Abstract
目的
探讨在游离腓骨皮瓣修复下颌骨缺损中，使用混合现实技术定位穿支血管的可行性和效果。
方法
2020年6月—2023年6月，采用游离腓骨皮瓣修复12例下颌骨缺损患者。男8例，女4例；年龄35～78岁，平均61岁。下颌骨成釉细胞瘤9例，侵犯下颌骨口腔鳞癌3例。病程15 d～2年，中位病程14.2个月。下颌骨缺损长度5～14 cm，平均8.5 cm；软组织缺损范围为5 cm×4 cm～8 cm×6 cm。术前均行颌面部增强CT和下肢CT血管造影检查，将所得数据制成下颌骨、下肢穿支血管三维模型。术中使用混合现实技术将穿支血管三维模型重叠于患者体表，制取游离腓骨皮瓣修复缺损。腓骨切取长度为6～15 cm，平均9.5 cm；皮瓣切取范围6 cm×5 cm～10 cm×8 cm，供区拉拢缝合（7例）或游离植皮修复（5例）。
结果
12例患者术前使用混合现实技术定位穿支血管30支，每例平均2.5支；术中测量术前定位穿支血管穿出点与实际穿出点距离为1～4 mm，平均2.8 mm。术后12例腓骨瓣顺利成活；1例皮瓣远端边缘坏死，换药后延期愈合。供区发生感染1例，经抗炎换药治疗后愈合；其余患者切口Ⅰ期愈合，植皮顺利成活。患者均获随访，随访时间8～36个月，中位时间21个月。修复面部外形好，皮瓣无臃肿。3例术后接受放化疗患者中，随访6个月时2例正常骨愈合、1例延迟愈合。
结论
在游离腓骨皮瓣修复下颌骨缺损手术中使用混合现实技术，可以实现穿支血管三维可视化，手术操作简便，误差较小。
Keywords: 混合现实技术, 游离腓骨皮瓣, 下颌骨缺损, 穿支血管, 修复重建
Abstract
Objective
To explore the feasibility and effectiveness of mixed reality technology for localizing perforator vessels in the repair of mandibular defects using free fibular flap.
Methods
Between June 2020 and June 2023, 12 patients with mandibular defects were repaired with free fibular flap. There were 8 males and 4 females, with an average age of 61 years (range, 35-78 years). There were 9 cases of ameloblastomas and 3 cases of squamous cell carcinomas involving the mandible. The disease duration ranged from 15 days to 2 years (median, 14.2 months). The length of mandibular defects ranged from 5 to 14 cm (mean, 8.5 cm). The area of soft tissue defects ranged from 5 cm×4 cm to 8 cm×6 cm. Preoperative enhanced CT scans of the maxillofacial region and CT angiography of the lower limbs were performed, and the data was used to create three-dimensional models of the mandible and lower limb perforator vessels. During operation, the mixed reality technology was used to overlay the three-dimensional model of perforator vessels onto the body surface for harvesting the free fibular flap. The length of the fibula harvested ranged from 6 to 15 cm, with a mean of 9.5 cm; the size of the flap ranged from 6 cm×5 cm to 10 cm×8 cm. The donor sites were sutured directly in 7 cases and repaired with free skin grafting in 5 cases.
Results
Thirty perforator vessels were located by mixed reality technology before operation, with an average of 2.5 vessels per case; the distance between the exit point of the perforator vessels located before operation and the actual exit point ranged from 1 to 4 mm, with a mean of 2.8 mm. All fibular flaps survived; 1 case had necrosis at the distal end of flap, which healed after dressing changes. One donor site had infection, which healed after anti-inflammatory dressing changes; the remaining incisions healed by first intention, and the grafts survived smoothly. All patients were followed up 8-36 months (median, 21 months). The repaired facial appearance was satisfactory, with no flap swelling. Among the patients underwent postoperative radiotherapy, 2 patients had normal bone healing and 1 had delayed healing at 6 months.
Conclusion
In free fibular flap reconstruction of mandibular defects, the use of mixed reality technology for perforator vessel localization can achieve three-dimensional visualization, simplify surgical procedures, and reduce errors.
Keywords: Mixed reality technology, free fibular flap, mandibular defect, perforator vessel, repair and reconstruction
下颌骨与周围软组织缺损修复是头颈颌面外科治疗难点，在对下颌骨进行准确修复重建的同时，也要恢复软组织功能与外观。游离腓骨皮瓣因具有血供丰富、血管蒂长、双皮质骨结构等优势，被视为修复重建此类缺损的“金标准” [1-3]。但腓动脉及其穿支存在解剖变异及个体差异，其设计及切取有一定难度[4]。而且皮瓣成活关键在于吻合动、静脉建立有效循环，对血管评估和定位不准确是修复失败的主要原因[5]。因此，术前全面了解皮瓣血管大小、位置及分布至关重要。
目前，CT血管造影（CT angiography，CTA）、彩色多普勒超声（color Doppler ultrasound，CDU）是临床应用最广泛的穿支血管定位方式[6]。CDU定位穿支血管假阳性率、假阴性率较高，且定位准确性与操作者熟练程度密切相关[7]。而CTA可明确血管蒂直径和长度、肌肉走行方向和潜在皮瓣穿支，被誉为血管定位的“金标准”[8]，明显优于CDU，但存在二维影像局限性[9]。因此，在保留CTA技术优势基础上实现三维可视化，可获得更为清晰直观的血管结构图像，进而提升手术效率。
混合现实技术是近年出现的一种新技术，其能将数字化信息整合至真实世界感知中，使人获得模拟视听感觉，并与之交互。在医学领域中，通过该技术可以构建人体组织三维模型，并进行术前模拟操作和术中导航[10-11]。既往研究将混合现实技术主要应用于具有固定解剖标志的骨科或颅颌面外科中，骨、耳、鼻等结构具有固定性和辨识度，可作为基准参照物进行定位[12]。但是下肢平坦光滑且缺乏明显解剖标志，混合现实技术辅助制取游离腓骨皮瓣的相关研究较少。2020年6月—2023年6月，重庆大学附属肿瘤医院收治12例拟行游离腓骨皮瓣修复下颌骨缺损患者，术前基于下肢CTA数据构建三维模型，利用混合现实技术将定位标志与其三维模型对齐，实现术区穿支血管精准定位，获得较好疗效。报告如下。
1. 临床资料
1.1. 一般资料
患者纳入标准：① 口腔内恶性肿瘤，需行下颌骨节段性切除术；② 下肢无先天性疾病；③ 同意参与本研究。排除标准：① 恶性肿瘤范围小、可行部分切除术保留下颌骨下缘；② 患者双下肢有手术或外伤史；③ 无法耐受全身麻醉及手术。
本组男8例，女4例；年龄35～78岁，平均61岁。下颌骨成釉细胞瘤9例，侵犯下颌骨口腔鳞癌3例。病程15 d～2年，中位病程14.2个月。12例患者均为病灶切除后一期修复重建，其中单纯下颌骨缺损9例、下颌骨与软组织缺损3例。下颌骨缺损长度5～14 cm，平均8.5 cm。软组织缺损范围为5 cm×4 cm～8 cm×6 cm。
1.2. 治疗方法
1.2.1. 影像学检查
使用德国西门子公司双源CT进行下肢CTA以及颌面部增强CT检查。① 下肢CTA：在拟制取皮瓣的小腿侧黏贴4个电极片，分别位于胫骨内髁、内踝以及胫骨内髁与内踝连线中点外、内5 cm处[13-14]。扫描范围为足趾至髌骨上缘。以4.0 mL/s静脉推注约90 mL对比剂（碘普罗胺370）。动脉期采用股动脉监测触发，触发阈值100 HU，同时设置延迟扫描时间10 s。扫描完毕后，将获得的层厚1 mm、无重建间距横轴位原始图像数据传输至工作站，采用多平面重建、最大密度投影以及容积再现、曲面重建等技术对图像进行后处理。
② 颌面部增强CT扫描：以2.5～3.0 mL/s静脉注射60～100 mL对比剂（碘海醇）。扫描范围为外耳孔至下颌角部，扫描延迟时间20～25 s。层厚及重建间隔均为2～3 mm。扫描方式可选择连续扫描或螺距为1的螺旋扫描。
1.2.2. 三维模型构建
将获得的颌面部增强CT以及供区下肢CTA数据以Dicom格式导入Mimics三维影像工作站，对原始数据分期后进行下颌骨与下肢三维重建。重建后选择感兴趣区域，确定最佳阈值，最大限度覆盖重建区域，保证与周围组织区分度较大，获得蒙版之后，再对其进行平滑、包裹、打磨、镂空、轮廓线编辑等优化，最终组合成下颌骨与下肢穿支血管三维模型。使用Mimics长度测量功能对下颌骨病灶范围进行测量，设计切除边界，确定拟切除的下颌骨与制取的腓骨长度。通过5G网络将三维重建模型导入头戴式全息显示器（HoloLens；微软公司，美国）。所有数据导入、制作均由同一名技术人员完成。
1.2.3. 定位血管与标记
将下肢穿支血管三维模型通过HoloLens进行投影，通过放大、旋转等操作，首先将黏贴在患者下肢的4个电极片与其三维模型对齐，再将三维模型与人体对齐，锁定图像后，在患者体表标记穿支血管数量和穿出点，由主刀医师根据穿支血管分布和走行设计皮瓣形状及切开部位。
1.2.4. 腓骨皮瓣切取及缺损修复
全身麻醉下，患者取平卧位。按照设计切开皮肤，于筋膜下掀起皮瓣至外侧肌间隔，保护穿支血管，验证体表定位处是否有穿支血管，测量混合现实技术定位的穿支血管穿出点与实际穿出点距离。切开皮瓣后缘皮肤至腓肠肌和比目鱼肌表面，分离暴露腓骨，解剖剥离腓骨长、短肌和踇长伸肌，显露腓动、静脉。根据下颌骨缺损范围制取合适长度腓骨瓣，保护穿支血管，分离腓动、静脉血管蒂至其在胫后血管发出处断蒂。本组腓骨瓣切取长度为6～15 cm，平均9.5 cm；皮瓣切取范围6 cm×5 cm～10 cm×8 cm。供区创面直接拉拢缝合（7例）或取腹部皮片游离植皮修复（5例）。
将游离腓骨皮瓣移植至下颌骨缺损处，使用钛板固定腓骨，手术显微镜下将腓动、静脉分别与颈部动、静脉吻合。皮瓣用以修复软组织缺损（3例）或固定于颌面部以便术后观察腓骨瓣血运情况（9例）。
1.3. 术后处理
术后患者头部制动并绝对卧床5～7 d，禁用止血药，给予抗痉挛、抗感染等对症治疗，密切观察皮瓣血运情况，必要时对血管危象进行急诊处理。3例侵犯下颌骨的口腔鳞癌患者术后接受放化疗，其余患者不作放化疗处理。
2. 结果
本组12例患者术前使用混合现实技术定位穿支血管30支，每例平均2.5支；术前定位穿支血管穿出点与实际穿出点距离为1～4 mm，平均2.8 mm。术后12例腓骨瓣均顺利成活；1例皮瓣远端边缘坏死，换药后延期愈合。供区发生感染1例，经抗炎换药后愈合；其余患者切口Ⅰ期愈合，植皮顺利成活。患者均获随访，随访时间8～36个月，中位时间21个月。修复面部外形好，皮瓣无臃肿，张口度轻度受限，患者对修复效果较满意。术后３例接受放化疗患者随访6个月示2例正常骨愈合、1例延迟愈合。
3. 典型病例
患者 女，56岁。因“左侧下颌骨成釉细胞瘤刮治术后2年，发现新生物1个月”入院。专科检查：左侧面部膨隆，左侧下颌角、下颌升支扪及新生物，大小约5 cm×4 cm，张口轻度受限。结合外院刮治术后病理检查及我院病理切片会诊报告诊断成釉细胞瘤。行左侧下颌骨部分切除术+游离腓骨皮瓣修复。术前行颌面部增强CT与下肢CTA检查，将获得的二维数据导入Mimics三维影像工作站制成颌面部与下肢穿支血管三维模型并导入至HoloLens，通过颌面部三维模型了解肿瘤侵犯范围，设计切除边界，测量缺损长度为10.5 cm。术中将下肢穿支血管三维模型投放于体表，定位穿支血管1支，标记穿支血管穿出点位置，测量其与标记点距离为2.2 mm，制取游离腓骨皮瓣。皮瓣切取面积6 cm×5 cm，腓骨瓣长度为11 cm。使用钛板将腓骨瓣固定于下颌骨缺损处。供区直接拉拢缝合。术后游离腓骨皮瓣完全成活，供区切口Ⅰ期愈合。患者随访12个月，颌面部外观对称，张口轻度受限，修复效果满意。见图1。
图 1.
A typical case
典型病例
a. 下颌骨三维模型；b. 下肢穿支血管三维模型； c. 术中使用HoloLens将穿支血管三维模型投影于体表；d. 制取游离腓骨皮瓣；e. 腓骨瓣固定于下颌骨缺损处；f、g. 术后即刻颌面部及下肢供区外观；h、i. 术后1年颌面部及下肢供区外观
a. The three-dimensional model of the mandible; b. The three-dimensional model of the perforator vessels; c. The three-dimensional model of the perforator vessels was projected onto the body surface using HoloLens; d. Harvesting the free fibular flap; e. The fibular flap was fixed to the mandibular defect; f, g. Appearances of the facial and lower limb at immediate after operation; h, i. Appearances of the facial and lower limb at 1 year after operation
4. 讨论
混合现实技术应用于皮瓣手术的主要挑战在于穿支血管与其三维模型之间准确对齐和配准[15]。目前，主要配准方法分为光学定位系统辅助配准和手动配准两大类。光学定位系统配准是将模型配准到光学跟踪空间，执行基于点的配准，将获得的配准联合手眼校准和光学跟踪信息，最终完成三维模型投影到人体。但该方法存在设备超出术者认知范畴、系统价格高昂、手术流程复杂等问题，限制了临床使用[16]。本研究采用手动配准，术者使用混合现实技术与虚拟三维模型进行交互，通过移动、旋转和缩放，首先将定位标志与其三维模型进行对齐，再实现整体三维模型与人体对齐，无需建立空间坐标等步骤，简化了配准流程。实际配准时间为5～10 min，虽然增加手术时间，并在一定程度上增加手术流程，但实现了穿支血管三维可视化，可直观了解穿支血管走行、分布以及穿出点位置，利于皮瓣设计、术中保护穿支血管及穿出点，减少了实际制取皮瓣时间，降低皮瓣危象发生风险。
快速识别血管走行可以在制取皮岛时对血管进行保护，减少术中损伤血管可能性。我们认为基于CTA数据的混合现实技术具有以下优势：① 术前可多方位、立体观察穿支血管起源、分布和穿出点位置，针对患者个体化差异制定皮瓣制取计划。② 根据下颌骨缺损情况，对腓骨皮瓣进行精确规划，并可在三维模型中设计腓骨长度，模拟修复下颌骨缺损，同时可在术中对实际腓骨长度进行精确截取。③ 与双重曝光形成三维影像投影于体表相比，HoloLens 可以通过定位三维模型的“定位点”，确保穿支血管与其三维模型之间的精确重叠，减少误差值。④ 术中应用混合现实技术辅助，操作过程中保持完全无菌状态。⑤ 将现有的穿支皮瓣制取模式从“切开-寻找血管-手术”转换为“设计-切开-手术”模式。
本组混合现实技术定位的穿支血管穿出点与实际穿出点距离平均为2.8 mm，与Tang等[17]使用CTA数据的混合现实技术定位穿支血管误差值（0.53±0.27）cm相似，但高于Sun等[18]和Tu等[19]报道的使用光学定位系统误差（1.30±0.39）、（1.61±0.44）mm。我们认为本组误差偏高主要与以下三方面有关。① 模型误差：基于二维图像数据制作三维模型过程中的误差，例如图像分辨率、手动建模误差等。② 系统误差：HoloLens对三维模型定位时，设备自身校准不佳引起的微小误差。③ 应用误差：HoloLens在实际应用过程中产生误差，与术者配准经验、影像学数据漂移等因素均有关系。三种误差中，应用误差不确定因素较多，主要与术者配准过程、熟练度相关。在定位标志与其三维模型的配准过程中，仅单个角度对齐不够，必须从多角度、多维度进行配齐，这也导致本研究前期出现4 mm最大误差。与光学定位系统使用的人工算法相比，本研究使用的手动配准方法稳定性相对较差，受人为因素影响较大，但简便易行、费用低廉。
为了术后直观检测腓骨移植的血供情况，徐中和等[20]在手术中切取与腓骨血供同源的微型穿支皮瓣作为皮岛检测血供，为及时发现腓骨瓣危象提供了有效方法。本研究制取的12例腓骨瓣均携带皮瓣，其中9例成釉细胞瘤患者通过皮瓣对腓骨血供进行监测，3例鳞癌患者用于软组织缺损修复。术后游离腓骨皮瓣全部成活，随访中位时间21个月，修复面部外形好。
综上述，混合现实技术辅助游离腓骨皮瓣制取修复下颌骨缺损可行，能快速获取穿支血管数量、分布等信息，误差较小，可降低手术风险，提高治疗效果。未来需在现有手动配准基础上进一步优化定位方式，在HoloLens中引入人工智能算法以提高定位精度，实现三维可视化以及实现软组织移位跟踪再匹配功能。
利益冲突 在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道
伦理声明 研究方案经重庆大学附属肿瘤医院伦理委员会批准（CZLS2021177-A）
作者贡献声明 宋宣：参与手术、资料收集、论文撰写及修改；向大兰、刘代德：参与手术、资料收集；刘一秀：实施手术、研究指导、论文修改及审定
Funding Statement
重庆市科技局重点实验室开放基金项目（cquchkfjj005）；重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJQN202300124）
Laboratory Open Funds of Chongqing Science and Technology (cquchkfjj005); Project Supported by Scientific and Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (KJQN202300124)
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