增强现实联合导板治疗颌面部多发异物1例报告

作者：程杰，汤炜，四川大学华西口腔医院创伤整形外科 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

随着社会经济的发展，颌面部创伤的致伤因素越来越多，并伴随着创伤，异物残留的情况也常有发生，除了可能损伤重要解剖结构以外，残留的异物还可能会造成感染、疼痛等二次损伤。对于颌面外科医生来说，要在尽可能保证颌面部美观的前提下完成异物取出手术也是一个挑战，因此颌面部异物的诊疗一直是口腔颌面外科领域中的难题。 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

影像技术及数字化技术为医疗领域带来新的技术革命，越来越多的工具被应用于临床，为以往临床治疗难题提供了新的解决思路，使得颌面部异物诊疗这一难题逐渐有了更多解决方法。针对术中异物定位，除术中实时CT、超声外，还出现了导航、导板等技术。

医学百科网 | YxBaike.Com

 

医学百科网 | YxBaike.Com

一种新型技术——增强现实技术也在口腔颌面外科领域得以应用，增强现实技术能将虚拟世界与真实世界有机结合，使观察者能在真实世界内的预定位置观察到计算机处理过的虚拟信息，如图片、文本、模型等，其实时、动态、三维可视化的特点，在异物定位治疗中具有较大的应用潜力。 医学百科网 | YxBaike.Com

 

本课题组通过AR.js程序开发工具包自主研发了一套基于3D打印人工标识物（Marker）的WebAR程序，搭配单目摄像头及移动电脑组成了颌面增强现实外科辅助系统，其中Marker是用于虚实注册、匹配的“钥匙”，摄像头用于真实场景捕捉，移动电脑既是程序运行的载体也是显示装置。本文报道1例首次联合颌面增强现实外科辅助系统及导板完成颌面部多发异物患者的手术设计与规划，最终成功取出计划异物的病例。

医学百科网 | YxBaike.Com

 

1.病例资料

  医学百科网 | YxBaike.Com

1.1病史与检查

医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

患者男，32岁，以“被霰弹枪击伤面部20余年”为主诉于2019-12-27来四川大学华西口腔医院创伤整形外科就诊。患者自诉20余年来右面部偶有疼痛不适，全身状况良好，无系统性疾病及过敏史。专科检查：双侧面部外形基本对称，皮肤完整，未见明显斑痕及窦道，右面部轻度按压疼痛，未查及明显波动感及异物感。就诊前已拍摄的螺旋CT示：颌面部多个部位异物残留，右下颌角、右颊、右咬肌内、42牙根方牙槽骨表面、左眶内、左侧舌根内、左胸锁乳突肌深面均存在类圆形高密度影像（图1）。

  医学百科网 | YxBaike.Com

1.2诊断 医学百科网 | YxBaike.Com

 

颌面部多发异物（共7枚异物）。 医学百科网 | YxBaike.Com

 

医学百科网 | YxBaike.Com

1.3手术规划与设计 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

以往应用增强现实外科辅助系统时，患者需佩戴Marker完成影像检查，但由于该患者在就诊前已完成螺旋CT拍摄，为避免二次放射暴露，则利用已获得的CT数据规划手术方案。与患者沟通后，考虑部分异物位置较深，为避免损伤重要解剖结构，最终选择取出右下颌角、右颊、右咬肌内、42牙根方牙槽骨表面的4枚异物，虚拟手术规划围绕右下颌角、右颊、右咬肌内3枚不易定位的异物进行。 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

1.3.1数据处理及三维重建 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

利用就诊前拍摄的螺旋CT获取DICOM格式数据后，导入Mimics软件中，选取226-3071HU（Housfield Unit）的阈值蒙板，重建头颅骨骼三维结构，由于有部分异物散在于软组织内，需要单独将其分割重建，三维重建结果如图2所示。

医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

1.3.2面罩模型生成

 

医学百科网 | YxBaike.Com

在蒙板中选择1024-3071HU阈值重建软组织，将其分割，保留右耳至鼻部的软组织（图3a）。利用包裹（Warp）工具在其表面生成厚3mm的包裹层，运用布尔运算（Boolean operation）减去其内部结构，保留皮肤外层3mm厚的包裹外壳，并对耳廓及外耳道内外壳部分作适当裁剪，即生成面罩模型（图3b）。为保证面罩应用时能稳定就位，应保留一部分耳廓及外耳道内区域，利用额部、外耳道及鼻骨等不易发生形变的区域获得相对稳定的固位支撑效果。 医学百科网 | YxBaike.Com

 

1.3.3连接部及导板设计与制作

医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

在Mimics软件中导入背后带有3个连接杆的Marker模型（图4a），运用布尔运算在面罩表面生成3个连接孔，以供Marker与面罩相连接。如图4b所示，导板一端为2个连接杆，与面罩上的导板连接孔对应，另一端为中空的定位杆，定位杆垂直于皮肤表面且指向异物所在位置，共设计3个导板分别用于指示右颊、右咬肌内、右下颌角的异物。将异物、面罩及导板等模型分别导出stl格式文件，将异物及Marker模型在Rhinoceros软件中完成缩放及坐标变换（图4c），导入增强现实外科辅助系统中备用。将面罩、Marker及导板利用光固化3D打印机打印模型。打印完成后，进行术前验证（图4d），确保面罩能够稳定就位，并在增强现实外科辅助系统中显示，然后将各模型消毒待术中使用。 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

1.4手术过程 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

1.4.1场景布置 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

常规消毒、铺巾后，将面罩固定于患者面部，保证耳廓、外耳道、额部及鼻部无明显空隙，稳定就位后调整相机角度，使术区完全暴露于相机视野内（图5a）。 医学百科网 | YxBaike.Com

 

医学百科网 | YxBaike.Com

1.4.2增强现实及导板应用

 

在移动电脑中打开增强现实外科辅助系统，即可在电脑屏幕中显示异物位置，分别将其标记（图5b）。分别连接3个定位导板，用细针头插入定位孔中，确定异物在体表的投影位置（图5c~e），并与增强现实所定位的标记点作比较，结果发现除右下颌角异物定位约有3mm差异外，另2枚异物定位无明显差异。

医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

1.4.3手术切口和异物取出 医学百科网 | YxBaike.Com

 

口内42牙根方牙槽骨表面的异物采用口内41远中、43近中沟内切口及42龈缘切口，翻瓣暴露下前牙区牙槽骨即见异物并将其取出；根据增强现实及导板指示位置，在右颊部异物所对应的口内黏膜位置做一长约1cm切口，钝性分离、探查，寻得异物后取出；右侧咬肌内及右下颌角的异物采用一长约2.5cm微创颌下切口，同样根据增强现实及导板指示的异物位置探查并成功取出（图6）。手术共历时105min，术后患者对手术效果满意，后期随访创口愈合良好，未出现手术并发症，疼痛症状消失。

医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

2.讨论 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

颌面部异物尽管一直是临床治疗中的难题，但随着技术的发展，有越来越多的方法能够实现异物的精确化治疗。X线片及CT能够有效确定异物（尤其是金属、玻璃、石块等）在组织内的位置，帮助临床医生制定手术方案，同时术中也可利用实时CT定位引导。但实时CT可能需要多次探查才能准确定位，因此会导致手术创伤的增大，甚至多次手术，增加放射暴露的风险，对非金属异物的识别效果也不尽如人意。 医学百科网 | YxBaike.Com

 

医学百科网 | YxBaike.Com

超声也是定位异物的工具之一，针对非金属异物，超声的分辨敏感性比CT更高，且不存在放射暴露的风险，但超声探头的挤压可能会造成异物的位置变化，增加手术创伤，且超声对于位置较深、解剖结构复杂、直径低于2mm的异物定位比较困难。

医学百科网 | YxBaike.Com

 

随着CAD/CAM技术的发展与成熟，导板成为了临床中有力工具之一，通过三维处理软件（如Mimics等），利用患者CT影像数据完成虚拟手术规划，并制作具有引导作用的导板，能够直观地指示异物所在位置。但导板的应用要求临床医生掌握导板的制作及打印加工方法，且对打印精度要求较高，设计不良或打印粗糙的导板可能无法使用；此外，体积大、结构复杂的导板所需的打印时间长，打印失败率也相对较高，因此可能造成术前准备时间的延长。 医学百科网 | YxBaike.Com

 

医学百科网 | YxBaike.Com

导航技术以其精确的定位特性，在颌面部异物治疗中具有良好的效果，术中通过导航显示3个轴面的实时二维图像，利用探针与光学跟踪器的相互关系实现实时定位，能较大程度提高异物取出手术的效率。但其装备昂贵，应用流程较为复杂，缺乏良好的普及性。增强现实技术作为一种新型数字化技术，能整合现实与虚拟环境，将术前规划模型通过显示装备实时呈现于术者面前，使术者能直观了解异物所在位置，精确引导手术。

医学百科网 | YxBaike.Com

 

医学百科网 | YxBaike.Com

本课题组通过比较导航与增强现实在颌面部异物治疗中的定位精确性及定位所需时间发现，二者的定位精确性无明显差异，但增强现实定位所需时间要短于导航。同时增强现实技术成本低廉，装备轻便，头盔式显示器（head mounted display，HMD）更能将相机与移动电脑合二为一，很大程度简化了装备的繁杂性，并能透过人眼直视现实场景与虚拟物体，具备深度感知能力，沉浸感强，已成为目前的研究热点。 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

由于本病例患者受伤时间长达20余年，已无明显的瘢痕及弹道可供参考，术前及术中准确的定位是手术治疗成功的关键。增强现实与导板作为辅助工具都体现出了良好的定位精确性，并在术中互相验证，进一步保障了定位的可靠性，指导手术顺利完成。二者在下颌骨表面处的异物位置定位略有不同，这可能与异物位置较深有关。 医学百科网 | YxBaike.Com

  医学百科网 | YxBaike.Com

在增强现实外科辅助系统中从不同角度观察异物时，其在皮肤表面的投影会略有不同，所以造成了视觉定位误差，这种误差会随着异物深度的增加而增大，因此需要导板辅助加以矫正，这也是目前增强现实外科辅助系统缺乏对深度信息的判别所致，后续可通过使用具备深度感知能力的摄像头或HMD设备加以改进。

 

医学百科网 | YxBaike.Com

综上，增强现实与导板联合应用能够帮助颌面外科医生在术中实时判断异物的位置，指导手术，实现颌面部异物的微创化、精确化治疗。相较于实时CT及导航技术等，其避免了术中的放射暴露，且设备经济便捷，操作方便，具有良好的临床应用价值及前景。

  医学百科网 | YxBaike.Com

来源：程杰,汤炜.增强现实联合导板治疗颌面部多发异物1例报告[J].中国实用口腔科杂志,2021,14(02):243-246+250.