计算机辅助技术在颅颌面部整形中应用的研究进展

白文博 陈华

[关键词]计算机辅助技术;颅颌面部;整形手术;3D打印

[中图分类号]R622    [文献标志码]A    [文献标志码]1008-6455（2021）11-0182-04

Research Progress in Application of Computer Aided Technology in Cranial and Maxillofacial Plastic Surgery

BAI Wen-bo1， CHEN Hua2

（1. Inner Mongolia Medical University， Hohhot 010050， Inner Mongolia，China;2.Department of Plastic Surgery and Aesthetic Burns， Affiliated Hospital of Inner Mongolia Medical University，Inner Mongolia， Hohhot 010050， China）

Abstract： With the continuous development of science and technology， doctors continue to innovate and explore the treatment scheme of craniofacial plastic surgery with the combination of computer-assisted surgery （computer-aided surgery，CAS） and traditional medical technology. A variety of digital auxiliary technologies are also widely used in the treatment of cranio-maxillofacial deformities. The author summarizes several commonly used computer-assisted surgical techniques， and introduces the new research results of these techniques in craniofacial surgery in recent years. Such as EasyImplant software system; An integrated tactile VR system named "OSSys"，using computer-aided technology to design and manufacture pre-bending titanium plate cutting drilling guide to correct bony III class malocclusion; combined with 3D printing and tissue engineering technology to make a new type of nasal cartilage implant in rhinoplasty. It not only improves the treatment level and concept of doctors， but also brings good news to patients.

Key words： computer-aided surgery; craniomaxillofacial; plastic surgery; 3D printing

現代颅颌面外科的创立应归功于法国外科医生Paul Tessier，20世纪60年代，通过与神经外科医生及眼科医生的密切合作，Paul在1964年首次经颅内路径，成功治疗了1例先天性眶距增宽症[1-2]。由于颅颌面感官分布密集，具有美学地位，解剖结构复杂，产生的畸形也复杂多样。因此，颅颌面外科手术难度高、危险性大，既要做到保证安全、恢复功能，又要高度注重形态的完美，所以通过手术完全恢复颅颌面组织结构功能，极具挑战性[3-4]。计算机辅助手术在本世纪初应用于头颈外科，改变了头颈部重建和下颌重建的概念。它可以提前规划和执行模拟手术，从而减少传统手术过程中的反复雕琢，提高手术精度，并缩短手术时间。CAS技术包括计算机辅助设计（Computer-aided design，CAD）、计算机辅助制造（Computer-aided manufacturing，CAM）、虚拟现实（Virtual reality，VR）、手术仿真（Surgical simulation）和3D打印（3D printing）等[5]。本文就近年来计算机辅助技术在颅颌面外科中最新的研究进展做一介绍。

1  计算机辅助技术

1.1 CAD/CAM技术：CAD是使用计算机系统创建、修改、分析或优化设计的过程，CAM是使用计算机系统计划、管理或控制制造的过程[6]。随着CAD/CAM技术的发展，通过更精确的手术和更短的手术时间，修复颅颌面部缺损、改善外观和功能的病例越来越多[7]。外科医生可以使用软件精确地准备术前计划、进行虚拟切除、规划截骨并设计重建或创建植入物等[8]。设计颅颌面缺损重建的方法包括使用术前数据打印术前模型，虚拟手术后打印模板，使用虚拟手术后镜像打印重建数据模型，并使用镜像重建后直接获取的相关数据来制造PSI。有些学者认为，数字技术既耗时又耗资。但术前应用CAD/CAM技术耗费的时间和资金成本可被手术时间、术后并发症、平均住院日等成本的降低而抵消，且手术规划更精确，植入物安装更精准，美学结果更确切。同时CAD/CAM技术在修复大型和复杂的几何解剖缺损、自体骨移植等问题上有显著优势[9-10]。

1.2 手术仿真技术和虚拟现实技术：手术仿真是计算机结合虚拟现实技术，来模拟一系列临床外科手术操作的方法，用以演示和指导与手术相关的各个过程。手术仿真技术在时间上涵盖了围手术期的各个阶段，包括术前手术计划的制定、术中导航和术后虚拟康复训练等，并在手術教学及手术仿真训练中有着广泛应用[11]。

虚拟现实是一门创造虚拟环境的艺术和科学。它为疾病诊断、手术规划和外科训练提供一个标准化、安全且灵活的平台。其主要的两个特点是沉浸感和交互性。根据用户体验的临场感程度，大致分为沉浸式和非沉浸式虚拟现实。一个成功的VR系统是建立在以下基本功能之上的：真实和虚拟数据源、跟踪、配准技术、可视化处理、感知位置和反馈机制[12-13]。通过手术仿真与VR的结合，可以为外科医生精确地再现诊疗计划，提供交互操作以便在实时的3D虚拟可视化环境中模拟不同的手术过程，为矫正颅面部畸形制定明确和客观的治疗方案，并提供可预测的、安全的治疗结果。准确地将虚拟手术计划转化为实际手术，简化定位程序，减少手术时间，获得满意的面部美容效果，改善患者护理效果，降低费用[14]。

近年来，随着虚拟现实与增强现实（Augmented reality，AR）技术的不断发展与完善，混合现实（Mixed reality，MR）的概念应运而生。该技术通过在现实场景中呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。将虚拟环境与真实环境进行匹配合成，降低了三维建模的工作量，并借助真实场景及实物提高用户的体验感和可信度。混合现实技术能在术中通过三维重建模型实施立体可视化，提供术区解剖结构信息，引导和修正手术操作，提高颌面部手术的准确性和安全性[15-17]。

1.3 3D打印技术：3D打印技术又称快速成型技术（Rapid Prototype，RP），它的引入与CAD/CAM紧密相关。在各医学领域中，颅颌面外科是率先使用3D打印技术的专业之一。其原理是将临床影像学检查获得的源文件导入CAD/CAM平台，转化为三维数据，通过各类3D成型机器逐层叠加堆积制作成三维模型，继而转化成实物模型。按技术类型分为光固化快速成型（SLA），选择性激光烧结（SLS），3D打印，熔融沉积建模（FDM），直接金属激光烧结（DMLS），层压制品制造（LOM）和电子束熔化（EBM）。使用的材料有10余种包括热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末、低共熔金属、合金金属、光敏树脂材料、纸、箔及钛合金等[18-19]。3D打印技术不仅可以制定个性化手术方案、降低手术成本、缩短手术时间、减少操作副损伤及术后并发症[20]，对于解剖要求更精细的年轻患者甚至是儿童患者来说，更是提高了手术精度，侵入性更小、瘢痕更小，极大地改善了外观与功能的重建，从而满足患者的审美需求[21]。

2  计算机辅助技术在颅颌面部整形中的应用

2.1 应用于颅面部整形手术：颅面部损伤主要原因有自然灾害、交通事故和疾病。目前，临床手术的金标准是自体骨移植和同种异体骨移植[22]。大量的动物实验表明，多孔结构的植入物具有良好的生物相容性和力学性能[23]。不同的单位、孔隙率和孔径大小对成骨效果有不同影响。Wang等[24]开发了一种新型的颅面部多孔种植体设计软件EasyImplant，该系统可以轻松高效地设计和定制多孔结构的颅颌面植入物。首先，通过3D重建软件录入患者的CT数据进行3D头骨模型的重建。基于3D头骨模型，可以根据缺损部位明确植入物的位置。然后，通过颅骨解剖的对称点获得镜面，从而获得健康侧骨骼的镜面结果。通过镜像模型的切割面中心拟合、表面拟合、多孔结构形成及添加连接板获得最终的植入物模型。EasyImplant具有效率高，集成和用户友好性等优点，用户只需要导入从CT数据重建的原始3D模型，就可以在10min内通过上述步骤获得最终的多孔植入物。虽然该软件处于起步阶段，某些功能有待进一步开发，但与一些商业软件相比，其在镜像和重新定位、获得多孔模型、添加连接板等方面操作时长明显缩短，实用性和可操作性显著提高。

2.2 应用于颌面部整形手术：正颌手术是一种旨在矫正颌骨错位和牙面畸形的颌面部手术方式。手术需要精确的术前计划，用以生成手术室所需的手术信息，达到预期的手术结果。Jorge Zaragoza-Siqueiros等[25]提出一种用于正颌手术规划的集成触觉VR系统，名为OSSys系统。该系统包括四个模块：①面部分析模块;②头影测量分析模块;③模型手术舱;④手术模板模块。该系统结合了CAD和触觉，进行更完备的规划过程，并能够自动生成术前计划。该系统还能根据患者测量后的数字数据自动提供临床预诊断。基于实际患者案例的功能评价，进行实例分析，结果表明系统提供的虚拟规划方法具有较好的指导性，远远优于传统的规划方法，在增加直观性、减少误差和规划时间等方面比传统方法更可行、更有效。

以骨性Ⅲ类错牙合畸形的矫正为例，颌面外科治疗该畸形的目的是减少下颌骨过度发育或促进上颌骨发育不足，或两者兼而有之。为了达到美观和咬合效果，准确的截骨和重新定位是评价正颌外科手术成功的关键因素[26]。传统上，中间夹板和最终夹板是用传统方法手工制作而成的，手术复杂、耗时，并且精确度可能会有所不同[27]。Li Kehan等[28]以46例骨性Ⅲ类错牙合畸形患者为研究对象，来评估使用CAD/CAM技术设计制造预弯钛板切割钻孔导向器来矫正骨性Ⅲ类错牙合的效果。46例患者按随机数字表法随机分为两组。一组采用计算机辅助设计制造预弯钛板切割钻孔导向器（实验组），另一组采用计算机辅助设计制造夹板（对照组），患者平均年龄24岁。所有病例均由同一组外科医生进行正颌外科手术。首先在虚拟手术和手术规划上，实验组术前使用螺旋CT扫描仪对颅面部进行三维扫描。在成像过程中，患者被要求放松并保持温和的咬合姿势。所有图像均以标准的医学数字成像和通信格式保存。应用Mimics及Geomix Studio软件对每个病例的虚拟颅颌面部骨骼模型进行重建。使用FreeForm程序对患者口腔颌面畸形进行综合三维评价后，将结果应用于虚拟手术仿真技术进行进一步设计。在进行Le Fort I截骨术和双侧矢状劈开截骨术后，将虚拟上下颌骨重新定位到所需位置，并用虚拟钢板模型固定。然后去除虚拟模型，使螺纹孔的位置保留在骨段表面。然后将上颌节段和下颌节段移回原来的位置。根据螺纹孔和截骨线的位置确定切割和钻孔方向。下一步制作中间夹板和最终夹板，用来连接切割、钻孔导轨及夹板连接臂。通过偏移弯曲虚拟板模型的表面来生成空洞块。所有部件均采用3D打印技术制造。手术前，商业钛板被手动预弯方便与空洞块完美衔接。对照组的工作流程与实验组基本相同。

手术方面，所有患者均接受鼻气管插管全麻。实验组在计算机辅助设计制造切割钻孔导向器的指导下，将行Le Fort I截骨术和双侧矢状劈开截骨术后的上下颌节段复位到预定位置。放置预弯的商用钛板，并将螺钉固定在相应的孔中。对照组先用支撑于下颚的中间夹板确定新的上颌位置，然后用最后的夹板确定下颌位置。在手术过程中，弯曲钛板以适应骨段的表面。如果存在垂直运动，则根据术前模拟中确定的骨的干扰情况进行部分骨切除。两组使用的四孔钛板均在截骨骨块两侧各有2枚螺钉，且不能绕螺纹轴旋转。术后通过1年的随访，结果显示实验组在随访期间没有复发或出现颞下颌关节不适的迹象，术后即刻出现的任何暂时性感觉异常在3～7个月内完全消失。而在对照组中，个别患者出现早期复发、咬合障碍、关节异响或疼痛及神经感觉异常等情况。术后两组患者面部侧貌均有改善，实验组的复位效果更好。该技术可以改善导向和重新定位，从而获得更准确的结果，虽然在费用上有额外的支出，但在治疗效果上有提高，并有助于减少并发症，缩短正畸治疗时间。

2.3 应用于鼻整形术：鼻整形术是最常用的整形手术之一，用于矫正和重建鼻部的形态和功能，以达到治疗和美容的目的。鼻部植入材料大致可分为自体组织、同种异体组织和假体植入物三类[29]。3D打印在当前临床应用中的功能主要是遵循精确医学的原理来构建针对患者的植入物。目前，软骨植入的骨来源主要来自患者的耳廓或肋骨软骨，也可以选择商业植入物。适当植入物的产生不仅受到软骨质量的限制，而且还会对患者造成继发性创伤。3D打印现在已成为个体化精确设计和构造植入物的首选方法。组织工程软骨有望解决上述问题，3D生物打印将成为研究组织工程软骨植入物的主导力量。3D生物打印基于3D打印原理，在体外构建活性组织或器官。具有生物相容性并可以包含其他生物成分（例如：细胞或生物活性因子）的生物墨水的开发对于促进3D打印的应用至关重要，鼻软骨区域的3D打印可以分为：①基于组织工程，可以使用3D生物打印制造用于再生生物软骨的支架，然后将其应用或植入到缺陷区域;②3D打印可直接用于构建生物相容性支架或植入物，以用作软骨本身或制造出不需要生物软骨的假体。用于组织工程的3D打印材料可以概括为四种类型：聚合物、陶瓷、复合材料和细胞聚集体[30]。

Hee-Gyeong Yi等[31]介绍了一种结合3D打印和组织工程技术的鼻整形新技术。通过一套基于计算机辅助设计的系列程序，通过3D打印进行制作生成定制化鼻腔植入物。通过将含有人脂肪干细胞的软骨水凝胶注入含有八面体内部结构的植入物中，得到一种工程化鼻软骨植入物。

这项研究为鼻整形手术的诊疗过程提供了一种新模式：在术前咨询中，根据患者的需求使用面部编辑软件设计所需的鼻子形状;鼻植入物模型生成算法和CAD可以创建所需鼻形的鼻植入物模型;制作3D打印的鼻植入物而无需担心外科医生的手术熟练程度;外科医生将混合从脂肪抽吸物中提取的人脂肪源性干细胞和水凝胶，并将载有细胞的水凝胶简单地注入3D打印的鼻植入物中，准备工程化的鼻软骨;经工程改造的鼻软骨将被植入患者体内，并最终被转化成自体软骨组织，并保持其最初确定的鼻子形状。这种新工艺可以缩短准备植入物所需的额外操作时间，对于患者和外科医生而言，都是一个舒适而便捷的过程。研究者选择了小鼠背部的皮下区域来植入工程化鼻软骨，来模拟发生在皮下某个位置的物理应力。且研究结果证实，工程鼻软骨在其周围有物理压力（包括皮肤张力和自然弯曲产生的屈曲）的体内条件下仍能很好地保留。在植入12周后，回收工程鼻软骨，未观察到植入物周围物理环境造成的损伤。此外，植入物被血管覆盖并充满了新组织。由于干细胞分化为软骨后可能形成玻璃软骨组织，再被骨组织所置换，可能存在进一步骨化可能，需要远期随访。

应用该技术实现了定制鼻植入物的3D打印和软骨组织再生，改善了目前自体鼻移植物和人工鼻植入物在鼻整形手术中的局限性。具有八面体结构的鼻植入物的定制设计，是通过计算机辅助制造过程产生的，该过程确定了手术前和手术后鼻形之间的几何差异。这种将软骨来源的水凝胶应用到定制的鼻腔植入物中的技术带来了独特的优势，可以根据患者的具体设计促进软骨再生，实现结构和生物学上的优势。3D打印植入物主要贡献了工程化鼻软骨的结构准确性，软骨源水凝胶为软骨分化和新软骨的形成提供了良好的生化环境。

3  小结和展望

随着科学技术的不断发展，各种数字化技术已在颅颌面外科手术中得到普遍应用。医生结合计算机辅助技术与传统医疗技术，不断创新和探索出新的治疗方案。不仅使疾病诊断更加准确，手术预案更加明确，手术精度与安全性明显提高，术后并发症明显减少。还能针对不同患者个性化定制手术方案，减轻术后护理方面的负担，极大地改善了外观并促进功能的重建，从而获得满意的面部美容效果，满足了患者功能与审美的双重需求。

MR技术作为一种新兴的三维可视化技术，其主要特征体现在现实与虚拟世界结合、实时交互性和精确匹配性上，建立三维模型与空间位置的空间配准相当重要，但目前还未开发出有效的定位跟踪系统，由于软组织受到体位、呼吸等影响，会引发组织移位、组织变形及体积改变等问题，造成配准误差[17]。3D打印技术在颅面外科中的应用最为活跃。缺乏先进的3D打印技术和材料是其发展的主要挑战。不同的医疗问题对3D打印技术往往有不同的要求。一个3D打印系统往往很难满足不同医疗问题的要求。因此，应设计更有针对性、更自动化的用于颅面重建的計算机软件[32]。目前，CAS软件种类繁多，缺乏一站式系统，从二维数据的收集到三维模型的建立和制作，从虚拟手术过程的设计到真实手术的实施，医生需要将数据在不同的软件中辗转迁移，增加了术前准备时间和成本。术前向患者介绍手术计划及虚拟建模效果后，可能导致患者对术后预期过高，一旦术前模拟效果与术后相比外观形态上有差异，可能会增加患者的心理负担和治疗成本。造成差异的原因可能源自于术前测量误差及术中操作导致的差异;骨组织切割移位对软组织的影响产生的差异[33];参差不齐的计算机辅助软件使用熟练度问题导致的差异等。上述情况还需要在后续的计算机辅助技术领域进一步探索，完善和改进现有的技术，使其为颅颌面畸形的治疗提供更好的治疗技术。

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[收稿日期]2020-09-15

本文引用格式：白文博，陈华.计算机辅助技术在颅颌面部整形中应用的研究进展[J].中国美容医学，2021，30（11）：182-186.