蒲根磊，楊涵，金銘，方曙，周金華

（安徽醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230032）

在解剖結(jié)構(gòu)和生理上，與人體的其他骨骼部位相比，人的頜面部具有很強(qiáng)的特殊性。第一、頜面骨多為不規(guī)則骨，主要為上頜骨、下頜骨、顴骨和額骨，以及與眼眶和鼻背構(gòu)成的多個(gè)小骨塊［1］，結(jié)構(gòu)形態(tài)各異且復(fù)雜，各個(gè)頜面骨體積較小，相互間的結(jié)合處多為縫隙連接；第二、集人的眼眶、鼻腔、口腔等器官為一體，在進(jìn)食過(guò)程中，牙齒咬合關(guān)系及咀嚼功能等都要離不開其頜面骨性結(jié)構(gòu)的完整和協(xié)調(diào)，消化道和呼吸道的開口也是其重要的組成部分［1］。頜面骨性結(jié)構(gòu)的完整性不僅僅只是實(shí)現(xiàn)人體的功能需求，還是人臉的直接構(gòu)造及尊嚴(yán)和形象具體化的代表。通常，人類容貌特征的四分之三是由骨性結(jié)構(gòu)決定的［2］。容貌對(duì)人的求職、家庭和日常生活等起著至關(guān)重要的作用，換而言之，頜面骨是個(gè)人容貌的生理支撐框架，又是一個(gè)人社會(huì)價(jià)值實(shí)現(xiàn)和展示的基礎(chǔ)。不同因素造成的頜面骨性缺損或畸形，對(duì)容貌的影響較為突出，甚至給患者造成明顯的心理陰影，導(dǎo)致一系列的心理疾病，難以融入社會(huì)，造成與社會(huì)脫節(jié)［1］。

在頜面修復(fù)過(guò)程中，會(huì)遇到較多問(wèn)題，由于頜骨本身具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，截骨輪廓線的選擇變化多樣，涉及血管神經(jīng)多且隱蔽，而患者拍攝的影像學(xué)CT 或MRI 圖像結(jié)合三維建模軟件對(duì)患者的影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，使患者的三維立體模型顯現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)醫(yī)學(xué)三維建模軟件將三維模型的STL 格式導(dǎo)入3D 打印機(jī)切片軟件進(jìn)行切片，給3D 打印機(jī)相應(yīng)的指令，通過(guò)3D 打印機(jī)獲得與患者實(shí)體1∶1 等比例大小的骨骼模型，之后便可以在模型上進(jìn)行術(shù)前預(yù)覽、術(shù)中手術(shù)設(shè)計(jì)、手術(shù)預(yù)測(cè)等操作，還可在模型上進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)引［3］，將大大減少術(shù)中風(fēng)險(xiǎn)，減少出血量及手術(shù)時(shí)間，改善手術(shù)效果。

1 頜面缺損類型

頜面缺損的直接原因有以下三種：①先天性因素，如唇裂、腭裂最為常見(jiàn)，先天性耳缺損、鼻缺損以及面裂等；②后天性因素，如外傷，一般指工傷，燒傷，爆炸傷，交通事故，火器傷所致缺損；③疾病因素，在疾病中頜骨腫瘤居多。

根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，上頜骨骨折主要有三種類型。第一型骨折為牙槽突基部水平骨折，骨折線經(jīng)梨狀孔下緣、牙槽突基部，繞顴牙槽嵴和上頜結(jié)節(jié)向后至翼突；第二型骨折為上頜中央錐形骨折，骨折線從鼻根部向兩側(cè)，經(jīng)淚骨、眶下緣、顴上頜縫，繞上頜骨外側(cè)壁向后至翼突；第三型骨折為高位水平骨折，骨折線經(jīng)鼻額縫，橫跨眼眶，再經(jīng)顴額縫向后下至翼突，形成顱面分離［4］。頭部唯一能活動(dòng)的骨骼是下頜骨，在解剖結(jié)構(gòu)上同樣也有它的薄弱部位，如正中聯(lián)合、頦孔部、下頜角部及髁狀突，這些都是下頜骨骨折的好發(fā)部位。

2 醫(yī)學(xué)三維建模軟件在頜面修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 3D Slicer 軟件

3D Slicer 是一款用于三維可視化及分析醫(yī)學(xué)圖像計(jì)算數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序軟件，用戶可免費(fèi)進(jìn)行使用，其目的在于開發(fā)一個(gè)易于使用的分析和可視化的軟件，同時(shí)開發(fā)者可擴(kuò)展此款開源軟件。起初3D Slicer 主要用于神經(jīng)外科手術(shù)引導(dǎo)治療、可視化和分析的系統(tǒng)，隨著時(shí)代的進(jìn)步發(fā)展，3D Slicer已經(jīng)成為一種不僅能夠應(yīng)用于各類臨床和臨床前的研究應(yīng)用，還可用于圖像分析及處理的綜合平臺(tái)［5］。Slicer 的主要特征有廣泛的功能、延伸性好、平臺(tái)獨(dú)立和無(wú)限制的軟件許可等，無(wú)論是功能相似的商業(yè)軟件，還是開源軟件工具或工作站都無(wú)法比擬的［5］。通過(guò)3D Slicer 軟件建模出的醫(yī)學(xué)三維模型渲染顯影效果顯著，更加直觀清楚地看到軟組織形態(tài)結(jié)構(gòu)。

對(duì)病變?nèi)睋p區(qū)域進(jìn)行CT 斷層掃面，獲得病變部位斷面圖像，以DICOM 格式保存后輸入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)保存命名不能包含中文字符，否則Slicer軟件無(wú)法識(shí)別。應(yīng)用3D Slicer 軟件通過(guò)閾值分割與區(qū)域增長(zhǎng)生成原始三維圖像。如圖1 所示。

圖1 3D Slicer 生成頜面破損三維圖像

在Segment Editor 模塊，Master volume 選擇需要操作的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Add，新建一個(gè)Segment_1。Threshold Range 中通常將最小閾值設(shè)置為226，最大值默認(rèn)。運(yùn)用Scissors 功能將不需要部位剪除，亦可利用Islands 在二維圖像上進(jìn)行感興趣模塊選取，即可去除頭顱頜面以外的部位，再次運(yùn)用Scissors 剪刀功能將模型中骨折部位切除，將保留下的模型以stl 格式導(dǎo)出，通過(guò)Autodesk 開發(fā)的三維模型設(shè)計(jì)軟件Meshmixer 進(jìn)行修復(fù)、拼接、鏡像等操作。對(duì)stl 模型進(jìn)行鏡像得到圖2A。在Segment_1 模型上進(jìn)行操作，選取原模型，將下顎骨折部分切割出，由于骨折比較嚴(yán)重，下顎右半部分分兩部分切割（在原有切割基礎(chǔ)上復(fù)制切割模型再實(shí)現(xiàn)二次切割），對(duì)切割的模型及上一步鏡像完之后的模型一同在Transform 進(jìn)行移動(dòng)，布爾加運(yùn)算得到圖2B。導(dǎo)入到Meshmixer 進(jìn)行同樣鏡像操作，得到圖2C。Segment Editor 模塊下再次新建一個(gè)Segment_2，Threshold 選取合適的齒骨閾值，運(yùn)用Scissors 功能進(jìn)行類似操作，得到齒骨模型，如圖2D。在slicer 中對(duì)異位的齒骨進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)復(fù)位等操作，得到圖2E。將2C 和2E 進(jìn)行布爾運(yùn)算整合。圖2F 為修復(fù)合并之后的模型。

圖2 3D Slicer 對(duì)頜面修復(fù)過(guò)程圖

2.2 E-3D 數(shù)字化醫(yī)療建模-設(shè)計(jì)-仿真軟件

E-3D 為中南大學(xué)廖勝輝團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一款免費(fèi)的醫(yī)學(xué)三維建模軟件。E-3D 功能強(qiáng)大，同時(shí)操作簡(jiǎn)單易用，旨在為臨床醫(yī)生提供可用于實(shí)際臨床操作的數(shù)字化建模和術(shù)前設(shè)計(jì)，進(jìn)行各種手術(shù)規(guī)劃、手術(shù)演練和術(shù)后結(jié)果預(yù)測(cè)，同時(shí)可用于計(jì)算機(jī)輔助操作培訓(xùn)和教育?？蓪?dǎo)入stl 模型及三維重建、三維測(cè)量、模型編輯、手術(shù)規(guī)劃、導(dǎo)板假體設(shè)計(jì)等功能，并且能根據(jù)客戶需要進(jìn)行功能擴(kuò)展。

對(duì)病變?nèi)睋p區(qū)域進(jìn)行CT 斷層掃面，獲得病變節(jié)段斷面圖像，以DICOM 格式保存后輸入計(jì)算機(jī)。點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)上E-3D 數(shù)字醫(yī)療建模與設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)上的影像學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，點(diǎn)擊閾值分割，選取組織類型，將骨閾值最小值設(shè)在226 像素左右，可進(jìn)行微調(diào)，生成新的mask，再通過(guò)種子區(qū)域增長(zhǎng)，將不需要的部位進(jìn)行自動(dòng)去除，得到圖3。

醫(yī)學(xué)三維重構(gòu)前需先獲取原始CT 圖形，如圖4A。在三維重建模塊下，先進(jìn)行簡(jiǎn)單的閾值分割，選取合適的齒骨閾值，由于齒骨骨折部位與其他頜面骨相連，故需要先利用團(tuán)塊分離，將需要的齒骨保留，再利用簡(jiǎn)單畫刷功能將齒骨與相連的下頜面骨分離，得到圖4B。對(duì)生成的齒骨間不相連部位進(jìn)行團(tuán)塊分離，得到各個(gè)分區(qū)的Mask 模型，對(duì)Mask 進(jìn)行實(shí)體建模。在手術(shù)規(guī)劃模塊中，對(duì)單獨(dú)分離出的實(shí)體模型進(jìn)行移動(dòng)模型操作，使齒骨盡量完成復(fù)位，如圖4C。圖4D 為通過(guò)簡(jiǎn)單畫刷功能將破損部位切除。再通過(guò)平移、鏡像等操作完成圖4E。最后再通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移、布爾運(yùn)算等操作將修復(fù)之后的幾塊模型進(jìn)行整合，得到最終效果圖4F。

圖3 E-3D 生成原模型

圖4 E-3D 對(duì)頜面修復(fù)過(guò)程圖

3 3D 打印技術(shù)在口腔頜面缺損及修復(fù)中的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)3D 打印技術(shù)在口腔頜面缺損及修復(fù)中的應(yīng)用較為廣泛［6］，所涉及的技術(shù)也較多。計(jì)算機(jī)模擬仿真是3D 打印的核心技術(shù)之一。通過(guò)獲取患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用醫(yī)學(xué)建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合重建三維模型，同時(shí)可借助3D 打印機(jī)等比例打印出病灶模型，在此基礎(chǔ)上醫(yī)生可進(jìn)行術(shù)前模擬規(guī)劃、制定術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計(jì)、術(shù)后治療方案制定以及預(yù)后評(píng)估等。外國(guó)學(xué)者利用3D 打印技術(shù)對(duì)20 例下頜骨整形患者的鈦合金矯形板進(jìn)行術(shù)前預(yù)成型，結(jié)果顯示矯形板完美貼合患者頜骨，形狀精確，術(shù)中無(wú)需調(diào)整植入體的規(guī)格尺寸，手術(shù)時(shí)間大大減少，出血量減少較多，減輕了患者的痛苦［7］。3D 打印技術(shù)在先天性缺舌整形術(shù)［8］、牙科種植導(dǎo)板［9］，以及個(gè)體化人工耳的修復(fù)模型［10］、顱骨缺損重建修復(fù)術(shù)［11］等口腔頜面缺損部位的手術(shù)，起到了較好的作用。李武等［12］對(duì)15 例復(fù)雜頜面部腫瘤患者術(shù)前通過(guò)3D 打印技術(shù)制作手術(shù)區(qū)域模型，進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)術(shù)中方案、實(shí)現(xiàn)手術(shù)前預(yù)演，手術(shù)順利完成，明顯縮短了手術(shù)時(shí)間，術(shù)中出血量大大減少，提高了手術(shù)質(zhì)量。WARAN等［13］論述了3D 打印技術(shù)制備頭顱頜面模型輔助術(shù)前訓(xùn)練。LEE 等［14］獲取患者頜面部位缺損影像學(xué)數(shù)據(jù)后進(jìn)行醫(yī)學(xué)三維重建，通過(guò)3D 打印技術(shù)打印缺損模型，并進(jìn)行模擬評(píng)估，進(jìn)行手術(shù)修復(fù)。董青山等［15］對(duì)下頜骨缺損患者應(yīng)用3D 打印技術(shù)1∶1 制作頜面部缺損模型，利用模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃模擬，可在術(shù)前提前制作好鈦板，使其完全貼附與病灶部位。楊光輝等［16］采用3D 打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化醫(yī)療，對(duì)頜骨缺損進(jìn)行修復(fù)板術(shù)前、體外精確預(yù)制，使得具有生物相容性的鈦板達(dá)到精準(zhǔn)彎制，修復(fù)精度高，獲得最佳修復(fù)效果，達(dá)到患者滿意度。上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院運(yùn)用CAD/CAM 系統(tǒng)和3D 打印技術(shù)，制作個(gè)體化頜骨病灶原始模型，通過(guò)原始病灶模型設(shè)計(jì)出純鈦支架，可應(yīng)用于頜骨缺損或頜面腫瘤手術(shù)后缺損和畸形的患者，結(jié)果較為滿意［17］。2019 安徽醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院眼科接收了一位患者，遭遇車禍，左側(cè)臉部嚴(yán)重毀容，眼眶骨折，生活也受到了極大的影響。該患者毀容嚴(yán)重，傳統(tǒng)的方法整容達(dá)不到修復(fù)效果，考慮用醫(yī)學(xué)三維建模結(jié)合3D 打印技術(shù)進(jìn)行整容。為幫助患者解決面部修復(fù)問(wèn)題，通過(guò)醫(yī)學(xué)建模軟件對(duì)右臉健側(cè)進(jìn)行鏡像重建模型，使用激光燒結(jié)金屬鈦粉末制作個(gè)性化假體，打印出患者未毀容時(shí)的左臉骨骼模型，如圖5。該模型可實(shí)現(xiàn)骨融合，術(shù)中再用該模型修缺損部位。術(shù)中創(chuàng)傷減少，術(shù)后患者無(wú)感染、面部輪廓對(duì)稱，功能恢復(fù)完善，不影響正常生活。

圖5 3D 打印模型

4 討論

隨著對(duì)容貌的注重程度增加，人們對(duì)頜面部缺損重建修復(fù)的效果提出更高的要求。傳統(tǒng)的頜面部缺損修復(fù)重建手術(shù)，需要醫(yī)生憑借豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手術(shù)操作，往往缺乏客觀依據(jù)，手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)，失血量大，難以獲得較為理想的修復(fù)效果［2］。臨床研究中，可以通過(guò)獲取患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用醫(yī)學(xué)三維建模軟件和3D 技術(shù)制作1∶1三維模型，更直觀、真實(shí)地顯示頜面三維解剖結(jié)構(gòu)及骨線間隙關(guān)系，臨床醫(yī)生可對(duì)三維實(shí)體模型從不同角度進(jìn)行測(cè)量和旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行多面觀察骨性結(jié)構(gòu)，為術(shù)中最佳方案提供依據(jù)，同時(shí)也減少醫(yī)生術(shù)中的工作量，對(duì)模型進(jìn)行術(shù)前模擬，術(shù)中過(guò)程順利，術(shù)中創(chuàng)傷減少，達(dá)到患者對(duì)修復(fù)效果的要求。而醫(yī)學(xué)三維建模軟件種類較多，本文著重對(duì)3D Slicer 及E-3D 軟件在頜面修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。3D Slicer 軟件對(duì)模型修復(fù)需要組裝的插件較多，操作過(guò)程中略微復(fù)雜，常常需要其他軟件輔助修復(fù)。E-3D 軟件為中文操作界面，有多款修復(fù)重建軟件，可用于臨床研究的較多領(lǐng)域，模塊使用簡(jiǎn)單，鏡像修復(fù)功能較為完善。

因此，臨床上在頜面修復(fù)過(guò)程中，醫(yī)學(xué)三維建模軟件結(jié)合3D 打印技術(shù)可使得下頜骨缺損修復(fù)達(dá)到不錯(cuò)的復(fù)位效果，可以進(jìn)行術(shù)前模擬規(guī)劃，對(duì)缺損部位進(jìn)行更加細(xì)致的了解，這樣可以在手術(shù)中極大縮短手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中出血量，且外形恢復(fù)效果良好，在臨床上值得推廣應(yīng)用。