基于可视化治疗目标预测正畸软组织变化的研究进展

吴雁格，张紫涵，巩靖蕾，黄艳梅，王 军

在正畸临床中，矫治目标的建立对于正畸治疗能否顺利完成至关重要。1971年Holdaway首次提出visual treatment objective(VTO)的概念，国内一般译为“可视化治疗目标”，包括颌面部的生长发育的预测、正颌手术的影响，以及正畸治疗的影响等三个方面，是X线头影测量的一个重要补充部分。

可视化治疗目标(VTO)是在治疗开始之前即对患者的颌面部软硬组织的变化进行预测，以期建立一个治疗完成时的视觉效果图，在治疗过程中贯彻以目标为导向的理念，从而提高治疗过程的可预测性和科学性。此外，治疗目标的可视化将大大提高患者的认知，有利用于诊断分析过程、方案设计过程、治疗实施过程中的医患交流，最大程度地发挥患者的主观能动性，促进患者依从性的提高。

另一方面，改善颜面美观已经成为患者寻求正畸治疗的首要因素。而单纯从审美的角度来看，相对于牙齿移动量、骨组织改建量而言，软组织的形态变化是患者更为关注的因素，但软组织的形态变化却恰恰又是最不确定、最难以预测的。本文将从可视化治疗目标出发，从理想目标、实现原理、准确性几个方面对正畸后软组织预测的研究进展作一综述。

1 软组织头影测量理想目标

临床上，常选择鼻、唇、颏部软组织侧面轮廓上的标志点构成不同的参考线及角作为基础指标，以评价面下1/3侧貌，特别是唇侧貌的位置。

Ricketts[1]提出用通过鼻尖点及颏部最凸点的切线评价上下唇的突度，称为E线或审美平面。Lines等[2]的研究显示美国美貌人群的突度存在性别差异，男性上下唇到E线的距离分别为6.8 mm和3.9 mm，而女性为5.8 mm和2.4 mm。Chong等[3]的研究利用数字化图像处理模拟不同的唇突度，得出中国人群对后缩的侧貌评价更高，唇位于E线后1.0标准差的侧貌最美观，而欧美人群认为E线后0.5标准差最美观。Shi等[4]采用类似的研究设计，得出男性唇偏离E线-4 mm，女性偏离-2 mm的侧貌最具吸引力。侧貌理想的成年人的双唇均位于E线后方，但存在明显的种族差异[5]。

鼻唇角为鼻下缘与上唇前缘间交角，一般以鼻底点Sn分别向鼻轮廓线下缘及上唇外轮廓前缘所引切线间的夹角来定义。国外学者早期的研究结果显示，Owen[6]认为鼻唇角正常值为105°，Arnett等[7]认为该角在85°～105°范围内时侧貌较为理想。Wen等[8]的系统评价显示亚洲人群鼻唇角男性的平均值为94.7°，女性94.2°；且非洲人的鼻唇角较小，而欧美人群的鼻唇角更钝。鼻唇角反映的是上唇相对于鼻底部的相对关系，临床上常以上唇前突的程度来决定正畸设计和审美评价。

此外，Holdaway[9]建立了评价面部软组织的Holdaway头影测量分析法，软组织颏前点与上唇间切线称为H线，H线与软组织面平面的交角为H角，理想范围约7°～14°。Burstone[10]提出的软组织头影测量分析法用眉间点、鼻下点、软组织颏前点形成的角定义面突角，平均范围为11.3°±4.0°。Steiner[11]提出S线的概念，即通过颏部软组织最突点与鼻S形中点的连线，S线切过上下唇最突点时侧貌较理想。而Merrifield[12]倡导用Z角来评估软组织侧貌，即由软组织颏前点至最前突唇最前点间切线与眶耳平面所构成的内下交角，成人Z角为80°±5°时能获得最佳的美学效果。

总而言之，不同的研究者早已提出了诸多软组织头影测量分析法，虽然不同的研究表现出相对一致的趋势，但在具体数值上，不同研究的差异较大。此外，很多研究的样本量较小，研究数据并不是十分可信。需要强调的一点是，软组织侧貌评价更多的讲究一个颌面部整体的协调美观，不同的种族、不同的患者个体，都有不同的审美标准，性别、年龄等也都对软组织侧貌有影响。在进行VTO分析时不可能也并不应该完全拘泥于上述头影测量分析法的具体数值，现有的关于正常人群或美貌人群的研究只是为理想的软组织形态提供一定的参考。

2 利用可视化治疗目标预测软组织变化的实现原理

为了形象地模拟和预测正畸治疗结果，计算机辅助的面相预测系统在临床交流、治疗计划和决策过程中得到越来越广泛地运用，如Dolphin Imaging、Dentofacial Planner Plus、Orthoplan、Quick Ceph Image，以及Vistadent等[13]。以Dolphin Imaging系统为例，它能通过生动、简单、直观的三维动画来模拟整个治疗过程，已被广泛用于患者相片管理、头影测量分析以及可视化治疗目标分析[14]。从原理上看，Dolphin软件软组织变化的VTO预测是基于一个固定的软硬组织移动的比例来模拟治疗后的变化。然而，根据已有的文献显示，这个比例的有效性并不确定[9,15-17]。Holdaway认为上唇和上切牙移动的比例为1∶1，Ricketts认为这一比例是2∶3[15]，而Sodagar等[18]认为这一比例达1∶2。

Lo等[19]利用相关分析和回归分析来分析软硬组织的变化量之间的规律，并得出上唇和颏区的回归模型的预测能力较高，达0.786～0.857，可以由骨组织的变化预测这些区域的皮肤轮廓。同样，一项系统评价[20]也显示Pog、B点、切牙切点的矢状向移动均与软组织的变化密切相关，这一比例为0.915～1.051。总而言之，利用软硬组织之间移动的比例来模拟治疗后的变化有一定的研究基础，但是不同研究显示这一比例的差异较大。这可能是由于软组织的变化不仅仅由硬组织变化决定，软组织厚度和紧张度、牙颌面畸形、年龄、性别、种族，以及测量技术等因素都可能有影响[21-22]，而Dolphin VTO预测系统的并没有把这些因素纳入软件的算法。

在正颌手术方面，计算机3D设计已得到越来越广泛的应用[23-26]。目前已有多种商业化的程序可用于3D设计和软组织预测，它们之间的主要区别在于它们所使用的物理模型。其中一些软件基于稀疏模型，这些模型需要标志点并依赖于点之间的插值，而另一些则使用密集体积模型，包括有限元模型、质量张量模型以及质量弹簧模型[27]。现有的对正畸和正颌后软组织预测的研究多采用有限元模型。

3 利用可视化治疗目标预测软组织变化的准确性

关于预测软组织变化的准确性的研究设计已较为成熟，常规设计为回顾性研究，经过严格的病例筛选，纳入符合要求的病例，以治疗前的影像学资料为基础完成预测分析，并与实际治疗结果进行比较，完成统计学分析，同时计算预测误差。软组织变化的预测结果与实际治疗结果不可能完全一致，一部分项目在统计学上不存在偏差，但另一部分项目则显示存在统计学差异，但总体上误差在临床允许范围内，软组织预测的准确性在大多数情况下能够被医患双方认可。

Zhang等[28]利用Dolphin VTO来预测正畸后软组织的变化，相对而言，在垂直方向上的预测较水平方向上的更准确，对软组织A点的预测最准确，而预测软组织颏区的准确度最低。van Twisk等[29]利用Dolphin Imaging系统预测正颌手术后的软组织变化，认为下唇区域的垂直向预测还有待提高。同样，Peterman等[30]的研究也指出Dolphin Imaging在绝大多数标志点的预测定位上的误差在2 mm以内，而对下唇的预测最不准确。Stefanovic等[31]利用Nemotec Dental Studio的研究也认为对下唇和颏沟位置的预测不够准确。另外，正畸治疗导致的切牙内收也会一定程度上引起软组织的厚度的变化[32]，这也加大了治疗前VTO精准预测的不确定性。

然而，Knoops等[33]指出像Dolphin等软件使用的这种基于标志点的软硬组织移动的比例的算法对基于X线头颅侧位片的预测效果较好，但在三维方向上的预测准确度有限。而ProPlan CMF和概率有限元法能为连续性变化提供更佳的三维预测。硬组织方面，结合CT数据和数字模型可以对正畸牙移动进行三维有限元模拟，预测值与实际临床结果的误差在0.1 mm之内[34]。软组织方面，Chen等[35]的研究表明，通过数学模型转换可以获得包含不同软组织层的患者特异性面部三维有限元模型，可用于预测正畸治疗后面部软组织的变化。Van Hemelen等[36]的研究显示，预测硬组织变化时二维技术可以与三维技术媲美，而软组织预测方面，三维技术要优于二维技术。

此外，不同程序的软组织的智能化三维预测使用了不同的物理模型，不同模型之间的准确度也有所不同。Mollemans等[27]使用了四种不同的计算机算法(线性有限元模型、非线性有限元模型、质量弹簧模型和新型质量张量模型)来预测术后的面部形态，并通过预测形态和术后实际形态的对比的定量研究，得出新型质量张量模型和线性有限元模型的准确度最高，平均中位距离偏差仅0.60 mm甚至平均90%保持在1.50 mm以下。Chabanas等[37]的研究也建立了面部软组织三维有限元模型，面部结构被定义为网格中具有不同的力学性能的嵌入结构，通过弹性配准，利用CT扫描分割的皮肤和颅骨表面，自动匹配患者形态，由外科医生定性地验证了模型对患者形态术后模拟的适用性。Zhang等[38]的研究提出eFace-template方法，用于半自动预测患者面部软组织，并指出这种基于标志点的变形和密集曲面拟合的混合方法能准确地保存内部解剖对应关系，且准确度高于网格匹配和基于标志点转换的方法。

总体上看，涉及软组织预测的研究主要集中在正颌手术，而单纯正畸治疗的软组织VTO预测的研究相对较少。这可能是手术对软硬组织的改变更大，医患双方都更加重视，而正畸存在明显的治疗限度，软组织变化受到的关注相对较少的缘故。但是，临床上仅仅通过正畸治疗掩饰骨性畸形，大幅改善面型的病例也不少见，正畸后软组织的变化也应该受到重视。

4 结 语

改善颜面美观已经成为许多患者寻求正畸治疗的主要因素，尤其是面下1/3的软组织形态正受到越来越多的关注。可视化治疗目标的实施可使患者更直观地看到治疗结果，有利于提高患者的认知和依从性，改善医患交流；另一方面，医生也可以目标为导向指导治疗方案的实施，提高治疗过程的科学性。不同学者已提出许多软组织的理想治疗目标，不同的计算机软件也有不同的软组织预测原理。软组织预测在大多数情况下能够被医患双方认可，但总体上准确性不如硬组织，具体的准确度仍有提升的空间。预测正畸后软组织变化的相关研究相对正颌手术的较少，期待更个性化、更准确的可视化治疗目标能在正畸领域有更广泛的应用，从而提高患者的认知和依从性，改善医患交流，优化治疗过程。