計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用

王　靜　袁榮濤　董　蒨

青島大學(xué)附屬醫(yī)院手術(shù)室 青島 266003

計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用

王靜袁榮濤董蒨

青島大學(xué)附屬醫(yī)院手術(shù)室 青島 266003

數(shù)字醫(yī)學(xué)是一門新興的多領(lǐng)域交叉學(xué)科，數(shù)字醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，給臨床醫(yī)學(xué)帶來了革命性變化。尤其是計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，使醫(yī)學(xué)進(jìn)入了一個全新的可視化的信息時代，其與3D打印技術(shù)相結(jié)合，推動了精準(zhǔn)外科手術(shù)的發(fā)展，引發(fā)外科領(lǐng)域的技術(shù)革命，促進(jìn)外科治療發(fā)生質(zhì)的飛躍。口腔頜面部缺損的修復(fù)重建具有復(fù)雜性與高要求的特點(diǎn)，計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用，深刻地改變了這一領(lǐng)域的面貌。本文對計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用與進(jìn)展作一綜述，并對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)； 3D打印技術(shù)； 頜面部； 重建

數(shù)字化外科（digital surgery）是基于圖像三維重建技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計和計算機(jī)輔助制造（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）、快速成型技術(shù)（rapid prototyping，RP）、反求技術(shù)（reverse engineering，RE）和外科導(dǎo)航技術(shù)（surgical navigation）等發(fā)展而成的現(xiàn)代化新技術(shù)[1]。

隨著數(shù)字化外科技術(shù)在口腔頜面部修復(fù)重建中的應(yīng)用不斷成熟，頜面骨缺損的修復(fù)重建取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，積累了很多成功的經(jīng)驗(yàn)[2-4]。在個體化治療的要求下，臨床醫(yī)生更加關(guān)注頜骨缺損的精確重建，因而在進(jìn)行頜面骨修復(fù)重建之前應(yīng)用數(shù)字化外科及3D打印技術(shù)行個體化設(shè)計至關(guān)重要?，F(xiàn)將計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用與進(jìn)展綜述如下。

1　CAD/CAM技術(shù)及3D打印技術(shù)的概況

CAD是將螺旋CT、磁共振等掃描獲得的DICOM格式圖像，導(dǎo)入Mimics、Geomagic、Imageware等三維建模軟件進(jìn)行正常骨組織及病變部位的三維重建，再利用鏡像技術(shù)、RE等計算機(jī)輔助外科技術(shù)根據(jù)人體的對稱性進(jìn)行修復(fù)設(shè)計，對圖像進(jìn)行刪減、添加、表面光滑等，切除和重建病變區(qū)域，生成缺損區(qū)域的修復(fù)模型，最后將其三維解剖模型和修復(fù)模型以STL格式輸入3D打印機(jī)。通過3D打印技術(shù)，制作出個性化實(shí)體模型，用于手術(shù)設(shè)計及制定手術(shù)方案。

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，是20世紀(jì)80年代以后在現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機(jī)數(shù)控技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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)。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的最大區(qū)別在于產(chǎn)品的成型過程，無需模具，一次成型，可制作出更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，能完成傳統(tǒng)制造無法達(dá)成的設(shè)計。根據(jù)不同的材料形式和工藝實(shí)現(xiàn)方法，3D打印技術(shù)可分為5大類：1）粉末/絲狀材料高能束燒結(jié)及熔化成型；2）液態(tài)樹脂光固化成型；3）絲材擠出熱熔成型；4）液體噴印成型；5）固體薄層材料片/板/塊材粘接或焊接成型。

2　在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)模型制造方面給醫(yī)患帶來了福音。美國醫(yī)生給一對連體嬰兒實(shí)施頭顱分離手術(shù)前，先用3D打印制作出連體頭顱模型，再參考模型對手術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化，不僅手術(shù)獲得成功，而且時間也較以往明顯縮短。

人類容貌特征的70%是由骨性結(jié)構(gòu)決定的[5]，頜面部骨骼解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，神經(jīng)血管豐富，與咀嚼、吞咽、語言、表情、呼吸等功能關(guān)系密切，計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)及3D打印技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用突破了頜面部缺損修復(fù)領(lǐng)域的傳統(tǒng)手術(shù)界限，簡化了手術(shù)步驟，減少術(shù)者對主觀經(jīng)驗(yàn)的依賴，延伸了外科醫(yī)生有限的視覺范圍，為醫(yī)生與患者提供了具有前瞻性、高成功率、微創(chuàng)化的手術(shù)手段，擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。醫(yī)生通過數(shù)字化技術(shù)將虛擬圖像轉(zhuǎn)化為觸覺模型，可以精確測定病變部位，預(yù)測缺損大小，合理計劃供骨區(qū)及供骨量，縮短手術(shù)時間，減少手術(shù)并發(fā)癥。

計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)和3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面。

2.1個體化模型制作與鈦板預(yù)制

Seres等[6]報道：利用計算機(jī)輔助設(shè)計及快速3D打印技術(shù)，為1例頜面部嚴(yán)重不對稱患者恢復(fù)了穩(wěn)定的咬合關(guān)系及面部對稱性，其術(shù)前完善的手術(shù)設(shè)計及最終達(dá)到的精確的修復(fù)效果是傳統(tǒng)手術(shù)方式無法比擬的。Azuma等[7]報道：對28例口腔惡性腫瘤患者行單側(cè)下頜骨切除及重建術(shù)，12例患者利用CAD/CAM技術(shù)+快速成型3D打印技術(shù)，術(shù)前制作下頜骨模型，并在模型上進(jìn)行鈦板的預(yù)彎成形，其余16例患者采用傳統(tǒng)的下頜骨重建手術(shù)方式，結(jié)果采用CAD/CAM技術(shù)+快速成型3D打印技術(shù)進(jìn)行手術(shù)的患者手術(shù)時間明顯縮短，下頜骨的對稱性恢復(fù)效果明顯好于采用傳統(tǒng)的頜骨重建手術(shù)治療的患者，且其容貌得到改善，生活質(zhì)量得到明顯提高。另有學(xué)者[8-9]的研究顯示：通過術(shù)前手術(shù)模擬、預(yù)彎重建鈦板，可使手術(shù)時間平均縮短45～90 min。

2.2骨瓣的精確制備

下頜骨缺損的修復(fù)方法較多，有自體髂骨或者肋骨移植、同種異體骨移植、代用品植入以及人工生物材料植入等，而以腓骨肌皮瓣為代表的血管化骨組織瓣修復(fù)重建頜骨缺損已成為主要方法[10-11]。數(shù)字重建下頜骨三維立體結(jié)構(gòu)，模擬手術(shù)并利用鏡像技術(shù)進(jìn)行腓骨的分段成角塑形，通過快速打印技術(shù)獲得頭模，進(jìn)行鈦板預(yù)成型，術(shù)中按計劃準(zhǔn)確切除病灶組織，術(shù)后咬合關(guān)系良好，面容恢復(fù)理想。Seruya等[12]將傳統(tǒng)的游離腓骨瓣修復(fù)頜面部缺損的手術(shù)方式與應(yīng)用3D打印及計算機(jī)輔助技術(shù)的手術(shù)方式進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：手術(shù)總時間未明顯縮短，但皮瓣的平均缺血時間縮短了29.4%（由170 min縮短至120 min）；同時，因皮瓣缺血造成的術(shù)后并發(fā)癥也明顯減少。

2.3基于CAD/CAM技術(shù)的贋復(fù)體制作

贋復(fù)體是除外科手術(shù)修復(fù)外另一主要的頜骨缺損的修復(fù)方法，CAD/CAM口腔贗復(fù)系統(tǒng)通過對缺損組織或蠟型的數(shù)據(jù)采集，生成數(shù)字化模型[13]。利用CAD/CAM技術(shù)制成的頜面部缺損區(qū)贗復(fù)體，與周圍組織銜接自然，色澤、形態(tài)逼真，取得了良好的美學(xué)修復(fù)效果，而且過程簡單，解剖形態(tài)匹配良好[14]。

Feng等[14]運(yùn)用激光燒結(jié)法制作頜面部修復(fù)體蠟型，再使用浸蠟法美化細(xì)微結(jié)構(gòu)，最終完成頜面贗復(fù)體的制作。侯艷等[15]報道了18例上頜竇癌患者行上頜骨全切后以CAD/CAM技術(shù)制作的中空充填式贗復(fù)體同期修復(fù)缺損，可直接觀察上頜骨區(qū)域的術(shù)腔變化，便于腫瘤復(fù)發(fā)的及時發(fā)現(xiàn)和處理。國內(nèi)專家應(yīng)用軟襯式贗復(fù)體修復(fù)單側(cè)上頜骨缺損患者，提高了患者術(shù)后的咀嚼功能和語音功能，避免了傳統(tǒng)的中空式贗復(fù)體存在修復(fù)體固位和穩(wěn)定性較差、咀嚼效率低等缺點(diǎn)，取得了良好的修復(fù)效果。

目前，基于視覺化工具函式庫（visualization toolkit，VTK）的三維醫(yī)學(xué)圖像可視化已逐漸成為醫(yī)學(xué)成像研究的熱點(diǎn)[16]。該系統(tǒng)可以與快速成型加工系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)贗復(fù)體的個性化快速制作，提高制作質(zhì)量，降低其操作難度。

2.4外科導(dǎo)板的應(yīng)用

計算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)板的精確制作是快速成型技術(shù)的優(yōu)勢，制作方法有2個：1）利用CAD/ CAM技術(shù)在計算機(jī)上設(shè)計并打印出手術(shù)導(dǎo)板，可提高手術(shù)的精確度，但對工程師的技術(shù)和打印材料要求較高，不容易推廣；2）在已有仿真模型上通過口腔修復(fù)壓模技術(shù)制作手術(shù)導(dǎo)板，制作的精度可以達(dá)到手術(shù)需要，值得推廣。

外科導(dǎo)板應(yīng)用于頜面部腫瘤手術(shù)中，除嚴(yán)格按照術(shù)前規(guī)劃進(jìn)行操作外，還要根據(jù)術(shù)中情況靈活應(yīng)用。若術(shù)中發(fā)現(xiàn)切緣有癌細(xì)胞，則要相應(yīng)擴(kuò)大手術(shù)范圍，直至手術(shù)切緣無腫瘤組織殘留。

利用3D打印的導(dǎo)板還可指導(dǎo)種植牙手術(shù)，能提高種植技術(shù)的質(zhì)量，改善種植體植入的精確度，特別在牙槽骨條件較差的情況下，導(dǎo)板能精確的引導(dǎo)種植體植入的方向和角度，有效地避免了種植體突破牙槽骨，或方向和角度誤差，有效提高種植體的質(zhì)量。

2.53D生物打印

3D打印植入體或修復(fù)體可滿足頜面部不同缺損類型的修復(fù)要求，主要有高分子材料、金屬材料和生物材料等。依據(jù)材料的發(fā)展和其生物學(xué)性能，生物3D打印技術(shù)的應(yīng)用可分為4個層次。第1層次：醫(yī)療模型和體外醫(yī)療器械的制造，使用生物不相容、非降解材料；第2層次：永久植入物的制造，使用生物相容，但非降解的材料；第3層次：組織工程支架的制造，使用生物相容且可降解的材料；第4層次：體外生物結(jié)構(gòu)體的制造，使用細(xì)胞、蛋白及其他細(xì)胞外基質(zhì)。生物3D打印需要CAD/CAM、細(xì)胞生物學(xué)以及組織工程等多個領(lǐng)域合作，目前支持3D打印的材料還比較有限，而且3D打印技術(shù)還存在打印出的物體與身體器官、組織的生物相容性問題。

干細(xì)胞在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，使3D打印技術(shù)的優(yōu)勢突顯，目前用干細(xì)胞已可以打印出骨骼、皮膚和肝臟等。這項(xiàng)技術(shù)正朝著多種材料、多個維度的方向發(fā)展，有學(xué)者用激光打印系統(tǒng)將細(xì)胞和生物材料直接打印在小鼠頭顱骨缺損部位，另有學(xué)者將人牙髓細(xì)胞復(fù)合物用于3D生物打印，為牙齒再生研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，Cecchini等[17]用3D打印技術(shù)制備鼠的唾液腺，從而實(shí)現(xiàn)了唾液腺的再生。

生物3D打印目前面臨的難題是如何將不同種類和功能的細(xì)胞排列在一個特定的三維結(jié)構(gòu)中，制備出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器官基體來，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜器官的基本功能。

3　小結(jié)與展望

計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)在口腔頜面部缺損修復(fù)重建中具有顯著優(yōu)勢，從精確快速制備復(fù)雜模型、個體化植入體的制備到導(dǎo)板設(shè)計和贋復(fù)體制作，不但直觀準(zhǔn)確地反映缺損區(qū)狀態(tài)和植入體形態(tài)，便于醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前設(shè)計及模擬操作，從而增加手術(shù)精確性和成功率，縮短手術(shù)時間，也利于醫(yī)患溝通交流，提高患者滿意度。

隨著計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)與3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是生物打印技術(shù)的發(fā)展，其必將在口腔頜面部缺損的個體化修復(fù)重建中發(fā)揮越來越重要的作用。

[1] 蔡志剛. 數(shù)字化外科技術(shù)在下頜骨缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用[J]. 中華口腔醫(yī)學(xué)雜志, 2012, 47(8):474-478. Cai ZG. The application of digital surgical techniques in reconstruction of mandibular defect[J]. Chin J Satomatol, 2012, 47(8):474-478.

[2] Ciocca L, Marchetti C, Mazzoni S, et al. Accuracy of fibular sectioning and insertion into a rapid-prototyped bone plate, for mandibular reconstruction using CAD-CAM technology[J]. J Craniomaxillofac Surg, 2015, 43(1):28-33.

[3] Schepers RH, Raghoebar GM, Vissink A, et al. Ac-curacy of fibula reconstruction using patient-specific CAD/CAM reconstruction plates and dental implants: A new modality for functional reconstruction of mandibular defects[J]. J Craniomaxillofac Surg, 2015, 43 (5):649-657.

[4] 譚新穎, 胡敏, 陶冶, 等. 計算機(jī)輔助外科在顱頜面部骨纖維異常增殖手術(shù)中的應(yīng)用[J]. 上海口腔醫(yī)學(xué), 2014, 23(1):62-65. Tan XY, Hu M, Tao Y, et al. Application of computer-aided surgery in fibrous dysplasia of craniomaxillofacial bone[J]. Shanghai J Stomatol, 2014, 23 (1):62-65.

[5] Becking AG, Tuinzing DB, Hage JJ, et al. Transgender feminization of the facial skeleton[J]. Clin Plast Surg, 2007, 34(3):557-564.

[6] Seres L, Varga E Jr, Kocsis A, et al. Correction of a severe facial asymmetry with computerized planning and with the use of a rapid prototyped surgical template: a case report/technique article[J]. Head Face Med, 2014, 10:27.

[7] Azuma M, Yanagawa T, Ishibashi-Kanno N, et al. Mandibular reconstruction using plates prebent to fit rapid prototyping 3-dimensional printing models ameliorates contour deformity[J]. Head Face Med, 2014, 10:45.

[8] Ciocca L, Mazzoni S, Fantini M, et al. A CAD/CAM-prototyped anatomical condylar prosthesis connected to a custom-made bone plate to support a fibula free flap[J]. Med Biol Eng Comput, 2012, 50(7):743-749.

[9] Shen Y, Sun J, Li J, et al. Using computer simulation and stereomodel for accurate mandibular reconstruction with vascularized iliac crest flap[J]. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol, 2012, 114 (2):175-182.

[10] 楊志誠, 向旭, 嚴(yán)穎彬, 等. 咬合導(dǎo)板及頜間牽引釘技術(shù)在游離腓骨瓣修復(fù)下頜骨缺損中的應(yīng)用[J].中國修復(fù)重建外科雜志, 2013, 27(3):292-294. Yang ZC, Xiang X, Yan YB, et al. The application of between bite and jaw guides traction nail technology in mandibular defect under free fibula flap[J]. Chin J Reparat Reconstruct Surg, 2013, 27(3):292-294.

[11] 顏光啟, 王雪, 譚學(xué)新, 等. 應(yīng)用SurgiCase軟件指導(dǎo)游離腓骨皮瓣修復(fù)下頜骨缺損的研究[J]. 中國修復(fù)重建外科雜志, 2013(8):1006-1009. Yan GQ, Wang X, Tan XX, et al. SurgiCase application software under the guidance of the free fibula flap in mandibular defects research[J]. Chin J Reparat Reconstruct Surg, 2013(8):1006-1009.

[12] Seruya M, Fisher M, Rodriguez ED. Computerassisted versus conventional free fibula flap technique for craniofacial reconstruction: an outcomes comparison[J]. Plast Reconstr Surg, 2013, 132(5):1219-1228.

[13] 高蕊, 周天, 白石柱, 等. 低劑量CT掃描獲取頜面部軟硬組織三維模型的初步研究[J]. 實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志, 2013, 29(2):214-218. Gao R, Zhou T, Bai SZ, et al. A preliminary study of the application of low-dose ct in the construction of 3d model of maxillofacial hard and soft tissues[J]. J Pract Stomatol, 2013, 29(2):214-218.

[14] Feng Z, Dong Y, Zhao Y, et al. Computer-assisted technique for the design and manufacture of realistic facial prostheses[J]. Br J Oral Maxillofac Surg, 2010, 48(2):105-109.

[15] 侯艷, 姜菲菲, 盧利, 等. CAD/CAM贗復(fù)體同期修復(fù)上頜竇癌上頜骨全切除后缺損的功能評價[J].中國口腔頜面外科雜志, 2013, 11(4):319-324. Hou Y, Jiang FF, Lu L, et al. The functional evaluation of CAD/CAM prosthesis repairment on maxillary sinus cancer after resection defect[J]. China J Oral Maxillofac Surg, 2013, 11(4):319-324.

[16] Schroeder WJ, Avila LS, Hoffman W. Visualizing with VTK: a tutorial[J]. IEEE Comput Grap Appl, 2000, 20(5):20-27.

[17] Cecchini MP, Parnigotto M, Merigo F, et al. 3D printing of rat salivary glands: The submandibularsublingual complex[J]. Anat Histol Embryol, 2014, 43(3):239-244.

（本文編輯 王姝）

Application of computer aided surgery system and 3D printing technology in the reconstruction of the defects in oral and maxillofacial region

Wang Jing, Yuan Rongtao, Dong Qian.
(Dept. of Operating Theatre, The Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266003, China)

The rapid development of digital medicine brought the revolutionary change to clinical medicine, which was an emerging interdisciplinary field. The development and application of computer aided surgery system made the medicine enter a completely new visual information age especially, which promoted the development of precise and effective surgical treatment for qualitative leap and triggers a technology revolution in the field of surgery with the combination of 3D printing technology. The computer aided surgery system with 3D printing technology was extensively and profoundly applied in reconstruction of the defect in oral and maxillofacial region, which was complex and demanding. The paper reviewed the application and progress of computer aided surgery system and 3D printing technology in reconstruction of the defect in oral and maxillofacial region.

computer aided surgery system； 3D printing； maxillofacial region； reconstruction

R 782.2

A [doi] 10.7518/gjkq.2016.06.023

2015-12-20；

2016-06-15

王靜，碩士，Email：jana11@163.com

董蒨，教授，博士，Email：yuanrongtao@163.com