數(shù)字三維重建聯(lián)合3D打印在血管化腓骨移植精準(zhǔn)修復(fù)下頜骨缺損手術(shù)中的臨床應(yīng)用

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(1 青島大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，山東 青島 266003； 2 青島大學(xué)附屬青島市市立醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)中心；3 青島大學(xué)附屬醫(yī)院口腔頜面外科； 4 山東省數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

口腔頜面部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，血管神經(jīng)豐富，頜骨具有個(gè)性化特征結(jié)構(gòu)和曲面形態(tài)，與周圍結(jié)構(gòu)鄰接關(guān)系復(fù)雜。下頜骨疾病如腫瘤及類腫瘤病變、外傷、炎癥等可引起面部畸形或組織缺損變形，下頜骨連續(xù)性及完整性破壞導(dǎo)致下頜骨缺損，從而引起不同程度的外貌缺陷與功能障礙，造成病人生理和心理上的障礙，嚴(yán)重影響其正常生活和社交活動(dòng)[1]。因而制定周密的治療計(jì)劃修復(fù)重建下頜骨缺損尤為重要，重建不僅要考慮病人的外貌形態(tài)，同時(shí)更要精確地恢復(fù)下頜骨位置關(guān)系、形態(tài)、連續(xù)性以及牙列和咬合關(guān)系，恢復(fù)呼吸、吞咽、咀嚼及發(fā)音等生理功能，旨在提高下頜骨缺損病人的生活質(zhì)量[2]。

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和材料工程的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)可通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)進(jìn)行數(shù)字三維重建，根據(jù)個(gè)性化模擬制造出形態(tài)、大小完全一致的三維實(shí)體模型，利用反求工程重建三維設(shè)計(jì)鏡像模型，并應(yīng)用于硬組織缺損的修復(fù)重建中的術(shù)前診斷及手術(shù)模擬，直接或間接提高了手術(shù)精度[3]，滿足了精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化醫(yī)療及微創(chuàng)醫(yī)療的要求。本文就數(shù)字三維重建聯(lián)合3D打印技術(shù)在血管化腓骨移植精準(zhǔn)修復(fù)下頜骨缺損手術(shù)中術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中指導(dǎo)及提高醫(yī)患溝通效果等方面的臨床應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行探討，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取青島大學(xué)附屬醫(yī)院口腔頜面外科2015年9月-2017年10月因下頜骨良惡性病變擬行下頜骨切除后應(yīng)用血管化腓骨移植修復(fù)的手術(shù)病人26例，其中男15例，女11例；年齡19～85歲，中位年齡50歲。良性病變15例(成釉細(xì)胞瘤7例、頜骨囊腫5例、牙源性角化囊性瘤3例)，惡性病變11例(牙齦鱗狀細(xì)胞癌4例、中央性頜骨鱗癌4例、口底鱗狀細(xì)胞癌2例、下頜骨軟骨肉瘤1例)。全部病例均有下頜骨不對(duì)稱畸形，部分表現(xiàn)為下頜骨膨隆或腫脹。術(shù)前行全口齦上潔治，均行病變組織切取活檢術(shù)，明確包塊的性質(zhì)。頜骨囊腫為巨大囊腫累及下頜體部及下頜升支、牙齦癌及口底等鄰近部位惡性腫瘤累及牙齦及相應(yīng)頜骨、下頜骨原發(fā)性惡性腫瘤侵犯頜骨未超過中線，并伴有不同程度下頜骨連續(xù)性及完整性破壞缺損影像學(xué)表現(xiàn)。既往均未行頜骨缺損修復(fù)手術(shù)，術(shù)前查體完善，且能夠耐受手術(shù)，對(duì)治療均知情同意。所有病人均在術(shù)前行頭顱三維CT掃描，獲得DICOM原始數(shù)據(jù)。全部病例均于術(shù)前由青島大學(xué)數(shù)字醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)研究院同一技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)字三維重建及3D模型打印，手術(shù)均由同一組醫(yī)師完成，且采用同一手術(shù)入路。

1.2 數(shù)字三維重建及3D模型打印

采用三維CT掃描(參數(shù)：層厚0.625 mm，球管電流200 mA，電壓120 kV)，掃描基準(zhǔn)面平行于眶耳平面，垂直于水平面，掃描范圍為顱頂至舌骨水平，獲取圖像數(shù)據(jù)，以DICOM格式保存。應(yīng)用圖像處理軟件Mimics10.1對(duì)DICOM格式數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，重建出下頜骨的三維解剖模型(圖1A)。以術(shù)前病變部位缺損結(jié)合術(shù)前骨同位素掃描為參照，術(shù)者與技術(shù)人員溝通協(xié)同根據(jù)腫瘤性質(zhì)以及骨破壞范圍進(jìn)行手術(shù)截骨線設(shè)計(jì)，模擬頜骨病灶的切除、骨切取以及重建位置(圖1B)。其中15例下頜骨膨隆、變形、破壞的病例，通過鏡像及圖形修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行數(shù)字三維重建(圖1C)，根據(jù)對(duì)側(cè)下頜骨曲面形態(tài)及牙列位置反求出患側(cè)復(fù)原模型(圖1D)，將三維重建數(shù)據(jù)以STL格式導(dǎo)出。

應(yīng)用Geomagic軟件處理STL格式數(shù)據(jù)，經(jīng)過RPData專用軟件給模型加支撐分層后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPS450B激光快速成型機(jī)(陜西恒通智能機(jī)器有限公司)，以6000B樹脂(珠海正邦科技有限公司)為原料，加工每層厚度為0.10 mm，設(shè)計(jì)加工精度為0.10 mm，打印1∶1三維模型，去支撐并處理表面。

1.3 術(shù)前規(guī)劃

術(shù)前評(píng)估3D打印模型準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確了解硬組織的細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)及病變與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對(duì)頜骨缺損情況進(jìn)行分析，研究并制定手術(shù)方案，進(jìn)行截骨線設(shè)計(jì)(圖2A、B)。參照下頜骨鏡像模型，進(jìn)行移植腓骨的制備設(shè)計(jì)(圖2C)，術(shù)前行重建鈦板的預(yù)彎塑形、固位等模擬手術(shù)操作(圖2D)。模型及重建鈦板高溫高壓消毒備用。根據(jù)口內(nèi)軟組織病變范圍確定切除范圍，評(píng)估黏膜缺損情況，缺損較大者設(shè)計(jì)腓骨皮瓣，床旁行下肢血管超聲定位皮穿支。

1.4 術(shù)前談話及滿意度調(diào)查

術(shù)者使用3D打印模型向病人和(或)指定家屬交待病情，直觀講解下頜骨病變位置、范圍，告知手術(shù)計(jì)劃、術(shù)中術(shù)后可能出現(xiàn)的并發(fā)癥、風(fēng)險(xiǎn)，并告知預(yù)測(cè)的手術(shù)效果。談話結(jié)束后，填寫針對(duì)病人及家屬等非醫(yī)學(xué)人員設(shè)計(jì)的開放性調(diào)查問卷，對(duì)談話效果及3D打印模型用于交流的認(rèn)可度進(jìn)行調(diào)查。

1.5 手術(shù)實(shí)施

沿頜下設(shè)計(jì)切口，切開皮膚及皮下組織，保護(hù)面神經(jīng)，暴露術(shù)區(qū)，根據(jù)數(shù)字三維重建設(shè)計(jì)及3D打印模型術(shù)前規(guī)劃實(shí)施手術(shù)，惡性腫瘤同期行頸淋巴清掃術(shù)，術(shù)中根據(jù)術(shù)前設(shè)計(jì)的截骨線，結(jié)合腫瘤侵犯范圍于安全邊界切除腫瘤及部分下頜骨，同時(shí)獲取腓骨瓣，根據(jù)口內(nèi)黏膜缺損情況，可直接拉攏縫合的病人不制備皮島。術(shù)中將塑形好的重建板固定下頜骨兩斷端，復(fù)位咬合關(guān)系，準(zhǔn)備受區(qū)動(dòng)靜脈血管。根據(jù)3D打印鏡像模型復(fù)原的下頜骨連續(xù)曲線，進(jìn)行腓骨截骨，多段塑形，小鈦板連結(jié)下頜骨斷端，微型鈦板行雙層腓骨重建，吻合動(dòng)靜脈血管，關(guān)閉創(chuàng)面。

1.6 術(shù)后評(píng)估

針對(duì)3D打印模型、術(shù)前設(shè)計(jì)截骨線與術(shù)中實(shí)際切除位置、鈦板密合程度以及腓骨移植斷端接合程度進(jìn)行術(shù)后評(píng)估。術(shù)后隨訪評(píng)估病人的外貌形態(tài)恢復(fù)情況、咬合關(guān)系及以咀嚼為主的包括吞咽、語音等功能恢復(fù)情況。

2 結(jié) 果

2.1 術(shù)中臨床應(yīng)用情況

成功打印出26例病人的下頜骨三維原型及15例病人相應(yīng)的下頜骨鏡像模型，下頜骨的解剖結(jié)構(gòu)清晰可見，均可明確病變位置、范圍、骨質(zhì)破壞程度及與頦孔、下頜神經(jīng)孔、髁狀突的位置關(guān)系。通過對(duì)1∶1等大的3D打印下頜骨原型及鏡像模型分析研究后，所有手術(shù)按照模擬手術(shù)設(shè)計(jì)成功完成，腓骨肌皮瓣均成活。3D打印模型術(shù)前設(shè)計(jì)的原發(fā)灶切除截骨線位置與術(shù)中實(shí)際切除范圍基本一致，術(shù)中切取腓骨長度與術(shù)中移植塑形骨塊長度基本吻合。術(shù)前于原型及反求模型上預(yù)彎重建鈦板，節(jié)省了術(shù)中彎制的時(shí)間，且與截骨后保留的下頜骨接合良好，移植腓骨與下頜骨斷端精密接合。病人顏面部雙側(cè)基本對(duì)稱，全部病人供區(qū)切口恢復(fù)良好。典型病例見圖3(掃描文后二維碼觀看相關(guān)視頻)。

2.2 術(shù)后隨訪情況

病人面型恢復(fù)良好，兩側(cè)基本對(duì)稱，下頜骨高度恢復(fù)良好，張口度正常，余留牙咬合關(guān)系正常，口內(nèi)黏膜及皮瓣愈合良好，吞咽、語音無異常。復(fù)查全景片、三維CT及局部骨顯像，顯示腓骨骨段的位置和高度與術(shù)前設(shè)計(jì)相當(dāng)，受區(qū)血運(yùn)正常。供區(qū)術(shù)區(qū)愈合良好，所有病人術(shù)后均能正常行走，無病人出現(xiàn)踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定。其中2例成釉細(xì)胞瘤病人雙層腓骨移植修復(fù)術(shù)后半年，行二期牙種植修復(fù)，咬合關(guān)系穩(wěn)定，咀嚼功能恢復(fù)良好(圖4)。

2.3 應(yīng)用3D打印模型術(shù)前談話滿意度調(diào)查結(jié)果

結(jié)果顯示，①您對(duì)這次術(shù)前談話的總體評(píng)價(jià)評(píng)分平均為(8.90±0.57)分；②3D打印模型對(duì)了解病變位置及情況是否有用評(píng)分平均為(9.10±0.70)分；③模型對(duì)理解手術(shù)方式及術(shù)后預(yù)期是否有用評(píng)分平均為(8.80±0.63)分；④是否希望醫(yī)生使用3D模型與病人進(jìn)行病情交流評(píng)分平均為(9.00±0.67)分。病人及其家屬理解度和滿意度均較高。

3 討 論

頜骨位于面部重要位置，其在容貌及生理功能中起著重要作用。頜骨修復(fù)重建是口腔頜面部最為棘手的手術(shù)之一，如何合理選用整復(fù)外科技術(shù)也是學(xué)者們研究的熱門課題[4]。理想的頜骨修復(fù)重建標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)恢復(fù)其形態(tài)及位置關(guān)系，恢復(fù)上下頜骨高度、寬度以及連續(xù)性，提供軟組織的支持結(jié)構(gòu)以重建面部特征性形態(tài)。單純的下頜骨邊緣性缺損修復(fù)重建主要注重于恢復(fù)其大小和形態(tài)，但下頜骨大范圍的缺損則需注重其與上頜骨的位置關(guān)系，包括咬合關(guān)系和對(duì)位關(guān)系，頜骨的咬合重建對(duì)咬合功能恢復(fù)要求較高，稍有偏差，則會(huì)增加病人術(shù)后不適，對(duì)于后期修復(fù)也增加了難度。因此，下頜骨大型缺損的精準(zhǔn)修復(fù)重建也是頭頸重建領(lǐng)域的難點(diǎn)之一[5]。以往下頜骨缺損修復(fù)重建的方法主要有自體骨游離骨移植、同(異)種異體骨移植、骨替代性材料等[6]。因缺乏有效的血液供應(yīng)，易出現(xiàn)移植物感染、吸收、免疫排斥等不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致愈合失敗。隨著顯微外科在口腔頜面外科的應(yīng)用與發(fā)展，憑借固有的血液供應(yīng)系統(tǒng)，許多血管化游離組織瓣，如腓骨瓣、髂骨瓣及肩胛骨瓣等均應(yīng)用于上下頜骨缺損的修復(fù)重建，在血供不佳區(qū)域，具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]。腓骨能夠提供超過25 cm帶雙重血供的皮質(zhì)骨，允許多段截骨和塑形，腓動(dòng)脈及伴行靜脈管徑粗易吻合，已成為修復(fù)大型下頜骨缺損的首選方法[8]，而且可以同時(shí)切取肌肉和小腿外側(cè)皮瓣構(gòu)成復(fù)合骨肌皮瓣用于修復(fù)口內(nèi)軟組織缺損。HIDALGO[9]認(rèn)為以頜骨解剖為基礎(chǔ)，下頜骨重建后既能夠保證最佳美學(xué)效應(yīng)，又能保證其最佳功能的恢復(fù)。對(duì)于腓骨的塑形及精準(zhǔn)恢復(fù)頜骨形態(tài)及功能，要求臨床醫(yī)生有高超的臨床技術(shù)與良好的審美，單純依靠術(shù)者的主觀經(jīng)驗(yàn)，明顯缺乏精確性。數(shù)字化三維重建計(jì)算機(jī)規(guī)劃合并3D打印技術(shù)，使外科手術(shù)由傳統(tǒng)的純經(jīng)驗(yàn)方式向數(shù)字化和精確化發(fā)展[10]，為下頜骨獲得最佳功能和外形提供了全新的個(gè)性化精準(zhǔn)治療途徑。

A：數(shù)字三維重建下頜骨；B：計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)截骨線；C：鏡像及圖形修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行患側(cè)重建；D：對(duì)側(cè)下頜骨反求出患側(cè)復(fù)原模型。

圖1計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字三維重建

A、B：術(shù)前3D打印原型設(shè)計(jì)截骨線、預(yù)留釘孔數(shù)量及定位；C：術(shù)前3D打印鏡像模型移植腓骨設(shè)計(jì)；D：術(shù)前3D打印模型預(yù)彎重建板。

圖23D打印模型術(shù)前規(guī)劃

A:術(shù)前面像；B:術(shù)區(qū)切口設(shè)計(jì)；C:左下肢切口設(shè)計(jì)；D:植入重建板；E:腓骨塑形；F：切除原發(fā)灶；G：雙層腓骨肌皮瓣修復(fù)下頜缺損；H:術(shù)后1個(gè)月面像。

圖3左下頜成釉細(xì)胞瘤切除并腓骨修復(fù)

A：左側(cè)下頜骨成釉細(xì)胞瘤；B:下頜骨半側(cè)切除，一期行雙層腓骨移植修復(fù)下頜骨缺損；C：術(shù)后半年口內(nèi)照；D：二期種植手術(shù)拆除鈦板；E:植入種植體；F：種植體植入術(shù)后半年；G、H:種植體上部烤瓷冠橋修復(fù)，恢復(fù)咬合關(guān)系。

圖4左下頜骨成釉細(xì)胞瘤術(shù)后種植修復(fù)

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)(Rapid Prototype manufacturing technology，RP) 的一種，是一種完全不同于傳統(tǒng)制造方法的高新技術(shù)[11]。利用錐形束CT獲取數(shù)據(jù)，通過數(shù)字三維重建，立體直觀地顯現(xiàn)頜面骨影像，與傳統(tǒng)的二維的X線片相比，可獲取精確的解剖信息，顯著提高了術(shù)前診斷和手術(shù)診療質(zhì)量。近年來，3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于下頜骨重建、正頜外科測(cè)量及評(píng)估[12]、頜面部創(chuàng)傷和顳下頜關(guān)節(jié)重建[13]等諸多領(lǐng)域，為口腔頜面外科手術(shù)的術(shù)前診斷、病情分析、手術(shù)方案制定、術(shù)中植入物預(yù)制、制作手術(shù)導(dǎo)板[14]等提供了新的技術(shù)支持。有學(xué)者在腓骨瓣移植修復(fù)下頜骨部分切除術(shù)中用CAD/CAM技術(shù)制作模型，并用模型制作了用于指導(dǎo)下頜骨切除位置的裝置和腓骨瓣固定鈦板[15]，他們認(rèn)為也許未來可以直接制作再生支架用于骨缺損的修復(fù)。有研究表明，在診療過程中應(yīng)用3D打印技術(shù)，診斷正確率、操作準(zhǔn)確度均有明顯提高，相比手術(shù)時(shí)間縮短17.63%[16]。

修復(fù)重建的第一步是對(duì)缺損情況進(jìn)行評(píng)估，包括缺損大小、位置以及對(duì)功能、美容等方面的影響。評(píng)估缺損大小時(shí)應(yīng)從三維方向進(jìn)行，本研究中聯(lián)合數(shù)字三維重建技術(shù)，利用病人的CT數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體3D模型的打印，術(shù)者可在下頜骨原型基礎(chǔ)上做出更準(zhǔn)確的診斷，明確缺損情況，進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)，制定更詳細(xì)的手術(shù)方案，術(shù)中按照手術(shù)規(guī)劃進(jìn)行截骨，對(duì)骨缺失范圍及植骨量有了充分認(rèn)識(shí)，避免了傳統(tǒng)手術(shù)中因考慮如何截骨重塑骨塊才能與下頜骨切除后的缺損部位相匹配浪費(fèi)大量的手術(shù)時(shí)間[17]。在3D打印鏡像模型上，進(jìn)行移植腓骨的制備設(shè)計(jì)，對(duì)重建板進(jìn)行術(shù)前精準(zhǔn)預(yù)彎，設(shè)計(jì)截骨線兩端余留釘孔數(shù)量并進(jìn)行定點(diǎn)定位，術(shù)中將塑形好的重建板就位于下頜骨兩斷端，復(fù)位咬合關(guān)系，精細(xì)調(diào)整，可與重建后的下頜骨緊密貼合。節(jié)省了術(shù)中彎制重建板的時(shí)間，簡化了手術(shù)步驟，縮短了手術(shù)時(shí)間，減少了術(shù)中出血，同時(shí)減少了重建板彎制過程中多次彎制對(duì)其的損傷，減少了術(shù)后斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。腓骨截骨及骨塊制備的術(shù)前設(shè)計(jì)，減少了反復(fù)打磨腓骨斷端次數(shù)，降低了對(duì)骨血運(yùn)的破壞，使得術(shù)中移植腓骨與下頜骨斷端精密接合，術(shù)后骨愈合良好，面型恢復(fù)良好。頜骨重建的目的不僅要恢復(fù)頜骨的連續(xù)性和完整性，同時(shí)還要恢復(fù)咀嚼功能[18]，采用雙層移植腓骨，恢復(fù)下頜骨高度，為種植義齒的固位創(chuàng)造了有利條件。通過半年時(shí)間骨愈合，于二期植入種植體的同時(shí)可取出一期手術(shù)中固定的鈦板，避免長期作用導(dǎo)致感染、骨質(zhì)吸收等[19]。術(shù)后隨訪，種植體與腓骨結(jié)合良好，咬合關(guān)系恢復(fù)正常，既美觀又達(dá)到了良好的咀嚼功能。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)健康的需求與服務(wù)提出更高的要求。近年，醫(yī)患關(guān)系的不和諧因素一直呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(shì)，病人與醫(yī)護(hù)人員之間的信任感越來越低，醫(yī)患關(guān)系相對(duì)緊張[20]。因此，采取措施提高醫(yī)療質(zhì)量，強(qiáng)化醫(yī)患溝通、構(gòu)建和諧醫(yī)患關(guān)系迫在眉睫[21]。本研究中使用個(gè)性化3D打印實(shí)體頜骨模型與病人和(或)家屬進(jìn)行術(shù)前談話，可以使病人和(或)家屬更加直觀地觀察病人自身的實(shí)體模型，通過對(duì)頜骨的形態(tài)、病變位置以及擬行手術(shù)部位等講解，使其在視覺和觸覺上直觀地對(duì)病情、手術(shù)方式及風(fēng)險(xiǎn)有了更深刻的理解，增加了病人對(duì)于治療的深入認(rèn)識(shí)及信任，同時(shí)減少了醫(yī)療糾紛的發(fā)生。

綜上所述，數(shù)字化三維重建聯(lián)合3D打印能全方位、直觀、精確地顯示下頜骨的三維解剖結(jié)構(gòu)以及病灶情況，對(duì)手術(shù)有極大的臨床指導(dǎo)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了下頜骨缺損的精準(zhǔn)移植腓骨修復(fù)，獲得了優(yōu)良的臨床效果，極大地提升了顯微外科游離組織瓣修復(fù)重建的臨床水平。同時(shí)，3D打印技術(shù)作為個(gè)體化治療、精準(zhǔn)化手術(shù)的體現(xiàn)，在醫(yī)患溝通方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，有利于病人及其家屬理解病情，更好地為病人提供優(yōu)質(zhì)的人性化服務(wù)。

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