计算机辅助外科在正颌手术术前模拟中的应用

计算机辅助外科在正颌手术术前模拟中的应用 计算机辅助外科在正颌手术术前模拟中的 应用 中华口腔医学研究杂志(电子版)2010年12月第4卷第6期ChinJStoma— tol— Res(El— ectronicEdition),Dece— mber2010,Vo1.4,No.6 计算机辅助外科在正颌手术术前模拟中的应用 桂海军沈国芳 20世纪80年代以来,计算机技术飞速发展.在此基础 上基于信息科学技术,生命医学技术以及医学成像技术的 融合.以cT等影像学数据为信息来源经计算机处理后,三 维辅助颅面部的诊断和手术指导的计算机辅助外 科(computerassistedsurgery,CAS)技术应运而生,并越来越 被广泛应用于临床实践_】_ 一 ,常规的术前模拟及其缺陷 牙颌面畸形是骨性的三维结构的异常.常规的术前诊 断和手术预模拟大都是取自正侧位X线片等二维影像来观 测患者颌骨的矢状和冠状关系.但对于牙颌面畸形的大多 数病例.此法难以重建原有的空间关系.造成术前诊断和手 术设计上的失误.甚至给患者造成难以挽回的损失Marsh 等l7l认为x线头影测量确定的标志点对患者个体化的诊治 及其重要.但实际应用于术前的诊断和模拟时仅使用少数 的常用标志点.造成影像数据的浪费且在转移配准时难免 偏差.影响结果的可靠性经准确测量显示最多有25,28个 点能同时显示在正侧位的x线片上.使得三维成像的条件大 大减少[8]模型手术是在正颌外科术前工作的最重要步骤 之一.尤其在复杂病例中手动模型手术需要花费大量时间 且易出现潜在错误.因此一套合理有效的术前模拟系统就 显得尤为重要 二,计算机辅助三维虚拟牙颌面骨重建 1.基于传统CT数据的骨重建:计算机辅助三维CT重 建为复杂牙颌面畸形的诊治提供了一个新的T具[7].基于 CT数据进行i维重建的技术出现于20世纪70年代.80年 代Vannier等]进行了相关大量的研究和发展.将患者术前 的数字化扫描信息传输到计算机工作站.经过三维重建.图 像配准和融合等.可以在此基础上进行术前并模拟手 术.Darling等o]对145例颅颌面畸形患者进行分析,通过对 三维CT影像和常规的二维影像的比较证明.3DCT图像能 提供更多深层次,表面轮廓,容积以及畸形程度的信息. 2.基于螺旋CT数据的骨重建:最近的研究集中在基于 3D多层螺旋CT数据快速成型.并通过与传统CT数据的 比较,显示了在术前预测及模拟时更高的精确度n.国内 第四军医大学的龚振宇等[133于2003年用螺旋CT数据资料 DOI:10.3877/cma.J.1ssn.1674—1366.2010.06.015 基金项目:国家自然科学基金(30801302) 作者单位:200011上海交通大学医学院附属第九人民医院. 口腔医学院El腔颌面外科.E海市口腔医学重点实验室 通信作者:沈国芳,电子邮箱:m~Lxillofacsurg@163一m,电话: 02】.2327】699.5385 55 . 综述. 建立起颅面三维模型.并在其上进行了整形手术的计算机 辅助设计.将为颅颌面畸形损伤肿瘤的诊断和治疗提供重 要依据但是大都数的计算机辅助三维虚拟都需要价值不 菲的软件和硬件Stamm等提出利用NIMH提供的免费 软件.并证明其对于提高手术计划的效果及节省开支行之 有效国内亦有相关报道基于CT的三维手术仿真平台的建 立.进行牙颌面畸形的诊断及术前预测.从而使正颌外科手 术更为精确_15] 3.锥形束计算机断层扫描(cone—beamcomputed toniographv.CBCT)的应用及前景:CBCT与螺旋cT均为容 积扫描.但是相较螺旋CT,CBCT以低能射线锥形X线束扫 描.射线于传感器同步围绕患者旋转1周即可成像,z轴覆 盖范围明显增加,且CBCT最小层厚0.1mm,体素各向同 性.保证成像更清晰.此外螺旋cT质量受螺距,曝光,重建 等参数影响.而CBCT仅需选择正确的曝光条件即可这些 优势都提醒CBCT可能在计算机辅助正颌手术模拟有更广 阔的应用空间 而相对于传统CT而言.CBCT具有扫描范围更灵活(可 以扫描特定区域也可以对全部颅面进行扫瞄),成像精度 高,辐射剂量小,对头位要求低等优点ll6],基于此方面的优 势.已经有学者将其应用于正颌外科.并在临床应用中显示 对于LeFortI型截骨术中避免损伤腭降动脉以及准确离断 上颌骨各壁具有良好的效果.另外对于避免下颌骨升支矢状 截骨术中并发的下牙槽血管及神经损伤具有显着的效果_17] 在最新的研究中.考虑到正颌手术的三维模拟手术计 划要求清楚显示颌间关系.Swenne等_l8_】]利用带有改良咬 合晶圆的"double"CBCT扫描程序.成功建立了带有详细牙 颌信息的三维虚拟头骨的放大模型.在随后的研究中利用 "triple"CBCT扫描程序扩大带有详细牙颌信息的3D虚拟 颅骨模型也获得成功.避免了常规使用石膏模型及面部软 组织标志点畸形带来的偏差.并随后对其临床效果进行了 临床研究[6].为三维手术模拟的改良提供参考 三,面部软组织的构建 现有的计算机辅助术前模拟在正颌手术领域的应用大 多集中在颅颌面骨的三维重建.术前模拟可以直观准确地 设计术中骨组织的移动但是考虑颅面是人最主要的形态 特征.大多患者对于畸形矫治后的功能以及美学要求高.而 此要求无法由单纯的骨组织模拟实现因此设计应用面部 软组织附着,能够实时示骨组织重置后面貌的模型成为 必要. 软组织的物理建模不仅要利用物体的几何特征建立几 何模型.还要利用软组织的生物力学特征建立其动力学模 56中华口腔医学研究杂志(电子版)2010年l2月第4卷第6期 CkinJStomaidRes(ElectronicEditi0n),December2010.Va1.4.N0.6 型,赋予几何模型适当的物理行为.使其在视觉和触觉两方 面都能产生逼真的感觉目前.物理建模的典型方法有质点 弹簧模型和有限元方法本文就现阶段常规使用的软组织 物理建模及方法进行综述 1.有限元模型(finiteelementmodel,FEM):有限元法是 由Turner等于1956年首先提出.而后逐渐被应用于工程 技术的各个领域.1974年首次引入口腔医学领域.并因其具 有实验应力分析无法比拟的优越性而得到大量运用 目前.国内外还没有完整,理想的牙颌面复合体三维有 限元模型的报道.在此.国内有学者对已经建立的多种下颌 骨,上颌骨,牙列,颞下颌关节三维有限元模型的建模方法 进行归纳和总结[21?243建模的一般过程为先获取建模对象的 断层图像.将二维图像输入计算机.对其进行矢量化处理, 获取建模时所需的轮廓线坐标.将坐标数据输入建模软件. 建立三维几何模型.再对几何模型划分节点和单元.进而建 立三维有限元模型其中心思想是连续性问题的离散化 应用有限元构建模型时,软组织被简化看做同质,线性 弹性材料.这样就可以应用胡克定律国内周先连等[263应 用有限元法对牵张成骨手术的Le}'oftI,?,?型三种手术 进行三维有限元仿真.预测了术后面部软组织变化.确 定颜面部特征点变形和截断骨块牵移量的比例结果表明. 三维有限元仿真研究应用于牙颌面畸形的牵张成骨手术 中.能够很好的为手术中前牵引力作用点和方向提供指导. 并通过预测软组织变化为选择制定手术计划提供参考 2.质点弹簧模型(massspringmodel,MSM):构建MSM 就是把仿真对象用质点离散化.质点之间用符合线弹性模 型(胡克定律.也可用非线性)的弹簧连接起来,质点除受弹 簧弹力外.还受与速度成正比的阻尼力一物体变形即由质点 运动产生]MSM首先被Keeve等28]应用于颅面外科手术, 因其构建更容易且计算更简便.所以对于模拟的实时性更 有价值IJee等通过构造面角单元到骨骼对应的三角 单元的分层三棱柱.不同层用不同的弹簧表示.分别虚拟皮 肤,脂肪,肌肉的功能,更关键的是提出了刻画肌肉的肌肉 线对应的弹簧.显示在生物力学方面的优势.Nedel等也 给出了角弹簧(AngularSpring)与动作线(ActionLine),用以 表现肌肉在仿真过程中的收缩特征.都为牙颌面畸形软组织 的构建提供参考Mo11emans等]对MSM进行改良,建立了 有更广泛适应性的四面体MSM.但是,在四面体MSM中, 质点之间的弹簧形变并不使四面体的体积产生变化,这样 的计算肯定是不精确的.这也是其亟待解决的问题. 3.质点张量模型(anovelmasstensormodel,MTM):当 应用质点弹簧模型或者有限元模型动态模拟软组织大范围 畸形的时候.就会遇到这样的问题.即应用上述二类模拟方 法时需要构建大量的单元格.三维问题的解决就远远难于 传统的二维问题33]MTM可以被看做FEM和MSM的结合. 质点张量模型保留了MSM的简易的模型构建方法以及 FEM的生物力学相关性Delingette等134]首先构建出此类模 型并用于手术模拟.显示了良好的精确度Schwartz等[s]在 线弹性质点张量模型的基础上进行扩展.建立了能够应用 于非线性和粘弹性畸形缺损的生物力学模型.并用穿通伤 后的肝组织进行实验,显示了相较于线性模型的优势.对于 牙颌面畸形缺损的手术模拟具有重要的参考意义 综上可知,有限元模型已经被应用于外科仿真手术中 软组织的变形模拟,优点在于其精确度和稳定性较高.但 是,由于计算量大,计算效能低下,特别在切割缝合时由于 大量单元格的出现计算量更会急剧增加.因此不适应于手 术模拟实时性的要求.而质量弹簧模型优点在于模拟了软 组织的弹性,可以在动态和静态条件下进行计算.切割缝 合也比较容易实现.通过简单的去除或衔接相应单元格便 可以做到切割和缝合.能够满足手术模拟实时性的要求? MoUemldns等:"1通过临床实验对4种有限元模型对于软组 织预测的效果进行了定性和定量的评价:定量分析的结果表 明MTM成像最快.而FEM和MTM在精确度上的优势更加 明显.定性分析通过专业外科医生对4种模型预测的虚拟 面型打分.证实了此项研究对于改善术后效果的有效性 现有的术前虚拟软组织的构建.大都是基于CT影像数 据考虑到cT影像是通过x线在空间中通过各解剖层面 时地衰减参数测得,故更常用于观察硬组织解剖结构.而MRI 在软组织内有较好的分辨率和对比度,故笔者认为将两者结 合用于颅面真实结构的三维重建.将是未来的发展方向. 牙颌面畸形是一种病因复杂.涉及多学科的综合性疾 病.其治疗方案应该是针对患者个案的综合序列个性化设 计随着计算机技术,材料学等学科的不断发展,手术模拟 将更好的服务于个性化的治疗..但是虚拟成像实时性与真 实性更好的融合,三维重建模型向临床手术的快速转移等 问题这些都有待于进一步的研究和解决相信随着虚拟现 实技术的研究进展.正颌外科手术必将被带人一个崭新的 时代 1 2 7 参考文献 杨斌.张涤生,黄洪章.等.颅面外科三维诊断分析和手术设 计系统的建立.口腔颌面外科杂志,2000.10(4):288—291. VannierMW,MarshJL,WarrenJO.Three—dimensionalCT reconstructionimageforeraniofacialsnrgicalplanningand evaluation.Radiology,1984,150(1):179—184. 高超.汤炜,田卫东.手术导航系统在121腔颌面外科中的应用. 国际口腔医学杂志,2008,35(4):447.449. 王成焘.外科手术导航系统的研究现状及进 张文强.戴魁戎. 展.医用生物力学,2004,19(1):5l一55. 陈吴.徐军.何飞.脊柱外科导航的临床应用进展.昆明医学 院,2007,(5):89—93. SwennenGR,MollenmansW,SchutyserF.Three?dimensional treatmentplanningoforthognathicsurgeryintheeraofvirtual imaging.JOralMaxillofacSurg,2009,67(10):2080-2092. 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