虚拟手术计划在节段截骨术联合双颌正颌手术中的准确性

背景

本研究旨在通过三维（3D）测量和叠加，评估与双爆骨质术（SFA）组合的虚拟手术规划（VSP）的准确性，与手术首次接近（SFA），升值和叠加，以促进应用正畸正畸治疗中的数字技术。

方法

包括来自2018年至2020年的SFA与Bimaxillary矫正手术组合的20名患者。所有这些都在Proplan CMF 3.0软件（Materialize Corporation，Belgium）执行了VSP。通过测量地标的3D坐标和3D，比较了由手术后一周的锥形光束计算机断层扫描（CBCT）数据重建的术前（T0）3D模型。模型叠加偏差分析。偏差分析由地磁工作室2013（3D Systems Corporation，USA）实现。通过根均方偏差（RMSD）和Bland-Altman方法评估所代表VSP精度的差异。

后果

T1和T0的3D坐标之间没有统计学上的显著差异(P. > 0.05), and the mean overall RMSD was 1.37 mm, within the clinical relevance of 2 mm. The RMSD of sagittal direction (1.76 mm) was greater than that of coronal and vertical directions (1.09 mm and 1.24 mm), and the RMSD of maxillary and mandibular aspects were basically equal (1.30 mm and 1.45 mm). The Bland–Altman method showed the T0 and T1 measurements were in good agreement. The mean RMSD obtained from the deviation analysis was 1.85 mm, within the clinical relevance.

结论

在本研究中，VSP在节段性截骨术中结合SFA双颌正颌手术被证明获得了准确的结果。

严重的牙面畸形通常需要正畸-正颌联合治疗。采用外科第一入路（SFA）可在早期改善患者的面部外观，术前正畸治疗被取消或限制在不超过2个月。总体治疗时间显著缩短，患者满意度高[1那2那3.］.然而，术后咬合关系并不理想，因此需要改善颌稳定性[4.］.因此，可以在手术规划期间准确地设计和转移钳口和咬合关系的最佳位置是否具有重要意义。

传统的手术计划包括头影测量分析和通过头影测量追踪和石膏模型手术模拟手术[5.］.牙科铸造的步骤，面部弓形转移，模型手术等步骤不可避免地偏离，并且术后面部外观的预测不够直观[6.那7.那8.]随着数字成像、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）和三维打印技术的发展，术前虚拟手术规划（VSP）、手术夹板的三维打印和手术评估都可以通过计算机软件实现[9.那10.］.与传统方法相比，3D打印更准确、可重复、省时[11.]Geert Van Hemelen等人[12.]发现三维虚拟规划在硬组织预测中的准确性与传统二维规划相当，而在软组织预测中的准确性更好。张楠等[13.]金正勋等人[14.]通过比较计划结果和实际结果发现VSP是准确的[15.]发现3D规划应用于患有SFA的骨骼III级病例的准确结果。

目前，对VSP准确性的研究主要集中在骨骼III类病例上，很少涉及骨骼II类病例和节段性截骨术，尤其是SFA。然而，随着SFA和节段性截骨术的逐渐成熟，SFA在骨骼II类和I类病例中的应用逐渐增加[16.那17.那18.]此外，由于手术难度大，术后变化快，节段性截骨术联合双颌正颌外科SFA术中VSP的准确性非常重要，如果不理想，可能会延长疗程，甚至影响最终结果。因此，本研究的目的是通过三维测量和叠加偏差分析，评估VSP在节段截骨术联合SFA双颌正颌手术中的准确性，以促进数字技术在联合正畸正颌治疗中的应用。

患者

包括在2018年至2020年在北京口腔医院与SFA联合北京口腔医院的Bimaxillary术治疗和SFA的20名患者。这是使用现有的放射线材料的回顾性研究。

纳入标准包括：1）成人；2）术前获得性VSP（T0），这是一个包括口腔内牙齿扫描、锥束计算机断层扫描（CBCT）在内的全数字化工作流程扫描、三维重建、手术模拟、数字化手术夹板的设计和夹板的三维打印；3）术后一周（T1）获得的CBCT数据可用；4）节段性截骨术结合双颌正颌手术和SFA。

排除标准包括:1)严重糖尿病、免疫缺陷、双膦酸盐治疗史或其他可能影响本研究的严重全身疾病;2)唇腭裂;3)有颅面外伤或正颌手术史。

VSP和正畸手术由经验丰富的正畸矫正组进行。根据初步实验，α= 0.05,1 - β= 0.90，最小样品尺寸为14。

VSP与手术期

术前以数字成像和医学通信（DICOM）格式的CBCT数据导入ProPlan CMF 3.0（比利时Materialise公司）进行三维重建，并通过重叠进行口腔内牙齿扫描。对三维模型进行分割并重新定位，建立新的咬合作为手术模拟。然后设计了数字手术夹板并进行了3D打印。正中夹板用于指导上颌节段的复位，最终夹板将决定下颌骨的最终位置。手术包括节段性LeFortⅠ型截骨术、双侧升支矢状劈开截骨术（BSSRO）、下颌前半尖下截骨术和生殖器成形术。使用钛板和螺钉进行上下颌刚性内固定。术后还放置了骨骼支抗进行弹性牵引。

建立参照平面

将术后DICOM格式的CBCT数据导入ProPlan CMF 3.0，分别设置骨阈值和牙齿阈值，进行分割、区域生长、计算和布尔运算，得到颅骨、上颌骨、下颌骨和牙列的术后组合三维模型。

打开vspc格式的vsp文件（图。1)，并在头影测量部分创建自定义平面。水平平面（HP）由左眼眶（或_L.)右眶_R.)左侧和右侧孔的中点（P_M.)矢状面（SP）通过鼻（N）和鞍点（S）与HP垂直；冠状面（CP）通过鞍点与HP和SP垂直（图。2).在术后3D模型上执行相同的程序。

获取地标的三维坐标

首先在3D模型上定位下面选择的地标，然后在CBCT断面界面上进行精确调整。标记物包括前鼻棘(ANS)、后鼻棘(PNS)、脊椎骨下(A)、上颌犬齿尖(13、23、33、43)、上(B)、上颌中切牙接触点(U1)、下颌中切牙接触点(L1)、上颌第一磨牙近中颊尖(16、26)、下颌第一磨牙中舌尖(36,46)，牙髓(Me)和舌骨(Pog)。每个点到HP的距离记为' z '，低于HP时为正;记录到SP的距离为‘x’，在SP左侧时为正;记录到CP的距离为“y”，在CP前面时为正，每个点的坐标为(x, y, z)，然后比较T0和T1对应点的坐标(图1)。3.).

三维模型叠加与偏差分析

T0和T1的3D模型已出口至Geomagic Studio 2013（美国3D系统公司）在.stl格式中，对于没有生殖器成形术指导模板的病例，根据术后的下巴位置切断下巴，以消除下巴对整体数据的影响。在相应的T0和T1三维模型上进行最佳拟合叠加（图。4.那5.).

叠加完成后，使用软件自动测量三维模型之间的欧氏距离，并计算总体平均值、标准偏差和均方根偏差（RMSD），即偏差分析，以色谱图和数据的形式描述T0和T1的3D模型之间的差异（图。6.).

统计分析

所有测量都由同一个人进行。进行3次坐标的每个测量以及3D模型的叠加和偏差分析，并且平均值作为最终值。SPSS 23.0（IBM Corporation，USA）用于通过Shapiro-Wilk测试测试样品的正常性，然后配对T试验用于分析T0和T1，95％置信区间坐标之间的差异，P. < 0.05 was considered as a significant statistical difference; RMSD was used to evaluate the difference; Bland–Altman method was used to evaluate the consistency of the measurements.

包括16名女性和4名男性，平均年龄为25.00岁 ± 3.96岁（18～33岁），骨性Ⅰ类双颌前突6例（1.9°） < ANB < 骨Ⅱ类9例（8.3°） < ANB < 12.4°）和5例骨性III级和下颌偏斜患者(− 1.6° < ANB < -16例患者接受了LeFort I节段截骨术、双侧升支矢状劈开截骨术（BSSRO）和生殖器成形术（6例同时接受了下颌前尖下截骨术）3例患者接受了LeFort I节段性截骨术、BSSRO和下颌前亚尖截骨术；只有1例患者接受了LeFort I节段性截骨术和BSSRO（表1）1).

由于没有生殖器成形术的指导模板，仅在4例未行生殖器成形术的患者中出现下巴标志点“Pog”和“Me”的测量，以确保整体数据的可靠性。因此，下面的总体数据分析不包括“Pog”和“Me”。

根据表格2配对t检验显示，T0和T1测量值之间没有统计学显著差异(P. > 0.05). 除U1（y）和23（y）、2.07 mm和2.09 mm的RMSD值略大于2 mm的临床相关性外[19.那20.那21.，大多数RMSD值都在临床相关性范围内。因此，通过3D测量验证了本研究中VSP的准确性（表2).

日冕方向（x）的平均RMSD为1.09 ± 0.22mm，而矢状方向（y）和垂直方向（z）为1.76 ± 0.23毫米和1.24毫米 ± 0.29 mm。此外，上述U1（y）和23（y）均位于矢状方向。因此，本研究中的VSP在矢状方向的准确性比冠状方向和垂直方向的准确性差（表1）3.).

上颌总RMSD为1.30 ± 0.41 mm，而下颌骨总RMSD为1.45 mm ± 0.32mm，说明上颌骨VSP的准确性略好于下颌骨，总平均RMSD为1.37 ± 0.38毫米（表1）3.).

由于数据量大，仅代表性地显示了由Bland–Altman方法生成的A（x）、A（y）和A（z）散点图（图。7.那8.那9.).大多数（90%、95%和95%）分散在平均值（d）范围内 ± 1.96Sd，即95%的一致性极限（95%的LoA），也在2mm（100%、90%和95%）的临床相关性范围内，可以得出结论，“A”的T0和T1 3D坐标具有临床可接受的一致性。从其他标志物的测量中获得了相同的结果。

至于偏差分析，整体平均RMSD为1.85±0.10 mm，临床相关性2毫米（表4.).VSP在本研究中获得了良好的准确性。两种手术方法之间没有显著差异（表1）5.)手术A：LeFort I节段截骨术、BSSRO和下颌前尖下截骨术（带或不带生殖器成形术）；手术B：LeFort I节段截骨术和BSSRO（带或不带生殖器成形术）。

在临床实践中，最常用的是二维头影测量X射线，但由于图像质量和重叠等原因，其准确性不如CBCT[22.那23.].在本研究中，标志点的三维定位提高了准确性，同时确保了效率。由于包括了节段性截骨术，因此在截骨术线附近添加了诸如ANS、PNS、13、23、33和43等标志点，以增加所选标志点的代表性。此外，在牙齿上定位比在牙齿上更容易在骨骼上，受金属伪影的影响较小。

本研究比较了T0和T1三维模型上地标的三维坐标，并规定了正值，而不是简单地比较到参考平面的距离。我们使用此方法避免忽略差异，例如，在T0和T1上测量等距离，因为地标对称地位于参考平面的两侧，但差异计算为“0”，即“假阴性”结果。这种情况很可能发生在矢状面附近的标志点，如A、U1、L1等。然而，与U1和L1对应的上下牙列中线是一个临床问题，因此测量的准确性更为重要。我们采用的方法提高了本研究的可靠性。

“T1-T0”既有正值也有负值。正值意味着T1的地标在冠状方向上位于T0的左侧，类似地，在矢状方向上位于T0的前方，在垂直方向上位于T0的下方。因此，为了评估T1和T0总体数据之间的差异，RMSD需要用来保持积极和消极的差异。

我们的研究结果与Giovanni Badiali等人的研究结果相似[24.[RMSD略大于仅涉及没有节段性截骨术的骨骼类III病例的研究略大于研究[15.那25.].可能的因素包括：1.本研究涉及的手术难度更大，截骨线更多，骨段的移动和旋转范围更大；2.术后实际上不可能立即进行CBCT检查。骨段不稳定，骨骼肌肌力强ass II病例术后可能改变地标的位置；3.比较坐标比比较距离保留更多的差异。

矢状方向的RMSD较大，这可能是由于手术移动量大，难以控制截骨线的位置和拔牙区的取骨量。此外，术后正畸节段性截骨后，拔牙空间有时没有完全闭合ics增加了手术的复杂性，因此建议在VSP中增加截骨引导模板的设计，以便更准确地控制截骨，提高VSP的准确性[26.那27.］.

模型手术和VSP不能同时出现在由该软件创建的评估系统中，在该系统中，稳定的颅骨标志物用于建立参考平面，以比较术前和术后标志物。特别是，一些骨标志物只能出现在VSP中。偏差分析也不能由软件执行。由于患者之间的个体差异和手术计划的差异，很难对VSP和模型手术进行准确的随机对照试验。关于模型手术准确性的文献主要涉及传统正畸正颌治疗，而很少涉及SFA和节段性截骨。根据现有文献，VSP的准确性与传统模型手术相似或更好[28.那29.那30.那31.］.

自动3D叠加技术包括初始和精确的叠加，其中点云之间的平移误差和旋转误差被最小化。基于自由形状表面的高级注册方法，即BESL等人提出的迭代最接近点（ICP）。[32.]我可以解释一下程序。Kim等人[33.]基于该理论的二手软件实现了牙科场自动注册，平均偏差为0.13±0.13毫米;唐敏[34.]比较了人工配准和自动配准的三维牙科集成模型的精度，得出自动配准方法的精度较好，两种方法均能建立准确的三维集成模型。

本研究中的3D模型由约600000个三角形组成。计算机计算出相应点云之间的所有距离，并自动进行统计分析。理论上，该方法比手动定位有限的地标和测量更精确和可重复。然而，在由于存在大量的金属伪影，重建的三维模型的准确性会受到影响，因此偏差分析也会受到影响。由于钛板和钛钉的阈值接近于骨骼的阈值，目前还没有完全去除伪影的方法，因此产生的误差暂时是不可避免的。由于三维测量受伪影的影响较小，我们的研究将这两种方法结合起来。

手术方式的不同也可能影响VSP的准确性。操作越复杂，理论上的精度越差。然而，接受相同手术但年龄、性别和错牙合程度不同的患者可能产生不同的准确性，这可能能够解释本研究中两种手术的RMSD之间没有显著差异的结果。由于不同手术的样本量较小，在进一步扩大样本量后，将确认不同手术的单独统计结果的可靠性。

在偏差分析过程中，还发现双侧下颌支和体部出现红色和蓝色色谱图，表明近端骨段的位置变化也是VSP需要考虑的因素之一。上述结果可能有助于解释VSP整体RMSD的差异本研究采用了两种测量方法。

偏差分析适用于快速确定3D模型之间是否存在差异，并且由于其色谱图的直观而主要集中的差异，但其精度容易受到3D模型本身的质量的影响，例如金属伪影，压缩比重建和优化操作等。此外，偏差分析的结果相对简单，局部特征的解释并不像3D测量一样好。另一方面，由于手动定位的主观性和地标覆盖限制，单独测量的3D测量不会完全准确。本研究中两种方法获得的结果和结论基本相同，具有一定程度的说服力。

总之，VSP与SFA的Bimaxillary矫正手术组合的节段性骨质术中的vsp在该研究中获得了准确的结果。结合正畸矫正治疗可以通过VSP实现直观，准确和可预测的结果。

在当前研究期间使用和/或分析的数据集可从相应的作者获得合理的请求。

VSP：

虚拟手术计划

SFA：

手术第一法

3D：

三维的

CBCT：

锥束计算机断层成像

RMSD:

均方根偏差

CAD / CAM：

计算机辅助设计和制造

DICOM：

医学中的数字成像和通信

生命值：

水平面

服务提供商：

矢状面

内容提供商：

冠状面

或者_L.：

左眶

或者_R.：

右眶

P._M.：

左右孔中点

N:

鼻音

S：

鞍点

答复：

前鼻棘

PNS：

后鼻棘

A：

亚单位

13,33,33,43：

上颌尖牙尖

B：

超心理

U1：

上颌中央门牙的接触点

L1:

下颌中切牙接触点

16, 26:

上颌第一磨牙近中颊尖

36岁,46:

下颌第一磨牙近中舌尖

我：

门顿

Pog：

波哥尼翁

BSSRO：

双侧升支矢状劈开截骨术

95%的贷款：

95％的协议限制

国际比较项目：

迭代最近点

不适用。

本研究得到了北京市科学技术委员会（代码：Z171100001017046）和“北京市医院管理局”提升计划（代码：DFL20191501）的支持。他们为测试费用提供资金。

隶属关系

1. 首都医科大学口腔医学院正畸科，北京，100050

   小武英与洪明郭

2. 首都医科大学口腔医学院口腔颌面整形与创伤科，北京

   田凯月、张凯玉、马晓辉

贡献

H G贡献了工作的设计。X Y准备了稿件并为数据的获取和分析做出了贡献。K T，K Z和X M促成虚拟手术规划和正畸手术。所有作者阅读并认可的终稿。

通讯作者

通信郭洪明。

伦理批准和同意参加

这是一项使用现有放射材料进行的回顾性研究，并由首都医科大学口腔医学院伦理委员会批准（中国北京#CMUSH-IRB-KJ-PJ-2021-05）。

同意出版物

不适用。

利益争夺

作者声明他们没有相互竞争的利益。

出版说明

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