計算機輔助虛擬手術設計結合3D打印技術在頜骨重建的應用研究

李富濤，李 焰，馬 杰，聶 鑫

·論 著·

計算機輔助虛擬手術設計結合3D打印技術在頜骨重建的應用研究

李富濤，李 焰，馬 杰，聶 鑫

目的明確計算機輔助虛擬手術設計結合3D打印技術在頜面部骨缺損重建的應用模式及操作規范。方法選取2014—2016年眉山市中醫院收治的14例頜骨創傷及腫瘤患者，其中男性9例，女性5例；平均年齡41.5歲。經醫患溝通后患者同意采用虛擬手術方式進行術前設計，通過圖像數據實現患者頜骨三維重建，利用計算機虛擬手術操作，確定最佳預期設計方案；根據計算機數據通過3D打印技術實現術前、術后模型重建，通過手術比較明確臨床應用價值及操作規范。結果通過對14例患者實施術前設計及模型外科，創傷患者手術時間為2～6.5h，腫瘤患者手術時間為3～4.5h。14例患者術前利用3D 打印模型制定手術方案，模擬手術步驟，其中13例手術入路及手術導板放置及螺釘植入均與術前方案一致；患者的手術時間較常規手術時間平均縮短近1h。術后隨訪3～6個月，患者對面部輪廓及咬合關系恢復情況，其中滿意9例，較滿意4例，不滿意1例。結論計算機輔助虛擬手術設計為頜骨修復重建手術提供了重要的手術依據和臨床數據；通過3D打印技術可提高手術質量，有效縮短手術時間，減少術中和術后并發癥發生率。

骨缺損； 頜骨; 重建； 3D打印； 模型

頜骨精細而復雜的三維形態結構與功能的多樣性使人類具有更加生動的面容和豐富的表情動作。但在臨床中對其功能修復帶來了極大的挑戰[1]。由于創傷或醫源性因素導致的頜骨缺損與變形，不僅使患者存在面部畸形和功能障礙，甚至嚴重影響生存質量和心理健康。而常規頜骨修復重建手術由于對患者傷前的正常結構及損毀狀況缺乏直觀認識和數據分析，術后恢復效果欠佳也成為醫患矛盾產生的主要焦點。此外，如何解決縮短手術時間、減輕手術風險、避免術前預期與術后療效差異等諸多問題一直是頜面創傷整形的主要難題與研究熱點。在精準醫療、個性化醫療和微創醫療逐漸成為醫療發展的未來趨勢的背景下，隨著數字醫學的廣泛推廣，術前虛擬手術并以此為基礎的個性化3D打印模型技術日臻成熟。雖然關于計算機輔助設計文獻相對較多，但就頜面部骨組織的復雜解剖生理結構而言，從虛擬手術設計到臨床操作細節，譬如如何設計才能達到最佳效果，虛擬設計方案是否能在臨床應用并實現，如何通過虛擬手術指導術中骨重建，如何選擇并放置合適的固定材料，類似諸多問題并未得到實質性解決，對于如何規范手術操作目前仍不清楚[2]。3D打印能將計算機虛擬手術設計方案和預期結果通過模型方式由虛擬變為現實，目前如何將術前虛擬手術與個性化3D打印技術結合指導手術并成功修復組織缺損的相關文獻報道也相對較少[3]。筆者在對頜骨創傷及缺損患者的修復重建中，應用術前虛擬設計和個性化3D打印模型，并在術中將計算機輔助設計與實際情況進行對比，旨在探討該方法的預測準確性，從而為其臨床應用的推廣提供進一步的科學依據。

臨床資料

1一般資料

選取2014—2016年收治的頜骨創傷及腫瘤患者14例，經醫患溝通后患者同意采用虛擬手術方式進行術前設計，其中男性9例，女性5例；平均年齡41.5歲。本研究醫源性骨缺失患者4例，入選標準為術前根據影像學資料和病理學結果進行診斷，術中行下頜骨部分截除術的腫瘤患者，同期骨缺損部位采用髂骨移植；頜骨創傷患者10例，其中高處墜落傷4例，道路交通傷6例，因面部畸形嚴重、咬合關系紊亂等癥狀入院，入選標準為頜面部多發性骨折，骨折斷端移位嚴重，需進行頜骨重建手術，術中行頜骨切開復位內固定術。

2圖像重建與計算機輔助術前設計

所有患者采用64排以上螺旋方式水平位薄層CT掃描；層厚為0.625mm，掃描基準面平行于眶耳平面，垂直于水平面。 掃描范圍為顱頂至舌骨水平；數據輸出格式為Dicom。將患者頜面部CT掃描原始數據導入Mimics 17.0軟件三維建模，配合3-Matic 9.0軟件進行逆向工程設計，在計算機實現三維重建。其中創傷患者以健側頜骨正常形態為參照，設計內容包括根據術前頜骨情況，將不同骨折斷端采用顏色標記，計算骨折斷端移位情況并標示，在計算機設計最佳復位效果(圖1)；腫瘤患者需行同期頜骨缺損修復，以術前病變部位缺損結合健側為參照，設計內容包括根據腫瘤性質、骨破壞范圍模擬頜骨病灶的切除、骨切取以及重建位置，在計算機中設計手術入路及截骨線。

a b

圖1 患者男性，34歲，診斷為右側顴骨顴弓粉碎性骨折，術前通過計算機輔助設計指導情況。a.將骨折斷端采用顏色標記，提高直觀印象；b.對骨折斷端移位情況進行計算并標示

3模型制備與導板制作

骨折患者的模型制備包括術前骨折情況及術后預期復位情況(圖2)。腫瘤患者的模型制備包括術前病變模型及術后頜骨截除模型，同時設計術中復位導板，導板中央為截骨線。將數據通過FDM(立體易，廣州)和SLA(中瑞，蘇州)兩種3D打印機自帶軟件，生成Gcode.代碼，制作疾病模型、術后模型和手術導板。由術者在直視下通過術后模型預先彎制固定鈦板形態，同時可以設計鈦板植入部位，檢查導板的密合程度，將模型、彎制鈦板與手術導板進行滅菌消毒處理備用。

a b

圖2 患者男性，45歲，診斷為右側鼻眶篩骨折，術前通過3D打印實現術前設計與術后預期效果的直觀化。a. 術前患者骨折情況；b.虛擬設計后骨折恢復情況

4臨床應用模式

切開皮膚及皮下組織，在骨膜下剝離充分暴露手術區域，注意保護面神經分支，頜骨創傷患者根據計算機虛擬設計及3D打印模型操作步驟進行實施，在充分游離松解骨折斷端后進行復位，頜骨表面放置預先彎制的鈦板并確定是否密合。腫瘤患者在病變兩端放置手術導板，確定截骨線，采用微動力系統進行截骨，然后根據虛擬手術設計的所需植骨塊形狀在供區切取，將植骨塊放置入骨缺損部位，采用預先彎制的鈦板進行固位，關閉創面。所有患者術后給予抗感染及對癥處理，采用鈦牽引釘進行頜間固定2周。

5應用療效評價

實際應用情況評價包括術中應用情況分析和隨訪應用療效分析，應用情況分析評價內容包括評價設計手術導板和鈦板密合程度、手術使用情況，手術時間及出血量；評價應用后通過隨訪了解應用療效。術后隨訪時間3～6個月，隨訪內容包括患者的面容恢復滿意度，如面容輪廓是否對稱及咬合關系是否正常。

結 果

本研究通過對14例患者實施術前設計及模型外科，創傷患者手術時間為2～6.5h，平均3.2h，腫瘤患者手術時間為3～4.5h，平均3.7h。其中12例在手術過程中能夠利用模型數據，幫助醫生合理、定量地實施手術方案；1例創傷患者上頜骨及顴骨骨折碎片體積較小，如按術前設計完全游離可能導致缺血壞死及感染等并發癥而放棄，僅其他部位骨折按照虛擬手術設計實施復位；1例手術導板因設計問題無法完全穩定固位，術中按照虛擬手術設計實施，3D打印導板作為參考對象進行調整。

1術中應用情況分析

術中應用情況包括術前計算機輔助設計的精確度分析，研究證實無論復位情況及鈦板選擇、放置的圖像相符程度很高，說明通過計算機模擬進行的術前規劃可在手術過程中得到很好的執行，并可使手術的過程及結果更加可控，14例患者術前利用3D 打印模型制定手術方案，模擬手術步驟，其中13例手術入路及手術導板放置及螺釘植入均與術前方案一致。對計算機輔助設計的療效分析，研究證實通過術前設計方案無需對鈦板在術中進行彎制，術中按照手術導板進行截骨，對于在術前判斷截骨的具體部位、需要固定的鈦板長短數量及釘道部位的準備上更充分，患者的手術時間較常規手術時間平均縮短近1h，平均手術時間的減少有助于降低手術風險，減小手術創傷；通過個性化3D打印模型的術前模型分析和設計，術者對術中可能存在風險進行了充分評估，對骨缺失范圍及植骨量有了充分認識，提高了手術成功率，減少了并發癥。在術后隨訪過程中，對患者面部輪廓及咬合關系恢復情況調查，其中滿意9例，較滿意4例，不滿意1例(不滿意主要涉及頜面部嚴重損毀傷術后瘢痕形成問題，與手術無關)。筆者認為計算機輔助設計結合3D打印技術可以預演手術的整個過程以便事先發現手術中問題，對于選擇最佳手術路徑、減小手術損傷、減少對鄰近組織損害、實現精確定位、執行復雜外科手術和提高手術成功率等具有十分重要的意義。

2醫源性骨缺失

患者男性，57歲，發現下頜膨隆4年余入院。2年前曾在他院行下頜骨刮治手術，病理結果提示成釉細胞瘤，1年前感病變部位開始緩慢增大，毗鄰牙齒出現松動。入院行三維CT檢查，明確病變范圍，同時將掃描數據行三維重建及虛擬手術，確定手術方式及截骨線；通過計算機虛擬設計為下頜角及左下頜第一前磨牙區域處進行截骨，長度為5cm。通過虛擬手術設計手術導板，導板中央為截骨線，兩側擴展以保持與下頜骨的密合程度，術中應用情況分析評價包括評價設計手術導板和鈦板密合程度。按照手術設計方案在下頜骨病變部位放置導板，比較與術前設計方案是否一致(圖3)，術中按照導板路徑進行截骨；鈦板根據病變范圍確定重建板長度，虛擬手術設計為每側采用4個釘道進行固位，通過術后模型彎制形態，修整至與頜骨表面形態一致，在模型上設計釘道位置以便術中定位。截骨后根據虛擬手術情況及設計方案截取髂骨內側板，將髂骨與下頜骨斷端通過預先彎制的鈦板進行固定，比較與術前設計鈦板是否密合(圖4)。術畢縫合創面，放置引流條，術后7～10d分別拆除縫線，術后隨訪患者對局部面容外形滿意。

a b

圖3 手術導板在患者術前3D打印模型(a)及臨床應用(b)的比較研究：結果顯示術中與術前設計比較密合，實際操作根據情況做細微調整

a b

圖4 鈦板在患者術前3D打印模型的彎制情況(a)及臨床應用(b)的比較研究：結果顯示術中與術前設計比較密合，實際操作根據情況做細微調

討 論

對于頜面部因創傷或醫源性因素導致的頜骨畸形和缺損進行修復重建是頜面外科的常見術式。頜面具有獨特的三維解剖形態，一旦破壞可能涉及多方位的折斷、塌陷、扭曲、旋轉等移位類型，導致頜骨重建過程中的精確性難以控制，術后常常不能達到理想的咬合關系和面部外形。尤其是目前常規手術使用的植入物采用的固定規格，針對患者的個體差異，臨床醫生只能依靠經驗在手術中選擇或調整，不僅浪費了時間，還增加手術風險及感染概率。而近年來將數值化技術應用于手術設計已成為研究熱點及難點。其中數字虛擬技術作為數字化外科的一個重要組成部分，尤其是術前設計和三維預測的臨床應用已體現出顯著優勢[4]。Zeng等[5]在采用3D打印與虛擬手術對髂骨骨折進行術前修復，研究表明個性化3D打印能夠較好滿足髂骨骨修復的精確要求，在進行模型制備的過程中，術者能夠完成術前虛擬設計、數字化導板的制備，術前模型設計與病變組織與血管的三維重建。筆者將術前規劃與術中情況進行比對研究，結果表明與常規手術相比較，利用個性化3D打印模型技術進行三維數據的測量、虛擬手術及內植物的選擇，可以為患者提供個性化、精準化、微創化的手術方案，采用該技術可使設計術式更趨合理，患者滿意度較高。

頜面部骨修復與重建相對比較復雜，由于術前對患者傷情評估不充分或方案制定欠妥而影響手術效果的病例并不罕見。國內外諸多研究機構在3D打印模型和通過計算機定制個性化術前方案也進行過深入探討，個性化定制3D打印模型正在成為目前復雜手術規劃手術方案的可靠臨床應用依據，如耶魯大學Ryu和Pfaff等[6-7]將3D打印分析與計算機輔助設計制作方案應用于整形重建外科獲得了滿意的效果，在現實手術中，大量的手術時間浪費在考慮頜骨缺損后如何截骨、怎樣使內固定器械、移植骨塊與缺損部位相匹配等問題。筆者認為將計算機輔助設計與3D打印技術相結合在手術效率和精確性上提供了極大的幫助，其應用價值和優勢包括：(1)數據分析：尤其是對于骨折后存在扭曲、塌陷的患者可以做好充分的術前準備；(2)設計規劃：設計不僅包括手術方案，對于如何實現微創操作和減少切口長度也具有實際價值；(3)模擬手術：可以優化最佳方案，同時規范術中手術操作；(4)3D打印：實現了將虛擬手術和現實手術的有效銜接模式；(5)預期與實際手術的可比性，使術者對預期效果有了客觀評估，更便于醫患溝通與交流。手術前利用Mimics17.0軟件模擬手術的全過程，通過虛擬手術可以在重建的圖像上任意的放大及縮小圖層，使圖像的細節或整體有更清楚的表現[8]。另外，軟件提供了包括線距、角度、容積和骨密度的測量功能，而且可以通過輸入內固定器械的基本參數為選擇鈦板的規格和型號提供了基本的依據[9]。而3D打印技術實現了從計算機虛擬到現實手術的過渡，保障了按照術前設計方案的順利實施，在3D模型中對治療方案有了更直觀的觀察和更細微的調整。本研究證實術前骨骼模型能夠反映病患的實際情況，可以有效幫助醫生制定術前復位方案和確定內置物結構形狀，通過體外真實手術演練，可以大大縮短手術時間，減少手術并發癥。術中只需按照預先設計情況進行操作，這在一定程度上也降低了手術的風險和不確定因素。

在臨床應用過程中，筆者認為基于該技術的手術應用也存在一定的問題和局限，虛擬手術與實際臨床操作也存在一定的差距，并不能完全替代實際臨床操作[10]。由于局部解剖的復雜性，存在豐富的神經和血管，術野在實際暴露過程中無法達到理想的狀態，導板設計不合理可能存在無法就位或穩定性問題，術中應根據實際情況進行調整。一種解決的方式是術中導航，在手術過程中實現虛擬與實際手術相匹配，但對設備要求較高，費用也較昂貴[11]。此外，對于頜骨缺損的修復，理想的狀態應為采用醫用金屬或醫用生物材料進行個體化3D打印，使其可直接應用于缺損區域的組織修復[12]。Mironov 等[13]采用打印材料用于組織工程與修復重建，相關研究仍處于實驗階段，目前國內未得到SFDA的臨床應用批準。本研究對于頜骨缺失或缺損的修復采用患者自體髂骨的方式替代，在術中根據缺失或缺損面積的大小修整好骨的形態后植入、固定，不可避免導致了患者的二次損傷，與理想的治療方式仍有一定的差距。

綜上所述，個性化3D打印技術的出現使得外科醫生對患者進行“量體裁衣”的精準治療成為可能。個性化3D打印模型可多方位、多角度、多層次展示頜骨病變真實情況，更加有助于手術的虛擬設計，從而做出準確的術前診斷并制定治療方案。具體臨床應用模式主要通過以下方面來實現：完成術前虛擬設計，數字化導板的3D打印及截骨手術以及牽引器的放置。本研究結果證實在對下頜骨進行修復重建時，該技術避免了手術中的盲目性和不確定性，從而減少了手術時間，而且在探索最佳治療方案，并進行術后效果預測也具有一定的幫助和參考價值。

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(本文編輯： 郭 衛)

Applicationofcombineduseofcomputer-assistedvirtualdesignandthree-dimensionalprintinginreconstructionofmandibularbone

LIFu-tao1，3,LIYan2，MAJie3,NIEXin3

(1.Chinese Medical Hospital of Meishan,Meishan，Sichuan 620010,China;2.Chengdu Military General Hospital,Chengdu 610083,China； 3.Institute of Surgery Research,Daping Hospital,Third Military Medical University,Chongqing 400042,China)

ObjectiveTo elucidate the value of computer-assisted virtual design and three-dimensional printing in the management of maxillofacial bone defect.MethodsA total of 14 patients with jaw trauma and tumor were enrolled in this study. There were 9 males and 5 females with an average age of 41.5 years. The preoperative computer virtual and simulated operation was performed with digital data from CT scanning. Three-dimensional model including pre-operation,post-operation and surgical guide were printed according to computer design scheme. In the actual operation,the difference of surgical protocol and the clinical value were compared with conventional surgery.ResultsFourteen patients

the preoperative design and model surgery,the operation time of traumatic patients was 2-6.5h,and the operation time of tumor patients was 3-4.5h. All patients used 3D printing model before operation to develop surgical procedures to simulate the surgical procedures. The surgical approach,surgical guide plate placement and screw implantation were consistent with the preoperative program in 13 cases. The surgery time was shortened by one hour in comparison with the operation time of conventional surgery. Patients were followed up for 3 to 6 months. For the facial contours and occlusal relationship,9 cases were satisfactory and 4 cases were fair,and 1 case was not satisfactory.ConclusionComputer-assisted virtual design provides an important basis for the design of virtual surgery and clinical data for reconstruction surgery; 3D printing technology can improve the quality of operation,effectively shorten the operation time,and reduce the risk of intraoperative and postoperative complications.

bone defect; jaw bones; reconstruction; 3D printing; model

620010 四川，眉山市中醫院(李富濤)； 610083 成都，成都軍區總醫院(李焰)；400042 重慶，第三軍醫大學大坪醫院

野戰外科研究所(李富濤，馬杰，聶鑫)

聶鑫，E-mail: dr.xinnie@qq.com

1009-4237(2017)09-0657-05

R 782.2

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.09.005

2017-02-08；

2017-03-22)