3D打印技術(shù)在頜面部缺損修復(fù)中的應(yīng)用

羅磊，許彪

(昆明醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院口腔頜面外科，昆明 650106)

3D打印技術(shù)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粘合材料通過逐層堆積產(chǎn)生的3D模型[1]，是一種不同于傳統(tǒng)制造方法的快速成型技術(shù)。目前，3D打印技術(shù)在工業(yè)中的運(yùn)用相對成熟，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)已被運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過磁共振成像、CT或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)軟件獲得的圖像完成研究對象假體的3D模型設(shè)計(jì)[2]。近年來，3D打印技術(shù)在口腔頜面外科診斷和治療中的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)的塑造外形，更兼顧恢復(fù)軟硬組織的形態(tài)和功能，因?yàn)轭M面部畸形等問題會(huì)嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和心理健康[3]。心理健康也是目前新醫(yī)學(xué)模式(生物-心理-社會(huì)醫(yī)學(xué)模式)的焦點(diǎn)。3D打印技術(shù)可以根據(jù)患者的個(gè)性化形狀和大小來選擇材料進(jìn)行制作[4]，提高了手術(shù)的質(zhì)量和手術(shù)的自主性。事實(shí)上，頜面外科可能是3D打印技術(shù)最大的潛在應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)就3D打印技術(shù)在頜面部缺損修復(fù)中的應(yīng)用予以綜述。

1 CAD與3D打印技術(shù)概況

1.1CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助制作(computer aided manufacturing，CAM)技術(shù) 數(shù)字醫(yī)學(xué)的主要部分是CAD，包括鏡像成像、自由曲面構(gòu)造、有限元分析、數(shù)據(jù)分割與構(gòu)造、差分分析以及圖像配準(zhǔn)技術(shù)[5]。CAD/CAM是快速制造技術(shù)的一種，可以系統(tǒng)地解讀患者的圖像數(shù)據(jù)，在術(shù)前規(guī)劃軟件的幫助下創(chuàng)建三維模型，更加直觀立體地展示三維空間立體結(jié)構(gòu)，為外科醫(yī)師準(zhǔn)確地確定切除范圍及修復(fù)體精確設(shè)計(jì)提供依據(jù)，減輕了醫(yī)師工作量，簡化了手術(shù)流程，減少了患者的創(chuàng)傷，增加了患者的滿意度[6]。

1.23D打印技術(shù)概況 1984年，有學(xué)者發(fā)明了3D打印，開創(chuàng)了從打印紙到打印物體的新時(shí)代，通過在光固化材料表面發(fā)射具有特定波長和強(qiáng)度的激光來創(chuàng)建單層形態(tài)，待其發(fā)生凝固，然后另一層在升降平臺(tái)上下移動(dòng)時(shí)變得固化，經(jīng)過以上步驟重復(fù)后形成三維立體結(jié)構(gòu)[1]。21世紀(jì)初，出現(xiàn)了3D打印的人體膀胱，并且應(yīng)用于需要膀胱成形術(shù)的患者，手術(shù)效果良好[7]。目前，3D打印已廣泛應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)外科、燒傷整形、器官移植等多個(gè)領(lǐng)域。

3D打印首先是獲取物體的3D打印圖像，CT掃描尤其是錐形束CT是臨床常用的方法，然后將醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)出到建模軟件中，將它們處理成由 positive-space代表實(shí)際硬組織的模型或由negative-space代表中空組織的模型，Mimics是常用軟件，最后導(dǎo)入打印軟件打印[8]，制作出成品3D立體模型。

2 3D打印技術(shù)在頜面外科中的應(yīng)用概況

顱頜面組織是指由牙齒、骨骼、肌肉、軟骨和韌帶以及它們的支撐結(jié)構(gòu)(如血管和神經(jīng))形成的復(fù)雜系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)身體的許多關(guān)鍵功能，這些結(jié)構(gòu)協(xié)同作用才能保證機(jī)體的正常功能(如言語、呼吸)。由于頜面部解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外傷、畸形或者術(shù)后缺損修復(fù)重建等對于頜面外科醫(yī)師均是一巨大挑戰(zhàn)，因此3D打印技術(shù)被引入到頜面外科領(lǐng)域，作為解決這類挑戰(zhàn)的備選方案[9-10]。另外，3D打印技術(shù)還可與各種支架材料和細(xì)胞兼容，因此3D打印技術(shù)也代表著頜面部仿生組織構(gòu)建的前沿[11]。

目前，3D打印技術(shù)最常應(yīng)用的方向是精確模擬硬組織(如骨骼)。頜面部手術(shù)通常涉及骨手術(shù)(如截骨術(shù)、骨折手術(shù)和頜骨重建術(shù))，這為尋找新興3D打印技術(shù)的模式提供了理想的區(qū)域。除了涉及骨骼的復(fù)雜三維解剖外，頜面外科還具有對稱性和功能性的要求，可以用3D打印模擬[8]。在大多數(shù)情況下，3D打印不僅可以提高顱頜面外科手術(shù)的準(zhǔn)確性，還可以節(jié)省手術(shù)時(shí)間，減少患者創(chuàng)傷。

3 頜面外科中3D打印技術(shù)的使用分類

3.1使用3D打印輪廓建模 輪廓模型是顱頜面外科中最常用的3D打印技術(shù)，輪廓模型代表正空間模型，即患者的成像解剖結(jié)構(gòu)，是3D打印對象，因此3D打印可清晰直觀地復(fù)制患者的特異性解剖結(jié)構(gòu)[12]，然后根據(jù)3D模型模擬術(shù)前手術(shù)計(jì)劃，預(yù)先塑造鈦板等硬件，比在術(shù)中塑造更為容易。有臨床研究指出，采用3D建模后在模型上預(yù)彎鈦板成形的手術(shù)效果較傳統(tǒng)方式好，手術(shù)時(shí)間短且容貌改善較好[13]。虛擬手術(shù)計(jì)劃與3D打印技術(shù)相結(jié)合，使外科醫(yī)師能夠在術(shù)前顯示還原過程，并縮短手術(shù)時(shí)間，且復(fù)位更精確，3D打印的輪廓建?？梢栽谥委煆?fù)雜粉碎的下頜骨骨折方面提供更令人滿意的美學(xué)效果[14]。

3.2使用3D打印手術(shù)導(dǎo)航 3D打印具有精確性，使用圍繞患者骨骼解剖結(jié)構(gòu)的負(fù)空間來打印患者特定的模板，而該模板僅在術(shù)中適合于某些骨段，以指導(dǎo)精確切割鉆孔或定位。通過使用3D導(dǎo)板，縮短了手術(shù)時(shí)間，且獲得了改善顱面外科手術(shù)的效果，這主要?dú)w功于術(shù)前3D手術(shù)模擬和使用手術(shù)導(dǎo)向器輔助手術(shù)的精確進(jìn)行[15]。對于下頜骨和移植物的切除以及在腫瘤切除和重建期間重建缺失的部分，通常使用3D打印指導(dǎo)手術(shù)，其中一個(gè)重要的用途是指導(dǎo)骨瓣的制備。有研究指出，3D打印結(jié)合CAD/CAM技術(shù)制作出的腓骨切割導(dǎo)板能夠幫助外科醫(yī)師精確地分割骨瓣，而且通過3D模擬CAD/CAM技術(shù)制備的骨瓣，可以預(yù)先模擬血供情況，對于頜骨重建有著至關(guān)重要的指導(dǎo)作用[16]。頜面部異物，特別是較深部位的異物，若定位不準(zhǔn)確，會(huì)給患者造成不必要的痛苦，3D計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航通過計(jì)算機(jī)處理模型交互，在虛擬環(huán)境中排除重要解剖結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)定位，確定實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性和成功率，確保了手術(shù)準(zhǔn)確完成[17]。

3.3用作植入物的3D打印 3D打印植入物為骨缺損提供了解決方案，目前3D打印植入物需要的是生物相容性材料，發(fā)揮特定功能且不被排異，但未來3D打印物可能被用作工程組織的支架[8]。目前，在頜面外科中主要使用由鈦、聚甲基丙烯酸甲酯、羥基磷灰石、聚醚醚酮、環(huán)氧丙烯酸羥基磷灰石、聚丙烯-聚酯以及非特定丙烯酸樹脂等組成的定制植入物[15]。Mangano等[18]借助CAD/CAM技術(shù)制作了嚴(yán)重萎縮的下頜前牙去牙槽嵴增強(qiáng)磷酸鈣支架，植入后與牙槽骨缺損區(qū)貼合嚴(yán)密，2年后，還在支架上成功種植了牙齒，患者滿意度較好。因此，從目前的研究來看，3D打印作為植入物的準(zhǔn)確性是肯定的[19]。

4 3D打印技術(shù)在特定頜面外科手術(shù)中的應(yīng)用

4.1下頜骨手術(shù) 頭頸部癌癥患者多次在術(shù)后留下面部畸形。由于復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，重建下頜骨特別困難。當(dāng)進(jìn)行下頜骨切除術(shù)、去除改變下頜骨輪廓的缺損組織時(shí)，下頜骨重建變得更具挑戰(zhàn)性。此外，下頜骨結(jié)構(gòu)排列的任何變化均可能導(dǎo)致咬合不良，從而引起功能障礙。3D打印是一種準(zhǔn)確、快速的下頜骨重建技術(shù)。CAD/CAM程序越來越多地用于制造醫(yī)學(xué)快速成型模型，這些模型可用于下頜骨重建外科手術(shù)[9]。采用3D技術(shù)可縮短手術(shù)時(shí)間和全身麻醉時(shí)間、減少血液流失，使手術(shù)過程更精確[20]。有研究對常規(guī)程序與3D打印輪廓模型手術(shù)導(dǎo)航指導(dǎo)下頜骨重建術(shù)進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)程序組相比，3D打印組平均操作時(shí)間縮短了2 h，且游離皮瓣尺寸更小，提示患者特異性的3D打印技術(shù)提高了手術(shù)效率[21]。

正頜外科專門用于矯正骨骼咬合不良引起的頜面畸形[22]。傳統(tǒng)上，根據(jù)患者特定的石膏模型，由技師制造夾板，現(xiàn)在3D打印技術(shù)正越來越多地用于術(shù)前計(jì)劃與咬合關(guān)系的轉(zhuǎn)移中。Adolphs等[23]對10例患者進(jìn)行了試點(diǎn)研究，通過計(jì)算機(jī)輔助3D打印技術(shù)制作咬合導(dǎo)板，結(jié)果顯示8例患者使用3D打印導(dǎo)板達(dá)到了較為理想的咬合關(guān)系。

惡性口腔癌和鼻咽癌的放射性骨壞死是最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一[24]，為了控制感染和減輕疼痛，在晚期放射性骨壞死的治療中，可能會(huì)行下頜骨切除的根治性治療。盡管使用游離皮瓣可以治療復(fù)雜的頜面部缺損，但下頜骨放射性骨壞死的復(fù)雜缺損修復(fù)仍具有挑戰(zhàn)性。Man等[25]報(bào)道了術(shù)前運(yùn)用3D生物模型規(guī)劃和流動(dòng)徑向前臂皮瓣成功游離了腓骨皮瓣，取得了較為滿意的效果。Schepers等[26]報(bào)道了另外一種下頜骨重建方法，即在3D打印虛擬技術(shù)的幫助下，用3D打印假體置換切除的下頜骨，而且還在打印體上裝上了義齒。由此可見，可以通過3D虛擬技術(shù)完全規(guī)劃下頜骨重建和即刻假體加載。

下頜角骨切除術(shù)是一種通過切除突出的下頜角矯正頜面部畸形的一種方法[27]。但由于無法直視進(jìn)入手術(shù)部位，導(dǎo)致視野受限，因此在手術(shù)時(shí)可能存在困難或并發(fā)癥。有研究提出，可應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像引導(dǎo)手術(shù)模板進(jìn)行下頜角骨切除術(shù)，該研究納入了9例下頜角突出的患者，通過CAD和3D打印制造一對立體光刻模板，而雙邊下頜角骨切除術(shù)均是在這些模板的指導(dǎo)下進(jìn)行，結(jié)果所有患者對美容效果均感到滿意，模擬的下頜骨輪廓的右側(cè)和左側(cè)與術(shù)后下頜骨最終輪廓之間的最大殼-殼偏差分別為(2.02±0.32) mm和(1.97±0.41) mm[28]。這項(xiàng)新技術(shù)可以幫助外科醫(yī)師制訂更好的手術(shù)前計(jì)劃，并確保更準(zhǔn)確和更安全的操作。

3D打印技術(shù)也可以輔助修復(fù)下頜骨髁突骨折。下頜骨髁突骨折是比較常見的骨折，占所有下頜骨骨折的29%～52%[29]。髁突部位解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精準(zhǔn)的手術(shù)是外科醫(yī)師的共同愿望。有研究描述了一種基于CAD/CAM和快速原型制作納米級羥基磷灰石/聚酰胺的方法，用于個(gè)體設(shè)計(jì)、制造和植入下頜骨髁突，患者最終恢復(fù)了合理的頜骨輪廓、外觀以及顳下頜關(guān)節(jié)功能[30]。另外，在術(shù)前有術(shù)者設(shè)計(jì)了一個(gè)使用3D打印和虛擬手術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航(3D手術(shù)導(dǎo)向器允許使用克氏針精確對準(zhǔn)骨折，而無須額外的解剖和組織損傷)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過3D打印技術(shù)增強(qiáng)的克氏針固定，在青少年髁突骨折中產(chǎn)生了良好的效果[31]。

4.2上頜骨手術(shù) 在正頜外科手術(shù)期間，上頜骨通常在常規(guī)外科導(dǎo)板夾板的幫助下定位，這具有許多局限性。有研究描述了在雙頜正頜外科手術(shù)中3D虛擬輔助手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)方式中上頜骨定位的準(zhǔn)確性，最終得出，在臨床情況下，CAD中間夾板的準(zhǔn)確性能夠滿足雙頜手術(shù)的要求[32]。

CAD/CAM模板為上頜骨手術(shù)計(jì)劃的轉(zhuǎn)移提供了可靠方法，是中間夾板技術(shù)一個(gè)很好的替代方法。Li等[33]使用CAD/CAM模板指導(dǎo)截骨術(shù)和上頜骨的重新定位，對6例患者的研究模板使用3D打印技術(shù)制作，該設(shè)計(jì)符合3D手術(shù)計(jì)劃，包括Le Fort截骨術(shù)和上頜骨的重新定位，并基于CT掃描數(shù)據(jù)，在上頜骨的硬組織界標(biāo)與參考平面之間進(jìn)行術(shù)后測量，分析測量結(jié)果并與虛擬計(jì)劃進(jìn)行比較，初步結(jié)果顯示，上頜位置精度(<1 mm)能夠達(dá)到臨床要求，且手術(shù)時(shí)間也顯著縮短。Mazzoni等[34]使用CAD/CAM切割導(dǎo)軌和定制鈦板進(jìn)行上頜骨重新定位，以精確復(fù)制術(shù)前虛擬計(jì)劃，無須使用任何手術(shù)夾板，并明確了用于正頜外科手術(shù)的完整CAD-CAM工作流程：手術(shù)治療的虛擬計(jì)劃；CAD-CAM和定制手術(shù)裝置的3D打印(外科切割導(dǎo)向器和鈦固定板)；計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)。

4.3眶底骨折手術(shù) 對于眶底骨折，3D打印提供了骨缺損的準(zhǔn)確解剖，允許臨床醫(yī)師在術(shù)前預(yù)設(shè)鈦板進(jìn)行眼眶重建。從理論上講，通過縮短手術(shù)時(shí)間、降低眶板定位錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)、減少多次插入引起的軟組織創(chuàng)傷以及調(diào)整眶板等，可以改善手術(shù)效果[35]。

有研究評估了顱骨的鏡像3D打印模型和用于面部創(chuàng)傷患者創(chuàng)傷性眶壁重建的預(yù)模擬合成的支架，該研究納入104例眼眶缺損重建患者和23例眼眶創(chuàng)傷后缺損重建的患者，對于每種情況均使用3D打印技術(shù)重建鏡像圖像和單獨(dú)制造的顱骨快速原型模型，顱骨模型作為指導(dǎo)的解剖學(xué)預(yù)模擬合成支架，進(jìn)行眼眶腔的3D分析，并對術(shù)后并發(fā)癥進(jìn)行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，術(shù)后眶容積與原體積均無顯著差異[36]。

4.4鼻部手術(shù) 鼻缺損的重建在手術(shù)和美學(xué)上具有挑戰(zhàn)性，特別是當(dāng)涉及軟骨部分時(shí)，手術(shù)結(jié)果必須在功能和美學(xué)上可接受，而且準(zhǔn)確再現(xiàn)鼻內(nèi)襯、支撐和鼻呼吸、覆蓋、鼻形以及紋理至關(guān)重要[37]。Horn等[38]描述了使用3D技術(shù)對惡性外周神經(jīng)鞘瘤患者進(jìn)行鼻腔重建，首先在眉間和鼻腔區(qū)域接受了近全部鼻腔切除術(shù)，在腫瘤切除后，動(dòng)態(tài)鈦網(wǎng)在術(shù)前通過3D打印模型預(yù)先進(jìn)行，并重建軟骨和骨結(jié)構(gòu)，使用相反的頭皮瓣覆蓋軟組織缺損，實(shí)現(xiàn)了足夠的長期功能、美學(xué)和腫瘤學(xué)的良好結(jié)果。

Ciocca等[39]使用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)手術(shù)模板，引導(dǎo)植入物插入鼻假體，手術(shù)使用虛擬手術(shù)軟件計(jì)算植入物的最佳位置，并將位置轉(zhuǎn)移到CAD建模軟件，然后設(shè)計(jì)手術(shù)指導(dǎo)，使用快速原型系統(tǒng)打印三部分模板，模擬手術(shù)標(biāo)記提升皮瓣之前皮膚的切口指導(dǎo)以及用于骨鉆的手術(shù)指導(dǎo)，最后通過測量植入物軸的傾斜度(角度偏差)和植入物頂點(diǎn)的位置(頂點(diǎn)偏差)來評估計(jì)劃放置位置與最終放置位置之間的準(zhǔn)確度，此方法可行性高。

5 小 結(jié)

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)從最初的模型制作轉(zhuǎn)變?yōu)槭中g(shù)指導(dǎo)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和各種打印技術(shù)的改進(jìn)，將進(jìn)一步促進(jìn)3D打印技術(shù)滲透到口腔醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是在頜面外科中的應(yīng)用。3D打印在頜面外科中的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，而隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，高性能、高質(zhì)量、低成本材料和技術(shù)的出現(xiàn)以及CAD/CAM等計(jì)算機(jī)輔助軟件的普及，3D打印技術(shù)在頜面外科中的應(yīng)用前景將更廣闊。但3D打印制作成本高，且需要特殊的生產(chǎn)設(shè)備，因此在臨床醫(yī)學(xué)的普及過程中仍存在許多問題，未來需進(jìn)一步探索。