本文提出了一种实用、可行且可重复的下颌骨计算机辅助重建评估指南,旨在统一术后准确性评估方面的研究标准。本方案延续并细化了此前发表的该评估指南。
本文提出了一种实用、可行且可重复的下颌骨计算机辅助重建评估指南,旨在统一术后准确性评估方面的研究标准。本方案延续并细化了此前发表的该评估指南。
由于不同研究之间在影像学方法、下颌骨缺损分类以及评估方法上存在异质性,因此对计算机辅助下颌骨重建术后准确性结果进行有效比较十分困难。本指南采用逐步操作的方法,指导影像获取、下颌骨缺损分类以及三维(3D)模型体积评估的全过程,从而可在术后临床情况与术前虚拟计划之间实施标准化的定量准确性评估。在计算机辅助手术(CAS)软件中,以髁突及下颌骨的垂直和水平角作为骨性解剖标志点,用于定义虚拟参考线。基于这些参考线,分别在术前和术后的(新)下颌骨三维模型上计算下颌骨的轴向、冠状向以及双侧矢状向角度,并进一步计算各角度之间的偏差值。通过将术后三维模型叠加至固定于XYZ轴的术前虚拟计划三维模型,可计算术前计划与术后实际种植体位置之间的偏差。本方案延续并细化了此前发表的该评估指南内容。
重建外科中的计算机辅助手术(CAS)包含四个连续阶段:虚拟规划阶段、三维(3D)建模阶段、手术阶段和术后评估阶段1。规划阶段始于获取颅面部位的计算机断层扫描(CT)图像,以及供体部位的CT或CT血管造影(CTA)图像。不同类型的组织对应不同的X射线衰减程度,从而产生以Hounsfield单位(HU)表示特定灰度值的扫描体素(人骨 [+1000 HU],水 [0 HU],空气 [-1000 HU])。这些图像以医学数字成像与通信(DICOM)文件格式存储。通过在分割软件中选择感兴趣区域(ROIs),可生成三维模型2。目前最常用且可行的分割技术是阈值法:将高于选定HU阈值的体素纳入感兴趣区域。随后,这些体素被转换为标准三角网格语言(STL)文件格式的三维模型3,并上传至CAS软件中用于规划截骨术及设计三维装置4。在建模阶段,所设计的装置被三维打印并灭菌,随后进入手术阶段。最后的评估阶段包括对患者颅骨进行术后CT扫描,并通过准确性分析将术后结果与术前虚拟规划进行比较。
我们近期发表的一项关于计算机辅助下颌重建准确性的系统综述显示,在影像采集、下颌缺损分类以及评估方法学方面存在异质性。这种异质性限制了不同研究之间术后硬组织准确性结果的有效比较5。由于新的欧盟医疗器械法规(MDR)要求对所有不同的计算机辅助手术(CAS)流程进行欧洲合格评定(CE)认证,且该法规自2020年春季起生效,因此在下颌重建过程中对CAS各阶段进行标准化显得尤为重要6。本文提出了一套实用、可行且可重复的下颌计算机辅助重建评估指南,旨在统一各研究在术后准确性评估方面的标准。本方案延续并细化了此前发表的该评估指南的版本7,目前该指南正在一项大型多中心队列研究中进行验证,该研究将分析各类下颌重建术式的准确性,以期明确功能相关结果的可接受范围。
VU大学医学中心医学伦理审查委员会(在美国人类研究保护办公室[OHRP]注册编号为IRB00002991)确认,本研究不适用《涉及人类受试者的医学研究法案》(WMO)。VU大学医学中心的FWA编号为FWA00017598。
注意:本方案中的所有步骤均需由两名不同的观察者独立验证。
1. 颅骨和供体部位成像
2. 下颌骨缺损的分类
3. 术后CT扫描DICOM图像的分割
4. XYZ 轴方向
注意:术前 STL 模型包括颅骨、(新)下颌骨以及虚拟规划的牙种植体(如已规划)。请注意,将颅骨和下颌骨的 STL 文件分别保存但保持相对位置固定时,评估操作会更加方便。当术前的颅骨与下颌骨 STL 模型被合并时,使用三维医学软件(按照上述步骤)将下颌骨从颅骨中分离。
5. 术前与术后 STL 模型的体积评估
注意:在体积相似性方面检查术前和术后 STL 模型,以尽可能排除两个模型之间的体积误差,因为这些误差可能影响准确性测量。
6. 髁突的叠加
7. 下颌骨冠状面、轴向面和矢状面角度的计算
注意:在“下颌骨术前”和“下颌骨术后”STL 模型上分别进行骨性标志点的识别。在识别“下颌骨术前”模型的骨性标志点时,需取消选中 Mandible Post-op,反之亦然。
8. 虚拟规划牙科种植体的 XYZ 偏差与 XYZ 距离的计算
注意:术前规划时应使用正确直径和高度(包括覆盖螺丝)的牙种植体,以确保正确比较。

我科采用腓骨游离皮瓣作为供区,修复了一例 James Brown Ⅲ类下颌骨缺损。利用包含牙种植体导向装置的腓骨切割导板,直接引导完成牙种植体的植入。根据所介绍的评估指南对修复效果进行评价,计算并报告了冠状位、轴位和矢状位的下颌角偏转角度(°),以及六个牙种植体的 XYZ 方向距离(mm)(图4 和 图5)。

图1:颅骨术前STL模型在XYZ轴上的统一朝向,其中法兰克福平面投影至Z轴(红线),正中矢状面投影至Y轴(绿线),鼻根点投影至X轴(蓝线)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:将术前虚拟规划的 STL 模型中下颌骨右侧部分(未包含引起散射的骨合成材料)叠加于术后 STL 模型上。 随后使用计算机辅助手术(CAS)软件计算算术平均值。本示例中两个体积之间的 0.02 mm 偏差在可接受范围(<0.5 mm)内,可继续进行评估指南的下一步。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3:术后STL模型(灰色)与术前根据虚拟手术计划修正的STL模型(蓝色)的叠加。 仅选取双侧髁突结构用于迭代最近点算法(红色)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:使用腓骨游离瓣作为供体部位重建 Brown III 类缺损。 本例中,在重建过程中通过 3D 导板同期植入六颗经虚拟规划的牙种植体。冠状面、轴向面和矢状面角度均在术前虚拟规划的 3D 模型与术后 3D 模型上进行计算,并显示角度之间的偏差(以度(°)表示)。CS,髁突上点;CP,髁突后点;VC,垂直角点;HC,水平角点;ML,正中矢状线;FFF,腓骨游离瓣。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:六颗导板植入的种植体在 X、Y 和 Z 轴上的偏差及其空间距离 XYZ(dXYZ)。 请点击此处查看该图的放大版本。
本术后评估指南旨在提高下颌骨计算机辅助重建准确性分析的一致性。重点包括决定下颌骨重建成功的四个组成部分:(1)双侧髁突的位置,(2)截骨平面的角度,(3)骨移植段的大小、位置及固定情况,以及(4)引导式种植牙的位置(若已即刻实施并包含在虚拟规划中)。
在本方案的第一步中,我们建议在术前和术后成像时均采用多层螺旋CT(MDCT)扫描,因为CT图像的质量会影响分割所得STL模型的体积准确性。使用锥形束CT(CBCT)扫描仪获取的DICOM数据所分割出的STL模型,其体积偏差最大11。这些体积偏差会影响3D打印模板和导板的精度与贴合度,从而也影响术前与术后STL模型之间术后精度的测量结果。因此,我们建议在采用计算机辅助外科(CAS)进行下颌骨重建时,术前和术后成像均使用MDCT扫描仪。切片厚度是影响STL模型体积准确性的最主要因素,应设置为<1.25 mm。较高的切片厚度会导致STL模型细节丢失,并影响精度测量结果12,13。最近一项关于CAS辅助下颌骨重建精度的系统综述显示,多数研究在材料与方法部分对所用CT扫描仪参数的描述不足5。我们认为,所有CAS相关研究均应在材料与方法部分明确说明术前和术后成像设备的类型及参数。为避免骨移植段在体积、形态和位置上的长期变化,术后MDCT扫描应在重建术后六周内完成14。若需进行辅助性放射治疗,应使用放疗前的首次术后MDCT扫描数据,以避免下颌骨出现与放射治疗相关的病理改变15。
为了比较具有相似复杂程度的下颌骨重建效果,需要对下颌骨缺损进行分类。2016年,Brown 等人8提出了一种下颌骨缺损分类方法,包含四个类别,类别编号与重建的复杂程度相关。在计算机辅助手术(CAS)软件中对术前和术后STL模型进行配准以评估重建精度时,会遇到一些困难。配准软件工具采用迭代最近点算法,将一个STL模型的选定部分(源模型)移动至与另一个固定STL模型的固定部分(参考模型)最佳匹配。然而,由于重建板的位置可能发生散射,对整个(新)下颌骨进行配准会导致整个重建结构发生位移,无法真实反映下颌骨的术后临床位置,因此该方法不准确16。在对重建的孤立部分进行配准时,同样会引入这一问题17。若将下颌骨与上颌骨及颅骨一起进行配准,也会因术前和术后扫描时张口程度必然不同而导致配准不准确。因此,为了评估(新)下颌骨的术后位置,我们决定分别在术前和术后STL模型上单独构建下颌角(由 De Maesschalck 等人18首创),以规避配准过程中的问题。然而,为了评估种植体的位置,我们仍需使用配准工具对两个模型进行对齐。为了使术前和术后STL模型的对齐尽可能接近临床实际的术后颌间关系,我们认为仅对双侧髁突进行配准是最可行、最标准化且可重复的方法。尽管术后双侧髁突的位置可能受到新下颌骨重建不准确的影响,但颌间关系会趋向中线,从而使双侧髁突在正中矢状面周围的位置趋于平均19。在本方案中,仅将术前STL模型通过CAS软件中的平面-直线-点工具快速固定于XYZ轴上,作为评估种植体术后偏差的基准。尽管固定于XYZ轴上的颅骨位置可能导致不同病例之间存在轻微的头影测量学差异,但这对种植体的测量结果并无影响,因为在将术后3D模型与固定的术前3D模型进行配准时,若仅选择双侧髁突用于迭代最近点算法,则种植体位置之间的XYZ距离(单位:mm)不会受到影响。
如上所述,De Maesschalck 等人18率先提出了一种评估计算机辅助手术(CAS)下颌骨重建硬组织精度的方法,该方法无需确定截骨平面,也无需使用重叠配准工具。该方法最严重的缺点是未明确说明用于确定正中矢状面的具体方法,而该平面的确定需要具备标准化和可重复性。此外,该方法未包含虚拟规划的牙种植体,也缺乏对下颌骨重建复杂程度的区分。我们在本方案中纳入了对虚拟规划牙种植体术后位置的评估,因为未来应用导板引导种植技术的学者数量可能不断增加。2016年,Schepers 等人20提出了一种优秀的术后评估方法,用于评估CAS辅助下颌骨重建中虚拟规划牙种植体的准确性,其通过测量每个牙种植体的中心点偏差(mm)和角度偏差(°)来实现。该方法的主要局限在于每个种植体所需测量的参数较多,降低了操作可行性,并导致难以全面掌握整个重建的精度情况。我们提出了一种更为简化的评估方法,即通过测量每个牙种植体的三维空间距离(dXYZ,单位为 mm)得出一个综合性的量化数值。在牙科修复方面,牙种植体颈部的位置对未来的修复体设计具有决定性作用。因此,我们的评估方案建议在术前和术后的STL模型中,于牙种植体颈部创建虚拟点。为了确保牙种植体评估的可行性,我们决定省略角度偏差的测量,因为高达15°的角度偏差可通过使用角度基台进行矫正。
我们提出的评估指南适用于所有类型的供区,并允许采用不同的骨移植固定方式。此外,术后影像中金属固定部件产生的CT散射不会影响该指南的测量结果5。在本评估指南中,我们使用了Mimics inPrint 3.0和GOM Inspect Professional 2019软件。然而,该方案所描述的软件工具在所有计算机辅助手术(CAS)软件包中均具备。本指南旨在推动在CAS各阶段中,对准确性与各种不同操作方法之间关系的评估实现更高程度的标准化和一致性。针对不同Brown分类下可接受的下颌角偏差、其与术前虚拟规划种植体术后实际位置的关系,以及未来修复治疗中可接受的种植体偏差(dXYZ),仍有广阔的研究空间。目前,我科正在开展一项多中心研究,以在大样本队列中验证该指南,并综合考虑上述所有变量。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究未从公共、商业或非营利部门的资助机构获得任何专项资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| GOM Inspect Professional 2019 | GOM | 评估软件 | |
| Mimics inPrint 3.0 | Materialise | 基于图像的 3D 医学软件 |