基于計算機輔助設計與3D打印技術的血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損的應用研究

穆婷 馬成 馮浩然 王爽 何雨亮 黃旋平

1廣西醫科大學附屬口腔醫院（南寧530021）；2廣西口腔頜面修復與重建研究重點實驗室（南寧530021）；3廣西顱頜面畸形臨床醫學研究中心（南寧530021）；4頜面外科疾病診治研究重點實驗室（南寧530021）；5安徽醫科大學第四附屬醫院（合肥230002）

創傷、炎癥、腫瘤切除、骨放射性壞死等都可 造成頜骨缺損，從而影響患者的外觀、咀嚼、吞咽和語言功能［1-2］，使其在生活中倍感痛苦和不便，嚴重降低患者的生存質量。因此，如何修復頜面缺損、重建患者原有的正常頜骨運動功能和咬合關系，一直是國內外口腔頜面外科的研究方向。自1989年首次提出將游離腓骨肌瓣用于修復下頜骨缺損以來［3］，目前對于下頜骨缺損的修復，血管化腓骨游離移植已成為較理想的治療方式，它能較好地重建頜面外形、恢復原有的咬合功能［4-5］。但傳統的手術方式大多憑借個人經驗在術中對鈦板進行彎制及成型腓骨，耗時耗力，且容易造成誤差，影響修復效果。

3D打印技術是快速成型（rapid prototyping，RP）技術的一種，它可以通過計算機輔助設計（computer-aided design，CAD）模擬手術，能夠在術前個性化的制作出解剖結構與患者精確匹配的三維顱頜模型［6］，并設計制作出與其匹配的數字化導板，以引導術中下頜骨病變區域的切除及腓骨的精確塑形。基于CAD 與3D 打印技術的血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損的文獻已有報道，但對其精確度的研究卻少有報道。本實驗將基于CAD 與3D 打印技術和應用傳統方法修復下頜骨缺損的精確度進行了對比研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年3月至2017年12月廣西醫科大學附屬口腔醫院頜面外科收治的需行下頜骨病變切除及重建的患者共22 例，其中男10 例，女12 例；年齡為22～52 歲，平均36.6歲，所有患者術前開口度范圍為1.7 ～2.6 cm。收集的病例皆為下頜骨病變需切除及重建的患者，包括：放射性骨髓炎3 例、角化囊性瘤4 例、成釉細胞瘤13 例、骨化纖維瘤1 例以及牙齦癌1 例。所有患者皆表現出不同程度的頜面部改變及功能障礙，如雙側面部不對稱，病變對應的下頜骨區域出現膨隆，張口受限，進食及言語障礙，牙齒松動以及下唇麻木等相關癥狀。

排除標準：（1）術前一側下頜骨陳舊性缺失；（2）已發生移位的病理性骨折。將其隨機分為A、B 兩組，A 組為觀察組，編號1 ～11，該組采用CAD與3D 打印技術的血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損；B 組為對照組，編號12 ～22，該組采用傳統血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損。本研究符合人體實驗倫理學標準，已通過廣西醫科大學倫理委員會批準，并取得患者知情同意。

1.2 方法

1.2.1 計算機輔助設計與3D 打印技術 所有患者術前均完善頜面部螺旋CT 檢查，采用同一螺旋CT 及同一參數完成掃描，（西門子Biograph Sensation 16 螺旋CT儀），參數為120 V，65 mA，層厚及螺距皆為0.5 mm。掃描數據以DIOM 格式保存。用Mimics17.0（Materialise 公司，比利時）計算機程序重建下頜骨三維模型，并根據下頜骨病變區域范圍進行截骨線的模擬設計（圖1）。根據鏡像還原技術重建缺損區下頜骨（圖2），然后用Geomagic Studio12.0 軟件設計出與缺損區下頜骨曲線相吻合的腓骨塑形導板（圖3）。將重建數據以STL 格式導入3D 打印機（中瑞SLA），用RP 技術制造出實體下頜骨模型（圖4）、腓骨塑形導板（圖5）及鈦螺釘定位導板（圖6），將制作完成的3D 腓骨塑形導板及鈦螺釘定位導板進行消毒備用。

圖1 截骨線模擬設計Fig.1 simulated design of osteotomy line

圖2 缺損區下頜骨重建 Fig.2 reconstruction of the mandible in the defect area

圖3 腓骨塑形導板設計Fig.3 fibula shaping guideplate design

1.2.2 手術過程 仰臥位，采用鼻腔插管，待全麻起效后，常規消毒鋪巾，用美藍劃線標記切口位置，逐層切開、充分分離、暴露病變下頜骨。手術過程中注意保護重要的神經和血管，盡量減少出血。A 組根據術前模擬手術設計的截骨線標記切除病變范圍，并以標記線作為參照來精確切除病變下頜骨；B 組根據術者經驗判斷完全去除病變下頜骨；所有下頜骨腫瘤均應遵照臨床無瘤手術原則。根據下頜骨病變區修復需要決定血管化游離腓骨瓣制取長度。A 組嚴格按照個性化腓骨塑形導板的角度與長度對腓骨進行截斷與拼接（圖7A），用定位導板對健側下頜骨進行鈦螺釘位置的確定（圖7B），并檢查塑形導板與患者頜骨是否完全貼合（圖7C），使用鈦釘鈦板固定成形后的腓骨（圖7D）；B 組采用傳統血管化腓骨游離移植方法修復下頜骨缺損。常規吻合動靜脈血管，在體內完成腓骨固定，檢查頜面外形及健側咬合情況，達到滿意后，充分止血，逐層關閉創口。為保持患者健側余留牙齒原有咬合關系，我們于口內健側行頜間牽引固定。記錄整個手術耗時，根據吸引器內液體量及止血紗布使用情況評估術中出血量。所有患者手術皆由同一醫生完成。

圖4 實體下頜骨模型Fig.4 solid mandible model

圖5 腓骨塑形導板Fig.5 fibula shaping guide plate

圖6 鈦螺釘定位導板Fig.6 titanium screw positioning guide plate

圖7 手術過程圖片Fig.7 Picture of surgical process

1.2.3 精確度評價及統計學方法 術后10 d查頜面部螺旋CT 進行數據收集，將術前與術后的CT 數據進行三維重建，以上頜骨為標準重疊術前、術后三維圖像（圖8A），并在三維圖像中分別標記出術前、術后的下頜骨五個位置點（圖8B），包括左側髁頂點、左側下頜角、下頜頦頂點、右側髁頂點及右側下頜角，測量術前術后每個位點移動的距離，單位為mm，并根據兩組術前術后各位置點間移動距離的大小來反映手術精確度。所有數據均采用SPSS 2.0 軟件進行統計分析，計量資料采用獨立樣本t檢驗，數據描述性分析結果采用均數±標準差表示；因樣本量較少（n＜40），故所有計數資料采用確切概率法（Fisher）計算，數據描述性分析結果采用構成比表示，以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

圖8 三維模型Fig.8 3 D model

2.1 術后恢復情況 將患者的生命體征、皮瓣成活情況、負壓引流量、創口愈合及感染情況、健側余留牙的咬合情況、開口度的改善以及頜面部原有面型恢復情況等作為觀察及一般評價指標，所有指標兩組差異均無統計學意義（P＞0.05，表1）。術后恢復期間所有患者的生命體征皆平穩，血管化腓骨游離移植瓣皆成活，傷口愈合良好，無感染及血管危象發生。實驗組術后負壓引流總量較對照組稍低，實驗組總體引流時間較對照組短，但差異無統計學意義。健側余留牙齒咬合關系基本正常，供骨區未見明顯并發癥。兩組術后頜面外型對比見圖9，實驗組及對照組術后復查CBCT 結果顯示鈦板鈦釘均固定在位，實驗組較對照組腓骨與下頜骨連接情況好，對照組斷端間可見部分骨臺階（圖10）。術后3月復查可見所有患者的開口度較前明顯改善，范圍可達2.6 ～3.8 cm 之間。頜面外形恢復皆較為滿意，下頜運動功能未見明顯障礙。

表1 實驗組與對照組術后觀察指標情況Tab.1 Postoperative indicators were observed in the experimental group and control group±s

表1 實驗組與對照組術后觀察指標情況Tab.1 Postoperative indicators were observed in the experimental group and control group±s

觀察指標生命體征（例）皮瓣成活情況（例）負壓引流總量（mL）負壓引流時間（d）健側咬合情況（例）術后3月開口度（cm）頜面外型（例）實驗組（n=11）平穩（11/11）無感染及血管危象（11/11）92.45±32.48 4.64±1.27良好（9/11）基本正常（2/11）3.38±0.36基本對稱（10/11）稍右偏（1/11）對照組（n=11）平穩（11/11）無感染及血管危象（11/11）92.91±32.47 4.91±0.83良好（7/11）基本正常（4/11）3.20±0.23基本對稱（9/11）稍右（左）偏（2/11）P 值1.000 1.000 0.974 0.501 0.635 0.175 1.000

圖9 兩組術前術后正面照Fig.9 Positive photos of preoperative and postoperative in two groups

圖10 兩組術后全景片Fig10 Postoperative panoramic radiograph of the two groups

2.2 實驗組與對照組手術時間及術中出血量比較 實驗組患者手術時間在6.2 ～9.8 h 之間，而對照組患者手術時間范圍為8.1 ～11.2 h，兩者平均手術時間分別為（8.28 ± 1.17）h 和（9.45 ± 0.94）h，實驗組平均手術時間較對照組平均手術時間短（P= 0.018 ）；實驗組患者術中出血量在300 ～700 mL之間，而對照組術中出血量在350 ～1 000 mL范圍內，兩者術中平均出血量分別為（395.45 ±119.28）mL 和（563.64 ± 213.41）mL，實驗組術中平均出血量較對照組少，且差異均有統計學意義（P=0.034）。

2.3 實驗組與對照組各位置點間移動距離比較實驗組各位置點術前至術后的平均移動距離均小于對照組各位置點術前至術后的平均移動距離。實驗組下頜頦頂點的移動距離較對照組下頜頦頂點的移動距離短，且差異有統計學意義，其余位置點間平均移動距離的差異尚無統計學意義。實驗組各位置點的總體移動距離較對照組各位置點的總體移動距離短，且差異有統計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 觀察組與對照組術前術后各個位置點移動距離比較Tab.2 Comparison of preoperative and postoperative movement distance of each position between the experimental group and the control group ±s，mm

表2 觀察組與對照組術前術后各個位置點移動距離比較Tab.2 Comparison of preoperative and postoperative movement distance of each position between the experimental group and the control group ±s，mm

標記部位右側髁頂點右側下頜角下頜頦頂點左側下頜角左側髁頂點所有標記點觀察組6.30±2.53 5.57±1.26 3.74±1.57 5.77±1.51 4.65±1.54 5.20±1.91對照組8.12±1.74 6.52±0.88 7.82±4.33 7.52±2.40 5.56±2.42 7.11±2.69 P 值0.063 0.052 0.012 0.056 0.312＜0.001

3 討論

由于骨段和軟組織的破壞及病變，頜面部病變切除手術后常造成下頜骨區域大范圍缺損。這不僅影響患者的頜面外形美觀，還可能對患者的咀嚼、吞咽、言語等功能產生相應的影響［7-8］。因此，對下頜骨連續性進行長期可靠的修復，是恢復可預測的形態和功能所必需的。在過去的幾十年中，最經濟、有效和最可靠的修復方法是用骨游離移植瓣修復下頜骨缺損，骨游離移植瓣具有高成功率，且供骨區較少發生并發癥，被認為是重建腫瘤手術中組織缺損的金標準［9］，而腓骨游離移植瓣通常用于大量缺損的下頜骨重建［10］，它是頜面部缺損修復最通用的皮瓣。

3D 打印技術是一種使用三維CAD 數據集生成三維觸覺物理模型的方法［11］。隨著CAD 與3D打印技術的不斷發展，現已廣泛應用于醫學領域，如口腔種植、體內置入物生物打印、骨科及口腔頜面外科手術等［12-14］。3D 打印技術是一種快速成型方法，它誕生于20世紀80年代，其原理是使用三維計算機模型，通過添加材料層來重建三維物理模型［15-16］。在頜面外科手術中，CAD 與3D 打印技術能夠根據患者的個人需求進行個性化頭顱模型設計與定制，因為患者之間存在個體及受損部位差異，通過對個體化三維模型重建能更加精確恢復患者的頜面外形，改善修復效果［17］。CAD 與3D打印技術能夠使手術變得更加直觀，從而便于術前與患者進行醫患溝通，讓其術前更好的了解手術方案、風險及術后效果。

傳統的血管化腓骨游離移植瓣因其是沒有弧度的長直骨，所以具有塑形難度大、耗費時間長，難以把控下頜骨重建精確度等缺點，而CAD 與3D打印技術的應用能夠在術前模擬手術，根據設計制作出的截骨線及導板精確的指示出病變骨及腓骨所需切割的角度及長度，給術者提供參考標準和手術向導，它使術者在手術過程中能更加精準快速的截骨和塑形，從而縮短手術時間，提高手術效率［18-20］。CAD 與3D 打印技術具有高精度和高復雜性制作的特點，它在下頜骨缺損修復中占據獨特優勢，這種尋求個體化精確修復下頜骨缺損的方法將會成為口腔頜面外科發展的趨勢與重點。

至今，國內外已經有大量學者發表了各種CAD 與3D 打印技術結合醫學研究的相關文獻，組織支架和皮膚生物打印是近年來的重大突破。以往也有文獻對CAD 與3D 打印技術的血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損方法和傳統修復方法進行比較，但多以術中出血量、術后張口度、頜面外形對稱情況及患者的自我滿意程度等作為評價指標。本文增加了術前術后下頜骨各標記點的移動距離作為手術精確度的評價標準，更加客觀準確。從本研究的結果可得，相對于傳統血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損，CAD 與3D 打印技術在血管化腓骨移植修復下頜骨缺損方面能減少手術時間及術中出血量，各位置點的移動距離也明顯較短，這說明基于CAD 與3D 打印技術的血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損較傳統修復方法更有利于手術進程，且能夠獲得更高的精度。但從結果可知，對照組較觀察組出血量的標準差明顯增大，因樣本量一定，故對照組患者出血量的標準誤大于實驗組，從而可得對照組在出血量的觀察指標中抽樣誤差較大，部分患者差異較大，故應增大樣本量，進一步明確結果。此外，觀察組及對照組皆有少量患者術后頜面部出現偏斜，觀察組的病例數較對照組少；觀察組與對照組間在術前術后各個位置點移動距離的比較中，左側髁頂點、左側下頜角、右側髁頂點及右側下頜角術前術后移動距離的比較無統計學意義，但觀察組與對照組各位置點的總體移動距離相比較有顯著差異，造成這種結果的原因可能是由于樣本量有限以及本實驗中未進行腓骨截骨數字化導板的使用，在截骨過程中出現了人為誤差，從而影響了精確性，導致了少數患者術后出現頜面稍不對稱的情況。

綜上所述，CAD 與3D 打印技術在血管化腓骨游離移植修復下頜骨缺損方面，可以通過術前截骨線的設計以及導板的應用，減少手術時間及術中出血量，為術者提供一個客觀的修復標準，從而恢復較為理想的面部外型，獲得較高的精確度。但此次研究樣本量有限，部分數據抽樣誤差大，隨訪時間較短，未能對遠期面型、顳下頜關節功能及咬合關系恢復情況等進行更深入的研究，同時在術中未使用腓骨截骨數字化導板，可能增加腓骨塑形難度，減少精確度，后期可加入實驗進一步研究。