3D打印技術(shù)在正頜外科手術(shù)中的應(yīng)用

王洪一，梁久龍，劉曉燕，張庭輝，邱 濤，付志強(qiáng)，何景濤，曹志強(qiáng)，柳云恩，陶 凱，侯明曉

頜面部嚴(yán)重的骨性不調(diào)、牙面畸形或齒槽骨畸形通常需行正頜外科手術(shù)治療。常規(guī)的治療流程是先行針對牙弓和個別牙齒的術(shù)前正畸治療，之后行手術(shù)矯正，最后行術(shù)后正畸維護(hù)與保持。正頜外科手術(shù)是矯正骨性畸形的最佳選擇，常規(guī)術(shù)式包括Lefort I型截骨術(shù)、矢狀劈開截骨術(shù)和頦部水平截骨術(shù)。由于頜骨本身具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，截骨線的選擇變化多樣，涉及血管神經(jīng)多且隱蔽，因此增加了手術(shù)的難度。如果能夠預(yù)先獲得與患者實體等大的骨骼模型，便可以在模型上進(jìn)行手術(shù)設(shè)計、手術(shù)預(yù)測甚至手術(shù)導(dǎo)引，將大大減少風(fēng)險，改善手術(shù)效果。3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)，是根據(jù)分層制造、逐層疊加的原理，快速制作三維實體的一種分層制造技術(shù)，已開始越來越廣泛地應(yīng)用于器官模型制造、手術(shù)方案設(shè)計、個性化支架材料生產(chǎn)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［1-5］。沈陽軍區(qū)總醫(yī)院整形外科2015年2—7月收治頜骨畸形患者7例，應(yīng)用3D打印技術(shù)術(shù)前預(yù)成個性化頜骨模型，在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行診斷分析、手術(shù)方案設(shè)計和手術(shù)導(dǎo)板制作，效果滿意，現(xiàn)報告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本組7例，男3例，女4例;年齡18～22歲，平均20歲。術(shù)前診斷5例為Ⅲ類咬合畸形，2例為Ⅲ類咬合畸形伴頦部發(fā)育不對稱。

1.2 手術(shù)方法

1.2.1 頭顱三維CT數(shù)據(jù)獲取:術(shù)前均采用Light Speed VCT螺旋CT掃描機(jī)(GE公司，美國)進(jìn)行頭顱掃描，球管電流10 mA，管電壓120 kV，矩陣512×512，以層厚 0．625 mm薄層三維重建，數(shù)據(jù)以DICOM格式刻盤保存。

1.2.2 頜骨模型3D打印:將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 10．01軟件(Materialise公司，比利時)進(jìn)行頭顱骨三維重建，用CT數(shù)據(jù)分割分離上頜骨與下頜骨，在斷層影像中調(diào)整影像對比度，設(shè)置合適的數(shù)據(jù)選取閾值，過濾骨骼組織。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL格式，輸入Z Corp快速成型打印機(jī)(Z Corporation公司，美國)。采用快速成型粉打印頭顱三維模型。

1.2.3 應(yīng)用模型輔助診斷和手術(shù)設(shè)計:在頭影測量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析上頜和下頜的畸形數(shù)據(jù)，明確診斷，設(shè)計手術(shù)方式，即單純下頜截骨，或雙頜截骨，或結(jié)合頦部水平截骨術(shù)。同時，借助3D打印模型，與患者溝通，更為形象、直觀地介紹畸形原因、手術(shù)過程和相關(guān)風(fēng)險。

對于Lefort I型截骨，可在模型上進(jìn)行模擬截骨，完成上頜骨段的移位、固定，并預(yù)先進(jìn)行鈦板的選擇和彎制。對于矢狀劈開截骨，可觀察下頜小舌和頦神經(jīng)的位置，術(shù)前設(shè)計截骨線的位置;對于頦部水平截骨，可在明確頦神經(jīng)位置的基礎(chǔ)上，設(shè)計截骨線位置和方向;對于頦部不對稱，通過鏡像原理，以健側(cè)為參照，預(yù)成骨質(zhì)增生模塊，根據(jù)此模塊，在頜骨模型上可標(biāo)記增生范圍、大小，以齒科塑料制成導(dǎo)板，指導(dǎo)骨質(zhì)修整，以最大限度地達(dá)到兩側(cè)的對稱性。

1.2.4 術(shù)前準(zhǔn)備:術(shù)前進(jìn)行口內(nèi)清潔，完成術(shù)中導(dǎo)板的制作，對于雙頜手術(shù)需要準(zhǔn)備中間導(dǎo)板和最終導(dǎo)板。常規(guī)全麻術(shù)前準(zhǔn)備。

1.2.5 手術(shù)步驟:行經(jīng)鼻氣管插管全麻，麻醉滿意后，口內(nèi)消毒。按正頜外科手術(shù)常規(guī)完成Lefort I型截骨術(shù)、矢狀劈開截骨術(shù)和頦部水平截骨術(shù)。

1.2.5.1 Lefort I型截骨術(shù):于上頜牙齦與唇頰側(cè)黏膜交界處上方的前庭溝處設(shè)計切口線，切口線由一側(cè)第2磨牙止于對側(cè)第2磨牙。按切口線設(shè)計切開黏膜、黏膜下層及骨膜，緊貼骨剝離，暴露梨狀孔、前鼻棘、上頜竇前外側(cè)壁、顴牙槽嵴，向后剝離直達(dá)翼上頜連接處，剝離各處黏骨膜。按術(shù)前模型設(shè)計的截骨線截骨，離斷翼上頜連接和鼻中隔，降下折斷，充分游離松動上頜骨，中間導(dǎo)板就位，頜間固定，以術(shù)前預(yù)彎的鈦板行堅強(qiáng)內(nèi)固定。

1.2.5.2 矢狀劈開截骨術(shù):去除頜間固定。于咬合平面水平至第2前磨牙遠(yuǎn)中的齦頰溝稍偏頰側(cè)黏膜處，沿外斜線切開黏骨膜。骨膜下剝離、顯露下頜骨升支外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面。根據(jù)術(shù)前測量下頜小舌高度和深度，以球鉆橫行截骨，之后向近中沿外斜嵴做截骨線，向前方止于第1、2磨牙部位頰側(cè)骨板。以往復(fù)鋸加深截骨線，以骨鑿行升支矢狀劈開。雙側(cè)截骨完成后，下頜骨正中骨段可向后方移動。置入終導(dǎo)板，頜間固定。雙側(cè)矢狀劈開區(qū)以鈦板固定。

1.2.5.3 頦部水平截骨術(shù):于下頜左右第1前磨牙之間對應(yīng)的前庭溝區(qū)設(shè)計切口線，切開黏膜、黏膜下層和骨膜，骨膜下剝離，顯露頦神經(jīng)，加以保護(hù)。根據(jù)術(shù)前模型分析結(jié)果確定的截骨線部位畫線，以往復(fù)鋸制備截骨線，骨鑿?fù)瓿奢d骨。按術(shù)前設(shè)計向前移動下方骨塊，直至理想位置，堅強(qiáng)內(nèi)固定。

1.2.5.4 頦部修整術(shù):對于頦部兩側(cè)骨質(zhì)不對稱者，置入術(shù)前預(yù)制的區(qū)域?qū)О?，畫線，根據(jù)畫線磨鉆去骨，去骨完成后置入最終導(dǎo)板，導(dǎo)板貼附良好，說明磨除范圍正確。

沖洗術(shù)野，分層縫合創(chuàng)口，置負(fù)壓引流。術(shù)后常規(guī)抗感染治療，術(shù)后1周流質(zhì)飲食，2周拆線。

2 結(jié)果

本組行Lefort I型截骨加矢狀劈開截骨2例，單純矢狀劈開截骨加頦部水平截骨3例，矢狀劈開截骨加頦部水平截骨加頦部局部修整2例。手術(shù)時間為90～180 min，平均140 min。術(shù)后口內(nèi)切口均Ⅰ期愈合，無一例發(fā)生血管神經(jīng)損傷、感染、血腫、張口困難等并發(fā)癥，患者咬合關(guān)系明顯改善。7例均獲隨訪，隨訪時間3～6個月，平均4．5個月，患者雙側(cè)下頜骨形態(tài)對稱，咬合關(guān)系良好，面部對稱性顯著改善。

3 典型病例

男，20歲。入院診斷為Ⅲ類咬合畸形(圖1～4)。經(jīng)過系統(tǒng)正畸治療后，確定手術(shù)方案為下頜升支矢狀劈開截骨下頜后徙術(shù)、頦部水平截骨頦前徙術(shù)、頦短縮術(shù)。術(shù)前行CT檢查，并制作3D打印模型。根據(jù)模型術(shù)前測量下頜小舌位置(圖5)、矢狀劈開截骨線位置(圖6)、頦部水平截骨線位置(圖7)，同時制作頦部水平截骨線導(dǎo)板(圖8)。在術(shù)中根據(jù)模型測量數(shù)據(jù)施行截骨，手術(shù)順利。術(shù)后患者面型和咬合恢復(fù)良好(圖9～12)。

圖1 Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)前正位像;圖2 Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)前側(cè)位像;圖3 Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)前咬合正位像;圖4Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)前咬合側(cè)位像;圖5 Ⅲ類咬合畸形患者下頜小舌位置測量;圖6 Ⅲ類咬合畸形患者縱行截骨線位置測量;圖7 Ⅲ類咬合畸形患者水平截骨線位置測量;圖8 Ⅲ類咬合畸形患者水平截骨導(dǎo)板;圖9 Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)后正位像;圖10 Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)后側(cè)位像;圖11 Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)后咬合正位像;圖12 Ⅲ類咬合畸形患者術(shù)后咬合側(cè)位像

4 討論

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，利用計算機(jī)輔助設(shè)計，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前應(yīng)用較多的3D打印技術(shù)主要包括光固化立體印刷(stereolithography，SLA)、熔融沉積成型(fused depositionmodeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)和三維噴印(three dimensional printing，3DP)等［6-8］。3D 打印技術(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合是醫(yī)學(xué)史上的重大進(jìn)步。在外科領(lǐng)域，3D打印技術(shù)打印出的實體可實現(xiàn)3D可視化，使外科醫(yī)師更易控制手術(shù)過程，提高了手術(shù)的精確性，從而達(dá)到手術(shù)預(yù)見性好、效果可靠、出血少、并發(fā)癥發(fā)生率低等目的。

3D打印技術(shù)在外科的實際應(yīng)用主要包括3個方面，即術(shù)前模擬手術(shù)的模型外科、基于計算機(jī)輔助設(shè)計和制作的導(dǎo)板外科以及個性化植入物設(shè)計和制作的移植外科［9-12］。這三方面在正頜外科中均涉及。首先，實現(xiàn)人體骨骼結(jié)構(gòu)可視化。這一點對于以美容和畸形改善為主要目標(biāo)、以骨骼位置矯正為主要手段的正頜外科尤為重要［13-14］。一方面，術(shù)者可以在術(shù)前利用模型對畸形成因、手術(shù)方法和手術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)而準(zhǔn)確的分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計更為合理的截骨方案。另一方面，可以在術(shù)前與患者及家屬進(jìn)行更為形象具體的溝通，闡明畸形原因、手術(shù)原理、截骨方式、手術(shù)風(fēng)險等，增加患者的信賴感和配合度，減少術(shù)后糾紛的發(fā)生。其次，可進(jìn)行手術(shù)模擬、截骨線設(shè)計，在此基礎(chǔ)上設(shè)計導(dǎo)板，更準(zhǔn)確地進(jìn)行截骨操作、骨塊移位和骨塊固定。在正頜外科中，上頜骨骨塊移位的方向和距離、下頜小舌的位置、頦成形截骨塊移動的大小、不對稱頦部截骨量的確定常常是手術(shù)的難點，并決定手術(shù)的效果［15-17］。本研究結(jié)果顯示，通過3D打印模型的分析、測量和導(dǎo)板制作，可更準(zhǔn)確地解決上述問題，術(shù)者可做到術(shù)前心中有數(shù)、有的放矢，手術(shù)時間縮短，手術(shù)并發(fā)癥減少，術(shù)后患者滿意度增高。第三，對于嚴(yán)重不對稱畸形或手術(shù)失敗病例，可通過采用個性化植入物設(shè)計，利用數(shù)字化鏡像原理，根據(jù)健側(cè)數(shù)據(jù)定制植入物，并可同時制成固定用孔道，連接固定用材料，實現(xiàn)“量身定做”，達(dá)到手術(shù)的“最簡單化”和“最標(biāo)準(zhǔn)化”。

總之，數(shù)字化醫(yī)學(xué)的主要內(nèi)容有兩個方面，一是對數(shù)字圖像的處理，二是滿足醫(yī)學(xué)臨床需要。前者由理學(xué)工程師或設(shè)計師完成，后者由醫(yī)學(xué)工作者完成，兩者的充分溝通和相互了解對于3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得良好效果至關(guān)重要，這一點既是目前臨床實際應(yīng)用中存在的不足，也是需要進(jìn)一步完善的方向。

［1］ Derby B．Printing and prototyping of tissues and scaffolds［J］．Science，2012，338(6109):921-926．

［2］ Mannoor M S，Jiang Z，James T，et al．3D printed bionic ears［J］．Nano letters，2013，13(6):2634-2639．

［3］ Serra T，Planell J A，Navarro M．High-resolutioin PLA-based composite scaffolds via 3D printing technology［J］．Acta biomaterialia，2013，9(3):5521-5530．

［4］ Weitz J，Deppe H，Stopp S，et al．Accuracy of templates for navigated implantation made by rapid prototyping with DICOM datasets of cone beam computer tomography(CBCT)［J］．Clin Oral Investig，2011，15(6):1001-1006．

［5］ Bai S，Shang H，Liu Y，et al．Computer-aided design and computeraided manufacturing locating guides accompanied with prebent titaniumplates in orthognathic surgery［J］．JOral Maxillofac Surg，2012，70(10):2419-2426．

［6］ Goiato M C，Santos M R，Pesqueira A A，et al．Prototy ping for surgical and prosthetic treatment［J］．J Craniofac Surg，2011，22(3):914-917．

［7］ Klein GT，Lu Y，Wang M Y．3D printing and neurosurgery-ready for prime time?［J］．World Neurosurg，2013，80(3):233-235．

［8］ Olszewski R．Three-dimensional rapid prototyping models in craniomaxillofacial surgery:systematic review and new clinical applications［J］．PBelg Roy Acad Med，2013，2:43-77．

［9］ Rengier F，Mehndiratta A，von Tengg Kobligk H，et al．3D printing based on imaging data:review of medical applications［J］．Int JComput Assist Radiol Surg，2010，5(4):335-341．

［10］ Fan H，Guo Z，Wang Z，et al．Surgical technique:Unicondylar osteoallograft prosthesis composite in tumor limb salvage surgery［J］．Clin Orthop Relat Res，2012，470(12):3577-3586．

［11］Curodeau A，Sachs E，Caldarise S．Design and fabrication of cast orthopedic implants with freeform surface textures from 3D printed ceramic shell［J］．J Biomed Mater Res，2000，53(5):525-535．

［12］ LT C，McDonald M．Design and performance of inkjet print heads for non-graphic-arts applications［J］．MRS Bull，2003，28(11):807-811．

［13］ Zhou L B，Shang H T，He L S，et al．Accurate reconstruction of discontinuous mandible using a reverse engineering/computer-aided design/rapid prototyping technique:a preliminary clinical study［J］．J Oral Maxillofac Surg，2010，68(9):2115-2121．

［14］ Park H S，Lee J H．A comparative study on the location of the mandibular foramen in CBCT of normal occlusion and skeletal class II and III malocclusion［J］．Maxillofac Plast Reconstr Surg，2015，37(1):25-34．

［15］Chang H W，Lin H H，Chortrakarnkij P，et al．Intraoperative navigation for single-splint two-jaw orthognathic surgery:From model to actual surgery［J］．JCraniomaxillofac Surg，2015，43(7):1119-1126．

［16］ Choi B K，Lo L J，Oh K S，et al．The influence of reduction mandibuloplasty history on the incidence of inferior alveolar nerve injury during sagittal split osteotomy［J］．Plast Reconstr Surg，2013，131(2):231e-237e．

［17］ Chen Z，Chen D，Tang L，et al．Relationship between the position of the mental foramen and the anterior loop of the inferior alveolar nerve as determined by cone beam computed tomography combined with mimics［J］．J Comput Assist Tomogr，2015，39(1):86-93．