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研究一:血管化骨瓣修复面中部创伤性骨缺损的数字化流程和临床应用研究1目的:基于面中部创伤性骨缺损具有临近部位骨折、缺损范围不规则、常涉及面部美容单元、软硬组织缺损共存、二期修复手术中的瘢痕、易感染等特点,评估数字化外科技术辅助血管化骨瓣修复重建面中部创伤性骨缺损的精度及临床效果,建立相应临床工作流程。材料与方法:选取2009年5月至2018年12月于口腔颌面外科就诊、应用数字化外科技术辅助血管化游离组织瓣进行面中部创伤性骨缺损修复的11例患者纳入本研究;其中男性10例,女性1例,平均年龄35.5岁;45%（5/11）为单侧缺损,55%（6/11）为双侧跨中线缺损,64%（7/11）伴有软组织缺损,全部患者均为二期修复、均伴有缺损临近部位骨块骨折或移位。术前,获取患者CT数据,应用ProPlan CMF软件进行三维重建及骨块分割;单侧缺损利用镜像技术、双侧跨中线缺损利用正常国人CT数据库获取参照数据;根据目标参照数据模拟骨折复位,明确缺损部位及范围,合理选择皮瓣,完成术前设计,并形成导航计划,3D打印手术导板。术中,应用手术导航引导骨折复位,应用3D打印手术导板指导骨瓣制取及就位,将骨瓣与受区动静脉行血管吻合于颌下区、颞部或口内,骨瓣与缺损边界的颌骨断端行坚固内固定。术后,获取患者术后一周CT数据,与术前设计数据进行图像融合和对比分析,评价手术效果与手术精度;远期随访患者后续软组织成型及种植手术情况,评价咬合功能、手术并发症和张口度。结果:11例患者均顺利完成手术;其中,55%（6/11）应用血管化腓骨瓣,45%（5/11）应用血管化髂骨瓣;55%（6/11）应用颌下区吻合,27%（3/11）应用口内吻合,18%（2/11）应用颞部吻合;55%（6/11）应用手术导航系统,36%（4/11）应用手术导板。术前计划与术后实际结果图像平均偏差为4.4±0.8mm。所有患者均为一期愈合,平均随访时间为23个月（范围为3～60个月）,术后未出现感染、血管危象。随访期间面型对称,除术前具有陈旧性面瘫的病人外,未见与本次手术直接相关的面瘫症状,咬合未见异常,骨瓣高度无明显丧失,供区伤口一期愈合,未见骨折、跛行、腹疝等供区并发症;55%（6/11）的患者已完成种植修复,64%（7/11）的患者已完成二期鼻、唇、义眼修复。结论:本研究结合面中部创伤性骨缺损临床特点,初步建立了数字化外科技术辅助血管化骨瓣修复面中部创伤性骨缺损的临床工作流程,近远期手术效果满意。研究二:正常国人颅颌面三维形态数据库辅助面中部骨缺损目标参照数据获取的刚性配准算法研究目的:建立正常国人颅颌面三维形态数据库辅助面中部骨缺损目标参照数据获取的刚性配准算法。材料与方法:本研究通过迭代最近点（ICP）算法对缺损颅骨及正常国人颅颌面三维形态数据库内颅骨模型点云坐标数据进行匹配,计算点云坐标差值,得到与缺损颅骨最相似的颅骨,作为该缺损颅骨的目标参照数据。获取正常人螺旋CT图像,应用ProPlan CMF软件摆正头位、三维重建及骨块分割;应用Geomagic Control软件提取前表面轮廓数据,将颅骨三维模型导入数据库备用。根据上述标准,选取数据库外的30例（男性15例、女性15例）正常国人完整颅骨模型（S0）,根据统一方法分别构建双侧颧骨、鼻眶筛区缺损模型（S1、S2）;选取15例因肿瘤、创伤所致的单侧面中部骨缺损病例的颅骨模型（Sx）,“镜像”生成完整颅骨模型（Sx’）。应用ICP算法生成上述三种缺损颅骨的目标参照数据（S1r、S2r、Sxr）,记录算法运行稳定性及运行时间;应用Geomagic Control X软件对S1r、S2r、Sxr与金标准S0、Sx’进行二维轮廓和三维表面误差分析,计算对应点坐标的均方根误差,验证算法精度。结果:正常国人颅颌面三维形态数据库共纳入患者500例,其中男性241例,女性259例,平均年龄为38.8±14.2岁。模拟实验算法均顺利运行,鼻眶筛区缺损、双侧颧骨区缺损和单侧面中部骨缺损算法运行时间分别为495±106秒、492±95秒和620±95秒。对于鼻眶筛区、双侧颧骨颧弓和单侧面中部骨缺损,目标参照数据与金标准颅骨的二维轮廓、三维表面均方根误差均小于2mm。结论:正常国人颅颌面三维形态数据库辅助面中部骨缺损目标参照数据获取的刚性配准算法已初步建立,算法运行时间及精度均满足临床需求,可初步应用于该类患者的数字外科术前设计和导航手术。研究三:正常国人颅颌面三维形态数据库辅助面中部骨缺损目标参照数据获取的非刚性配准算法研究目的:建立正常国人颅颌面三维形态数据库辅助面中部骨缺损目标参照数据获取的非刚性配准算法。材料与方法:本研究从研究二的正常国人颅颌面三维形态数据库中随机挑选100例颅骨模型,利用迭代最近点（ICP）算法生成完整的统计学形状模型（SSM）;选取数据库外的30例（男性15例、女性15例）正常国人完整颅骨模型（S0）,根据统一方法分别构建双侧颧骨、鼻眶筛区缺损模型（S1、S2）;选取15例因肿瘤、创伤所致的单侧面中部骨缺损病例的颅骨模型（Sx）,“镜像”生成完整颅骨模型（Sx’）。利用自研算法将SSM和S1、S2、Sx分别进行点云间的非刚性配准,生成40例备选颅骨模型（S1i、S2i、Sxi,i=1-40）;利用卷积神经网络自动检测备选颅骨模型表面22个解剖标志点,测量标志点间线距及比例,根据正常人头影测量判断标准计算备选颅骨的NCV值,NCV值最大者被选为该缺损颅骨的目标参照数据（S1r、S2r、Sxr）,记录算法运行稳定性及运行时间。应用Geomagic Control X软件对S1r、S2r、Sxr与金标准S0、Sx’进行二维轮廓和三维表面误差分析,计算对应点坐标的均方根误差,验证算法精度。结果:模拟实验算法均顺利运行,鼻眶筛区缺损、双侧颧骨区缺损和单侧面中部骨缺损的非刚性配准算法运行时间分别为1594±94秒、1636±115秒和1630±75秒,最适颅骨模型筛选时间分别为846±13秒、849±27秒和845±15秒。对于鼻眶筛区、双侧颧骨颧弓和单侧面中部骨缺损,目标参照数据与金标准颅骨的二维轮廓、三维表面均方根误差均小于2mm。结论:正常国人颅颌面三维形态数据库辅助面中部骨缺损目标参照数据获取的非刚性配准算法已初步建立,算法运行时间及精度均满足临床需求,可初步应用于该类患者的数字外科术前设计和导航手术。