醫(yī)學三維建模軟件結合3D打印技術對頜面缺損修復的應用*

蒲根磊，楊涵，金銘，方曙，周金華

（安徽醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院，安徽 合肥 230032）

在解剖結構和生理上，與人體的其他骨骼部位相比，人的頜面部具有很強的特殊性。第一、頜面骨多為不規(guī)則骨，主要為上頜骨、下頜骨、顴骨和額骨，以及與眼眶和鼻背構成的多個小骨塊［1］，結構形態(tài)各異且復雜，各個頜面骨體積較小，相互間的結合處多為縫隙連接；第二、集人的眼眶、鼻腔、口腔等器官為一體，在進食過程中，牙齒咬合關系及咀嚼功能等都要離不開其頜面骨性結構的完整和協(xié)調，消化道和呼吸道的開口也是其重要的組成部分［1］。頜面骨性結構的完整性不僅僅只是實現人體的功能需求，還是人臉的直接構造及尊嚴和形象具體化的代表。通常，人類容貌特征的四分之三是由骨性結構決定的［2］。容貌對人的求職、家庭和日常生活等起著至關重要的作用，換而言之，頜面骨是個人容貌的生理支撐框架，又是一個人社會價值實現和展示的基礎。不同因素造成的頜面骨性缺損或畸形，對容貌的影響較為突出，甚至給患者造成明顯的心理陰影，導致一系列的心理疾病，難以融入社會，造成與社會脫節(jié)［1］。

在頜面修復過程中，會遇到較多問題，由于頜骨本身具有復雜的三維結構，截骨輪廓線的選擇變化多樣，涉及血管神經多且隱蔽，而患者拍攝的影像學CT 或MRI 圖像結合三維建模軟件對患者的影像學數據進行三維建模，使患者的三維立體模型顯現出來。通過醫(yī)學三維建模軟件將三維模型的STL 格式導入3D 打印機切片軟件進行切片，給3D 打印機相應的指令，通過3D 打印機獲得與患者實體1∶1 等比例大小的骨骼模型，之后便可以在模型上進行術前預覽、術中手術設計、手術預測等操作，還可在模型上進行手術導引［3］，將大大減少術中風險，減少出血量及手術時間，改善手術效果。

1 頜面缺損類型

頜面缺損的直接原因有以下三種：①先天性因素，如唇裂、腭裂最為常見，先天性耳缺損、鼻缺損以及面裂等；②后天性因素，如外傷，一般指工傷，燒傷，爆炸傷，交通事故，火器傷所致缺損；③疾病因素，在疾病中頜骨腫瘤居多。

根據解剖結構上的薄弱環(huán)節(jié)，上頜骨骨折主要有三種類型。第一型骨折為牙槽突基部水平骨折，骨折線經梨狀孔下緣、牙槽突基部，繞顴牙槽嵴和上頜結節(jié)向后至翼突；第二型骨折為上頜中央錐形骨折，骨折線從鼻根部向兩側，經淚骨、眶下緣、顴上頜縫，繞上頜骨外側壁向后至翼突；第三型骨折為高位水平骨折，骨折線經鼻額縫，橫跨眼眶，再經顴額縫向后下至翼突，形成顱面分離［4］。頭部唯一能活動的骨骼是下頜骨，在解剖結構上同樣也有它的薄弱部位，如正中聯合、頦孔部、下頜角部及髁狀突，這些都是下頜骨骨折的好發(fā)部位。

2 醫(yī)學三維建模軟件在頜面修復中的應用

2.1 3D Slicer 軟件

3D Slicer 是一款用于三維可視化及分析醫(yī)學圖像計算數據集的應用程序軟件，用戶可免費進行使用，其目的在于開發(fā)一個易于使用的分析和可視化的軟件，同時開發(fā)者可擴展此款開源軟件。起初3D Slicer 主要用于神經外科手術引導治療、可視化和分析的系統(tǒng)，隨著時代的進步發(fā)展，3D Slicer已經成為一種不僅能夠應用于各類臨床和臨床前的研究應用，還可用于圖像分析及處理的綜合平臺［5］。Slicer 的主要特征有廣泛的功能、延伸性好、平臺獨立和無限制的軟件許可等，無論是功能相似的商業(yè)軟件，還是開源軟件工具或工作站都無法比擬的［5］。通過3D Slicer 軟件建模出的醫(yī)學三維模型渲染顯影效果顯著，更加直觀清楚地看到軟組織形態(tài)結構。

對病變缺損區(qū)域進行CT 斷層掃面，獲得病變部位斷面圖像，以DICOM 格式保存后輸入計算機，數據保存命名不能包含中文字符，否則Slicer軟件無法識別。應用3D Slicer 軟件通過閾值分割與區(qū)域增長生成原始三維圖像。如圖1 所示。

圖1 3D Slicer 生成頜面破損三維圖像

在Segment Editor 模塊，Master volume 選擇需要操作的數據，點擊Add，新建一個Segment_1。Threshold Range 中通常將最小閾值設置為226，最大值默認。運用Scissors 功能將不需要部位剪除，亦可利用Islands 在二維圖像上進行感興趣模塊選取，即可去除頭顱頜面以外的部位，再次運用Scissors 剪刀功能將模型中骨折部位切除，將保留下的模型以stl 格式導出，通過Autodesk 開發(fā)的三維模型設計軟件Meshmixer 進行修復、拼接、鏡像等操作。對stl 模型進行鏡像得到圖2A。在Segment_1 模型上進行操作，選取原模型，將下顎骨折部分切割出，由于骨折比較嚴重，下顎右半部分分兩部分切割（在原有切割基礎上復制切割模型再實現二次切割），對切割的模型及上一步鏡像完之后的模型一同在Transform 進行移動，布爾加運算得到圖2B。導入到Meshmixer 進行同樣鏡像操作，得到圖2C。Segment Editor 模塊下再次新建一個Segment_2，Threshold 選取合適的齒骨閾值，運用Scissors 功能進行類似操作，得到齒骨模型，如圖2D。在slicer 中對異位的齒骨進行旋轉移動復位等操作，得到圖2E。將2C 和2E 進行布爾運算整合。圖2F 為修復合并之后的模型。

圖2 3D Slicer 對頜面修復過程圖

2.2 E-3D 數字化醫(yī)療建模-設計-仿真軟件

E-3D 為中南大學廖勝輝團隊開發(fā)的一款免費的醫(yī)學三維建模軟件。E-3D 功能強大，同時操作簡單易用，旨在為臨床醫(yī)生提供可用于實際臨床操作的數字化建模和術前設計，進行各種手術規(guī)劃、手術演練和術后結果預測，同時可用于計算機輔助操作培訓和教育。可導入stl 模型及三維重建、三維測量、模型編輯、手術規(guī)劃、導板假體設計等功能，并且能根據客戶需要進行功能擴展。

對病變缺損區(qū)域進行CT 斷層掃面，獲得病變節(jié)段斷面圖像，以DICOM 格式保存后輸入計算機。點擊計算機上E-3D 數字醫(yī)療建模與設計系統(tǒng)，將計算機上的影像學數據導入，點擊閾值分割，選取組織類型，將骨閾值最小值設在226 像素左右，可進行微調，生成新的mask，再通過種子區(qū)域增長，將不需要的部位進行自動去除，得到圖3。

醫(yī)學三維重構前需先獲取原始CT 圖形，如圖4A。在三維重建模塊下，先進行簡單的閾值分割，選取合適的齒骨閾值，由于齒骨骨折部位與其他頜面骨相連，故需要先利用團塊分離，將需要的齒骨保留，再利用簡單畫刷功能將齒骨與相連的下頜面骨分離，得到圖4B。對生成的齒骨間不相連部位進行團塊分離，得到各個分區(qū)的Mask 模型，對Mask 進行實體建模。在手術規(guī)劃模塊中，對單獨分離出的實體模型進行移動模型操作，使齒骨盡量完成復位，如圖4C。圖4D 為通過簡單畫刷功能將破損部位切除。再通過平移、鏡像等操作完成圖4E。最后再通過旋轉、平移、布爾運算等操作將修復之后的幾塊模型進行整合，得到最終效果圖4F。

圖3 E-3D 生成原模型

圖4 E-3D 對頜面修復過程圖

3 3D 打印技術在口腔頜面缺損及修復中的應用

醫(yī)學3D 打印技術在口腔頜面缺損及修復中的應用較為廣泛［6］，所涉及的技術也較多。計算機模擬仿真是3D 打印的核心技術之一。通過獲取患者醫(yī)學影像數據，利用醫(yī)學建模軟件進行數據融合重建三維模型，同時可借助3D 打印機等比例打印出病灶模型，在此基礎上醫(yī)生可進行術前模擬規(guī)劃、制定術前手術方案設計、術后治療方案制定以及預后評估等。外國學者利用3D 打印技術對20 例下頜骨整形患者的鈦合金矯形板進行術前預成型，結果顯示矯形板完美貼合患者頜骨，形狀精確，術中無需調整植入體的規(guī)格尺寸，手術時間大大減少，出血量減少較多，減輕了患者的痛苦［7］。3D 打印技術在先天性缺舌整形術［8］、牙科種植導板［9］，以及個體化人工耳的修復模型［10］、顱骨缺損重建修復術［11］等口腔頜面缺損部位的手術，起到了較好的作用。李武等［12］對15 例復雜頜面部腫瘤患者術前通過3D 打印技術制作手術區(qū)域模型，進行模擬設計術中方案、實現手術前預演，手術順利完成，明顯縮短了手術時間，術中出血量大大減少，提高了手術質量。WARAN等［13］論述了3D 打印技術制備頭顱頜面模型輔助術前訓練。LEE 等［14］獲取患者頜面部位缺損影像學數據后進行醫(yī)學三維重建，通過3D 打印技術打印缺損模型，并進行模擬評估，進行手術修復。董青山等［15］對下頜骨缺損患者應用3D 打印技術1∶1 制作頜面部缺損模型，利用模型進行術前規(guī)劃模擬，可在術前提前制作好鈦板，使其完全貼附與病灶部位。楊光輝等［16］采用3D 打印技術結合數字化醫(yī)療，對頜骨缺損進行修復板術前、體外精確預制，使得具有生物相容性的鈦板達到精準彎制，修復精度高，獲得最佳修復效果，達到患者滿意度。上海交通大學附屬第九人民醫(yī)院運用CAD/CAM 系統(tǒng)和3D 打印技術，制作個體化頜骨病灶原始模型，通過原始病灶模型設計出純鈦支架，可應用于頜骨缺損或頜面腫瘤手術后缺損和畸形的患者，結果較為滿意［17］。2019 安徽醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院眼科接收了一位患者，遭遇車禍，左側臉部嚴重毀容，眼眶骨折，生活也受到了極大的影響。該患者毀容嚴重，傳統(tǒng)的方法整容達不到修復效果，考慮用醫(yī)學三維建模結合3D 打印技術進行整容。為幫助患者解決面部修復問題，通過醫(yī)學建模軟件對右臉健側進行鏡像重建模型，使用激光燒結金屬鈦粉末制作個性化假體，打印出患者未毀容時的左臉骨骼模型，如圖5。該模型可實現骨融合，術中再用該模型修缺損部位。術中創(chuàng)傷減少，術后患者無感染、面部輪廓對稱，功能恢復完善，不影響正常生活。

圖5 3D 打印模型

4 討論

隨著對容貌的注重程度增加，人們對頜面部缺損重建修復的效果提出更高的要求。傳統(tǒng)的頜面部缺損修復重建手術，需要醫(yī)生憑借豐富的臨床經驗進行手術操作，往往缺乏客觀依據，手術時間長，失血量大，難以獲得較為理想的修復效果［2］。臨床研究中，可以通過獲取患者醫(yī)學影像數據，運用醫(yī)學三維建模軟件和3D 技術制作1∶1三維模型，更直觀、真實地顯示頜面三維解剖結構及骨線間隙關系，臨床醫(yī)生可對三維實體模型從不同角度進行測量和旋轉，進行多面觀察骨性結構，為術中最佳方案提供依據，同時也減少醫(yī)生術中的工作量，對模型進行術前模擬，術中過程順利，術中創(chuàng)傷減少，達到患者對修復效果的要求。而醫(yī)學三維建模軟件種類較多，本文著重對3D Slicer 及E-3D 軟件在頜面修復中的應用進行分析。3D Slicer 軟件對模型修復需要組裝的插件較多，操作過程中略微復雜，常常需要其他軟件輔助修復。E-3D 軟件為中文操作界面，有多款修復重建軟件，可用于臨床研究的較多領域，模塊使用簡單，鏡像修復功能較為完善。

因此，臨床上在頜面修復過程中，醫(yī)學三維建模軟件結合3D 打印技術可使得下頜骨缺損修復達到不錯的復位效果，可以進行術前模擬規(guī)劃，對缺損部位進行更加細致的了解，這樣可以在手術中極大縮短手術時間，減少術中出血量，且外形恢復效果良好，在臨床上值得推廣應用。