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

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打印技術在頜面骨缺損與畸形的修復重建手術中的應用價值。方法治療頜面骨缺損與畸形手術病例6 例。術前行三維CT掃描、重建并3D打印1∶1實物模型。根據模型進行疾病診斷、手術設計及植入物的預制。結果3D打印的頭模全方位顯示了骨缺損及病變區域的狀況，實現了生物修復板的術前、體外精確預制；實證了頭影測量分析的結果，實現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。結論3D打印能全方位、直觀、精確地顯示頜面骨的三維空間關系，對于頜面骨缺損與畸形的修復重建手術有極大的臨床指導價值。

3D打印； 頜骨； 修復重建

因外傷、發育異常、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量。因此及時準確的診斷、治療，以及手術后的個性化修復對于恢復功能、容貌及提高生活質量具有重要的意義。但由于頜面部解剖結構復雜、骨骼形狀不規則、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、范圍及嚴重程度，具有一定的局限性。近年來，隨著3D打印技術的發展，因其可以快速、準確地再現復雜頜面部畸形或缺損的特點并可以制造與之相應的個性化修復體，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)技術的一種，是一種以數字模型文件為基礎，依托于信息技術、精密機械以及材料科學等多學科發展起來的尖端技術，主要通過計算機輔助設計(computer aided design，CAD)軟件或逆向工程重建三維設計模型，然后對模型進行分層設計，在3D打印機上實現“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(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，FDM)等，其中SLA技術因其分辨率高、打印尺寸不受限制、顯示內部結構精確而被廣泛應用[2-3]。我們臨床應用SLA技術進行3D打印，修復頜面骨缺損與畸形，取得了良好效果，現報告如下。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選取青島大學附屬醫院口腔頜面外科2015-01～2015-11的6 例手術病例，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，將數據導入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進行計算機輔助重建，根據對側下頜骨反求出患側復原模型，所得到的三維數據以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據，修補丟失的數據(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構和幾何外形。再經RPData專用軟件給模型加支撐分層后將數據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 術前設計與手術操作 在3D打印頭模上，對頜面骨缺損與畸形的情況進行分析，完成術前設計。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。按照術前設計，完成手術的精準修復。

2 結 果

典型病例1。上頜骨、顴骨、眶底骨折的患者，術前分析患者顴面部、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容還納回眼眶內，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，在手術中依據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)，口內切口聯合瞼下緣切口，首先將骨折復位、堅固內固定，將嵌入上頜竇的眼內容還納回眶內，然后將預制的生物板精確地植入眶底的缺損處并固定，縮短手術時間，更能增加假體植入的精確性，減少不必要的損傷。實現了生物修復板的術前、體外精確預制，達到了完美的手術效果，避免了視神經損傷等并發癥。患者術后眶下緣的連續性及眼球內陷得到明顯改善(圖 1E～F)。

典型病例2。下頜骨成釉細胞瘤患者，術前活組織檢查確定為成釉細胞瘤(圖 2A)，確定了下頜骨節段性切除及腓骨肌皮瓣重建下頜骨的手術方式。術前根據打印模型進行了手術模擬，在原型模型上進行截骨設計，描畫截骨線(圖 2B～C)。術中根據截骨線結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)。根據下頜骨外形連續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)。術后患者面型恢復良好，兩側對稱，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，根據術前頭影測量及模型外科設計手術方案。在3D打印模型上模擬手術截骨線及骨塊移動距離和旋轉角度，在頭模上實證了頭影測量分析的結果，實現了真正意義上的術前模型外科。口底惡性腫瘤患者，術前在3D打印模型上模擬手術中下頜骨斷開位置及長度，并設計取腓骨瓣長度。術中根據腫瘤生長狀況和術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，從而選擇內鏡下的上頜竇內壁開放術治療。

3 討 論

隨著醫學計算機技術和先進制造技術的快速發展以及患者對頜面部缺損及畸形手術修復精度要求的提高，如何運用計算機及3D打印技術來改進手術方式、提高手術質量、增加患者的滿意度，引起了口腔頜面外科醫生的極大關注。自Herman等[4]將三維重建技術應用于口腔頜面外科以來，3D打印技術應用于診斷、分析病情、術前設計、手術方案制定、術中植入物預制[5-7]、制作手術導板[8]等，尤其在醫患之間溝通與交流方面具有得天獨厚的優勢。高蕊[9]經過研究發現低劑量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： 術前3D打印模型； C： 術中修整生物植入材料； D： 生物材料植入； E： 患者術后6 d正面照； F： 術后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

傳統的生物修復板植入方法主要依靠術者的經驗和肉眼觀察，術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、血管等解剖結構復雜，易給患者造成不必要的損傷。本研究應用3D打印技術實現了生物修復板的術前、體外精確預制，達到了完美的手術效果，避免了視神經損傷等并發癥。

近年來有報道利用3D打印技術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用逐漸增多，張慶福等[11]對單側下頜骨體部與升支成釉細胞瘤患者設計了鈦合金3D打印技術制作的下頜骨植入體，使缺損下頜骨的解剖形態即刻得到個體化修復重建。生物3D打印技術也在快速發展中，目前用干細胞已經可以打印皮膚[12]、骨骼[13]等。Cecchini等[14]用3D打印技術制備鼠的唾液腺，從而實現了唾液腺的再生。George等[15]利用脂肪干細胞打印支架結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掃描數據為基礎，將三維重建、軟件設計及快速成形等技術運用于口腔頜面外科多種手術類型的設計、操作中，直觀、全面的顯示了口腔頜面部的解剖結構，對手術有很重要的指導作用，增加了手術的準確性、可靠性、安全性，縮短了手術時間。特別是通過鏡像技術設計頜骨修復模型，在其上進行重建板彎制節省了手術時間，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。術后患者下頜骨的完整性、連續性、頜面形態和功能即刻得到恢復，咬合關系與術前無差異。尤其是對于年輕的患者來說，手術中利用計算機設計后得到的模型進行手術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。若通過計算機設計后打印手術導板來指導術中的操作，可更有效的提高手術的準確度，更完美的將術前的設計方案展現在手術過程中。關于手術導板的設計需進一步研究。隨著3D打印技術的進步，高性能、高質量、低價格材料的出現以及CAD/CAM軟件的普及，3D打印技術在口腔頜面外科領域中的應用前景將更加廣闊。

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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

青島市自主創新重大專項資助(編號： 14-6-1-6-zdzx)

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

董蒨 E-mail： yuanrongtao@163.com

R782.4

A

10.3969/j.issn.1001-3733.2017.04.013

(收稿： 2017-01-18)