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计算机辅助导航技术在口腔颌面外科的应用进展

发布时间:2020-12-29




口腔颌面部解剖结构复杂,手术风险大,有以下原因:(1)神经及血管网复杂。神经受损影响颌面部感觉及运动功能,血管受损可能会导致供区缺血坏死;(2)颌面部骨质薄弱、骨块小、骨缝多。若发生骨折,可能损伤毗邻器官如大脑、眼睛等;(3)口内切口视野小,手术操作困难;(4)术后美观问题对患者生理、心理健康影响较大。在该区域进行手术是外科医生面临的难题,所以精确的术中定位对手术效果具有重要作用。 

为明确手术部位和周围解剖结构的关系,有必要在口腔颌面外科手术前用计算机断层扫描(computed tomography,CT)和/或磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)进行成像诊断。随着数字化成像技术和计算机软件的发展,快速处理和将各种数字成像方式产生的大量数据可视化变为可能。






计算机辅助手术(computer-assisted surgery)技术能减少手术风险并提高手术的准确性,主要包括三方面:影像诊断、手术预演和模拟、术中导航。其中,计算机辅助导航系统(computer assisted navigation system,CANS)是在获取影像数据后,与手术视野进行配准,然后运用虚拟现实技术,在计算机内形成虚拟的手术空间,利用光学、电磁学等各种类型的定位仪进行跟踪,显示手术器械、病变组织和正常解剖结构之间的动态三维空间位置关系,从而达到实时术中导航的目的。 

导航技术突破传统外科在三维空间和手术视野上的局限,其动态成像的特点允许外科医生实时跟踪手术过程、减少手术误差、提高手术中医师的执行力和操作的可预测性,使口腔颌面外科手术更加精确。 



一、手术导航的原理 
计算机导航技术主要由三部分组成:定位装置、手术探针或仪器、扫描数据集。首先,确定定位装置(基准标记物),之后通过CT、MR、超声等扫描技术获取带有参考标记的原始影像学资料,导入工作站并处理后得到术区的3D模型图象。其次,利用手术探针或其他外科仪器来获取定位装置在手术区的实际位置,并与之前获得的影像学数据完成注册配准。最后,运用光学、电磁、机械等原理动态追踪手术器械,将其相对于患者术区解剖部位的现实坐标与3D模型虚拟坐标匹配,从而实时、清晰地反馈手术器械的位置。注册配准指在不同的空间坐标系中对同一点实现一对一地映射。 


 

方法包括有标记和无标记配准。有标记配准需要在术前图像上有明显的标记点,并且在手术过程中很容易在患者身上检测到,即需要外加标记物如螺钉、咬合板、牙周夹板等。现阶段倾向于利用侵入性外加标记物(如:钛钉)直接在骨组织上进行标记,可以在影像上清楚地显示,有利于配准精度提高。无标记配准无需在患者身上做标记,而是依赖于人体自身解剖结构,将定义好的骨质突起与CT扫描上相应的结构进行配准。 

Liu等提出了一种新的基于表面的自动配准方法,利用患者的CT/MRI图像在图像空间中构建患者头部表面的点集,然后用三维激光测距扫描仪获取患者头部表面真实的点集。计算出关键点的局部特征进行配准,得到两个点集之间关键点的对应关系,然后通过迭代最近点算法进行优化。与其他基于表面的配准方法相比,这种方式具有简单、精度高、配准时间短的优点。此外,Jeon等运用不同成像方式进行混合配准,先将一个数据注册配准,并在该数据上覆盖另一个图像数据,即通过CT图像对软组织和硬组织进行注册,然后叠加MRI图像数据,可以更加精确地导航。 


二、影响精准度的因素及解决办法 
使用术中导航系统可以改善术前计划,并且具有较高的术中准确性和精确性。然而,导航系统的精度受到以下三方面的限制:所用系统、获取成像数据的方法和在手术过程中将成像数据与患者实际位置同步。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。此外,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。为了进一步提高其在口腔颌面外科中的利用价值、更加方便临床使用,近年来计算机导航技术有了一些新的发展。 

2.1软组织结构性漂移 
由于影像检测技术分辨率的差异,目前对软组织(皮肤、肌、肿瘤)的手术模拟效果不如骨组织精确。颅颌面软组织在术中易发生形变而造成影像漂移,使得术前图像不能够真实和实时地反映术中软组织的形态,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,限制了外科导航技术在软组织手术中的应用。 

杨成帅等在基于光学定位系统的基础上,进行超声与CT图像融合,并对图像精度进行测量得到平均融合误差为1.96mm,能基本满足临床要求。此种多模态融合定位系统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。虽然该研究取得了较好的临床效果,但也存在一些问题,如二维超声数据层厚间隔不一致导致三维重建后图像质量不佳,以及重建过程耗时过长等。




2.2下颌骨移位 
由于定位装置大多固定于上颌骨和颅骨表面,而下颌骨相对于上颌骨不断移动,其运动的特性使得手术过程中与术前成像数据的同步变得复杂,因此在下颌骨手术中很难使用术中导航。 

如果在图像采集和外科手术过程中将下颌骨保持在相同位置,则图像中的所有结构都可以保持在相同位置,从而保持导航系统的准确性。目前对于下颌骨导航的应用有一些可能的解决方案。第一种方法是保持不动的牙尖交错位,以便在手术中确保下颌同步。Yang等采用颌间丝将上颌骨与下颌骨结扎固定,以确保患者的下颌骨与CT扫描位置相同,保持不动的牙尖交错位。 

Shan等采用咬合蜡或咬合板将下颌骨固定于闭口位。然而大多数下颌手术需要术中张口位,因此难以采用。第二种方法是在下颌骨上安装一个动态参考框架,以便在手术过程中持续追踪下颌骨的运动和位置。这种方法可以通过传感器框架和用于下颌导航的牙齿/下颌骨制成的基准标记直接跟踪下颌骨,使下颌随意运动成为可能。但是标记点的固定需要特殊的仪器,十分耗时和复杂,同时下颌骨体积有限,参考架的存在会影响术者手术视野及操作。第三种方法是使用颌间导板将下颌骨限制在可重复的位置或与上颌骨相对确定的位置。通过导板对下颌骨进行人工固定不会产生额外的误差,将下颌骨维持在与术前检查较一致的位置,同时也避免了下颌参考架对手术区域的干扰,增加了手术的安全性和准确性。 


三、临床应用 
3.1口腔颌面部创伤 
在颌面外科,面中部骨折和眶周骨折较多见,其解剖部位较深、骨折类型较复杂。对于严重的粉碎性骨折或陈旧性骨折,由于缺乏明显的骨质断端及解剖标志作为复位参考点,复位过程又缺乏咬合引导,骨折断端的精确复位难度极大,因此治疗效果通常不理想,术后常出现面部不对称畸形,进而带来心理障碍等一系列问题。Zavattero等比较导航组和历史对照组重建颧眶复合体手术共55例,导航组利用镜像翻转技术将健侧颧骨和眶底的术前CT图像复制到患侧作为标志,术中运用导航系统指导面部对称的恢复和眶底植入,结果得到导航组术后复视程度低于非导航组,且重建眼眶体积更接近健侧。利用导航技术可以定位视神经的位置,避免眶底板压迫神经。 




除此之外,由于面部骨折常累及颅底和眶壁等邻近结构,出现脑脊液漏、颈脊髓损伤、复视等并发症,因此产生了对面部骨折进行多学科之间的合作治疗。Kim等口腔颌面外科医生与眼科、神经外科等医生组成治疗组,利用导航技术对36例面部多发性骨折患者进行精准复位,并对相应并发症进行一期治疗,术后与术前模型图像叠加来评估结果,显示差异小于1.49±0.27mm。 

3.2去除异物残留 
由于接近重要解剖结构和手术路径复杂,从颌面部区域去除异物可能存在风险。由枪伤和爆炸伤造成的深部异物,其周围的正常解剖结构也可能改变或被损坏。因此精准识别异物的准确位置十分重要,有利于无并发症的清除异物。术前CT扫描和三维图像重建可以精准定位异物,并提供周围解剖结构的清晰图像。Yang等使用导航系统,对一名颌面部和颈部一共具有24处异物的患者进行了手术,期间采取从最简单到最困难、一个子区域到下一个子区域的策略。术后患者没有面神经麻痹或感染的迹象,恢复良好,54.17%的异物(n=13)由导航系统准确定位,与其他定位方式相比,导航系统的使用有助于减少术中时间,降低风险。 

Jain等报告了一例特殊的病例,患者颞下窝处有一个长期被忽视的异物,该异物迁移到了腭部,并最终通过导航系统辅助内镜手术切除。图像引导的导航技术使术中将异物及其与周围结构关系的可视化称为可能,具有提高手术精度、缩短手术时间和微创通路的优势,从而降低并发症的发生率。 

3.3口腔颌面部肿瘤 
肿瘤的治疗,需要该区域详细的解剖学知识、精确的三维手术计划和肿瘤范围的确定,尤其是肿瘤切除边缘。肿瘤的位置、侵袭和恶性程度是选择手术方法的决定因素。Tarsitano等通过术前在图像上确定肿瘤切除范围,并进行标记,模拟穿过标记点的截骨线同时评估要重建的骨缺损,术中利用导航系统指向移动位置,同时检查计划切除与真实解剖情况之间的重叠来控制肿瘤边缘。 

导航组标本切缘阳性率明显低于对照组(P=0.0047),证实了手术导航系统可以改善晚期肿瘤无边缘状态对传统手术模式的影响。过去,恶性肿瘤浸润到颅底中部或颞下窝等部位,由于在大出血的情况下获得肿瘤控制或止血的途径有限,因此会被认为不可手术。然而导航系统的应用可以通过在术前CT/MRI图像上动态显示精确的手术部位和骨钻程度,确保更安全、更快速地钻取颅底。 

 




刘喆等对15例邻近颅底肿瘤病变患者均采用导航系统辅助手术,对于上颌骨及腭部肿瘤,在切除病灶时,翼腭管的位置深在并与颅底关系密切,成为手术难点。导航可以确定翼腭管的位置,手术导航系统可以准确定位病灶与颅底的关系,测量两者之间的距离,利用导航技术可以观察肿瘤是否侵犯翼腭管内的腭大神经血管束,并可沿神经组织尽量追踪以求彻底切除瘤变组织。 

肿瘤切除常导致颌骨缺损,易引发患者功能障碍和面部畸形,常采用游离骨移植和血管化骨瓣移植,在模型导板的辅助下截骨塑形。然而对于一些复杂的下颌骨缺损,由于没有牙齿来精准定位咬合关系,剩余下颌骨和腓骨瓣的定位十分困难。Shen等在术前将下颌固定装置固定在双侧下颌升支,维持正常的下颌宽度,通过术前模拟下颌切除和重建手术,将截骨线的位置和有利腓骨瓣形状的相关参数提供给医生,在计算机导航引导下检查和纠正下颌骨形状。腓骨瓣三位定位准确,尽管截骨后无稳定的咬合关系,但仍能精确重建缺损。 

3.4口腔颌面部畸形 
口腔颌面畸形常由先天性、获得性及病理性因素所引起,由于涉及整形和美容,且局部解剖结构复杂精细,因此必须完成准确的术前预测设计和精确的术中定位操作。Wood等对3名患有综合征(Pfeiffer综合征2例和Crouzon综合征1例)的颅缝早闭伴面中部发育不全的患儿行LeFortⅢ型截骨,并应用导航系统来确定截骨的精确部位和正确轨迹,从而降低了由于颌面部先天畸形的患者骨结构异常和骨缺损,以及异常的生长发育形式与解剖结构导致的手术难以可视化和定位,以及并发症的风险。 




Bianchi等将压电仪器和导航系统结合,研制出了一种计算机辅助压电设备,用于Treacher-Collins综合征患者的下颌骨牵引成骨术,并对术后牵引量进行检测。压电仪器可避免由常规钻头或微型锯造成的振动和移位,具有更高的稳定性,导航系统跟踪压电仪器,避免了放置牵引器过程中对牙根及下颌神经管的损伤。目前国内外关于导航技术在先天性复杂颅面畸形方面的应用多是小样本分析或病例报道,其对手术的安全性、效果、并发症等指标的影响,尚缺乏更高级的证据。除了用于轮廓整形,导航系统同样适用于唇腭裂的治疗。 

石冰建立过患者内眦间距中点垂线的坐标,利用十字激光投射的坐标点形成的理想面中线为参考标准,实施导航下的唇裂修复术,有助于术者观察鼻唇精细解剖结构的畸变移位程度,且激光导航系统不受术区操作影响。同时提出若能开发出更加精准具有针对性的导航仪,与计算机相连,实现图像的实时传输,建立数字化系统,为术者提供中每一解剖结构的数据,将促使唇裂手术向着标准化的方向发展。 


四、结论与展望 
计算机导航技术在口腔颌面外科领域的应用范围越来越广泛,其发展扩展了手术的适应证,其精确定位、实时导航的特性为术区解剖结构及病理组织、控制切除范围和手术入路、保护重要组织结构提供了便利,正确使用可以缩短手术时间,优化手术方式,提高手术精确度。然而目前的导航系统也有一些缺点。 





例如,虽然导航系统可以用于上颌或中面部区域,但是下颌骨的移位使得其很难与预先采集的图像同步位置。随着技术的发展,在下颌区域使用导航系统逐渐变为可行,尽管术前准备确定下颌骨位置比较困难,但经过充分的准备将有助于缩短手术时间、精确定位异物,为外科医生提供术中指导,确保手术的安全性和可靠性。我们期待一些简单动态参考框架方法和小型工具的进一步发展,将能够通过传感器框架和下颌骨支持的基准标记直接跟踪下颌骨。此外,导航系统很难更新术中图像也是一个问题。如今由于配备C臂CT系统的混合手术室的普及,技术的最新进展使得在术中CT成像的同时编辑和使用图像成为可能。希望在未来进一步推动导航系统的发展。 

来源:吕欣蔚,李龙江.计算机辅助导航技术在口腔颌面外科的应用进展[J].口腔颌面修复学杂志,2019,20(05):309-312+318. 
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