基于数字医学的下颌骨重建系统：模块化手术方案和标准化评估

周知航 赵昊明 陈旭卓 张善勇 郑吉驷 杨驰

下颌骨缺损，尤其是由肿瘤造成的骨质缺损，经 常导致严重的面部畸形和咀嚼功能障碍，严重影响患者生活质量。目前，应用于下颌骨局部切除后重建的方法主要有肋软骨瓣、胸骨锁骨瓣、肩胛骨瓣[1]以及血管化腓骨肌皮瓣[2]等。过去的手术只能借助个人经验来决定截骨方法和皮瓣的选择，下牙槽神经管也无法得到保存。这样的重建方案通常无法获得满意的功能以及美观效果[3-4]。近年来，得益于医学影像学的发展，计算机辅助手术模拟技术、数字化导板、局部对比分析等技术的应用，颌面部手术，包括正颌手术[5]、牙体种植[6-7]、根尖囊肿切除术[8]以及下颌骨重建[9-10]等都逐步走向了精确化和个性化。借助这些技术，可以准确地在3D视角中确定骨缺损的范围，提前制定手术方案，并确定下牙槽神经的走行。我们对下颌骨缺损应用不同皮瓣修复的病例 （腓骨瓣4例、血管化髂骨瓣2例、游离髂骨瓣3例）进行研究，总结出下颌骨缺损修复重建的标准化手术流程，报道如下。

1 材料和方法

1.1 患者资料

本组共9例患者纳入研究（男5例，女4例），平均25.6岁（19～46岁）。其中，成釉细胞瘤2例，骨髓炎2例，骨化纤维瘤5例。所有患者均以自体骨皮瓣重建下颌骨，并保留了下牙槽神经血管束（IANB）。患者术前均行颌面部薄层增强CT，术后7 d时再行薄层CT（0.5～1.25 mm每层）扫描。对术前术后的下颌骨CT进行三维重建和比较。

为了确保所有的病例都能保留IANB，我们制订以下筛选标准：①下颌骨病变需行下颌骨局部切除；②截骨同期可使用自体骨皮瓣修复缺损；③病变破坏至下颌骨体和部分下颌升支，髁突可被保留；④术前诊断和术中快速冰冻病理均提示病变对神经无侵犯，扩大切除病变后无需进行颈部淋巴结清扫。有肿瘤切除和下颌重建手术史患者被排除。

1.2 数字化手术方案

1.2.1 计算机辅助手术设计（CASS）技术流程

①获取颅颌面部以及供区CT数据；②将CT数据导入Mimics 17.0软件 （Mimics Innovation Suite v17.0，Materialise，Belgium），生成三维模型，在良性肿瘤中标记出下牙槽神经管的走行；③标记肿瘤范围和模拟手术切除范围，获得缺损模型；④拟合供体与缺损模型，获得下颌骨重建模型。

该流程可划分为三个模块：图像、缺损和供区骨修整（图1）。通过Mimics软件进行三维重建简化了分割流程，其主要作用一是确定肿瘤的切除范围，指导截骨导板的设计和制作；二是生成缺损模型，确定皮瓣的大小、范围以及供区定位导板的制作。

1.2.2 手术导板（ST）准备

①截骨导板的设计；②固位导板的设计；③下牙槽神经血管束保护导板；④髂骨、腓骨、肋骨等供区截骨和骨修整导板；④将导板通过STL导入3-matic软件（research registration process v11.0，Materialise，Belgium）；⑤3D打印头模，预弯钛板，确定钛钉打孔位置；⑥扫描带孔模型，将模型以STL格式重新导入Mimics软件中；⑦在软件及实体模型中同步检查截骨导板和定位导板与原始头模是否贴合；⑧检查供区截骨及骨修整导板；⑨核对预弯钛板与钉孔位置的拟合程度，并在软件中确定钛钉的长度；⑩导板及头模消毒灭菌。

髂骨瓣、腓骨瓣、肋骨瓣是几种常见的游离骨瓣。尤其是髂骨瓣，由于髂前上棘在形态学上与下颌骨外形极其相似，因此被广泛应用于下颌骨体部及升支的重建中。软件模拟缺损模型为髂骨瓣的截取提供了可靠的预测，使其不再仅依靠经验，而是以准确的数值呈现出髂骨的截取和髂骨瓣的修整，极大地提高了髂骨瓣与骨缺损部位的吻合准确度。最终，将3D模型和导板的数据导入3D打印机中，并制作个性化的预成型截骨导板以及预成型钛板（图2）。

将预制的导板置于3D打印的头模上进行核验，同时也在软件中进行比对，达到双向验证的效果，以确保导板打孔位置与钛板钛钉固定位置一致。同时，在软件中测量出打孔位置下颌骨的厚度，也可指导选择合适长度的钛钉。

1.2.3 手术实施

①将前截骨导板和下牙槽神经血管束保护导板放置就位；②将后截骨导板放置就位；③扩大切除肿瘤，暴露下牙槽神经血管束；④就位截骨导板并截取骨瓣；⑤修整骨瓣以贴合缺损部位；⑥对带蒂骨瓣进行血管吻合；⑦骨瓣转移至受区进行坚强内固定。

本组患者在整个手术过程中严格遵守术前CASS设计所制定的相关标准和步骤。下颌骨的部分切除根据数字化导板来确定截骨范围。沿截骨导板上缘切开并指示下牙槽神经管的轨迹，术前于Mimics软件中确定下颌神经管到颊侧骨皮质的距离，随后分离并保护下牙槽神经血管束。测量被截取的肿瘤大小、体积，应与CASS方案术前预估的数值基本相近。随后暴露供区，依据导板截取供区骨瓣，就位骨修整导板，修整边缘。

依据截骨导板进行肿瘤扩大切除和下颌骨精确截骨。根据标记好的钉孔位置，预成型钛板与截骨导板就位孔相一致，随后将预成型钛板固定在剩余下颌骨体（图3）。骨瓣供区应选择下颌骨体缺损区域的对侧。在下颌骨截除的同时获取髂骨肌皮瓣。皮瓣依据模型和截骨导板进行截取和外形修正，随后被转移至受区，组织蒂被同时转移以提升血供。皮瓣的就位是通过设计软件的导航系统来确定的。

根据预设的CASS计划，髂骨瓣可被分成两部分：近中的骨皮质部分应该靠近咬牙合平面，为术后的二期种植做准备；远中部分应该用来匹配下颌骨角和下颌升支的高度（图4）。

1.3 标准化术后评估

1.3.1 局部对比分析（PCA）

我们将相关数据输入3-matic软件，该软件可显示区域误差值的平均误差和标准差，可以通过直观的条形图找到主要误差分布的位置，评估下颌角点（GOL和GOR）至正中矢状面的距离，以数据的形式呈现面部的对称性（图5）。

图1 模块化手术方案Fig.1 Modularized protocol

图3 预成型钛板固定Fig.3 The fixation of the titanium prefabricated plate

1.3.2 机械定量感觉神经测试

患者术后半年随访，使用Neurometer CPT感觉阈值检测仪来评估颏部皮肤和下唇黏膜的感觉功能，并且计算两侧之间的差异，以评估下牙槽神经的损伤情况（表1）。

1.4 统计学分析

使用 SPSS for Windows 22.0软件 （SPSS Inc.，Chicago，IL，USA），使用单因素方差分析参数变化，P<0.05表示差异有统计学意义。

图2 个性化的预成截骨导板Fig.2 Personalized precut osteotomy guide plate

图4 移植骨重建下颌骨并通过预成型导板进行内固定Fig.4 Bone grafts were harvested to reconstruct the resected mandible and fixed by the prefabricated plates

图5 评估下颌角点（GOL和GOR）至正中矢状面的距离，以数据的形式呈现面部对称性（术后GOL点误差1.74 mm）Fig.5 Assess the distance between the mandibular angle and sagittal plane to present the facial symmetry in the form of data（postoperative error of GOL was 1.74 mm）

表1 标准化评估结果Table 1 Results of standardization evaluation

2 结果

术后CT显示，9例患者下颌骨病变已完全清除，术后随访半年均无复发。术后标准化评估结果显示，局部对比分析得出平均误差为0.92 mm，标准差为0.96 mm。机械定量感觉测试结果显示双侧颏部及下唇神经的感觉无明显差异（P=0.12）。

3 讨论

1979年，游离髂骨肌骨瓣首次应用于下颌骨重建，但肌骨瓣截取和成型的困难以及术后感染率[11]成为这种皮瓣应用的主要难点。传统的髂骨瓣—下颌骨重建手术中，下颌骨切除、皮瓣的截取和成型以及重建完全是根据经验进行操作的。仅凭全景X线片和CT图像来评估缺损的长度和轮廓是一项具有挑战性的工作[12]。因此，在准备重建的过程中，需要切取一大块髂骨瓣，增加了骨瓣截取和成型的难度，也增加了手术的持续时间和对供区的损伤。这不仅使面部对称性难以实现，患者的正常咬牙合和髁突位置也难以精确恢复，给随后的修复和种植带来了更多的困难。

与“经验依赖”的手术方法相比，CASS-ST-PCA流程具有以下优点：①提供三维可视化图像用于诊断和解剖。②使术前虚拟手术成为一种模块化的手术方案，手术流程标准化，依据不同患者提出的个性化方案是建立在统一的标准化手术流程之上的，既满足了不同患者的不同需求，又保证了足够的准确性。③准确的导航提高了术中导板的使用效率，解决了截骨这一难题。④精确定位颏孔、下牙槽神经管等重要解剖结构，提高了手术安全性。⑤标准化流程同时提供配套的术后定量评价方法，明确地呈现出手术的准确性。

在CASS方案中，第一步是制定一个虚拟手术计划。整个手术过程在软件中模拟成三维图像。传统的重建方法，如CT、MRI等，只能提供二维图像中的肿瘤、血管和硬组织信息。由于口腔颌面部解剖结构复杂，通过想像和经验判断患者的三维解剖关系往往给手术造成极大的困难。实际上，CASS技术不仅可以提供清晰直观的三维组织图像，还可以对其进行分块调整。这种“重新定位”可以提供目标病灶周围的所有角度和重要的解剖结构，以确保相互间准确的邻接关系。在CASS方案中，下颌骨肿瘤的位置和范围，包括对硬组织的侵袭和损伤，都可以被准确地定位和重建。直观的三维模型能够帮助完成虚拟手术计划，保证在安全范围内精确地切除肿瘤。应用手术导板的精确定位和引导，大大提高了供区骨瓣与受区的契合度，省去了大量的骨修整步骤，手术时间明显缩短，提高了手术质量，明显减少了术后并发症。同时，我们可以在良性肿瘤不侵袭神经的前提下保存IANB，患者术后生存质量得以提高。此外，CASS方案中的三维模型直观易懂，这也方便了医患之间的沟通，提高了沟通的有效性。

目前普遍认为，颌间结扎是确保咬牙合关系和髁突位置的必要步骤[11]。本研究分两个阶段以探讨其必要性。在前一阶段4例患者的治疗过程中，我们发现术后颌间牵引或许是不必要的，因此在第二阶段的5例患者手术过程中未进行颌间结扎。9例患者均行PCA评估，以判断下颌骨和关节的偏斜度及位置。术后评估数据显示，两组患者之间的患侧、健侧偏差没有明显变化。因此，我们认为应用计算机辅助手术设计和手术导板技术引导手术后，可能无需口内植入微型螺钉进行颌间固定。

先前的研究中已将下颌骨的术前、术后CT数据导入软件，以此匹配术前术后截骨线[13-15]。传统术后评估工作较为复杂，越来越趋向于在图像匹配过程中提出新的评价方案作为评价标准。目前，在术前设计和术后评估方面存在着统一性的不足。我们将相关数据导入3-matic软件进行局部对比分析，统计分析表明，平均误差和标准差均小于1 mm。新方案的优点之一是集成了多个可靠的元素，包括面部对称性、整个下颌骨的最大误差、最大局部误差、平均误差、下颌骨和局部区域的标准差等。PCA术后评估数据显示，下牙槽神经的保存和省略了术中颌间结扎，使得整个手术的质量有了较大提升。精度较高的手术能够缩短术后恢复时间，术后髁突错位明显减少，提高了患者术后的生活质量。所以，我们提出以PCA技术为基础的方案自证体系，进而使整个手术流程自成一体。

4 结论

CASS-ST-PCA是一种针对下颌骨重建的标准化手术流程，能够获得更准确的重建效果。使数字化重建外科变得容易理解与操作，同时标准更加严苛，结果更为精确。本方法有助于对数字化外科的理解和学习，便于医患间直接的交流，在外科手术数字化的趋势下，必然有着极为广阔的前景。