下頜重建鈦板虛擬預成型技術及其精度分析

梁燁 張佳楫 蔣燦華 左國坤 王潔 閔安杰

(1 中南大學湘雅醫院口腔醫學中心口腔頜面外科，湖南 長沙 410008；2 中國科學院寧波材料技術與工程研究所； 3 中南大學湘雅醫學院)

外傷、感染或腫瘤根治手術導致的頜骨缺損，不僅影響患者的面部外形，還會造成咀嚼、言語、吞咽、呼吸等生理功能的極大障礙[1]，需要進行骨缺損修復重建。在采用骨移植方法進行下頜骨骨段缺損修復重建時，術中常采用鈦合金內固定器械來連接和固定骨段。就下頜骨缺損而言，成品化的重建鈦板因生產簡單、臨床應用廣泛而廣受青睞，但術中需依據患者下頜骨外形對鈦板進行彎制[2-4]，不但費時費力，而且成型效果并不理想。數字醫學尤其是3D打印技術的出現，使臨床醫師能夠在術前模擬病變切除、骨塊移植等虛擬手術[5-6]，打印出預期重建的頜骨模型，并依照該模型彎制個性化鈦板備用，從而將費時費力的鈦板彎制過程提前至術前完成。但這種方法仍然存在兩方面缺陷，一是鈦板的彎制仍為手工完成，難以完全與下頜骨表面貼合，反復彎制易產生金屬疲勞；二是需將預期重建的頜骨模型打印出來，周期長，且增加了醫療費用。本研究擬建立一種下頜重建鈦板數字化虛擬預成型的方法。采用逆向建模技術重建鈦板數字化模型后，運用解析幾何和離散仿真等方法，推導出個性化仿真彎制算法，在虛擬空間中實現對鈦板預成型，以期為后續高精度鈦板自動化彎制機器人的研發提供技術支持[7]?，F將結果報告如下。

1 材料與方法

1.1 數字化原始模型的建立

1.1.1成品下頜重建鈦板的數字化模型的構建采用光學掃描及千分尺測量獲取成品下頜重建鈦板(美國Stryker公司)的結構特征參數，通過Solid-Works 3D完成三維建模，如圖1a。為簡化虛擬彎制過程，將鈦板簡化為鈦環與鈦桿交替重復的桿環聯結體，如圖1b。進一步推演出仿真參數。

1.1.2下頜骨數字化模型的構建 使用錐形束CT或螺旋CT對患者下頜骨進行密層掃描，將DICOM文件導入E3D醫學仿真設計平臺(南京輝擎信息科技有限公司，授權中南大學湘雅醫院口腔醫學中心使用)。通過閾值分割、區域增長、畫刷填充等工具重建三維下頜骨模型，完成病變切除、骨塊移植等虛擬手術后，保存為STL文件備用。如圖1c。

a：通過測量及逆向工程重建成品下頜鈦板示意圖，b：模擬過程中簡化的桿環連接體，c：下頜骨三維模型

1.2 虛擬彎制的過程推演

1.2.1關于貼合的總體假設 本研究假設的貼合包括：①若鈦環與下頜骨表面存在2個及以上接觸點，則認為該鈦環與下頜骨貼合；②當無法獲得2個及以上接觸點時，以1個接觸點作為鈦環與下頜骨貼合的標志；②考慮到極端情況，如1個接觸點也無法找到時，則給予錯誤提示，要求用戶重新選取。

P1為下頜骨三維虛擬模型外表面上的某點，由用戶手動選定，用以初步確定第一個鈦環與下頜骨三維虛擬模型表面的虛擬貼合初始位置；為下頜骨表面虛擬模型中P1點處切面法向量

為第一個鈦環第一次與下頜骨三維虛擬模型碰撞時的孔心位置與姿態矢量；為以為旋轉圓心，將第一個鈦環旋轉θmin角度后與下頜骨表面的接觸點；為第一個鈦環此時的圓心位置與姿態矢量

第i個鈦環已確認其虛擬彎折位置，Ci為第i個鈦環的圓心，為固定于圓心Ci的矢量，與鈦環垂直；Ci+1為第i+1個鈦環在未彎折前的圓心位置，為固定于圓心Ci+1的矢量，與鈦環垂直；點Pi+1為下頜骨三維虛擬模型外表面上的某點，由用戶手動選定，用以初步確定第i+1個鈦環的虛擬彎折方向；點為令過圓心Ci且垂直于矢量的平面Plane1，在平面Plane1上求解點使得該點滿足：位于直線Pi+1Ci在平面Plane1的投影直線上；為第i+1個鈦環與下頜骨三維虛擬模型表面的第一接觸點，為第i+1個鈦環在旋轉角度αmin之后的圓心位置與姿態矢量，且此時直線Ci+1Ci與矢量平行

為第i+1個鈦環在虛擬彎折中出現第一次與下頜骨碰撞時的圓片孔心位置與姿態矢量，各變量定義與圖4中定義相同；為將第i+1個鈦環旋轉角度θmin后，第i+1個鈦環下表面與下頜骨表面的第二接觸點；為第i+1個鈦環在旋轉角度θmin后的位置與姿態矢量

1.3 下頜重建鈦板彎制精度的測量與比較

選取完成虛擬手術后的預期下頜骨模型5個，分別采用虛擬彎制和手工彎制方法，對下頜骨重建鈦板進行預成型。虛擬彎制在Matlab(MathWorks公司，美國，授權中南大學使用)仿真平臺上進行，手工彎制先用3D打印技術將E3D虛擬手術生成的預期下頜骨打印為實體，依照該模型由一位經驗豐富的臨床醫師手工彎制，將彎制好的鈦板固定于下頜骨模型上后，再次行CT掃描，重建出虛擬模型。

使用隨機數表法，每塊預成型后的鈦板隨機抽取6個鈦孔作為測量孔，采用數字化三維重建軟件分別測量貼合面上下左右4個孔邊到下頜骨表面的距離，取均值作為孔心到下頜骨表面的距離。

1.4 統計學分析

以獨立樣本t檢驗比較虛擬彎制組與手工彎制組鈦板孔心到下頜骨表面距離，檢驗水準α=0.05。

2 結 果

虛擬彎制與手工彎制的鈦板效果見圖6，虛擬彎制組鈦板圓環均位于下頜骨表面，每個鈦環均存在貼合點，無干涉點存在。虛擬彎制組鈦板孔心與下頜骨表面距離平均為(0.87±0.62)mm，手工彎制組距離平均為(1.57±1.17)mm，組間比較差異具有統計學意義(t=2.85,P<0.05)，虛擬彎制組貼合度顯著優于手工彎制組(圖7)。

a：虛擬彎制鈦板的鈦環貼合面的姿態位置，b：手工彎制鈦板的掃描重建

圖7 手工彎制與虛擬彎制鈦板孔心與下頜骨表面距離獨立樣本t檢驗提琴圖

3 討 論

在下頜骨重建手術中，對成品鈦板進行個性化成型的目的是讓鈦板能夠與骨組織緊密貼合，從而最大限度地減少移植骨段位置欠佳、鈦板外露、鈦釘松動等并發癥的發生。盡管隨著3D打印技術的日臻成熟，直接生產的個性化內固定器械已在臨床初步應用，但由于存在生產周期長、成本高、力學與生物學特性可能發生改變等缺點[8]，目前尚未得以普及，成品鈦板在未來較長的一段時間內仍將會廣泛使用。在以往的手術中，臨床醫師多憑經驗對鈦板進行彎制，塑形精度難以保證，無疑增加了手術風險[9]。隨著數字化技術的發展，通過手術模擬并打印出預期重建的頜骨模型，臨床醫師能夠依照該模型彎制鈦板[3]，從而可將費時費力的鈦板彎制過程提前至術前完成[10-11]。但受限于彎制技巧，這種手工彎制的鈦板難以完全與下頜骨表面貼合，且反復彎制容易產生金屬疲勞，增加了鈦板斷裂的風險。

數字化技術的應用，可在術前實現對病灶切除、骨塊移植等關鍵步驟的模擬[11]，并設計和打印出截骨導板、就位導板等輔助手術工具[12]，加之導航技術的日益成熟與普及，從而極大地提高了下頜骨的重建精度[13-14]。但其中的關鍵技術瓶頸是對成品鈦板的彎制仍為手工完成，數字化技術并未能涵蓋整個手術流程，因此本研究聚焦于成品鈦板的彎制，采用逆向建模技術重建鈦板數字化模型后，運用解析幾何和離散仿真等方法，推導出個性化仿真彎制算法，在虛擬空間中實現對鈦板的預成型，從而建立一種對下頜骨重建鈦板進行虛擬彎制的方法，并希望最終通過機器人輔助來實現這一過程。

本研究選取5個完成虛擬手術后的預期下頜骨模型，分別采用手工彎制和本研究建立的虛擬彎制方法對下頜骨重建鈦板進行塑形，每塊鈦板隨機抽取6個鈦孔，測量貼合面上下左右4個孔邊點到下頜骨表面的距離，取均值作為孔心到下頜骨表面的距離來評價鈦板與下頜骨的貼合度，結果發現，虛擬彎制組鈦板孔心與下頜骨表面距離較手工彎制組更小，表明虛擬彎制組的貼合度顯著優于手工彎制組。虛擬彎制鈦板的孔心與下頜骨表面仍有一定的距離，其原因是在虛擬彎制過程中，為保證鈦孔不發生變形而影響鈦釘的置入，假定彎折只發生在相鄰鈦孔的連接處，而不發生在鈦孔上，因此鈦孔始終保持為平面，而需要貼合的骨表面并非為平面，虛擬貼合時雖然保證了鈦孔與頜骨表面存在緊密接觸點，但孔心與頜骨表面仍會有一定距離。而在手工彎制中，很難保證每個鈦孔均與頜骨發生接觸，因此孔心距頜骨表面的距離會更大。

根據本研究建立的方法，可以初步實現對成品鈦板的虛擬彎制，與現有技術相比，其主要優勢是：①便于操作者使用和測試，避免了方案的反復修改，提高了彎制效率和貼合精度；②無需打印出三維模型實體，能夠縮短術前準備時間，節約醫療成本。③通過提取虛擬彎制鈦板的空間特征信息，能夠為鈦板彎制機器人系統提供基礎數據，有望實現對成品鈦板的自動化彎制[15]。