摘 要：计算机辅助整形外科手术技术，可以帮助医生进行精确手术方案设计、模拟手术操作、预测手术效果，并可借助空间定位导航系统，实现术中实时三维可视定位，从而进行手术导航（3D Navigation），使整形外科手术更趋于精确和微创，为整形外科技术的发展开辟了一个崭新的领域。
关键词：计算机辅助；外科手术；仿真
中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2012）002-0030-03
作者简介：徐燕文（1981-），女，江苏泰州人，硕士，黄河科技学院讲师，研究方向为计算机应用；何留杰（1976-），男，河南开封人，硕士，黄河科技学院讲师、软件设计师，研究方向为计算机应用。
0 引言
整形外科是一门侧重于应用方法学手段解决形态学问题的专业学科，目前仍停留在传统的手工测量、目测估计和拓制模型式手术设计方法上，手术方案受医生个人经验、习惯等主观思维因素影响甚大，不仅效果难以预见，且具有较大的随意性与盲目性，还容易引起医疗纠纷。术前医患交流困难，缺乏直观量化的标准，而且对于日渐增多的盲目整形患者，缺乏直观有效的解释引导手段，一旦手术，效果难以更改，更凸显术前预测的重要。本文通过对计算机辅助作用的案例分析和研究，对外科手术通过计算机仿真应用做了市场评估和展望。
1 国内研究现状
目前国内计算机辅助整形外科手术与仿真研究主要集中在3个方面：①颅颌面修复；②口腔正畸；③力学仿真。
1.1 颅颌面修复
第一军医大学柳大烈教授对颅颌面修复重建的计算机辅助手术设计和模拟进行了临床应用研究。通过医学图象三维建模和三维测量的工程软件的API接口进行软件二次开发和编译，设计开发了安琪尔数字图象处理分析系统软件，系统集成了医学图像三维建模和测量功能，可通过屏幕交互式设计完成颅领面修复重建的计算机辅助测量、设计和手术模拟。其在眶距增宽症、下颌角肥大、颜面不对称畸形等病例的临床应用中取得较好效果。第一军医大学钟世镇教授在国家自然科学基金 “成人面貌修复重建的三维仿真学基础研究”(30470908)资助下，根据东方人经典美学标准，建立了一套适合东方人面部轮廓的数字化快速测量分析和诊断系统，可以在3-6分钟得到一份容貌诊断分析报告， 为临床颅颌面先天、后天畸形的整形提供标准的下颌骨数据。利用3D Doctor,3D MAX等三维建模软件建立颅面解剖的分层模型，利用Freeform雕刻刀进行虚拟仿真的手术模拟尝试。吉林大学口腔医学院顾营（导师）徐勇忠教授对颌面部表皮及骨组织表面三维重建，将重建后的颌面部三维数字化图像导入通用的3DsMax中进行处理，可简便有效地解决一些临床应用的问题。中国协和医科大学乔群教授基于逆向工程技术对体表器官仿真修复重建进行研究，应用数据转换软件和三维重建软件完成了基于DICOM标准的CT图像数据采集和三维重建，获得了颅骨模型的三维数字化曲面模型。将三维数字化曲面模型转换为STL格式后输入到激光快速成型机，制造出三维实体模型。研究通过对人体器官相应三维形貌信息进行传统方法测量和计算机辅助测量，进行精度和误差分析。最后分别对颜面部软组织畸形、小耳畸形、颅骨缺损以及乳房整形进行了临床应用研究。西北大学信息科学与技术学院周明全教授、耿国华教授，在国家自然科学基金“计算机辅助三维整形外科手术计划与预测关键技术研究”(基金编号:60573179)资助下，采用Marching Cubes算法，实现对整形部位的三维重构，手工标定特征点，通过对网格的变形表现整形效果。对虚拟手术中与骨组织切割技术相关的几种关键技术进行了研究。第四军医大学赵铱民教授，将反求工程和快速成型技术应用到颜面修复领域，分别就单侧眼眶部缺损、单侧耳廓缺失、外鼻缺损等主要颜面缺损类型进行三维仿真修复设计和个体化快速制作研究，实现了颜面部器官数字化印模的自动采集，完成缺损器官修复的三维仿真设计，并通过快速成型系统快捷地加工出器官修复体树脂模具。第四军医大学口腔医院正畸科段银钟教授，研究开发了基于CT三维重建的正颌外科诊断分析、手术模拟及术后预测系统，并将其临床实用化。该系统利用VC什6.0、VTK为工具进行开发。分为3个功能模块:基于CT影像数据的颅颌面硬软组织三维重建系统；颅颌面结构三维测量分析系统及颅颌面硬组织虚拟手术及术后软组织变化预测系统。系统在P4 3.0 GHz,1 GM DDR RAM的PC上运行，从读取CT数据进行颅领面三维结构重建到三维测量分析，给出诊断结果，然后定义切割骨块特征点，完成手术模拟，最后显示出颅颌面硬软组织术后预测结果三维图像，总共需要运算时间3分钟左右。与其他的系统相比，时间大大缩短，使得临床实际的应用成为现实。
1.2 口腔修复与正畸
新疆大学的孙文磊教授，以CT扫描数据建立牙颌整体轮廓模型，利用UG以石膏模型光学扫描反求上下牙列模型，并补充CT建模的牙齿咬合面数据，建立了完整的牙列及颌骨的三维实体模型。应用有限元分析软件Ansys，分析不同加载状态下，正常人单个牙齿应力分布的情况和特点，并可在此基础上选择几种修复方案。青岛大学潘振宽教授, 利用动态轮廓线分割中梯度矢量流变形模型方法对给定人体切片序列图像口腔部分进行分割，采用三角形面片法建立口腔颌面颈部部分组织的三维模型，并对下颌骨的三维模型进行了平面剖切处理来摸拟简单的切割。重庆大学的魏彪教授对口腔正畸模型进行了计算机辅助测量分析系统研究。南京航空航天大学廖文和教授对口腔修复体咬合调整的CAD关键技术进行了研究，建立可直接用于临床上手术方案的选择及手术导航的系统。北京航空航天大学机器人研究所王党校博士在国家自然科学基金 “口腔临床培训的虚拟现实力觉显示技术＂的资助下，开发了集成力觉显示和视觉显示功能的仿真环境，提出了保证力觉仿真计算实时性的方法，通过采用不同的虚拟力模型来描述牙齿正常组织和龋齿的力觉感受差异，模拟牙科医生利用探针对齿表面不同组织区域进行探查和利用探针去除牙面软沉积物的操作过程，探索一条培训医生的新方法。
1.3 力学仿真
北京航空航天大学樊瑜波教授，从生物力学角度对口腔正畸微植体支抗技术和颞下颌升支矢状劈开截骨术进行研究。对口腔正畸微植体支抗，应用高精度螺旋CT扫描、Mimics和ABAQUES相结合的方法构建几何相似性好的牙颌三维有限元模型，对微植体支抗技术的有关生物力学问题进行了系统的研究，所建立的“微植体支抗一直丝弓一牙一牙槽骨一领骨”三维有限元模型可以有效地模拟微植体对正畸矫治力系统的影响。对正常的和病变的颞下颌关节建立了一系列生物力学模型，并对下颌升支矢状劈开截骨术后各特征时期劈开骨段和颞下颌关节的应力分布和位移进行了分析。上海交通大学机械与动力工程学院王成焘教授，在实现颌面“骨骼—肌肉”三维几何模型和力学模型的基础上，结合临床病例，将该模型应用于颌面外科手术领域，对不同颌面骨缺损的修复方法进行了手术仿真设计和生物力学评价。
2 国外研究成果
长期以来国外计算机专家和颌面外科专家致力于正颌外科模拟和预测的研究。香港城市大学计算机系的J.Xia等人开发了计算机辅助三维虚拟截骨软件系统CASSOS。通过CT资料和真实照片，采用纹理绘图方法建立个体化的三维逼真模拟彩色面部模型。作为一个虚拟系统，它可以使医生沉浸在一个虚拟现实的环境中，头戴立体眼镜，手握虚拟的“手术刀”在生成的一个“真实”病人(三维显示模型)上实施手术操作，进行手术方案的术前模拟。此系统除了可以模拟颌面手术操作外，还利用纹理映射的方法预测软组织的变化。它可以有效地协助医护人员筹划口腔颌面外科手术，使口腔及整形手术医生在病人进行手术之前，利用计算机周详地进行手术计划，包括事先模拟比较不同手术方案的过程和特点；预测手术的结果和分析各种数据，比较病人在进行手术前和手术后的容貌，预计手术的效果。台湾中原大学的Tsai等人开发的虚拟手术模拟系统是一个交互式的虚拟现实整形外科手术模拟器(Virtual Reality Orthopedic Surgery Simulator)。这个系统选择体数据作为组织的几何模型，通过对体数据的操作、显示来模拟复杂的整形外科手术。医生可以利用各种各样的手术器械在虚拟的骨组织上模拟手术过程。它既可以作为一种学习工具帮助医生训练手术技巧，又可以用来有效地验证手术方案。南加州大学James Mah等人的虚拟正颌病人(Virtual Craniofacial Patient)项目建立了一个数字化的平台使护士可以在上面进行颌面护理的模拟，教学和研究等。哈佛医学院外科计划设计实验室(Surgical Planning Laboratory)的Peter C. Everett等人利用VTK开发的软件系统可以在三角面模型上进行交互的切割而且能显示出拓扑结构的变化。德国Free University of Berlin 的Patrick Neumann等人开发的MeVisTo-Jaw系统可以在三维场景中模拟颅面外科手术，此系统也是利用体数据操作的方法来模拟骨组织的切割，并利用立体眼镜和力反馈等装置来增加手术模拟的真实性。德国ZIB开发的Amira颅面外科计算机辅助手术系统通过建立颅面三维模型模拟各种颅面手术，并且可以模拟骨组织变化对软组织产生的影响，利用三维真实感绘制还可以生成比较真实的手术效果。Hassfeld等将一套三维定向导航系统成功地应用于40例颅颌面区域的手术，准确性达到2mm以内。
3 研究展望
近年来，在计算机辅助整形外科手术与仿真方面，国外现有的系统不仅价格昂贵且硬件支持上不适合国内普及的PC系统。国内虽然有一些研究成果，但尚未有一套完整的颅颌面手术模拟设计预测系统。第四军医大学口腔医院正畸科段银钟教授等所做系统相对实用，但该系统基于几何模型利用曲面插值技术预测软组织形变，没有考虑到人体组织的生物力学特性，特别是对于软组织的复杂非线性变形行为。计算机辅助整形外科手术与仿真系统还没有大规模地进入临床应用，没有形成成熟的市场。本人认为在计算机辅助整形外科手术与仿真方面尚有较大研究空间，主要有以下几个方面：
（1）骨骼移位对软组织影响的模拟。预测整容外科手术软组织三维变化是一个非常困难但又是非常关键的问题。骨块是刚性的，骨骼的重新定位可通过直接的线性变换，转换一些点或线来完成。同骨性结构相比，软组织的模拟较为复杂，它不仅取决于骨块的移动量和移动方向，而且还要考虑到另外一些因素：软组织与骨之间的联结是否为坚固的骨性连结；软组织的厚度以及被移动骨表面的软组织是否会移动；软组织表面的张力效应；手术相邻区域软组织的厚度和类型；疤痕的存在以及其它软组织畸形是否会改变预测结果等。
（２）三维真实感绘制。国内的整形外科手术与仿真研究多是从事颅颌面外科的研究人员，其开发的系统在手术过程模拟的逼真性和手术效果的逼真性方面亟待提高。这给图学工作者留下了得以施展才艺的空间。
（３）基于软组织的交互操作。在整形外科虚拟手术过程中，为了达到真实的手术过程模拟，基于软硬组织的交互操作是一个关键问题。目前国内在整形外科手术模拟中的常用交互操作如碰撞检测、切割等只适用于刚体模型，而实际手术中会有大量的基于软组织的操作，因此基于软组织的交互操作有待研究。利用有限元的方法建立面部的三维模型可以比较精确地模拟脸部软组织在交互过程中的弹性形变。
（４）集成运动仿真和生物力学仿真。整形外科不仅要考虑美观因素，也要考虑整形后的生理机能是否会受到影响。尤其在 颌面骨缺损修复手术和口腔正畸中，如何精确的在理想的位置进行修复手术，并达到良好的生物力学环境，成为临床迫切需要解决的问题。因此在整形外科手术模拟中要集成运动仿真和生物力学仿真，以帮助临床医生从多个视角对修复术的性能和效果进行分析比较研究，使修复从美观和生理上获得最佳的结果，为现代临床手术提供一条非常有价值的评价和协助设计的方法。
（５）整形专家知识库的建立。目前的网格变形尺度依然由专家根据测量的特征数据人为的确定，由于医生个人经验的差异及整形手术实施过程的主观性，会直接导致整形结果千差万别。建立整形部位特征值与整形结果关联的专家知识库是确保整形效果质量的重要因素之一。
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（责任编辑：杜能钢）
