计算机导航技术在口腔颌面外科应用中的新发展

2017年11月22日 中华口腔医学研究杂志电子版

    计算机导航技术自问世以来,已逐渐应用于各个医学领域中。在口腔颌面外科疾病治疗中的应用也有近20年的历史。然而,由于颌面部解剖结构的复杂性,口腔颌面外科手术仍然是临床医生面临的难题。其具体表现为:(1)组成颌面部的诸骨骨块小、骨缝多、骨质薄弱;(2)颌面部区域的神经血管丰富,这些神经受损直接影响面部肌肉的支配,血管受损则可能导致供区缺血坏死;(3)颌面部处于暴露区域,在外伤中极易发生损伤从而导致这一区域的外伤发病率高;(4)颌面部区域又是个体的形象代表,术后美观问题是困扰医生多年的难题。利用计算机导航技术,可以最大化的减小手术风险并且提高手术的准确性。

    与传统手术方式相比,其具有许多优势。首先,它摆脱了二维图像呈现的现状,彻底实现了三维观察。其次,在复杂的颌面外科解剖区域,传统手术主要依靠医生经验进行,而利用导航技术,年轻医生也可以进行手术。尤其是图像引导技术的发展,该技术允许外科医生在手术操作期间,实时跟踪术前设计方案进行手术,大大减小了手术当中可能出现的意外。第三,利用计算机导航技术,可以实现手术过程中的实时跟踪,增大手术准确性,明显缩短手术时间,提高手术效率。另外,利用可视化操作软件,术者可以在术前设计不同的手术方式并选择最为合适的方法进行手术,从而达到最为理想的手术结果。

    计算机导航技术在口腔颌面外科中的应用十分广泛。于洪波等就导航技术在骨折、颞下颌关节强直、肿瘤等多种情况下的辅助工作做了详细说明。总之,口腔颌面部区域手术难度大、风险高,而利用计算机导航技术,引导手术操作的位置和方向,可以有效预防手术区域周围血管神经等组织的损伤,规避风险,提高手术成功率。导航技术发展到今天,对于口腔颌面外科常见骨组织疾病如骨折、骨纤维异常增殖症、骨组织肿瘤或者颞下颌关节强直等均有相对完善的术前设计方法和丰富的术中导航经验。然而,对于一些软组织的结构性漂移,使得导航系统在软组织应用中仍存在限制;而且,下颌骨相对于上颌骨的可移动性,导致下颌骨区域手术导航也存在一定问题;另外,普遍在使用的基于光学定位的导航系统存在光线容易受阻挡,导致手术操作受干扰等问题仍待解决。因此,研究者们为了进一步提高其在口腔颌面外科中的利用价值,使其更加方便的用于临床中,计算机导航技术有了一些新的发展。

    1.与超声结合的技术

    目前,计算机导航技术主要基于术前计算机体层摄影术(CT)数据采集,将数据导入导航软件,并在术前进行手术设计,手术中循手术设计完成手术,以此来减小手术风险和提高手术的精确性。因骨骼结构为刚性不形变的结构,因此利用计算机导航技术,可以使颌面部骨组织手术的准确性大大提高。而对于颌面部软组织而言,术中易发生形变而造成影像漂移,使得术中无法实时测量病灶及软组织形变,易产生较大的导航定位误差,限制了计算机导航技术在软组织手术中的应用。杨成帅等研究发现,多模态融合定位系统逐渐发展,使多种模态的图像在一个屏幕上显示,理论上增加了诊断的准确性,但是其工作依赖于定位、配准、标定、更新等多个技术对应设备的精确配合操作,而设备自身的不完善性会给实际操作带来误差。

    针对这些问题,研究者们自主研发图像融合算法,实现了基于光学定位的颅颌面超声与CT图像融合技术方法的建立及初步临床应用。该方法促进了颌面部软组织手术的导航,从而为软组织外伤、肿瘤等疾病提供了更加准确的定位,但具体的应用还需要许多工作要解决,比如如何快速将超声图像转换为三维图像,有无超声图像拍摄标准层厚等问题仍需研究者们继续探索。

    2.与颌板结合的技术

    大多数计算机导航系统最初是为神经外科设计的,而口腔颌面外科手术与神经外科手术差异颇多,因此,将导航系统运用于行口腔颌面外科手术时,需要非常注意,尤其是在下颌骨手术的区域,因为与神经系统和上颌骨相比,下颌骨以颞下颌关节及周围附着的肌肉等软组织与上颌骨相连,在一定程度上,可以自由活动,术中的定位可能因为下颌骨的移动而发生改变,从而影响此区域手术的准确性。为了保证手术的准确性,下颌骨需要维持在与术前检查相一致的状态,由于下颌骨可以活动以及术中操作问题,术中一直维持术前检查状态很困难。

    针对该种情况,Casap等提出使用下颌骨参考架来解决下颌骨移动的问题,该种方法使得下颌骨随意移动成为可能,但是很多时候影响术者手术视野及操作,如果使用光导航技术,参考架上的荧光小球极易被血液或者唾液等污染,影响导航的准确性及导航的实时性。在这种情况下,Sukegawa等在1例下颌牙齿根尖异物取出术中,结合计算机导航技术,采用颌间导板进行手术,该种方法避免了下颌骨参考架对手术区域的干扰作用,而且,也可以保证在需要进行手术验证或者手术指导时,下颌骨维持在与术前检查相一致的状态,增大了手术的准确性和安全性,取得了较为满意的结果。

    3.与3D打印结合的技术

    由于颅颌面部复杂的解剖关系,其间穿梭众多重要组织和血管以及该区域特殊的美观需要都使该区域的修复成为了口腔颌面外科医生的挑战。骨髓炎、良恶性肿瘤、外伤等因素而导致的节段性下颌骨切除术后的下颌骨重建;骨折而导致的骨断端解剖复位及钛板植入等操作均具有较大的难度。随着影像学检查技术的发展,CT和锥形束CT(CBCT)拍摄技术可以清晰的观察患者各个区域的解剖结构,不足的是,尽管CT技术实现了测量方式的三维化,其结果呈现方式仍停留在二维图像层面,无法实现真正的三维观察。但是,利用CT拍摄的DICOM数据导入第三方软件中,可以实现外科手术的虚拟模拟,同时,还可利用虚拟出的图像制作解剖模型,从而彻底实现手术区域的三维观察。

    1988年,Neubert等就提出CT扫描结合3D重建软件,既可以实现个体化解剖结构的三维可视,又可以帮助术者准确识别各结构并进行准确重建。3D打印技术发展到今天,不仅局限于CT扫描图像的三维重建,而且包括了术前规划后图像的三维重建或模拟手术工具的三维重建。Herford等在1例眼眶骨折手术中,利用3D重建及打印技术,预先将手术中所需工具及修复所需的导板打印出来,在术中,结合计算机导航技术,利用导航的实时性和可视性,顺利将骨折复位,并且缩短了手术时间,提高了手术的精确度。此次手术为患者的二次手术,第一次手术时,因为技术条件的限制,加之眼眶区域骨质薄弱,易受外力影响,患者面部重建术后再次出现了骨折断端错位情况,从而造成了很严重的感染。相较于第一次手术而言,二次手术难度会大大增加,首次手术会使原有解剖标志点及血管神经移位,给二次手术造成困难。而利用3D打印技术配合计算机导航技术,术前模拟手术现场确定手术方案,术中在导航的指导下利用导板协同手术进行,降低了医源性损伤血管神经的风险。

    总之,利用导航软件加上外科仿真模拟导板,能提高手术的准确性和可预测下缩短手术时间、减少患者的复发率。

    4.磁导航技术的应用

    现阶段,基于光学跟踪的计算机导航技术为主,虽然此种方法在提高手术准确度、减小手术风险及缩短手术时间方面取得了较大的效果,但也存在难以控制的光线追踪问题。2012年,Seeberger等利用头颅模型模拟口腔颌面外科手术,验证了磁导航系统在头颅模型上使用的精确性和准确性。2015年,利用Osteo Mark-Navigation导航系统,Peacock等在尸体模型上做了磁导航的验证,该实验通过手持式铅笔标记装置的位置和方向,进一步验证了磁导航系统在口腔颌面外科应用的准确性。

    近两年,磁导航系统已逐渐应用于临床中。例如,正颌手术的患者,尤其是需行双颌手术的情况,一旦术者完成了上颌骨Le FortⅠ型劈开并进行移位后,下颌骨移动的准确性就很难得到保证,这是由于在光学跟踪导航中,利用上颌骨的位置进行配准及定位,上颌骨移动后,需要装置将上颌骨复位至原处,才能验证及确保下颌骨移动的准确性。针对正颌手术的特殊性,为其设计的基于磁场工作的导航系统应运而生。与传统导航系统相比,其软件模块稍做变动,利用上颌骨完成术前的配准和定位后,进行上颌骨截骨及移动,其准确性可以得到验证。

    随后,新的软件模块同步进行上颌骨截骨移动后的配准及验证,从而实现上颌骨新位置的准确定位,这样在进行下颌骨截骨及后续手术操作时,无需将上颌骨复位即可进行准确定位及验证。该操作已得到临床验证,实现此功能正是依靠磁导航系统的开发及应用。正颌手术是口腔颌面外科手术中非常重要的一部分,除去口腔颌面外科手术的常见难题,例如手术视野狭窄、重要血管及神经丰富等外,正颌患者对于美容的要求远远高于一般手术患者,所谓“失之毫厘谬以千里”,手术的准确性应极其重视。现阶段的基于光学追踪的导航系统已具备增加手术准确性、减少术后并发症、缩短手术时间等作用,而愈加发展的磁导航系统加附于原有导航系统中,则实现了高精度的手术效果。

    综上所述,计算机导航技术与超声技术结合实现了软组织区域的导航,与颌板结合完成了下颌骨区域的导航,与3D打印技术结合使骨折或者截骨的手术更加精确,并且有效避免二次手术的风险,磁导航系统的问世也避开了光学信息导航的局限性。这些计算机导航技术在口腔颌面外科应用的新发展扩展了手术的适应证,同时更大程度上提高了手术精确性,方便手术操作,为颌面外科手术保驾护航。

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