基于深度学习与RANSAC算法的正颌手术自动截骨平面设计模型Ortho-OPD的开发与验证

《IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics》：Ortho-OPD: an Automatic Osteotomy Planes Design Model for Orthognathic Surgery Based on Deep Learning

本研究针对正颌手术中手动设计截骨平面存在效率低、高度依赖经验的问题，提出了一种基于深度学习的两阶段自动截骨平面设计模型Ortho-OPD。该模型通过3D高斯边界轮廓回归和边界敏感辅助损失函数实现颅颌面区域的精确分割，结合RANSAC算法生成Le Fort I和BSSRO截骨平面。实验结果表明，模型在102例患者数据上达到DSC 0.92±0.032的分割精度，截骨平面角度误差小于10°，设计耗时仅需9秒，显著优于人工操作的6-27分钟，为数字化正颌手术规划提供了高效可靠的解决方案。

　　

在口腔颌面外科领域，牙颌面畸形患者往往需要通过正颌手术来改善面部美学和功能咬合。传统的虚拟手术规划(VSP)过程中，医生需要手动在三维CT影像上设计截骨平面，这一过程不仅耗时耗力，而且结果严重依赖医生的临床经验。随着计算机辅助外科仿真(CASS)技术的发展，如何实现精准、高效的自动截骨平面设计成为数字化正颌手术亟待突破的技术瓶颈。

针对这一挑战，上海交通大学医学院附属第九人民医院的研究团队在《IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics》上发表了一项创新性研究，提出了一种名为Ortho-OPD的自动截骨平面设计模型。该研究首次将深度学习与传统几何算法相结合，实现了从原始CT数据到截骨平面生成的全自动化流程。

研究人员采用了两阶段技术路线：首先利用基于卷积神经网络(CNN)的分割网络对颅颌面(CMF)CT数据进行正颌式分割，创新性地引入了3D高斯边界轮廓回归和边界敏感辅助损失函数(L_seg=L_reg+L_bd)，显著提升了边界分割的精确度；随后采用随机抽样一致性(RANSAC)算法对分割边界进行平面拟合，生成Le Fort I截骨术和双侧矢状劈开截骨术(BSSRO)的截骨平面。研究纳入了102例牙颌面畸形患者的CT数据，其中71例作为训练集，31例作为测试集，并额外收集了35例多中心数据进行泛化性验证。

分割性能验证

在AMOS22、ACDC、BraTS2021等公开数据集上的对比实验表明，Ortho-OPD在多项指标上达到或超过了当前最先进方法。特别是在私有数据集上，模型获得了91.34%的Dice相似系数(DSC)，HD95距离为2.45±0.56mm，ASSd为2.28±0.43mm，显著优于3D U-Net、nnU-Net等基准模型。多中心验证结果进一步证实了模型的强泛化能力，在山东大学附属医院的35例外部数据上仍保持92.05%的分割精度。

截骨平面精度评估

通过与专家手动设计结果对比，Ortho-OPD生成的截骨平面表现出高度一致性。Le Fort I截骨平面的平均角度误差为4.68°±0.55°(LFI1(1))至5.82°±1.98°(LFI2)，BSSRO平面误差为6.19°±3.51°。更重要的是，模型在安全距离控制方面表现出色，截骨平面与重要解剖结构（如牙根尖、下颌神经管）的最小距离均符合临床要求，其中上颌尖牙根尖距离为6.23±1.33mm，下颌神经管距离为1.37±0.25mm，与专家设计结果无显著差异。

临床效能分析

效率评估显示，Ortho-OPD完成一例双颌截骨平面设计平均仅需8.67±4.37秒，而经验丰富的外科医生需要344.1±29.3秒，新手医生更是需要1606.1±207.6秒。这种数量级的时间优势使得模型在临床工作流中具有显著应用价值。专家盲评结果表明，自动生成的骨块和截骨平面临床符合度评分达4.63/5分，调整需求评分仅为0.50/5分，临床应用意愿评分高达4.71/5分。

讨论与展望

本研究创建的包含四种截骨标签的新型数据集为后续研究奠定了重要基础。Ortho-OPD模型通过边界特征增强策略有效解决了医学图像分割中的边界模糊问题，其两阶段设计既保证了分割精度，又确保了几何平面的解剖合理性。不过，研究仍存在一定局限性：CT图像分辨率受限影响细节捕捉，尚未进行前瞻性临床试验验证，对严重骨骼不对称病例的适应性有待提升。

未来研究方向包括扩展模型适应更复杂的手术术式（如Le Fort II/III截骨），整合骨块移动轨迹预测功能，以及开发个性化手术方案生成系统。随着技术的不断完善，Ortho-OPD有望成为正颌外科医生的智能助手，进一步推动计算机辅助正颌手术(CAOS)向全自动化、智能化方向发展。

该研究的创新之处在于首次实现了从原始CT数据到截骨平面设计的端到端自动化流程，为数字化正颌手术建立了新的技术标准。通过深度学习与几何算法的有机结合，Ortho-OPD不仅显著提升了手术规划效率，更降低了技术门槛，使更多医疗机构能够开展精准正颌手术，最终惠及广大牙颌面畸形患者。