楊光輝 袁榮濤 王靜 劉延山 賈暮云 董蒨

3D打印輔助頜面骨缺損與畸形的臨床精準修復重建

楊光輝 袁榮濤 王靜 劉延山 賈暮云 董蒨

目的探討3D打印技術(shù)在頜面骨缺損與畸形的修復重建手術(shù)中的應(yīng)用價值。方法治療頜面骨缺損與畸形手術(shù)病例6 例。術(shù)前行三維CT掃描、重建并3D打印1∶1實物模型。根據(jù)模型進行疾病診斷、手術(shù)設(shè)計及植入物的預制。結(jié)果3D打印的頭模全方位顯示了骨缺損及病變區(qū)域的狀況，實現(xiàn)了生物修復板的術(shù)前、體外精確預制；實證了頭影測量分析的結(jié)果，實現(xiàn)了真正意義上的模型外科；利用鏡像模型進行重建板精確彎制，恢復了患者面型及下頜骨高度。結(jié)論3D打印能全方位、直觀、精確地顯示頜面骨的三維空間關(guān)系，對于頜面骨缺損與畸形的修復重建手術(shù)有極大的臨床指導價值。

3D打??； 頜骨； 修復重建

因外傷、發(fā)育異常、腫瘤切除等因素導致的頜面部缺損或畸形，可引起顏面部的外形改變和功能障礙，嚴重影響患者的生活質(zhì)量。因此及時準確的診斷、治療，以及手術(shù)后的個性化修復對于恢復功能、容貌及提高生活質(zhì)量具有重要的意義。但由于頜面部解剖結(jié)構(gòu)復雜、骨骼形狀不規(guī)則、功能特殊，又有顱腦等重要器官毗鄰，僅通過CT、MRI等影像學檢查，來確定頜面部疾病的病變性質(zhì)、范圍及嚴重程度，具有一定的局限性。近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，因其可以快速、準確地再現(xiàn)復雜頜面部畸形或缺損的特點并可以制造與之相應(yīng)的個性化修復體，使得復雜頜面部疾病個性化修復治療成為可能。

3D 打印(3D printing)，又稱增材制造(additive manufacturing，AM)，屬于快速成型(rapid prototyping，RP)技術(shù)的一種，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，依托于信息技術(shù)、精密機械以及材料科學等多學科發(fā)展起來的尖端技術(shù)，主要通過計算機輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)軟件或逆向工程重建三維設(shè)計模型，然后對模型進行分層設(shè)計，在3D打印機上實現(xiàn)“打印”疊加，最終整體成形[1]。目前較為成熟的打印方法主要包括光固化成型(stereo lithography apparatus，SLA)、選擇性激光燒結(jié)(selected laser sintering，SLS)、分層實體制造(laminated object manufacturing，LOM)、熔融離散堆積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)等，其中SLA技術(shù)因其分辨率高、打印尺寸不受限制、顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)精確而被廣泛應(yīng)用[2-3]。我們臨床應(yīng)用SLA技術(shù)進行3D打印，修復頜面骨缺損與畸形，取得了良好效果，現(xiàn)報告如下。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取青島大學附屬醫(yī)院口腔頜面外科2015-01～2015-11的6 例手術(shù)病例，男4 例，女2 例，年齡17～61 歲。其中上頜骨、顴骨、眶底骨折伴復視1 例、顏面部畸形1 例、口底惡性腫瘤1 例、上頜骨囊腫1 例，下頜骨成釉細胞瘤、骨化性纖維瘤各1 例。

1.2 方法

1.2.1 三維模型的建立 患者術(shù)前均行頭顱三維CT掃描(SIEMENS,掃描電壓120 kV，層厚2 mm，螺距1.5 mm)，掃描獲得的病變部位的斷面圖像保存為DICOM格式，將數(shù)據(jù)導入Mimics 10.1三維建模軟件，重建出病變部位三維解剖模型。 2 例下頜骨良性腫瘤患者，通過鏡像及修補技術(shù)進行計算機輔助重建，根據(jù)對側(cè)下頜骨反求出患側(cè)復原模型，所得到的三維數(shù)據(jù)以STL格式輸出。

1.2.2 3D打印 將三維重建輸出的STL格式文件導入快速成型機前處理軟件Geomagic，刪除對圖形有干擾和多余的數(shù)據(jù)，修補丟失的數(shù)據(jù)(補洞)，再對圖形進行平滑、降噪和松弛處理，最大限度還原上下頜骨的解剖結(jié)構(gòu)和幾何外形。再經(jīng)RPData專用軟件給模型加支撐分層后將數(shù)據(jù)導入激光快速成型機(SPS450B，陜西恒通智能機器有限公司)，打印材料為6000B樹脂(珠海正邦科技有限公司)，加工每層厚度為0.1 mm,設(shè)計加工精度為0.1 mm,打印三維1∶1模型并低溫消毒備用。

1.2.3 術(shù)前設(shè)計與手術(shù)操作 在3D打印頭模上，對頜面骨缺損與畸形的情況進行分析，完成術(shù)前設(shè)計。對擬行頜骨切除、修復重建者，利用鏡像原理，打印出重建的預期頭模，在其上進行植入物的預制。按照術(shù)前設(shè)計，完成手術(shù)的精準修復。

2 結(jié) 果

典型病例1。上頜骨、顴骨、眶底骨折的患者，術(shù)前分析患者顴面部、眶底多處骨折，眼球下陷且伴有復視(圖 1A～B)，需行多處骨折復位，將嵌入上頜竇的眼球內(nèi)容還納回眼眶內(nèi)，同時修復眶底的缺損，植入生物修復板(Medpor)。3D打印的頭模全方位顯示了眶底骨折的狀況，在手術(shù)中依據(jù)頭顱模型修剪襯墊生物修復板，完成生物修復板的精確預彎(圖 1C～D)，口內(nèi)切口聯(lián)合瞼下緣切口，首先將骨折復位、堅固內(nèi)固定，將嵌入上頜竇的眼內(nèi)容還納回眶內(nèi)，然后將預制的生物板精確地植入眶底的缺損處并固定，縮短手術(shù)時間，更能增加假體植入的精確性，減少不必要的損傷。實現(xiàn)了生物修復板的術(shù)前、體外精確預制，達到了完美的手術(shù)效果，避免了視神經(jīng)損傷等并發(fā)癥?；颊咝g(shù)后眶下緣的連續(xù)性及眼球內(nèi)陷得到明顯改善(圖 1E～F)。

典型病例2。下頜骨成釉細胞瘤患者，術(shù)前活組織檢查確定為成釉細胞瘤(圖 2A)，確定了下頜骨節(jié)段性切除及腓骨肌皮瓣重建下頜骨的手術(shù)方式。術(shù)前根據(jù)打印模型進行了手術(shù)模擬，在原型模型上進行截骨設(shè)計，描畫截骨線(圖 2B～C)。術(shù)中根據(jù)截骨線結(jié)合腫瘤生長情況切除腫瘤及部分下頜骨，獲取腓骨肌皮瓣。在鏡像模型上彎制重建板，大大縮短了重建板彎制時間，重建板固定下頜骨兩斷端，預制的重建板與截骨后保留的下頜骨接合良好(圖 2D)。根據(jù)下頜骨外形連續(xù)性進行腓骨肌瓣塑型， 雙層腓骨恢復下頜骨高度。小鈦板固定雙層腓骨及下頜骨斷端，吻合動靜脈血管(圖 2E)。術(shù)后患者面型恢復良好，兩側(cè)對稱，下頜骨高度恢復良好，后期可進行牙種植修復(圖 2F)。面部畸形患者，根據(jù)術(shù)前頭影測量及模型外科設(shè)計手術(shù)方案。在3D打印模型上模擬手術(shù)截骨線及骨塊移動距離和旋轉(zhuǎn)角度，在頭模上實證了頭影測量分析的結(jié)果，實現(xiàn)了真正意義上的術(shù)前模型外科。口底惡性腫瘤患者，術(shù)前在3D打印模型上模擬手術(shù)中下頜骨斷開位置及長度，并設(shè)計取腓骨瓣長度。術(shù)中根據(jù)腫瘤生長狀況和術(shù)前模擬確定下頜骨截骨線、斷開下頜骨，確定腓骨瓣截取長度。利用重建板恢復下頜骨連續(xù)性，將腓骨肌瓣塑型，吻合動靜脈，重建下頜骨。上頜骨囊腫病例，頭模清晰顯示上頜竇底壁的破壞情況，從而選擇內(nèi)鏡下的上頜竇內(nèi)壁開放術(shù)治療。

3 討 論

隨著醫(yī)學計算機技術(shù)和先進制造技術(shù)的快速發(fā)展以及患者對頜面部缺損及畸形手術(shù)修復精度要求的提高，如何運用計算機及3D打印技術(shù)來改進手術(shù)方式、提高手術(shù)質(zhì)量、增加患者的滿意度，引起了口腔頜面外科醫(yī)生的極大關(guān)注。自Herman等[4]將三維重建技術(shù)應(yīng)用于口腔頜面外科以來，3D打印技術(shù)應(yīng)用于診斷、分析病情、術(shù)前設(shè)計、手術(shù)方案制定、術(shù)中植入物預制[5-7]、制作手術(shù)導板[8]等，尤其在醫(yī)患之間溝通與交流方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。高蕊[9]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)低劑量CT(35 mA)掃描可用于頜面部軟硬組織三維模型的重建，大大減少了患者在檢查過程中所受的輻射劑量。

A： 治療前正面照； B： 術(shù)前3D打印模型； C： 術(shù)中修整生物植入材料； D： 生物材料植入； E： 患者術(shù)后6 d正面照； F： 術(shù)后3D模型

圖 1 眶底骨折

A： Before treatment; B: Preoperative 3D model; C: Biological implant materials dressing in surgery; D: Biological implant material implantation; E: 6 days after operation; F: 3D printing model after operation

Fig 1 Case 1 with orbital floor fracture

A： 術(shù)前； B： 3D打印模型； C： 在鏡像模型上彎制重建板； D： 植入重建板； E： 腓骨肌皮瓣修復下頜缺損； F： 術(shù)后3 個月面像

圖 2 左下頜成釉細胞瘤

A： Before tretment ; B: 3D printing model; C: Reconstruction plate bending on the Mirror image model; D: Placement of the reconstruction plate; E: Reconstruction of the mandibular defect with fibular flap; F: 3 months after surgery

Fig 2 Case 2 with left mandibular ameloblastoma

傳統(tǒng)的生物修復板植入方法主要依靠術(shù)者的經(jīng)驗和肉眼觀察，術(shù)中需要反復修剪比較，耗費大量時間，而且襯墊效果不夠精確，且眶底部神經(jīng)、血管等解剖結(jié)構(gòu)復雜，易給患者造成不必要的損傷。本研究應(yīng)用3D打印技術(shù)實現(xiàn)了生物修復板的術(shù)前、體外精確預制，達到了完美的手術(shù)效果，避免了視神經(jīng)損傷等并發(fā)癥。

近年來有報道利用3D打印技術(shù)進行口腔頜面部修復體植入物的制作[10]，口腔頜面部3D打印個性化修復體的應(yīng)用逐漸增多，張慶福等[11]對單側(cè)下頜骨體部與升支成釉細胞瘤患者設(shè)計了鈦合金3D打印技術(shù)制作的下頜骨植入體，使缺損下頜骨的解剖形態(tài)即刻得到個體化修復重建。生物3D打印技術(shù)也在快速發(fā)展中，目前用干細胞已經(jīng)可以打印皮膚[12]、骨骼[13]等。Cecchini等[14]用3D打印技術(shù)制備鼠的唾液腺，從而實現(xiàn)了唾液腺的再生。George等[15]利用脂肪干細胞打印支架結(jié)合重建板進行下頜骨成釉細胞瘤切除后重建取得成功。

本研究以患者頜骨CT掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將三維重建、軟件設(shè)計及快速成形等技術(shù)運用于口腔頜面外科多種手術(shù)類型的設(shè)計、操作中，直觀、全面的顯示了口腔頜面部的解剖結(jié)構(gòu)，對手術(shù)有很重要的指導作用，增加了手術(shù)的準確性、可靠性、安全性，縮短了手術(shù)時間。特別是通過鏡像技術(shù)設(shè)計頜骨修復模型，在其上進行重建板彎制節(jié)省了手術(shù)時間，減少了重建板彎制過程中多次試彎對患者的損傷，同時也降低了彎制過程中對重建板造成的損壞，減少了重建板斷裂的可能性。術(shù)后患者下頜骨的完整性、連續(xù)性、頜面形態(tài)和功能即刻得到恢復，咬合關(guān)系與術(shù)前無差異。尤其是對于年輕的患者來說，手術(shù)中利用計算機設(shè)計后得到的模型進行手術(shù)操作能有效的保持患者頜面部外形的美觀和功能，提高了患者的滿意度。若通過計算機設(shè)計后打印手術(shù)導板來指導術(shù)中的操作，可更有效的提高手術(shù)的準確度，更完美的將術(shù)前的設(shè)計方案展現(xiàn)在手術(shù)過程中。關(guān)于手術(shù)導板的設(shè)計需進一步研究。隨著3D打印技術(shù)的進步，高性能、高質(zhì)量、低價格材料的出現(xiàn)以及CAD/CAM軟件的普及，3D打印技術(shù)在口腔頜面外科領(lǐng)域中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

[1] 管吉, 楊樹欣, 管葉， 等. 3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進展[J].中國醫(yī)療設(shè)備, 2014, 29(4): 71-72.

[2] 陳俊蘭， 吳紀楠， 王忠東. 快速成型技術(shù)在顱頜面缺損整復中的應(yīng)用[J]. 國際口腔醫(yī)學雜志， 2011， 38(5)： 567-569.

[3] Chae MP, Rozen WM, McMenamin PG, et al. Emerging applications of bedside 3D printing in plastic surgery[J]. Front Surg, 2015, 2: 25.

[4] Herman S, DeBoer G, Rideout DF，et al. Observer variation in abdominal CT[J]. Invest Radiol, 1984, 19(6): 597-598.

[5] 譚新穎, 胡敏, 劉昌奎, 等. 計算機輔助外科在獲得性頜面骨不對稱畸形矯治中的應(yīng)用[J]. 北京口腔醫(yī)學, 2014, 22(2): 104-106.

[6] Azuma M, Yanagawa T, Ishibashi-Kanno N, et al. Mandibular reconstruction using plates prebent to fit rapid prototyping 3-dimensional printing models ameliorates contour deformity[J]. Head Face Med, 2014, 10: 45.

[7] Liu YF, Xu LW, Zhu HY, et al. Technical procedures for template-guided surgery for mandibular reconstruction based on digital design and manufacturing[J]. Biomed Eng Online, 2014, 13: 63.

[8] Adolphs N, Liu W, Keeve E, et al. RapidSplint: Virtual splint generation for orthognathic surgery-results of a pilot series[J]. Comput Aided Surg, 2014, 19(1-3): 20-28.

[9] 高蕊， 王儀， 谷無畏，等. 低劑量CT掃描重建頜面部軟硬組織三維模型的劑研究[J]. 實用口腔醫(yī)學雜志， 2014， 30(6)： 770-773.

[10]Nickels L. World's first patient-specific jaw implants[J]. Met Powder Report， 2012， 67(2)： 12-14.

[11]張慶福, 劉剛, 劉國勤. 個體化3D打印鈦合金下頜骨植入體的設(shè)計制作與臨床應(yīng)用[J]. 口腔醫(yī)學研究, 2015, 31(1): 48-51.

[12]Lee V, Singh G, Trasatti JP, et al. Design and fabrication of human skin by three-dimensional bioprinting[J]. Tissue Eng Part C Methods， 2014, 20(6): 473-484.

[13]Inzana JA, Olvera D, Fuller SM，et al. 3D printing of composite calcium phosphate and collagen scaffolds for bone regeneration[J]. Biomaterials, 2014, 35(13): 4026-4034.

[14]Cecchini MP, Parnigotto M, Merigo F, et al. 3D printing of rat salivary glands: The submandibular-sublingual complex[J]. Anat Histol Embryol, 2014, 43(3): 239-244.

[15]Wolff J, Sándor GK, Miettinen A, et al. GMP-level adipose stem cells combined with computer-aided manufacturing to reconstruct mandibular ameloblastoma resection defects: Experience with three cases[J]. Ann Maxillofac Surg, 2013, 3(2): 114-125.

Thevalueof3Dprinttechniqueinthepreciousreconstructionofthedefectsandmalformationsofmaxillofacialbone

YANGGuanghui,YUANRongtao,WANGJing,LIUYanshan,JIAMuyun,DONGQian.

266003，DepartmentofOralandMaxillofacialSurgery，theAffiliatedHospitalofQingdaoUniversity,KeyLaboratoryofDigitalMedicineandComputerAssistedSurgeryofShanDongProvince，KeyLaboratoryofOralClinicalMedicine，StomatologicalCollegeofQingdaoUniversity，China

Objective: To study the value of 3D print technique in the reconstruction of the defects and malformations of oral and maxillofacial bone.Methods6 cases with defects and malformations of oral and maxillofacial bone were examined by CT scanning, treated by the implantation of 3D printed implants.ResultsBefore operation, 3D printed model clearly showed the status of the defects and malformations for the precious preoperative implant shaping. The implants for the reconstruction were prepared by 3D print techinique. Perfect reconstruction of the defects was achieved.Conclusion3D printing technology exerts promising values in the precious and effective reconstruction of the defects and malformations of maxillofacial bones.

3Dprint；Jawbone；Reconstruction

青島市自主創(chuàng)新重大專項資助(編號： 14-6-1-6-zdzx)

266003, 青島大學附屬醫(yī)院口腔頜面外科, 山東省數(shù)字醫(yī)學與計算機輔助手術(shù)重點實驗室, 口腔臨床醫(yī)學重點實驗室, 青島大學口腔醫(yī)學院

董蒨 E-mail： yuanrongtao@163.com

R782.4

A

10.3969/j.issn.1001-3733.2017.04.013

(收稿： 2017-01-18)