作者姓名：孙 坚
作者单位：上海交通大学医学院附属第九人民医院·口腔医学院口腔颌面-头颈肿瘤科，上海市口腔医学重点实验室，上海 200011
电子信箱： jianjian60@yahoo.com； sunjian1960@yeah.net
随着数字化技术在现代医学中的广泛运用、渗透和交融，涌现出了极具创新性的医学分支学科——数字医学（digital medicine）。简而言之，数字医学是运用先进的计算机、数字化手段对临床医学进行新的探索和创造，主要包括对原有医疗技术进行辅助实施以及为达到更加可靠和精确的诊断、更加有效和准确的治疗而提供全新的数字医疗技术［1-3］。其中，与外科领域关系最密切的是我们常提及的计算机辅助外科（computer aided surgery 或 computer assisted surgery， CAS）。本文结合笔者的经验，就CAS的基本原理、相关技术及其在口腔颌面外科中的应用现状等做一简要介绍。
1 CAS的基本原理
CAS是一种基于计算机对大量数据信息的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为外科医生从技术上提供支援，使手术更安全、更准确的一门新技术。计算机可将诸如CT、MRI、DSA、PET等所提供的图像信息进行三维图像重建，以供外科医生进行直观的手术模拟、精确的手术导航和手术定位，并制订合理的手术方案［4］。由于这些图像信息准确可靠，也常被用于手术机器人等在手术中接受指令并进行操作。CAS在术前手术规划、个体化手术器械或治疗辅助工具的开发与临床应用、个性化植入假体置换手术以及手术导航等方面的成功应用，有力推动了外科临床治疗向个性化、精确化、微创化和远程化的方向发展。
CAS主要有以下目标：（1）获取多种影像信息，以提高诊断水平；（2）多模图像配准、定位有利于手术的精确性；（3）制定手术方案， 选择最佳手术路径， 进行手术模拟；（4）依靠术中图像信息， 借助导航系统， 执行预定的手术方案；（5）完成手术医师难以触及或无法用肉眼看到的组织器官的手术操作， 并替代医务人员进行较危险的操作［5-6］。
CAS通过术前模拟、术中导航、术后评价，有着与传统外科无法比拟的优势：（1）减少手术创伤，使部分大手术变小，减轻患者的痛苦，缩短住院和术后的康复时间，降低医疗费用；（2）手术更安全、手术精度高；（3）改变手术观念，使以往不能治疗或治疗困难的疾病能够治疗和治愈；（4）减少输血比率和输血并发症；（5）减轻医护人员和患者的负担；（6）降低传染病等感染医护人员的风险［5-6］。
2 CAS在口腔颌面外科中的应用现状
目前在临床上主要涉及的CAS技术包括：计算机辅助设计与制造（computer aided design / computer aided manufacturing，CAD/CAM）技术、虚拟手术、手术导航技术和机器人技术等。以下将介绍这些相关技术及其在口腔颌面外科领域的应用。
2. 1 CAD/CAM技术 CAM技术是通过对CT、MRI图像中不同密度的组织，选择不同的窗位，根据体素（voxel）堆积成像的原理，建立骨骼硬组织或软组织三维图像模型，并通过CAD软件驱动计算机数控机床（computer numerical control milling， CNCM）生产出不同材料的三维实体模型。CAD/CAM技术的临床基本过程包括：患者数据准备、医学图像处理、三维重建、CAD设计、原型制作、有限元建模［7］。
CAM技术在口腔颌面外科中的应用主要在肿瘤外科和创伤外科领域。在口腔颌面-头颈肿瘤外科中，可以直接利用CAM技术制作出上、下颌骨的切除模板和生物材料的颌骨植入体，并使切除模板的固定板与植入体的连接板完全一致，从而保证手术的精确性。另外，还可以通过CAM技术制作非植入的颌骨模板，引导血管化移植骨瓣的塑形、定位和固定等过程，具有个体化、直观、准确的特点，能够减少手术时间、提高修复效果。笔者自1999年起，率先在国内采用CAD/CAM技术指导的上、下颌骨重建，积累了丰富的经验；至2009年共完成CAD/CAM技术指导的上、下颌骨重建127例，其中上颌骨重建46例，下颌骨重建81例，均取得了满意的效果［8］。目前，对于颌骨缺损还可通过CAD/CAM技术设计并制作出与缺损颌骨一致的植入体或膺复体，进行上、下颌骨缺损的修复。在颅颌面后天性缺损畸形的治疗中，计算机三维成像系统结合CAD软件，可对患者的三维图像模型进行分析、测量和手术模拟，并可将所获信息通过CAM技术还原为实体模型，进行实体分析、预制钛板等，在缩短手术时间的同时，也提高了手术成功率。
2. 2 虚拟手术 虚拟手术（virtual surgery，VS）是利用各种医学影像数据和虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，并在实际手术过程中引导手术，以及术后评价比较手术效果的新兴技术，是计算机辅助外科的一种形式。
VS是建立在虚拟现实（virtual reality）和增强现实（augmented reality）基础上的。所谓虚拟现实是指把现实中不存在的东西，真实地感触到；而增强现实是在实物的图像上增加现实的（或不可视的）信息，是基于图像信息而构成且位置与现实吻合的假设空间。利用计算机代替医生进行手术方案的三维构思一方面比较客观、定量；另一方面相关信息可供整个手术小组共享，结合CT、MRI等三维图像，就可与手术小组成员进行人机交流，在虚拟的空间（virtual space）进行三维手术模拟，从而制订出较为完善的手术方案。如果所设想的空间能够与现实的空间（患者的术野）及位置正确对应，在手术中就可随时以此作为参考，达到虚拟现实和增强现实的统一。VS能够在很大程度上弥补传统手术中医生完全依靠主观的临床经验和外科技能进行手术方案的制定和实施手术，从而提高手术的精确性和质量，缩短手术时间［5-6］。
虚拟的现实系统不仅对手术起到极大的辅助作用，还有助于手术教学训练和进行远程医疗，为培训外科医生的手术操作提供了理想的平台。受训者可在虚拟手术系统上反复观摩外科专家的手术过程并重复演练实习，为受训者提供了极具临床真实感的训练环境。这种在虚拟环境中进行的手术操作接近现场，又不会发生严重的意外，能够缩短外科医生的培养时间并获得实际手术中的手感。此外，虚拟的现实系统还可用于内镜、血管造影和护理技术的训练。在远程医疗中，专家或顾问医师通过虚拟系统甚至遥控操纵仪器，指导和帮助医疗操作以及提供实时支援，突破了以往的时域和空间的限制，促进了医疗效应的最大化，随着这些相关技术的完善，VS将得到极大的推广［5-6］。
VS包括4个步骤，即制定手术计划，制作各种手术导板，辅助手术、再现计划，术后效果评估。目前VS在口腔颌面外科临床应用主要有以下4个方面。
2. 2. 1 计算机辅助种植体种植 常规在种植前种植体的植入部位是依靠二维的全景片进行设计，术前无法评价颌骨颊舌向的实际骨量，因此，术中经常发现颊舌向牙槽骨过窄或牙槽突顶凹陷，从而无法放置种植体。然而，随着基于现代牙CT的牙种植设计系统的出现，为解决种植体术中与术前设计不一致提供了有效方法。该系统可提供三维图像、全景图像和垂直于颌骨长轴的断层图像等3种图像，它不但能直接显示颌骨的解剖外形、大小和余留牙的情况，而且无放大及变形，特别是可用来直接测定骨量、种植体的大小、植入角度等。因此，通过软件三维重建所提供的立体影像不存在重叠，并可直接测量牙槽突的厚度和颌骨的高度，进而参照邻牙和对颌牙的位置来选择最佳的种植体植入点和植入轴向。应用VS软件，在计算机的虚拟空间中，按照所选择的种植体最佳植入点和植入轴向，模拟手术而植入数字化的种植体，随后根据虚拟手术的结果制作引导种植体植入的导板。实际手术时，在种植导板的引导下植入种植体，可保证种植体的成功正确就位。
2. 2. 2 计算机辅助颌骨畸形或创伤的矫正 计算机通过相关软件对颅颌面骨进行虚拟切割和移动，使各种截骨术在计算机三维图像中得以模拟实施，从而为某些复杂的颅颌面畸形或创伤手术提供手术模拟，这不但有助于医生修订合理的手术方案，而且可以在虚拟空间进行手术演练和预测手术效果。针对各类颌骨畸形或骨折通过VS来确定最佳的上下前后左右的移动距离等相关的数据，并根据VS的结果制作颌骨的各种截骨导板和骨折复位导板，来引导术中截骨或骨折块复位移动的位置、方向和角度，从而合理精确直观的矫正颌骨畸形。当然，术者也可在术中借助于手术导航系统完成相同的手术，并达到相似的结果。
2. 2. 3 计算机辅助颅颌面骨肿瘤等病变的切除和骨缺损的重建 计算机通过相关的软件系统，对颌骨的三维重建图像采用轮廓、线框和不同亮度、透明度等形式充分显示颌骨的病变范围，并提供颅颌面骨切除的手术模拟，设定颅颌面骨切除的范围和截骨线。与颌骨畸形矫正一样，VS可帮助医生制订合理的手术方案，在虚拟空间进行手术演练和预测手术效果。根据VS的结果制作颅颌面骨切除的截骨导板，来引导术中截骨的位置、方向和角度，以保证实际手术的效果与VS一致。同时，对于各种颅颌面骨的缺损，计算机可以根据医生的需要，模拟骨缺损的重建手术。计算机通过将供区骨与受区骨（或缺损骨的镜像）进行匹配比较，来选择最适合用于重建的供骨移植区域；并能模拟移植骨的切取、塑形和固定，设定移植骨塑形时截开的骨段数量、截开的位置、方向和角度，并确定钛板固定和模拟种植体植入的位置。根据VS的结果制作移植骨切取、塑形和固定的相应导板，以确保医生能够在实际手术中重复虚拟手术的过程，从而帮助医生完成精确的颅颌面骨切除和重建手术。
笔者自2009年起应用医学图像处理软件进行上、下颌骨重建的术前VS计划，在术前选择形态与缺损颌骨精确匹配的供区腓骨或髂嵴部分，对腓骨肌皮瓣和髂骨肌瓣的制备塑形进行了精确地预测引导，术中用根据VS计划结果制作的各类导板引导手术，可以简化颌骨重建的手术操作方法。术后的三维CT影像和手术结果与VS计划的对比均证实，术前的VS计划得到了精确地实施，颌骨位置和形态良好，患者对术后效果十分满意［9-11］。术前应用VS计划进行供受区的自动匹配选择，一方面可以简化血管化骨肌（皮）瓣重建颌骨的手术操作，从而缩短手术时间以及血管化骨肌（皮）瓣缺血时间，减少移植骨的创伤和骨量损失，降低供区并发症；另一方面也提高了颌骨重建的精确性，获得了更为理想的颌骨外形和空间位置，为种植体植入乃至功能性颌骨重建创造了良好的条件。自2009—2013年，笔者共用VS辅助颌骨精确重建78例，其中上颌骨27例，下颌骨51例，成功率100%。我们发现，VS辅助颌骨精确重建具有模拟逼真、预测性强、精确度高、重复性好的特点，其优点在于术前可视化设计手术计划、术中引导精确完成手术计划、评价术后效果与手术计划的一致性。
2. 2. 4 手术效果的评价 计算机通过扫描获得术后器官或组织的三维形态，将其数据与术前模拟手术的数据相比较，以检验实际手术是否与术前的模拟评价相一致，可以评价手术效果，并为以后的手术提供指导，提高手术结果的预测性。随着计算机技术的不断发展，今后的研发重点应该提高术前由计算机在虚拟环境中的主动设计手术能力，合理提出最佳的切骨线和骨块的移动方向、角度和距离，为外科医生提供多种选择，并经外科医生检验修改后进行效果评价。
目前，VS的缺点是虚拟手术的整个过程较复杂、费时，必须经过训练的专业操作人员才能顺利完成；根据VS结果制作立体模型和各种手术导板需要花费一定时间，且费用较高；当实际手术情况与术前VS计划不符时，需要术者进行有效的调整，并且调整的难度较大；重建的上、下颌骨在矢状位上的空间关系有时仍有误差，或重建的实际位置与术前计划有差异；下颌支和髁突重建时，实际位置与术前计划往往有差异；口内进路或小切口颌骨重建时较难精确实施术前计划［12-13］。
2. 3 导航外科 手术导航的概念最早起源于“立体定向神经外科技术”（stereotactic neurosurgery），它是一个利用解剖影像和定向仪将手术工具脑内特定靶点提取组织标本，损毁病灶和去除病灶的过程。口腔颌面外科则运用其原理对颅颌面种植和畸形手术矫治、颌面部复杂骨折的复位以及复杂解剖区域的高风险肿瘤切除手术进行立体可视化的术中定位操作，能获得传统手术无法比拟的效果，有效降低手术创伤，最大限度地保留患者的功能和外形［14-15］。
手术导航系统的基本组成是前面提到的虚拟现实技术和定位跟踪系统。定位跟踪系统是连接手术区域、手术器械和医学图像的桥梁；是确定目标空间位置的系统。目前所采用的定位方法主要有光学定位法、机械定位法、超声定位法和电磁定位法。其中，光学定位法是目前应用最普遍和精确度最高的方法，但在实际应用中多采用将2种或3种基本方法组合的混合定位法，以弥补其各自的缺点。
在口腔颌面外科中，手术导航技术可用于：（1）手术区病变和解剖结构的定位（如异物、肿瘤、骨骼等）；（2）设计引导手术进路；（3）对颅颌面骨骼进行精确的三维重现；（4）术中对重要器官和结构识别和保护；（5）有效控制肿瘤手术的切除边界；（6）种植体位置和轴向的确定；（7）移植骨或植入物的形态和空间位置的检验和调整。Lübbers等［16］建议在口腔颌面外科手术中应用导航技术的适应证见表1。随着手术导航技术在口腔颌面外科中应用范围的不断扩大，医生在术中借助手术导航技术，可提高对复杂解剖区域的空间定位能力和改善手术效果，事实上为肿瘤手术、缺损修复和截骨术创造更好的条件和视野。因此，从理论上为肿瘤切除、缺损修复重建和颅颌面畸形矫正手术提供了可靠的依据。笔者自2012年起，应用VS结合术中导航辅助下颌骨精确重建，到目前共完成此类手术15例，成功率100%。我们发现，VS结合术中导航的优点在于辅助颌骨的三维精确重建并验证空间关系、校正虚拟手术计划和实际手术中的误差、即刻评价手术效果。
从口腔颌面外科的角度来看，理想的术中导航系统应具备以下特征：（1）应用广泛，容易掌握，便于操作；（2）术中导航精确度应控制在1～2mm；（3）具备自动校正和调整功能，并对精确度进行监控；（4）器械位置的实时虚拟化显示，并在虚拟环境中相对应，手术计划和手术模拟相结合；（5）手术台上占据的空间最小，进入手术野没有阻碍，允许随意移动患者和器械；（6）直接与内镜、钻、锯等手术器械耦合；（7）简便简化计算机操作；（8）具备语音识别功能。
2. 4 机器人外科 机器人外科（robotics surgery）是通过精确的定位及计算机运动控制技术替代或帮助外科医生完成相应的高难度、高风险手术，诸如心脏、肝脏和颅脑等脏器的手术，是目前最具人机交流能力的高智能产品。它可通过机器人手术臂部分替代人手完成许多复杂的外科手术，而且机器人辅助系统还可与内镜连接，将术中实时图像和机器人定位坐标同时提供给外科医生，同时医生也可进行远程控制指导，通过计算机指令驱动机器手在内镜系统以及传感遥控系统下按术前设计好的手术步骤精确完成精确度要求较高的外科手术。机器人技术与手术导航技术的区别在于施术者的不同，前者是通过机器人手术臂来代替外科医生的手完成手术，而后者则是外科医生在手术导航系统的协助下来完成手术。
口腔颌面外科的机器人技术主要应用范围应包括：（1）切除和截骨时能智能化地保护邻近组织的重要结构；（2）根据手术预定方案对颅颌面骨进行切割和成形，并将骨块精确移位和固定；（3）正确引导种植体的植入部位、轴向和深度；（4）根据术前三维重建图像预制支架系统，在术中准确自如的放置于预设位置并加以固定；（5）完成口咽部、咽旁等深部区域的肿瘤切除；（6）近年来，国外有用机器人完成颈淋巴清扫、口腔内缺损的修复和显微外科血管吻合的报道［17-18］。
目前，临床上使用最多的是Intuitive Surgical公司生产的da Vinci手术机器人系统，主要包括3个系统，即医生操作系统、床房机械臂手术系统和视频处理系统。其特点是高清晰三维视野、高度的精确性和灵活性、良好的可操控性、模仿人手功能、自动滤除震颤并超越人手的极限，使得手术效果明显改善。已使用过这种手术机器人系统的学科包括泌尿外科、肝胆外科、心胸外科、骨科、耳鼻咽喉科、妇产科、神经外科和腹部外科等。国外已有应用da Vinci手术机器人系统进行头颈肿瘤切除手术的报道。Genden等［19］报道了应用da Vinci手术机器人对20例包括口腔癌、口咽癌、下咽癌及喉癌的早期头颈癌进行手术治疗的结果，除2例无法充分达到手术部位而终止外，其他18例手术切缘阴性，术中、术后无并发症发生。
总之，CAS的技术还在不断发展，临床适用范围也在进一步扩大。通过运用计算机辅助外科，可以优化手术方案，提供术中实时导航，提高手术的精确性和质量，使外科手术变得更为完美而富于严格的手术程序，从而降低手术危险性［20］。未来的计算机辅助口腔颌面外科系统应涵盖术前诊断、手术设计、实施手术、手术效果评价及术后随访复查等所有的治疗阶段。尽管目前的CAS各项技术仍有种种不足，但已经在临床上被成功应用，并使患者和医生受益；同时，外科医生可以进一步降低职业风险。随着CAS技术的日益成熟，相关技术的完善和发展，以及人们对其认识的日益加深，将使手术危险和时间明显减少，降低患者和医生以及社会的压力。当然，CAS的目标将是设计尽可能简单和容易掌握的实用操作系统，它将推动计算机辅助口腔颌面外科更为广泛的临床应用，这无疑将是口腔颌面外科以及其他外科领域的福音。
参考文献 略
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