论文摘要
口腔颌面外科手术,尤其是正颌外科手术,主要针对面部骨性形态异常的患者,其目的不仅要改善功能,而且要恢复美观、悦人的外貌。为了获取最好的手术效果,需要在手术前选择一个最佳的手术方案。精细的手术要求外科医生与正畸医生的密切合作,以便制定出一个整合了临床检查、牙模及头影测量所获得的多方面信息的治疗计划。这需要医生能够在术前依据拟采取的术式、截骨部位、截骨量以及骨段移动的方向,预测患者术后的颜面外观及形态变化的结果,同时和患者及其亲友进行交流,再根据预测结果是否被认同最后确定和修正手术方案。多年来,术前无法预测术后面部软组织的形态变化一直是限制手术精确性的障碍。传统的方法只能通过头颅侧位片在二维空间上进行手术的设计和术后预测,预测结果不够准确。如何准确地预测术后的颜面软组织形态变化一直是临床医生关心和研究的课题之一。因此,对软组织形态变化进行逼真的预测是非常有必要的。目前已经有了应用计算机生成器官数字模型,并应用有限元分析手段来模拟手术的方法。计算机技术与医学的结合,尤其是与颅颌面外科的结合,促进了医学科学的飞速发展,在手术模拟、医学教育和培训、手术计划和术中辅助等方面都有许多应用,但寻求一种具有高度仿真性且便于临床应用的数字模型的方法仍有待于进一步探讨。本文采用三维螺旋CT扫描、三维重建、有限元手段及计算机模拟手术等方法,描述了颌面外科手术骨组织移位后面部软组织形态变化的预测方法,并建立了一种能较快速形成的患者头面部软组织有限元模型。由于在网格结构中纳入了部分面部肌肉,并根据其力学性能(各向异性、肌肉收缩的硬度)定义了肌肉及其周围结构,因而可较好地模拟肌肉运动下的面部软组织形变。这种方法形成的患者特异性头面部软组织有限元模型是适时、有效、并初步适合临床应用的。目的:创建正常人头面部软组织有限元模型,为正颌外科手术精细化提供理想的数字化工具及基础。在正常人头面部软组织有限元模型的基础上构建患者特异性头面部软组织有限元模型,并在患者特异性头面部软组织有限元模型上模拟手术,预测骨组织移位后软组织的形态变化情况。拟研究、开发和建立辅助正颌外科手术设计和预测手术效果的CAD系统。通过获取2例临床上拟行正颌外科手术的患者的医学信息并建立有限元模型,验证该系统的可行性和实用性。寻找解决颌面部手术术前难以预测术后面部软组织形态变化障碍的最佳途径。探索新的、更有效的颌面部手术的精确方法。开发正颌外科颅颌面三维立体可视化手术模拟系统,在计算机屏幕上完成正颌外科手术的实际操作过程,修订手术方案,进行医患交流并制定最佳手术方案。方法:1.应用有限元技术建立正常人头面部软组织模型的实验研究1.1正常人头面部三维螺旋CT扫描与重建选择1例发育正常、无错牙合畸形及骨性形态异常的正常志愿者1名,对该正常人的头面部进行三维螺旋CT扫描,扫描层厚/层距为0.625mm/0.625mm,获取头面部断层数据,扫描结果以DICOM格式保存。DICOM格式不能直接被有限元软件所应用,本文采用MIMICS10.01软件对正常人头面部骨组织与软组织两部分结构进行三维重建,重建间隔为0.25mm,采取自动提取轮廓与人工介入选择特征点的交互式轮廓提取方式分别构建骨组织、皮肤组织和皮下组织的三维几何模型,同时对构建的三维几何模型进行优化,最终以可直接被有限元软件所应用的STL文件格式保存。1.2正常人头面部软组织有限元模型的建立在CT扫描和重建结果的基础上,对已构建的骨组织、皮肤和皮下组织的三维几何模型采用手工划分的方式构建网格。设定颅面骨硬组织表面和边界条件,分割皮肤表面与颅面骨表面,对骨组织、皮肤和皮下组织均采用四面体(三角面片)的形式进行网格划分,采用3不同单元构成构建网格,并将6组面部肌肉纳入网格中;在网格结构中根据其力学性能对纳入的6组颌面部肌肉及其周围组织进行定义,同时应用有限元软件包ANSYS对划分的网格结构进行有限元分析,建立正常人头面部软组织有限元模型。由五位有经验的颌面外科和整形外科医生对比志愿者的外貌及CT资料,定性地分析构建的正常人头面部软组织有限元模型与志愿者外形的相似性,验证其临床实用性。探讨3种不同单元构成的网格在构建有限元模型方面的优势,为进一步构建患者特异性头面部软组织有限元模型奠定基础。2.患者特异性头面部软组织有限元模型的建立研究选择2例骨性下颌前突、拟进行正颌外科手术的患者,采用三维螺旋CT对患者的头面部软、硬组织结构进行CT扫描,并对输出的文件采用MIMICS10.01软件进行三维重建。按照最佳单元构成在患者的三维几何模型上分别进行骨组织、皮肤组织和皮下组织的网格划分。随后将构建的患者三维网格引入有限元软件包ANSYS中进行分析,导出2例患者的特异性头面部软组织有限元模型。同样由五位有经验的颌面外科和整形外科医生对比患者的外貌和CT资料,对2例患者特异性头面部软组织有限元模型进行定性的仿真分析。3.正颌外科手术的模拟及相应软组织形变的预测在构建的2例患者的特异性头面部软组织有限元模型中,按照资深正颌外科医生制订的手术方案进行手术的模拟及骨组织的移位。选定唇突点等数个软组织标志点作为软组织形变分析的基准。应用有限元软件包ANSYS以线弹性公式对这些软组织特征点位移的量及变化比率进行分析,确定骨组织移位后相应的软组织形变及其规律。由五位有经验的颌面外科和整形外科医生在2例患者的特异性有限元模型中定性地分析手术方案的可行性及精确性;根据颌面外科和整形外科医生的经验定性地分析对术后情况预测的可靠性,验证正颌外科手术中患者特异性头面部软组织有限元模型系统临床应用的可行性和有效性。结果:1.应用有限元技术建立正常人头面部软组织模型的实验研究1.1正常人头面部三维螺旋CT扫描与重建三维螺旋CT由于空间分辨率高,在头面部三维重建领域具有独特的优越性。它能一次快速地完成整个头面部医学信息的获取。本研究对正常志愿者的头面部进行扫描,共获取了465个断层。MIMICS 10.01(交互式医学图像控制系统)是可以显示和分割CT图像,对图像三维重建、渲染的交互式工具。它能完成头颅复杂曲面机构的重建,在医学领域里MIMICS软件可以用于诊断、手术计划或演习。本研究对获取的465个断层进行三维重建,分别获得了正常志愿者的骨组织、皮肤组织及皮下组织的三维几何模型,并对这3个三维几何模型进行优化,优化后的文件以STL格式保存,可直接被有限元软件应用,并进行有限元建模和一系列的有限元分析。1.2正常人头面部软组织有限元模型的建立对获取的医学信息采用手工划分网格的方式建立网格结构,其中的单元为四面体(三角面片)。通过三种不同单元构成的网格的对比,单元构成在10000至100000个单元之间的网格由于其误差较小、有限元分析计算时间适中,且便于肌肉的标记的特点,在构建有限元模型方面较其它两种单元构成的网格效果理想。本研究最终获得的正常人皮肤组织网格由36524个单元和18263个节点组成;皮下组织网格由38954个单元和19247个节点组成;骨组织网格由68722个单元和33689个节点组成。在获取的网格基础上,将对面部外形影响较大的6对肌肉纳入网格中,并以其功能不同进行了分组,并在有限元软件ANSYS中构建了正常人头面部软组织有限元模型。获取的有限元模型由65285个单元和32341个节点组成。该模型在一定程度上反映了面部软组织的生物力学性能(各向异性及肌肉的刚度),具有真实有效性,为建立患者特异性头面部软组织有限元模型创造了条件和基础。此过程需要大量手工网格划分及数学计算过程,耗时较长。应用有限元技术进行头面部软组织有限元模型的建立,对比正常志愿者的外貌和CT资料,定性分析的结果表明正常人头面部软组织有限元模型与CT扫描结果和外貌具有高度的相似性,可以在医院内/临床上推广,并可作为患者特异性头面部软组织有限元构建的基础。2.患者特异性头面部软组织有限元模型的建立研究本研究对2例骨性下颌前突患者的头面部进行扫描,共获取420个和375个断层。对获取的CT断层进行三维重建,分别获得了2例患者的骨组织、皮肤组织及皮下组织的三维几何模型,并对这3个三维几何模型进行优化,优化后的文件以STL格式保存在正常人头面部结构的网格划分和有限元建模方式的基础上,对获取的2例患者的医学信息采用手工划分网格的形式建立网格结构,其中的单元为四面体。病例1的皮肤组织网格由33686个单元和16812个节点组成;皮下组织网格由50848个单元和24990个节点组成;骨组织网格由个68690单元和33966个节点组成。病例2的皮肤组织网格由24196个单元和12092个节点组成;皮下组织网格由54038个单元和26807个节点组成;骨组织网格由61642个单元和30525个节点组成。在获取的网格基础上,将对面部外形影响较大的6对肌肉纳入网格中,并以其功能不同进行了分组,并在有限元软件ANSYS中构建了2例患者头面部软组织有限元模型。获取的病例1的有限元模型由76080个单元和37621个节点组成;获取的病例2的有限元模型由70410个单元和35009个节点组成。2个模型在一定程度上均反映了面部软组织的生物力学性能(各向异性及肌肉的刚度),具有真实有效性。两名患者的特异性头面部软组织有限元模型经五位有经验的颌面外科和整形外科医生验证与患者的外形有很高的相似性。3.正颌外科手术的模拟及相应软组织形变的预测在2例患者特异性头面部软组织模型上按照资深正颌外科医生制订的手术方案模拟正颌外科手术的截骨和骨移位,并预测骨组织移位后相应的软组织形变的情况。术后软组织的形态变化均以数据和图像两种形式输出。2例患者经手术模拟后的软组织特征点的位移最显著的是颏前点、颏下点、下唇突点及软组织B点,其次是上唇突点和软组织A点,其他标志点变化不大。应用所建立的正颌外科手术系统成功地完成了2例患者术后软组织形变的术前预测,手术模拟过程经五位有经验的颌面外科和整形外科医生验证具有很高的可靠性。软组织形变的预测与该五位有经验的外科医生的估计相符。此外,还可在该系统中对原手术方案进行修订,可取得满意的效果,具有很高的临床应用价值。结论:本实验应用有限元技术与计算机辅助颌面外科手术方法,在手工划分网格的基础上,在计算机上建立了一个能够反映部分软组织生物力学性能,包含皮肤、皮下组织并纳入肌肉组织的多层有限元模型;在正常人头面部软组织有限元模型建立的基础上构建了患者特异性头面部软组织有限元模型,同时在患者特异性头面部软组织有限元模型上进行了手术模拟和骨组织移位后相应软组织形变的预测。研究结果表明:1)本文不仅介绍了对正颌外科手术的一个完整方案的制定,同时着重于骨移位后面部软组织的形变,介绍了一种有限元模型框架,同时提供了一个可初步应用于临床的计算机辅助手术系统。2)本文提出了一个基于数个专家定性分析结果基础上的临床有效性方案。本课题为开发建立正颌外科手术模拟系统奠定了理论基础,该系统可作为临床正颌外科手术术前预测手术效果、修订手术方案的一种切实可行的方法,其临床应用效果自然逼真。3)这项技术不仅可用于下颌骨性前突患者,还可推广于上颌前突、偏颌畸形等其他骨性形态异常患者,同时还可以向颌面部复杂手术患者推广使用。在临床应用方面具有实际价值和推广意义。4)在2例临床病例中的应用均表明此模型系统可很好的适应患者外形,仿真性较高;软组织形变的预测与预期结果基本一致,可取得很好的临床效果。同时可应用于术前与患者的沟通和手术方案的修订,可在很大程度上提高正颌外科手术的精确性。可作为临床上制定和修订手术方案的有效手段。