Le Fort III型牵张成骨术中虚拟手术规划的准确性：一项对计划结果与实际结果的三维评估

《Journal of Craniofacial Surgery》：Accuracy of Virtual Surgical Planning in Le Fort III Distraction Osteogenesis: A 3-Dimensional Evaluation of Planned and Achieved Outcomes

　　

综合征性中面部发育不良可通过Le Fort III截骨术进行治疗。三维规划工具和切割导板有潜力促进Le Fort III截骨术和牵张向量的设计，预见潜在挑战，并减轻不良事件。本研究旨在评估用于外固定架牵张成骨的Le Fort III截骨术中3D打印切割导板的准确性，并确定制造这些切割导板的相关挑战。方法：手术室中采用3D打印超眶参考杆实施虚拟规划，该参考杆包含用于预定截骨导板的拼图式连接。这一设计已进行了广泛讨论。各种系统已被引入以促进牵张向量的转移和外部中面部牵张器的定位。使用标准化方案比较术前和术后影像，验证了截骨切口的精度、框架的放置和牵张向量。结果：使用5个病例验证了规划过程以及随后将虚拟规划转移到手术室。总体误差范围约为术前规划所用CT扫描体素大小的1.2倍。结论：三维规划工具和切割导板促进Le Fort III截骨术的设计和牵张向量的确定。实施3D打印超眶参考杆可确保手术计划精确转移到手术室。

自从上个世纪描述了计算机辅助规划和虚拟手术的价值以来，越来越多的集成数字工作流程已被描述用于治疗颅缝早闭、复杂颅面缺陷或畸形、眼距过宽矫正以及下颌牵张。在计算机辅助规划完成后，切割导板和手术辅助工具通过3D打印将虚拟规划转移到患者身上。然而，关于中面部推进术临床应用实施的报道仅是轶事性的。

综合征性中面部发育不良可通过Le Fort III截骨术进行治疗。该干预措施由Harold Gillies于1941年首创，并由Paul Tessier标准化用于各种颅面异常的外科治疗。牵张成骨的引入减少了中面部推进手术围手术期和术后并发症。然而，关于能提高Le Fort III截骨术手术准确性和改善外科医生舒适度的技术辅助工具的数据有限。三维规划工具和切割导板可帮助设计Le Fort III截骨术和牵张向量，预见可能的困难，并避免不良事件。

本研究旨在确定常规使用三维规划工具和3D打印切割导板在外固定架牵张成骨Le Fort III截骨术中的准确性。

方法

研究人群

该回顾性研究包括2017年4月至2019年6月在巴塞罗那圣乔安·迪·德儿童医院（西班牙）和安特卫普大学医院（比利时）接受Le Fort III截骨术及后续牵张成骨术以矫正综合征性中面部发育不良的所有患者（n=5）。

Le Fort III截骨术和牵张向量的虚拟规划

基于术前（低剂量）CT，为每位患者进行了虚拟规划，包括截骨设计和牵张向量。使用Timeus软件（西班牙马德里Ortosan实验室）结合Osteoplac（西班牙唐奥斯蒂亚-圣塞巴斯蒂安）进行CAD/CAM辅助手术规划。

Le Fort III截骨术的标准化规划

为简化数字工作流程，减少异地医疗规划团队的工作量，并降低术前耗时的网络研讨会次数，我们旨在标准化所有Le Fort III截骨术。此外，标准化将有助于避免常见的手术陷阱，并可能降低并发症发生率。

（a）额颞缝：上部外侧截骨部位由眶缘最后退的侧点确定，当患者面向法兰克福平面时。水平截骨部位（约1厘米）与牵张向量平行，以在牵张结束时最小化眶部外侧上部的间隙（图1A）。

（b）眶外侧壁：确定下眶裂。眶外侧壁截骨为直线形，旨在止于下眶裂的前部（图1B）。

（c）翼上颌接合处：翼上颌接合处翼突的理想截骨线位于牙胚后方，并且在可能的情况下位于眶外侧壁截骨的延长线上。这使得眶外侧壁的切割导板可以兼作翼上颌接合处截骨的导板（图1C）。

（d）眶内侧壁：眶内侧壁截骨以钝角进行，避开泪囊的内眦区域（图1D）。

（e）鼻骨和鼻中隔：鼻骨截骨从眶缘最后退的侧点开始，当患者按法兰克福平面定向时。从该点开始，设计一条直线截骨朝向鼻后棘上方5毫米处的一点，同时与筛板保持安全距离。由于颅面异常，患者的前颅底可能较短，并可能向下膨隆。确定精确的截骨长度（图1E）。

图1：Le Fort III截骨术在额颞缝（A）、眶外侧壁（B）、翼上颌接合处（C）、眶内侧壁（D）以及鼻骨和鼻中隔（E）水平的标准化。

切割导板的设计

为眶部手术设计切割导板可能具有挑战性，因为眼眶呈椭圆形，这使得导板的稳定定位变得复杂。设计了一根3D打印的超眶参考杆。超眶位置确保了稳定性并因广泛的骨面接触而提高了精度。导板根据患者额颞解剖结构的预研究深度，临时固定六枚1.5毫米自钻自攻骨合成螺钉（KLS Martin，德国图特林根）。所有其他切割导板通过拼图连接连接到此参考杆上，并指示预定的眶部、鼻部、鼻中隔和翼上颌截骨切口（图2A-B）。所有导板均使用透明MultiJet塑料（VisiJet M3 Crystal，3D Systems，美国南卡罗来纳州洛克希尔）打印，也可以使用1.5毫米自钻自攻螺钉固定。

图2：（A-B）所有切割导板通过拼图连接连接到超眶参考杆上，并指示预定的眶部、鼻部、鼻中隔和翼上颌截骨切口。

预定牵张向量的转移

为确保外固定架（刚性外牵张器RED II，KLS Martin，德国图特林根）的正确位置并转移预定的牵张向量，开发了多种转移方法。

（a）面弓法：设计了一个由4个部件组成的三脚架结构：一个环抱RED框架水平部分的水平部件，一个支撑在印堂和鼻梁上的支撑面，以及两个延伸至每个耳甲腔的垂直臂（图3A）。

（b）咬合导板：3D打印了一个以牙列支撑的咬合导板。在气管切开的患者中，导板也可以包括下颌牙列。一个延伸部分指示预定的牵张向量。在延伸部分的最前部，一个与RED框架垂直部分配合的套筒指示了框架的正确三维定位（图3A）。

（c）患者特异性底板：在1例患者中，由于双侧顶骨大缺损，与KLS Martin（德国图特林根）合作开发了患者特异性钛底板。因此使用了一新版本RED框架。使用与超眶参考杆相互连接的 手术导板来定位患者特异性底板（图3B）。底板的位置决定了后续外RED框架和预定向量的位置。

图3：为确保外固定架的正确位置并转移预定的牵张向量，设计了多种转移方法（A）。面弓法结合咬合导板如图（B）所示。

手术操作：Le Fort III截骨术

在所有病例中，Le Fort III截骨术均采用冠状入路进行，如前所述。

导板准确性

通过对术前CT扫描和牵张结束时CT扫描进行全局阈值处理获得颅骨的表面渲染3D模型。由于牵张后的中面部与颅骨其余部分之间形成间隙，可以容易地将中面部从分割中移除。在这里，我们获得了截骨的清晰视图。这些表面渲染的3D模型最初使用3点匹配进行表面匹配。进行局部最佳拟合以进一步减小两个表面渲染3D模型之间的距离。使用GOM Inspect软件（GOM GmbH，德国布伦瑞克）进行表面匹配和3D数据集的分析。

眶外侧和眶内侧截骨、翼上颌截骨和鼻中隔截骨通过选择相同区域分别进行分析。对于眶外侧和翼上颌截骨，选择是光束状的。光束方向与截骨方向平行，并包含截骨表面（图4A）。对于眶内侧区域、鼻骨和鼻中隔的分析，首选球形选择区域（图4B）。对于鼻中隔截骨准确性的分析，球形选择仅限于鼻后棘区域。计算最终3D模型上每个多边形点到计划数据的垂直距离。软件在术后3D模型的副本上以颜色图显示偏差。偏差分析提供最大和最小偏差值以及均值及其标准差。此外，结果可以分箱以获得代表特定区间偏差的百分比面积直方图。

图4：所有截骨通过选择相同区域分别进行分析。对于眶外侧和翼上颌截骨，选择是光束状的。光束方向与截骨方向平行，并包含截骨表面（A）。对于眶内侧区域、鼻骨和鼻中隔的分析，首选球形选择区域（B）。

结果

在该前瞻性研究的时间段内（2017年4月至2019年6月），2例女性Crouzon患者（8岁和12岁）和2例男性患者（9岁Pfeiffer和12岁Crouzon）在巴塞罗那圣乔安·迪·德儿童医院接受了手术，1例女性Pfeiffer患者（5岁）在安特卫普大学医院接受了手术。除第一例（放置切割导板耗时35分钟）外，所有病例的放置和移除切割导板的总时间约为10至15分钟。术后未观察到不良反应。我们在术后第1天或第2天的CT扫描中未报告牙胚脱位。一名患者在术后第一天右小腿发生骨筋膜室综合征。虽然不幸，我们认为这一并发症与使用切割导板无关，因为需要进行紧急手术。

牵张在术后第六或第七天开始，以每天两次0.5毫米的速率进行。牵张结束时未观察到脑脊液漏。所有患者均报告泪液引流系统功能正常。

导板准确性

每位患者的眶外侧、眶内侧、翼上颌和鼻中隔截骨的准确性显示在补充表1中，补充数字内容1，https://links.lww.com/SCS/K15。各截骨部位之间未发现平均准确性的重大差异。所有平均差异均小于1个体素。总体准确性是通过添加不同选择区域获得的。在所有患者中，均值均低于术前规划所用CT的体素大小。然而，由于各截骨部位和受试者的误差较低，进一步分析了标准差与扫描的关系。

预定牵张向量转移的准确性

图5A至E显示了每位患者的术前规划在术后即时CT扫描上的叠加显示（术后第1天）。这表明了每个病例的转移准确性改进，因为不同的系统分别测试然后组合使用。我们首先使用面弓导板（图5A），但向量的转移伴有增加的反时针旋转。我们测试了咬合导板（图5C），导致反时针旋转进一步增加。面弓和咬合导板的组合提供了满意的预定向量转移，如图5D至E所示。不出所料，患者特异性底板由于与超眶框架相互连接的定位导板而完美地转移了预定向量（图5B）。

在几乎所有病例中，在至少8周的巩固期结束时，均检测到外固定架出现了顺时针旋转增大的现象，如图5F所示。

图5

术前计划（灰色）被投影到术后第一天（蓝色）的CT扫描上，展示了不同的转移系统：面弓法（A）、患者专属足板（B）、使用咬合导板进行转移（C），以及面弓法与咬合导板的组合（D、E）。在几乎所有病例中，在至少8周的巩固期结束时，均检测到外固定架出现了顺时针旋转增大的现象（F）。将术后即刻的CT（灰色）投影到巩固期结束时的CT扫描（蓝色）上，展示2例病例的结果。

讨论

虚拟手术规划和CAD/CAM技术在正颌手术中已被常规使用，针对颅缝早闭手术矫正的众多应用也已发表。然而，关于面中部推进术的实施报告仅为个案描述，且尚未发布过一致性的病例系列。据我们所知，尚无任何手术导板被描述用于执行鼻中隔截骨术，而前颌区牵张病例中切割和定位导板的准确性已得到验证。

本文提出了一种标准化的规划方法，并证明使用Le Fort III截骨导板是安全且准确的。它有助于避免在可视性较差的截骨区域（如鼻中隔和翼上颌接合部）中通常出现的主要和次要手术陷阱。在这些可视性较差的区域中，截骨凿的错误轨迹可能导致颅底损伤并发脑脊液漏，或导致后颌区域牙胚脱位。

本报告显示，所介绍的3D打印切割导板的互联系统可提供准确性，其平均误差限于术前规划所用CT扫描的体素尺寸。由于其他领域（如颅缝早闭手术）的工作流程报告了类似的误差范围，我们认为该系统为这类手术提供了必要的准确性。高精度归因于较大的眶上参考杆。广泛的骨面接触，结合在眶顶上延伸2至3毫米，使得导板无需额外剥离软组织即可实现唯一就位。由于其为临时固定，因此可作为内侧和外侧导板的理想对接站。通过参考杆的拼图式连接，使导板得以做到小巧且通用。内侧导板标示出截骨线，该截骨线绕过泪囊并避免内眦剥离。外侧导板设计有台阶，用于引导直截骨凿执行翼上颌分离的上部。鼻中隔夹具设计有套筒，可完美适配厚度为2毫米的截骨凿。截骨凿沿术前计划的截骨路径引导，以避免进入腭部或颅底。截骨凿插入至预定深度，并用无菌敷贴（Steri-Strip）做标记。尽管病例系列规模较小，但在牵张结束时未报告脑脊液漏。尽管纯属个案观察，我们发现Le Fort III骨块的超上外侧边缘在牵张结束时突出程度较低。我们认为这是因为上外侧截骨面与计划的牵张矢量平行定向。这导致Le Fort III骨块的超上外侧边缘顺时针旋转减少，因为在正确定位外固定架的情况下，仅允许面内运动。

准确性分析表明，切割导板的标准化作使从第一例开始即可准确转移。外固定架定位导板的设计必须在每例术后改进，且应组合不同系统以获得可接受的转移精度。每种系统都有其不足之处，但它们似乎能相互消除对方的缺点。此前从未有报告描述在未经患者专属足板而使用外固定架进行面中部牵张病例中转移计划矢量的技术。面弓法提供大面积接触和多区域支撑，但笨重且依赖于皮肤参考点，如眉间和耳甲腔。这些皮肤参考点允许有限的移动性，如第一例中出现的错误逆时针旋转所反映的。引入咬合导板以避开皮肤参考点。尽管该导板不那么笨重且提供了更好的可视性，但它导致逆时针旋转进一步增加，因为带有牙齿参考点的Le Fort III骨块不再稳定，且在定位导板时可能受到了过度内压。我们将面弓与咬合导板及适配RED固定架垂直部分的套筒相结合。获得了正确的三维定位，表明牵张矢量的正确转移。然而，我们报告在牵张阶段外固定架位置逐渐改变，原因是存在枢转力。因此，在牵张期间持续的矢量控制并不总能保证正确转移矢量。

虚拟术前规划可能耗时，但能使外科医生正确评估颅面畸形并优化治疗方案。增加的时间投入和费用可通过更多地使用可视化、信息、指导以及文档记录来证明其合理性。上述Le Fort III截骨的标准化作为我们规划工程师的蓝图，并显著减少了交互式规划会话的数量和时长。虚拟规划仅略微增加手术时间，因为安装和移除导板的平均时间通常为10至15分钟。我们相信，从长远来看，虚拟规划和手术辅助工具将能够缩短前颌区牵张手术的手术时间，因为可以避免许多耗时的手术陷阱，并可预见可能出现的手术困难。

由于据我们所知，本研究是首个专门评估Le Fort III面中部牵张成骨中虚拟手术规划三维准确性的研究，因此没有可靠的已发表效应量可用于进行常规的先行功效计算。因此，样本量基于研究期间符合条件的治疗患者人数来确定。小样本量（n=5）构成本研究的重大局限性。负责手术规划和执行的小组也评估了截骨的准确性，从而在表面选择和偏差分析两方面引入了相当大的确认偏差风险。如前所述，初始牵张变形以及RED固定架在牵张期间逐渐顺时针旋转，可能会改变牵张矢量，即使初始定位准确也是如此。

结论

本文描述了一种用于规划手术切割导板和固定架定位导板的标准方案。通过使用3D打印眶上参考杆和互联截骨导板系统，将计划手术转移至手术室的准确性已得到证实。所提出的系统可提供准确性，其平均误差限于术前规划所用CT扫描的体素尺寸。