快速成形技术应用于下颌骨缺损二次重建手术指导

陈亚东 李 虎 尚德浩 王宛山

1.东北大学，沈阳，110819 2.中国医科大学附属口腔医院，沈阳，110001

0 引言

下颌骨缺损多由肿瘤、外伤以及骨性关节强直等疾病所致，下颌骨缺损的修复是颌面外科的常见手术，恢复下颌骨的完整性和连续性，使颌面外形美观，保持良好的语言、咀嚼、吞咽等功能，是口腔颌面外科治疗的重要课题［1］。

自1989年文献［2－3］首次报道利用游离腓骨骨皮瓣修复下颌骨缺损以来，医生在进行下颌骨的修复时，大多利用自体小腿腓骨进行修复。游离骨瓣是自体骨移植的一种，即在移植骨的同时将其血管等组织移植到修复部位，该方法有效保持了骨活性，提高了自体骨修复的成功率。

游离腓骨瓣修复下颌骨的手术是目前最主流、最先进的下颌骨修复方法，该手术比较复杂。首先，将患者小腿上的腓骨连同脉管系统切取下来，并在体外塑形成下颌骨的外形，然后将该腓骨块植入下颌骨骨床，并将骨上的动静脉同面部血管施行血管吻合，最后用钛板和钛钉固定腓骨及下颌骨。

快速成形技术作为一种先进的制造技术，应用在医学上有其必然性，因为快速成形技术在加工不规则模型方面有独特的优势。在医学上，快速成形技术主要用于两个领域：一是组织工程方面的研究；二是人体内部结构的可视化［4］。

1988年，Engh等［5］将快速成形技术引入医学建模领域，根据组织内部的结构，通过逆向工程制作医学模型。快速成形技术可在数小时内准确制作出人体组织的生物模型，制作的生物模型为外科医生提供了直观的组织三维状态，有助于指导手术方案的设计和实施［6－11］。

1 基于CT数据的下颌骨三维建模

在本文中，快速成形技术被应用于下颌骨手术重建的手术指导。手术指导分为三个步骤：①将病人的CT片存盘，在东北大学的快速成形实验室中，利用病人的CT数据重建出下颌骨的三维模型。然后在软件中，进行虚拟手术过程，即用腓骨拟合下颌骨的轮廓，得到对称的下颌骨模型，并输出STL文件；②将下颌骨模型在快速成形机加工；③医生在术前通过生物原型，可以对手术有直观的了解，也可以通过生物模型对手术进行演练，更重要的是可以利用生物模型弯制钛板，一次成形，避免了钛板因为多次弯制而导致的强度降低和断裂的情况。

本文选取了一例采用传统下颌骨修复手术方法而导致手术失败的案例，应用快速成形技术辅助手术指导并成功进行了手术的案例来说明该过程。

1.1 CT数据的采集

本文选取的是中国医科大学口腔医院的病例，女性，51岁。该病例之前因为下颌骨肿瘤已经做了一次下颌骨重建手术，此项手术的难度很大：一是腓动脉内径通常小于2mm，因此必须在手术显微镜下施行血管吻合，并保证血管畅通，术中需要花费大量时间对移植骨进行塑形、拼接；二是在切取腓骨以及雕塑腓骨过程中，一定要注意保证腓骨动静脉系统的完好无损，而腓骨的塑形和拼接过程主要依赖医生的主观评价和经验积累来进行，手术难度大。

由于采用传统手术方法，医生只能通过CT片来判断患者的骨骼病变情况，在手术过程中，医生只能凭借经验来对腓骨切割，拟合下颌骨轮廓。该病例由于腓骨切割长度不精确，导致病人面部左右不对称。该病例的下颌骨CT扫描数据共计305层，扫描层厚为1mm，并以DICOM格式存储。CT扫描参数的选择如表1所示。

表1 螺旋CT的扫描参数

在图1中可以清晰地观察到病人的左右下颌骨不对称。尽管通过下颌骨的CT图像，医生能够清楚地看到每层CT图片提供的信息，但CT图像只是二维图像，缺乏肿瘤与下颌骨的三维感官。此外，CT图像也不能用于精确制造保护重建下颌骨的个性化钛板。因此，需要建立下颌骨的三维模型。

1.2 CT数据的三维重建

图1 病人的CT图像

获取CT数据后，原始的CT图像被导入Mimics软件（比利时Materialise公司）中。在对骨阈值进行调节后，每层的轮廓线被提取出来，每层图像按所需进行划分边界、选择性编辑、填充孔，以及去除多余的区域等处理之后，得到下颌骨的三维几何模型，如图2所示。

图2 最初的下颌骨3D模型

从该病例的下颌骨三维模型可以看出，病人的左侧髁状突明显高于右侧健康部分，这是因为腓骨重建下颌骨是自体移植，腓骨材料比较珍贵，在下颌骨重建手术中，医生需要多次切割腓骨来拟合下颌骨，从而防止切割多了，出现材料不可再生的弊端。该病例就是因为腓骨留得比较长，导致术后患者左侧颌骨长，左右面部不对称，严重影响了病人的生理美观和日常生活。

1.3 虚拟手术过程

虚拟手术的目的是利用图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，对提高手术精度和成功率、选择最佳手术路径、减小手术损伤等具有十分重要的意义。

人体许多器官具有左右基本对称的特点，因而在三维重建的基础上，能够运用镜像技术进行修复。首先将患者重建失败的部分切除，选取下颌骨健康的一侧作为参考，对病人的下颌骨健康侧作镜像，利用镜像来重建缺损一侧的下颌骨得到的镜像侧来对照腓骨拼接，得到解剖形态良好的复原的下颌骨模型，并输出STL文件。

针对该患者，首先建立对称平面，通过镜像得到对称的下颌骨轮廓，利用腓骨拟合下颌骨曲线来修复下颌骨，重建后的下颌骨模型如图3所示。

图3 修复的下颌骨3D模型

修复后的下颌骨左右基本对称，图3c所示为修复后的下颌骨与修复前对比，其中1为修复前的下颌骨，2为修复后的下颌骨。修复后的左侧髁状突位置明显低于修复前，两侧下颌底基本在同一平面，左右下颌骨基本对称，达到了预期的效果。

1.4 下颌骨重建效果评价

在以往的研究中，人们普遍重视快速成形技术的应用研究，而对于如何评价重建的下颌骨的对称程度并没有进行深入的研究，只是通过主观的评价来鉴别重建的效果。在医学应用中，游离腓骨皮瓣修复下颌骨的基本原则是腓骨与下颌底基本在同一平面上，并且腓骨的形状与健康侧基本对称，尽量逼近健康下颌骨的生理曲线。

本文提出了一种通过计算健康侧和重建侧与人体左右对称平面的距离加权值来评价下颌骨重建效果的方法。根据人体面部左右基本对称的原则，首先以门牙中心与鼻骨中心连线作一竖平面，该平面将下颌骨左右分开，并且为人体左右面部的对称平面。在下颌骨左右沿下颌底外沿各选8个点，测量各点与对称平面之间的距离，分别记为ai，bi（i＝1，2，…，8）。然后沿健康侧下颌骨的下颌底作一平面，垂直于左右对称平面。如图4所示，两个平面互相垂直，水平对称平面用于评价水平方向左右下颌骨的对称情况，而下颌底平面用于评价垂直方向下颌骨的对称情况。测量各个点与新建下颌底平面的距离，分别记为ci，di（i＝1，2，…，8），得到数据如表2所示。

图4 水平对称平面与下颌底平面

表2 模型各点与对称平面及下颌底面的距离

由于健康侧上取点位置不变，对称平面及下颌底平面相同，所以bi与di（i＝1，2，…，8）的数值不变，计算后的φ值具有评价下颌骨对称的价值。如图5所示，测量各个点到两个平面的距离。

图5 测量各点到两个平面的距离

用同样的方法在修复后下颌骨模型相同位置左右各选取8个点，分别测量它们与对称平面及下颌底平面的距离，得到数据如表3所示。

表3 修复后模型上各点与对称平面及下颌底面的距离

经过计算，修复后的下颌骨模型的φ值为2.47，明显小于修复前，证明修复后的下颌骨左右轮廓比第二次手术前对称，即该修复模型明显比修复前更符合人体生理曲线。

2 快速成形机生产RP模型及手术应用

本实验室引进以色列Objet公司研制的EDEN250型四喷头三维打印快速成形机，制造重建的下颌骨RP模型。将从Mimics输出的STL文件导入Objet Studio软件中，用来制造下颌骨RP模型，最终用时10小时19分钟来制造重建的下颌骨RP模型，成形材料和支撑材料用量分别为168g和179g。

加工完成的树脂模型，经过去除支持材料，得到了修复后的下颌骨实体模型。医生在手术前通过将钛板与下颌骨模型进行装配测试，就能够保证钛板与患者下颌骨具有良好的匹配性。如图6所示，该模型提高了术前规划的精度和可靠性，另外医生可以在RP模型上标注切除部位，也可以将RP模型带上手术台作为参照，此举对于保证手术修复质量、缩短手术时间、降低手术风险等方面具有十分积极的意义和作用。

图6 RP模型用于钛板的术前弯制

在术前，将弯制的钛下颌修复体高压消毒备用。手术中严格按照术前计算机模拟截骨线截除下颌骨，保留腓骨皮瓣及血管，按常规方法进行受植床准备。将弯制的钛修复体嵌入骨缺损区，将两侧与骨断端严密接合。将钛修复体的延伸板用钛钉固定于下颌骨断端及腓骨上。图7所示为手术中照片。

图8所示为术前与术后一周患者的照片对比，图8a为术前照片，可以看出由于初次采用传统手术方法，医生在手术过程中拼接腓骨不精确，导致左侧下颌骨稍长，最终导致患者面部不对称；图8b为手术后一周的患者照片，患者面部轮廓左右基本对称，达到了术前预期的效果。

图7 手术中照片

图8 术前与术后一周照片对比

3 结语

（1）该手术指导使医生于术前对病情有了很好的把握，并在手术治疗之前，可以在模型上模拟最佳的复位步骤、内固定类型及安装方法，预演术中可能会遇到的情况，从而节省了手术时间，降低了手术风险。同时可以利用生物模型弯制钛板，一次成形，不需要多次弯制，避免了钛板因为多次弯制而导致的强度降低和断裂的情况。

（2）本文提出了一种通过计算健康侧和重建侧与人体左右对称平面的距离加权值来评价下颌骨重建效果的方法。经过计算，得出了修复后下颌骨的对称程度明显好于手术前的结论。手术后的效果，说明了该方法确实行之有效。

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