《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》：Automated virtual reduction of pseudo-fractured mandibles using sex-specific statistical shape models: a proof-of-concept study
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目的：本研究开发了一种基于统计形状模型（statistical shape models, SSMs）的自动化虚拟下颌骨骨折复位框架，在十例受控伪骨折病例中评估该框架，并比较性别特异性SSMs与混合性别SSMs。方法：使用相同的对应关系估计、图谱更新和主成分分
目的：本研究开发了一种基于统计形状模型（statistical shape models, SSMs）的自动化虚拟下颌骨骨折复位框架，在十例受控伪骨折病例中评估该框架，并比较性别特异性SSMs与混合性别SSMs。方法：使用相同的对应关系估计、图谱更新和主成分分析（principal component analysis, PCA）流程，从计算机断层扫描（computed tomography, CT）衍生的下颌骨网格构建男性、女性和混合性别SSMs。将十例独立下颌骨（五例男性和五例女性）分为三个碎片并移位。复位采用协方差矩阵自适应进化策略（covariance matrix adaptation evolution strategy, CMA-ES）联合优化SSM系数和碎片变换。配对结果采用精确双侧Wilcoxon符号秩检验比较。结果：男性、女性和混合性别SSMs分别需要28、32和29个主成分达到95%累积解释方差。使用性别特异性SSMs时，平均对称倒角距离（symmetric chamfer distance）和对称均方根误差（symmetric root-mean-square error, RMSE）分别为0.712 ± 0.210 mm和0.855 ± 0.231 mm，而使用混合性别SSM时分别为0.778 ± 0.309 mm和0.937 ± 0.358 mm。尽管性别特异性SSMs的平均误差在数值上较低，但差异无统计学意义（分别为p = 0.232和p = 0.193）。每次复位运行的计算时间约为23 min。结论：该框架达到近毫米级精度，支持在受控条件下自动化虚拟下颌骨复位的技术可行性。性别特异性SSMs产生的误差在数值上低于混合性别SSM，但无统计学显著优势。临床应用于前需更大验证队列和真实骨折研究。
下颌骨骨折治疗中，准确复位与坚强固定对功能（尤其咬合）和面部美学至关重要。传统开放复位内固定（open reduction and internal fixation, ORIF）需显露并松动骨折、以颌间固定（maxillomandibular fixation）暂时稳定咬合，并术中弯制接骨板；该流程依赖术者判断和经验，可能导致复位精度与可重复性不一、手术时间延长。基于CT的三维（three-dimensional, 3D）成像和虚拟手术规划虽可显示碎片关系与复位目标，但分割、碎片分离和对齐仍多需手动，耗时且技术要求高；对侧镜像（contralateral mirroring）常作解剖参考，但当对侧解剖受累或明显不对称时不适用，限制自动化复位。统计形状模型（SSMs）以均值形状和主成分表达人群形状变异，可从群体信息估计患者特异解剖；已有研究将其用于骨盆、髋臼、长骨、牙根、眶底和中面部。研究人员因此开发基于SSMs的自动化下颌骨复位框架，在十例受控伪骨折病例中评估，并比较性别特异性与混合性别SSMs。研究人员开展单中心回顾性概念验证方法学研究，经Tokai University伦理批准，回顾性收集Tokai University Hospital, Japan于2021年1月至2024年3月31日的颌面部CT；纳入18–65岁，排除下颌骨骨折、畸形、病理性骨病变、严重金属伪影或广泛牙缺失者。最终队列289例（178男、111女），10例（5男、5女）用于伪骨折验证，279例（173男、106女）用于训练。研究表明该框架在受控条件下达到近毫米级精度，支持技术可行性；性别特异性SSMs误差数值较低但无统计学显著优势；临床前需扩大验证和真实骨折研究。
关键技术方法：样本为Tokai University Hospital, Japan（2021年1月至2024年3月31日）回顾性颌面部CT队列，最终289例，279例训练、10例验证。对CT下颌骨网格以贝叶斯相干点漂移（BCPD，非刚性配准）建立对应、迭代更新图谱并行主成分分析（PCA），构建男性、女性和混合性别SSMs；对10例验证下颌骨行两处平面截骨成三碎片并移位生成伪骨折；以全局和局部迭代最近点（ICP，点云配准）初始化，用协方差矩阵自适应进化策略（CMA-ES，无梯度优化）联合优化SSM系数与碎片刚性变换；以对称倒角距离和对称均方根误差（RMSE）评价，精确双侧Wilcoxon符号秩检验作配对比较。
研究结果：
1. 研究人群与数据集（Study population and datasets）：通过回顾性收集与筛选，得到289例队列；10例独立病例用于伪骨折验证，279例用于SSM训练。
2. SSM构建结果（SSM construction outcomes）：通过同一对应估计、图谱更新和PCA流程构建模型，男性、女性和混合性别SSMs分别需28、32和29个主成分达到95%累积解释方差。
3. 伪骨折模型自动复位性能（Automated reduction performance on pseudo-fracture models）：通过10例伪骨折模型自动复位，每次约23 min；男性病例平均对称倒角距离和对称RMSE为0.635 ± 0.111 mm和0.769 ± 0.127 mm，女性为0.788 ± 0.268 mm和0.942 ± 0.293 mm；总体为0.712 ± 0.210 mm和0.855 ± 0.231 mm。
4. 定性评估（Qualitative assessment）：通过代表性病例和固定尺度表面距离图比较，复位下颌骨总体重现下颌体、升支、髁突区域和整体轮廓。
5. 性别特异性与混合性别SSM比较（Comparison of sex-specific and combined-sex SSMs）：通过同一10例配对比较，混合性别SSM的平均对称倒角距离为0.778 ± 0.309 mm、对称RMSE为0.937 ± 0.358 mm；混合性别减性别特异性平均差分别为0.067 mm（Bootstrap 95%置信区间 ?0.011至0.148 mm；p = 0.232）和0.082 mm（?0.008至0.180 mm；p = 0.193），差异无统计学意义；性别特异性SSMs在6/10例（倒角距离）和7/10例（RMSE）误差更低。
讨论部分总结：该概念验证研究的主要发现是，联合优化SSM系数与碎片刚性变换可在无完整患者特异几何时提供统计学复位目标，并在受控伪骨折中达到近毫米级表面一致性。与主要依赖可视化、术前规划和术者操作的方法相比，该框架同时估计患者自适应目标形状并在单一优化中定位多碎片；对侧镜像需可靠未受累解剖，不适用于双侧骨折或既有不对称。受控设计中完整下颌骨作为真值，但简化截骨不能代表临床骨折复杂性，表面距离指标不能评估咬合、髁突位置、生物力学稳定性或患者结局。性别被预先选作分层变量，因数据中可得且已有下颌骨性二态报道；性别特异性模型误差数值较低但每亚组仅5例，属探索性。镜像增强仅用于平衡左右形态、减少图谱和PCA构建中的方向偏倚，并非以个体对侧解剖作复位模板。每次约23 min适合离线术前规划，不适合时间关键术中；计算负担主要来自CMA-ES反复评估倒角距离目标。部分病例仍有局部间隙或碎片穿通，因当前距离目标未显式约束物理接触、碰撞避免、非相交、咬合、髁突定位或骨折面匹配。复位复合体为患者来源碎片的优化配置，SSM估计形状为连续群体解剖参考，可能支持复位目标可视化、术前接骨板设计和患者特异导板设计；临床转化需真实骨折验证、自动碎片分割及碎片界面、咬合和髁突位置评估。局限包括每性别验证例数少、伪骨折仅两平面截骨和三碎片、未纳入年龄/种族/牙列/萎缩/咬合/髁突因素、优化计算密集且缺乏接触/碰撞/生物力学/咬合/骨折面约束、单中心回顾性需外部验证。
研究结论：在这项受控概念验证研究中，基于SSM的复位在十例伪骨折模型中达到近毫米级精度。性别特异性SSMs产生的误差在数值上低于混合性别SSMs，但无统计学显著优势。临床应用于前需更大验证队列、真实骨折评估并纳入临床相关约束。
