数字化外科技术在上颌骨缺损重建中的应用

2017-9-6 09:09  来源:北京大学学报(医学版)
作者:章文博 于尧 王洋 刘筱菁 毛驰 郭传瑸 俞光岩 彭歆 阅读量:1401

    上颌骨是面中份结构的基石,毗邻口腔、鼻腔、上颌窦及眼眶,参与上颌-眶-颧骨复合体等重要的面中份结构的组成。由于肿瘤、外伤或先天性畸形造成的上颌骨缺损,不仅严重影响患者外形,而且直接导致患者的语音、咀嚼、吞咽等生理功能障碍,严重影响患者的生活质量。由于上颌骨及面中份解剖结构的复杂性,使得上颌骨缺损的修复与重建一直是临床医生面临的难题。

    1999年以来,本课题组在国内率先开展应用游离组织瓣功能性重建上颌骨缺损的系统研究,提出游离腓骨瓣功能性重建上颌骨缺损的临床应用方法、适应证及围手术期处理原则。同时,通过三维有限元分析探讨腓骨瓣重建上颌骨缺损的生物力学基础,对患者术后的语音功能、咀嚼功能、生存质量及供区并发症等进行了系统的分析评价,客观反映了该方法良好的临床治疗效果,提高了上颌骨缺损修复重建的临床治疗水平。然而,这样的上颌骨重建手术依然是一种“传统的外科诊疗模式”,是以解剖和影像为基础,依靠临床医生的专业知识和综合思维制定治疗计划,凭借外科医生的经验和手术技巧实施手术治疗。

    这种“经验依赖”的治疗模式缺乏直观的三维演化与诊断,术前缺乏个性化的方案设计,术中缺乏精确的引导与定位,术后缺少定量的评价与判断。这种治疗模式的过程与结果通常存在一定的不确定性,手术精确度不足,术后往往难以获得最佳的治疗效果,很难针对每一位患者制定并达到个性化的治疗目标。数字化外科技术是在传统外科、计算机成像、图形处理、精密制造等技术的基础上,综合了各个学科的优势逐渐兴起的一门边缘学科技术,始于20世纪80年代,90年代开始应用于临床。该技术中包含了三维图像重建、计算机辅助设计、计算机辅助制造以及近年来发展起来的计算机导航和机器人手术技术。

    数字化技术在口腔颌面外科领域的应用始于20世纪90年代,目前已有商业化的计算机辅助设计软件,如iPlan、ProPlan、Simplant、Mimics等。计算机导航起步于20世纪90年代,它能够与图像引导达到更好的契合,并且具有高度稳定、高度精确的优势。

    21世纪以来,数字化外科技术已经逐步广泛应用于口腔颌面部创伤整复、正颌外科、修复重建外科等多个领域,其主要优势在于:(1)使复杂的结构三维可视化,对肿瘤范围进行精确诊断,直观掌握其解剖毗邻关系;(2)术前进行模拟手术,制定个性化的治疗方案,及时发现设计缺陷进行改进,有利于缩短手术时间,降低术后并发症;(3)术中实现精确定位,保证实现术前设计,提高手术精度;(4)术中精确识别与定位重要解剖结构位置,提高手术安全性;(5)术后提高定量评价方法,利于直观、客观地发现问题,以便改进。随着数字化外科技术的发展,上颌骨肿瘤的精确诊断以及上颌骨缺损的精确重建成为可能。本课题组在过去几年中对数字化外科技术在上颌骨肿瘤的诊治及缺损重建中的应用进行了系统的探索与研究,现将主要结果与内容进行综述。

    1.上颌骨肿瘤精确诊断与上颌骨缺损重建相关的数字化外科技术

    1.1三维重建与三维标记技术

    上颌骨肿瘤常常位置深在,周围毗邻重要的解剖结构,其早期临床症状通常不明显,尤其是恶性肿瘤与复发性肿瘤,临床检查难以准确判断其位置、大小与边界情况,因此,影像学检查对于上颌骨及面中份肿瘤诊断是非常必要的。传统的CT及MRI检查可从轴位、冠状位及矢状位等不同的二维角度判断肿瘤的范围及其附近解剖的比邻关系,但其三维关系还需要术者的想象,手术中需要依靠术者的判断和经验来确定截骨范围,难以达到精确诊断和治疗的目的。

    目前,虽然一些CT和MRI设备软件可以对颌面部骨性结构进行三维重建,但不能对肿瘤进行三维重建。利用数字化三维定位技术,可以在计算机软件中精确构建面中份的三维结构,并使得肿瘤及其邻近的重要结构三维可视化成为现实,直观的三维影像有助于医生进行手术设计并实施精确的面中份肿瘤切除术。iPlan CMF和Pro Plan是目前颅颌面最常用的数字化设计软件,它们均可以输入各种影像学检查的扫描数据(CT、MRI、锥束CT等),并生成三维模型。根据表面阴影重建法的原理,不同组织的灰度值不同,可以利用软件中的“描绘(brush)”功能,对肿瘤范围在二维层面上进行逐层标记(tumor mapping),从而获得肿瘤及其毗邻结构的三维重建图像。

    在软件中,可以对不同结构设定不同的颜色和透明度,并可以对三维图像进行任意角度的旋转和移动,从而可以直观地准确判断肿瘤的三维位置以及与周围结构的位置关系。在这种三维可视化的模型中,临床医生可以清晰地看到肿瘤与眶底、颧弓等面中份重要骨性解剖结构的位置关系以及骨质破坏情况,也可明确肿瘤与颈内、颈外动脉、颈内静脉、眶下神经(眶下孔)等重要血管神经的毗邻关系。与传统的二维影像相比,三维可视化模型不仅可以帮助临床医生更精确地确定切除肿瘤所需的安全边界,提示手术中所需要注意的重要血管、神经位置,也可以在术前清晰直观地帮助医生与患者进行沟通交流。

    1.2虚拟设计技术

    传统的治疗模式中,基于二维影像资料的手术方法,尤其是对于上颌骨和面中份肿瘤的切除手术,通常较大程度地依赖术者的临床经验来确定切除范围,而面中份解剖结构复杂,肿瘤位置深在,尤其对于恶性肿瘤,没有明确的包膜与边界,术中难以充分暴露,因此很难达到准确的安全边界。利用三维标记技术获得肿瘤的三维图像后,我们可以利用Pro-Plan等软件中的“模拟(simulation)”功能,进行虚拟手术设计(virtual plan)。根据肿瘤的三维位置及与周围组织的三维位置关系,结合肿瘤的性质与病理学行为,确定所需的安全边界,在软件中根据安全边界测量出最佳的截骨位置,通过“截骨(ostrotomy)”模拟模块进行虚拟截骨。

    根据不同的肿瘤性质、范围等,模拟相应的上颌骨次全切除术、上颌骨全切除术或上颌骨扩大切除术。在传统的腓骨瓣重建上颌骨缺损治疗模式中,腓骨瓣的三维位置通常依靠术者经验决定,而这种“经验依赖”的定位方法通常缺乏足够的精确性和稳定性,导致术后腓骨的三维位置不理想,难以完成活动义齿或种植义齿的修复。利用数字化技术,我们同样可以在术前实现腓骨的虚拟定位设计。将患者供区腓骨数据导入数字化软件中,利用软件中的“重建(reconstruction)”模块,即可以完成虚拟的腓骨瓣重建上颌牙槽突缺损。根据牙槽突缺损的形态,设计腓骨段的长度与位置,使其在三维方向(颌间距离、水平向位置与后端长度)上满足术后义齿修复的需要。

    1.3 3D打印技术

    3D打印又名增材制造,是20世纪80年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术,是信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术紧密结合的产物。其原理是以数字模型为基础,分层扫描,逐层堆积成形,通过对层片材料的点、线、面、体的堆积,快速制作出三维实物的一种非传统加工技术。3D打印技术能快速精确制备和个性化定制适合不同患者要求的生物医用材料,并能对材料的微观结构进行精确控制。近年来,3D打印技术在人体组织支架、植入体、修复体等仿生材料的制备和临床医疗领域等方面的应用已经展现出广阔前景。口腔颌面部,尤其是上颌骨及面中份解剖结构复杂,为获得最佳的外形与功能修复效果,通常需要大量个性化设计的手术材料,3D打印技术为上颌骨及面中份的个性化重建提供了可能。上颌骨肿瘤切除术后,除上颌牙槽突缺损外,常遗留上颌窦前壁缺损;当肿瘤范围累及眶底时,常导致眶底与眶壁缺损;当肿物范围较大时,常导致上颌-眶-颧复合体的大型缺损。

    该解剖区域形态复杂,具有重要的功能与外形意义,是上颌骨及面中份重建的重点与难点,在手术中很难对该解剖区域进行精确的重建。利用数字化外科技术,术前在计算机软件中进行镜像设计,用健侧外形恢复患侧缺损区域外形,从而获得理想的“重建模型”。将重建完成后的模型数据(STL数据)进行3D打印,生成三维头颅模型,弯制个性化钛网,重建上颌-眶-颧复合体缺损。在手术过程中,要使得腓骨的三维形态与术前设计达到一致,也需要3D打印技术的辅助。基于术前设计的腓骨数据,利用3D打印技术打印出腓骨截骨导板与塑形导板,可提高术中腓骨塑形的精度,缩短手术时间,提高手术效率。

    1.4手术导航技术

    手术导航技术是数字化外科技术在上颌骨及面中份手术中应用的关键,是连接虚拟设计与现实操作的桥梁与媒介。手术导航技术充分利用了CT、MRI等提供的图像信息以及计算机在数字图像处理及高精度测量计算方面的优势,直观显示人类肉眼无法直接看到的人体结构和手术器械,并结合立体定位技术,使复杂精确的手术成为可能。手术导航技术最早用于神经外科领域,本世纪以来,在颅颌面手术中得到越来越广泛的应用。

    手术导航技术在上颌骨及面中份缺损的修复重建手术中主要应用于三个方面:(1)精确定位截骨线位置,完成肿瘤切除:根据术前三维标记的肿瘤位置与虚拟设计的截骨范围,采用导航技术在术中分别精确定位每一个截骨平面的位置,进行上颌骨截骨,使得肿瘤切除范围与术前设计完全一致。(2)定位三维钛网位置,精确重建眶底缺损:利用术前预弯制的个性化钛网修复肿瘤切除术后遗留的眶底缺损,采用导航技术定位钛网所处的平面,使之与正常的眶底平面吻合,同时定位钛网的深度,避免其损伤视神经。(3)定位腓骨位置,精确重建牙槽突缺损:通过3D打印的导板与模板对制备好的腓骨按照术前设计方案进行精确塑形,并在导航引导下精确定位于术前设计的位置,进行坚固内固定,使得腓骨的实际位置与术前设计完全吻合,精确重建牙槽突缺损。

    1.5三维测量与评价技术

    传统的上颌骨重建治疗模式中,对于术后的修复效果,通常只能根据患者术后外形与影像学表现进行粗略的主观评价,对于修复的精度缺乏客观的评价标准与指标。数字化技术不仅可以提供术前虚拟设计平台与术中导航的辅助,也可以对术后的效果进行客观的三维测量与评价。获取术后的CT数据后,导入计算机软件中,获得重建后的三维模型,以术前设计的理想三维模型为参考,将术后的实际效果模型与术前设计的理想模型进行三维匹配,通过色谱分析的方法,获得定量的误差分析结果。该方法为上颌骨缺损的重建效果提供了一种量化的评价标准,并可直观地帮助术者发现术中的问题,以便更好地提高与改进。

    2.数字化外科技术在上颌骨缺损重建中的应用研究

    2.1数字化外科技术辅助上颌骨恶性肿瘤精确诊断与治疗

    本课题组曾将17例上颌骨恶性肿瘤患者的术前CT扫描数据导入数字化软件中,对肿瘤进行三维标记,设计截骨范围,术中采用导航技术按照术前设计精确切除肿瘤,评估术中肿瘤实际位置、范围与术前标记的符合程度,术中以冰冻切片检测切缘,对所有患者进行术后随访,评估预后。研究结果显示:17例患者均根据术前三维评估与设计在术中通过导航系统辅助完成手术,术前三维标记肿瘤范围均与放射科影像学诊断报告一致,术中肿瘤范围均与术前标记范围相符;16例(94.1%)切缘阴性,13例(76.5%)术后随访未见复发,达到了较好的治疗效果。

    4例出现术后复发的病例,其共同特点为:(1)肿瘤范围大,侵犯软组织,累及多个解剖区域;(2)病理类型为高度恶性肿瘤;(3)复发时间距手术时间短,均在1年以内;(4)复发位置深,无法再次手术。以上结果表明,以肿瘤的三维位置为基础,术前进行手术设计,术中利用导航辅助手术,可以使上颌骨恶性肿瘤达到精确治疗的目的。对于上颌骨的恶性肿瘤,该方法较传统经验手术相比,虽然提高了治疗的准确性和可靠性,但对于晚期的高度恶性肿瘤,尤其是腺样囊性癌,术后仍需密切随访,警惕复发的可能,必要时应积极辅以术后放化疗。总体而言,该方法在临床上具有良好的可行性,提高了上颌骨恶性肿瘤的治疗效果。

    2.2数字化外科技术辅助游离腓骨瓣精确重建上颌骨缺损

    本课题组曾以27例因上颌骨肿瘤行上颌骨切除术,同期行游离腓骨瓣修复上颌骨缺损的患者为研究对象,将其分为数字化设计组(9例)和传统手术组(18例),数字化设计组采用数字化外科技术辅助手术,术前获取CT数据,进行虚拟设计,术中采用导航技术辅助手术,比较两组患者术后腓骨的三维位置,包括颌间距离、水平向位置及腓骨后缘长度。研究结果显示:数字化设计组术前、术后颌间距离改变(2.8±1.2)mm,传统手术组颌间距离改变(6.1±3.1)mm(P=0.013),数字化设计组腓骨水平向漂移率25%,传统手术组为73.6%(P=0.019),数字化设计组中仅12.5%的患者出现腓骨后缘过长,影响张口运动,而传统手术组中52.6%的患者出现腓骨后缘长度控制不佳,影响开口运动(P=0.041)。

    由此可见,数字化设计组在控制腓骨三维位置方面明显优于传统手术组。同时,本研究采用色谱分析法,比较数字化设计组中患者术后实际修复效果与术前设计理想效果的误差,结果显示,数字化设计组术后腓骨实际位置与术前设计理想位置平均偏差小于5mm。以上结果表明,以术前虚拟设计与术中手术导航为代表的数字化外科技术,可以显著提高游离腓骨瓣修复上颌骨缺损的精度,该方法具有良好的可行性和实用性,可显著提高游离腓骨瓣功能性重建上颌骨缺损的临床治疗效果。

    2.3数字化外科技术辅助个性化钛网精确修复眼眶缺损

    本课题组曾对10例面中份肿瘤累及眶底的患者进行眶底重建,术前获取患者CT,在数字化软件中进行术前虚拟设计,采用镜像技术恢复患侧眶底及面中份形态,3D打印头颅模型,预弯制个性化钛网,术中采用导航技术辅助上颌骨肿瘤切除及钛网定位修复眶底和面中份缺损,根据术后CT数据,在数字化软件中测量双侧眼球突度、眼眶容积、钛网植入深度,并进行术后随访,评价复视、眼球运动障碍、钛网外露、感染等并发症,评价外形的主观满意度。研究结果显示:患侧平均眼球突度(15.9±1.8)mm,健侧为(16.2±2.2)mm(P=0.505);患侧平均眶容积(26.0±1.3)mL,健侧为(25.6±1.9)mL(P=0.312);钛网平均植入深度(25.1±2.1)mm;术后均未见复视、眼球运动障碍、钛网外露、感染等严重并发症,所有患者对外形均满意。

    以上结果表明,数字化外科技术结合三维个性化钛网,可以精确修复上颌骨切除导致的眼眶缺损,显著提高上颌骨肿瘤切除术后眶区缺损的临床治疗效果。

    总之,上颌骨肿瘤的诊治及缺损重建是临床治疗的难点,上颌骨肿瘤的精确治疗与上颌骨缺损的个性化重建已成为现代上颌骨肿瘤外科的新目标。数字化外科技术的发展与应用,为上颌骨肿瘤的精确治疗和上颌骨缺损的精确修复提供了坚实的基础,极大地提高了上颌骨肿瘤诊治及缺损修复的临床治疗效果,提高了上颌骨肿瘤患者的术后生存质量。数字化外科技术在上颌骨及面中份重建中的应用,也必将成为未来一段时间内的研究热点与方向,上颌骨缺损重建的水平有望提升至新的高度。

编辑: 陆美凤

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