正颌手术上颌骨精确定位技术的进展

2019-4-3 16:04  来源:口腔医学
作者:万竹青 沈国芳 阅读量:5911

    颌骨生长发育异常可引起颌骨体积、形态的异常以及上、下颌骨之间及其与颅面其他骨骼之间的位置关系失调,表现为颜面外形异常,咬合关系错乱与口颌系统功能障碍,称之为牙颌面畸形(dentomaxillofacial deformity)。其中上颌骨作为面中部1/3的骨性支撑,不仅决定了面中部的突度,还对患者的露齿、上牙中线的偏斜、牙合平面的偏斜等产生影响,对外貌美学评价十分重要。因此,正颌外科领域中术中上颌骨精确定位一向是研究的热点。

    数字化技术不断运用于正颌外科领域中,CAD/CAM(computer-aided design/computer-aided manufacturing)、3D打印、导航等技术迅猛发展,越来越多的文献报道了各类上颌骨精确定位的方法,本文就正颌手术中各种上颌骨精确定位的方法及研究进展进行综述。计算机辅助手术模拟技术(computer-aided surgical simulation,CASS)可运用计算机技术进行正颌手术设计,模拟手术操作,预测手术效果,增加手术精度,增强医患沟通效果,建立和谐医患关系。

    同时,快速原型技术(rapid prototyping)运用于各类导板的制作,可将虚拟手术设计准确的转移到实际手术中。其主要步骤包括患者颌骨三维数据的获取,激光扫描牙模和CT数据的替换,计算机模拟截骨和移动,数据输出和牙合板制作。3D打印CAD/CAM牙合板相较于传统牙合板,临床适用性更好,但其精确度仍有待提高。Xia等的研究发现,由于计算机无法准确模拟术中下颌骨旋转运动,CAD/CAM牙合板仍旧是依靠下颌骨来定位上颌骨的空间位置,因此下颌骨的不稳定性可直接导致上颌骨偏离计划中理想的空间位置,尤其是在垂直向位置上控制不佳时。

    上颌骨独立定位手术导板包括:牙骨联合支持式定位导板、骨面支持式定位导板等,可以不依靠下颌骨独立完成上颌骨的空间定位,从而避免因下颌骨位置不稳定而产生的误差,更适用于髁突位置不稳定(如存在髁突吸收)、偏颌畸形的患者。

    1.牙骨联合支持式定位导板技术

    Shehab等报道的导板分为三个部分:与上颌牙列相匹配的咬合板,两个与上颌窦前壁贴合的骨导板翼,后者借助连接杆可插入固定于咬合板上,同时借助上颌窦前壁骨形态及上牙列转移定位上颌骨的空间位置。Lee等设计了一种钥孔系统,由连接固定于上颌牙合板的钥孔和固定于梨状孔上缘骨面的钥匙两部分构成,二者通过十字螺纹嵌锁在一起,均由3D打印技术制作,指导截骨及上颌骨的固定。但这种钥孔系统指导上颌骨定位的精度在很大程度上受钥孔和钥匙吻合程度的影响,需完全去除骨性干扰,对于上颌骨后退或旋转的病例,术中导板就位难度增加。同时,牙骨联合支持式导板体积较大,设计复杂,提高了操作难度,同时仍不能避免CT拍摄过程中金属托槽及修复体伪影对牙模匹配及导板制作产生的影响。

    2.骨支持式定位导板技术

    骨支持式定位导板,不依靠牙齿及咬合确定颌骨位置,避免了CT拍摄过程中金属托槽及修复体伪影对CT质量的影响,避免了石膏模型与CT数据配准时的误差;同时骨支持式定位导板可改变传统正颌手术的操作顺序,下颌矢状劈开术可先于上颌骨的固定,避免了下颌操作中使用张口器、咬合块对已完成固定的上颌骨位置产生影响。对于骨性Ⅲ类需行上颌下降下颌后退的患者,可先实施下颌矢状劈开术将下颌截骨后多余的骨块用于上颌植骨,增加了上颌骨骨块固定后的稳定性。

    Bai等通过在术前重建颌面骨骼三维视图中设计截骨线,模拟手术移动,将上颌骨定位至理想位置,在此位置上确定固定钛板钉洞作为标记点,再将上颌骨复位到术前位置,根据标记点位置制作树脂导板,用于术中骨面上钉洞的制备,同时术前在头颅模型上按手术方案预先弯制成品钛板,钉洞制备完成后,再将预弯制的钛板作为定位导板,指导手术医师完成上颌骨定位。

    Bai等还设计应用CAD/CAM技术通过快速原型打印技术制作术前和术中树脂导板,铸造出带有钉洞的两幅钛合金金属导板。在手术开始时,应用术前导板在上颌骨表面制作钉洞,当截骨完成时,移动骨块至适当位置,应用术中导板,将导板上的钉洞与先前上颌骨表面的钉洞对应起来,用螺钉固定,在此基础上使用微型钛板对骨块进行固定。但骨支持式定位导板完全就位需去除骨块间的干扰和早接触,安置和取出复杂,增加了手术中组织剥离暴露的范围,在一定程度上使手术操作复杂化,手术时间增加;术中为固定定位导板需在骨面上制备额外的钉孔,增加了手术创伤;同时,定位导板固定于骨面上,对微型钛板的固定造成一定的干扰和影响。现阶段手术导板往往由非钢性材料制作,术中导板的形变也可能影响手术结果的准确性。

    3.个性化钛板

    Philippe等设计了个性化定制钛板,用于上颌骨术中骨块的定位和固定:其将传统正颌手术中固定于双侧梨状孔边缘和颧牙槽嵴的微型钛板连接成为一个整体,此钛板增加了与骨面的接触面积,提高了个性化钛板定位的准确性,但钛板的尺寸过大,骨面的暴露面积增大,术中操作难度增加。Gander等报道了一种由固定于上颌两侧颧牙槽嵴处及前部梨状孔处三部分构成的个性化钛板,用于上颌骨正中分块截骨术中上颌骨的定位与固定,为提高分块截骨术中上颌固定的稳定性提供可靠参考。

    Mazzoni等报道利用3D打印技术设计树脂截骨导板和个性化钛板,截骨导板用于指导截骨及去除骨性干扰,个性化钛板由分别固定于双侧上颌骨前壁的两部分构成,用于LefortⅠ型截骨术中上颌骨的定位和固定,精度更高,空间位置的再现性可达92%(误差<2mm)。但实际手术操作过程中,上颌骨前壁骨组织薄弱增加了钉洞制备难度,且不构成上颌骨承力的支柱区域。

    李彪等报道通过钛金属3D打印技术设计并制作上颌骨截骨导板及个性化钛板,完整指导上颌骨手术截骨、定位及固定。上颌骨截骨导板由左、右2个独立部分构成,根据颧牙槽嵴、上颌骨前壁形态和梨状孔形态等,设计贴合上颌骨表面形态的截骨导板,并最大限度地覆盖常规手术中需要暴露的骨面,保证了术中截骨导板就位的稳定性和唯一性。截骨导板的截骨槽与术前三维手术方案的截骨范围和截骨线一致,以此指导术中截骨及去骨,同时在截骨线上下设计钉道,用于术中截骨导板的固定,钉道的设计避让牙根位置,避免对牙根造成损伤。

    截骨导板钉道的位置与个性化钛板预设的钉道位置完全一致,以此作为骨性标志点,指导固定个性化钛板,同时自动引导骨块按照术前设计准确就位,使个性化钛板可同时发挥上颌骨定位导板和固定钛板的作用。该技术不再依赖CAD/CAM牙合板、颌间结扎及术中弯制钛板,简化手术步骤。同时,考虑对于上颌骨发育不足的患者,可能出现上颌骨前壁薄、钛板固定困难的情况,此个体化钛板上设计有额外的备用钉道,以便术中在个别钉孔失败和松动等情况下,仍可完成固定。初步研究结果显示,3D打印个性化钛板在正颌手术上颌骨定位中可以取得良好的手术精度,但仍存在很多不足。

    由于截骨和骨块定位等均分别由截骨导板和个性化钛板按照术前设计制作完成,依赖性较大,一旦发生形变或上颌骨任何部位的去骨不足均可能导致骨块无法就位,提高了对术者操作技术的要求。

    4.导航技术

    导航技术通常需术前获取患者导航下CT数据,设计三维手术方案,将CT数据的DICOM格式及方案数据导入导航设计软件中,三维重建图像中预设基准点或/和骨性、牙性标志点作为参考点。导航系统包含数字转换器,用来追踪患者及仪器的空间位置。使用过程中,需在患者颅骨上固定一个参考架以标记患者的空间位置,将CT图像与实际患者的空间位置依照参考点进行数字化匹配。术中根据三维手术方案设计的截骨线实施手术,同时在光学导航指导下完成和检测上颌骨的定位与固定。

    Zinser等报道了借助计算机辅助可视化显示(image-guided visualization display,IGVD)的Vector Vision(Brain Lab)导航系统指导骨性Ⅲ类错颌畸形患者的双颌手术。VGA(video graphics array)相机可将三维手术方案与实际术中上颌骨空间位置的图像进行叠加,帮助术者建立更为直观的三维感知。比较术前设计方案与患者术后6个月时CT资料,认为导航系统具有较高的准确度,上颌空间位置差值小于0.67mm,成角小于0.41°在指导上颌骨顺时针旋转及垂直向高度及水平向控制中更具优势。

    Berger等将电磁技术运用于导航系统中,设计了一种体积更小、精度更高、软件平台更易操作的电磁传感器,指导LefortⅠ型截骨术中上颌骨的定位。传感器借助钛钉固定于右侧颧骨骨面及腭部,通过电磁传感器记录追踪上颌骨位置的变化,取代了复杂的光学导航装置,在颅骨模型上模拟上颌骨截骨与再定位,术后上颌骨的空间位置与手术方案差值仅0.4mm,显示电磁导航技术在正颌手术中具有较高的精确度。但由于手术器械多为铁磁性器械,术中对电磁传感器的干扰难以消除,传感器的安放位置受限制,尚未应用于实际临床手术中。

    目前,导航技术仍有较多局限:研究认为,双颌手术中对CT图像的表面重建进行配准是不充分的,经鼻气管插管可能造成皮肤表面的扭曲变形及位移;同时,颌面部缺乏有效的可定义的骨性标志点,配准误差难以避免。除此之外,Marmulla等指出,面部皮肤形态在患者卧立之间存在差异,影响配准误差;此外,导航手术术中需要安装固定导航装置,手术时间延长;术中上颌骨截骨离断等操作用力过猛可导致导航支架的松脱,二次固定配准增加手术时长及配准误差;术者需适应导航辅助下手术操作,对术者的要求较高;导航仪器及设备需要额外的费用支出,增加了手术的成本。

    随着导航技术配准准确性的不断提高,手术导航可优化手术路径、提高定位精度,同时具有保护重要结构、减少并发症的优势,在正颌外科的发展中依旧具有很大的发挥空间。

    5.总结

    数字化技术正快速应用于正颌外科中且不断得到发展与普及,通过术前设计虚拟手术方案,可模拟截骨和颌骨移动。CAD/CAM牙合板、牙骨联合支持式定位导板、骨支持式定位导板、个性化钛板、导航技术等飞速发展,在正颌手术得以运用、不断改良,精确定位上颌骨的空间位置,提高了手术的精度,从而使医生与患者对手术效果更加满意。但现有数字化正颌外科依旧存在不足:尤其是CT扫描的灰度值不均一,对骨性解剖结构的三维可视化体绘图尚不够精准,影响手术导板的设计和术中实现;截骨导板设计复杂;个性化钛板及导航手术成本较高操作繁琐尚未普及,同时,还缺乏有效、规范化可操作的实施方法,还需要进一步的创新与探索。

编辑: 陆美凤

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