆尾，绕Z轴旋转，偏转角），纠正上下颌骨的对称性。上述平移和旋转方法可根据病例情况作出调整（图3）。平移旋转结束后，根据颏部位置、面部对称性以及患者主诉进行评估，以确认是否同期进行颏成型和轮廓修整（图4）。颏成型截骨时应先描出下牙槽神经，避免截骨时损伤。若需进行轮廓修整，以正中矢状面作为参照平面。将理想侧的面部解剖结构和轮廓线镜像到对侧，以此来确定截骨线的位置和去骨量。通过不断尝试和修正，以获得最佳个体治疗方案。方案确定后，将中间咬牙合、终末咬牙合以及颏成型骨块、轮廓修整截断部分以STL文件导出，并据此打印牙合板和导板。

图3　虚拟手术设计Fig.3　Virtual surgical planning

图4　下颌体轮廓修整Fig.4　Mandibular body recontouring

1.4　牙合板、导板3D打印

将中间咬牙合、终末咬牙合、颏成型和轮廓修整骨结构的STL文件导入GenmagicSpark（Geomagic，美国）软件，并进行数据建模，以此来进行虚拟牙合板及导板设计，保存并导出为STL格式的牙合板及导板数据。牙合板及导板设计结束后，根据空间位置大小使用ClientManager软件（3D system，美国）进行合理布局排版，然后导入3D打印机（3D systems，美国）打印出牙合板及导板。

1.5　正颌手术

三维牙合板和导板术前消毒备用，术中需根据术前手术设计进行截骨手术，在牙合板及导板的指引下确定各类截骨线的位置以及术后颌骨位置，并仔细核对手术实际情况与手术方案的差异。

1.6　术后评估

通过临床检查和影像学检查，评价手术效果。患者术后3 d进行头颅CT检查，对患者术后结果与术前计划进行定量比较。需将术后CT重建出的三维模型与术前方案拟合，然后测量术后模型与术前虚拟方案的差异（图5）。

图5　手术精确度评估（黄色部分为术前手术方案，白色部分为术后CT）Fig.5　Evaluation of surgical accuracy(the yellow represents virtual surgical planning,the white represents post-operative CT)

2　结果

将三维CT重建模型和激光扫描牙列模型结合，通过图像拟合，利用牙列模型上的牙齿替代三维CT重建模型上的牙列部分，以建立精准的颅颌面-牙列模型。该模型包括颌面部骨骼以及牙列，能够最大程度地反应患者真实状况。在此数字化模型上进行手术设计、模拟以及术后预测，简单直观，更有利于医患双方的沟通。

为达到面部对称的目的，利用正中矢状面作为参照平面。将理想侧的面部解剖结构和轮廓线镜像到对侧，以此来确定患者术后面部对称性。尤其对于偏颌畸形的患者，若单纯平移和旋转无法达到面部对称，可在平移和旋转后进行颏成型和轮廓修整。通过不断尝试和修正，以获得最佳治疗方案。方案确定后3D打印牙合板及导板。

正颌手术以及颌骨轮廓修整手术在牙合板及导板的指导下进行，能够最大程度地保障术前设计在术中的精确实现。将术后CT重建模型与术前设计图像拟合，可以进行手术精确度的评价。

3　讨论

对于先天性或发育性牙颌面畸形患者而言，正颌手术是一种恢复患者面形和良好咬牙合关系的有效手段。在此过程中，模型外科不可或缺。通过模型外科，不但可以进行手术设计和手术模拟，同时还可以获得手术导板来指导手术。然而，传统模型外科有其内在缺陷，对整个颅颌面骨的旋转和平移等移动控制不足，导致了手术模拟不够精确[7-9]。随着数字化技术的发展，基于三维医学图像和建模技术的虚拟技术，为颌面部畸形患者提供了一个新的手术方案设计和模拟方法[10]。

在正颌正畸联合治疗过程中，颌面部软组织、骨组织和牙列三者可视为一个联合体，在正畸治疗和正颌手术中扮演着极为重要的角色[11]。现在，基于三维CT数据的三维模型重建技术应用越来越广泛[11]，对于咬牙合重建而言，三维CT重建模型精确度低，且正畸钢丝和托槽对成像存在干扰，无法准确体现牙齿结构和咬牙合状态，不能达到牙合板及导板打印的精确度要求。为了克服这些问题，在三维重建中引入了一种图像拟合技术，即将三维CT重建颅骨模型与牙列石膏模型激光扫描获得的虚拟牙列模型拟合[12]，以获得颅颌面-牙列虚拟模型。基于此模型，我们可以进行三维头影测量、虚拟手术设计、手术模拟和术后效果预测。同时，还可以3D打印牙合板及手术导板。

在手术设计过程中，准确的三维头影测量是至关重要的，这就要求解剖标志点准确定位。为保证患者面部对称性，正中矢状面的确定尤为重要。需根据临床检查，调整双侧眶下点与双侧耳上点，使上下牙列中线位置和正中矢状面位置关系与临床检查一致。同时，需确保上颌合平面偏斜程度与临床检查一致。对于偏颌畸形的患者，利用正中矢状面作为参照平面评估患者术后对称性，需根据不对称的程度以及患者要求决定是否进行同期颏成型和轮廓修整。

虚拟手术设计有以下优点：第一，利用数字化技术进行虚拟手术模拟，可直接观察到截骨线位置和骨结构移动情况[13-15]。第二，通过虚拟手术可以获得更多重要信息，有效预测患者术后面部对称性，并可确定是否需同期进行颏成型和轮廓修整手术。第三，手术模拟十分逼真、直观，有利于术前医患交流。第四，数字化模型外科较传统模型外科用时少且易于调节，可进行多次手术模拟以选出最佳手术方案。

但是，目前的虚拟手术设计仍存在许多缺点和不足，比如手术设计时无法及时发现牙齿之间的早接触，使得手术中导板安置困难或导板不稳定。因此，今后需要在颅颌面-牙列虚拟模型中加入触觉反馈。此外，三维CT模型与激光扫描牙齿模型图像拟合过程中，会出现误差而影响手术精确度。在复杂病例中，由于实际操作空间有限等原因，不能完全按照虚拟手术方案进行，从而影响手术精确度。

综上所述，虚拟手术设计作为一种新兴的、具有广泛应用前景的技术，标志着现代医学的重要发展方向。由于其优势显著，并且克服了传统模型外科的不足，表现出广泛的应用潜力。

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