3D打印辅助颌面骨缺损与畸形的临床精准修复重建

杨光辉 袁荣涛 王静 刘延山 贾暮云 董蒨

3D打印辅助颌面骨缺损与畸形的临床精准修复重建

杨光辉 袁荣涛 王静 刘延山 贾暮云 董蒨

目的探讨3D打印技术在颌面骨缺损与畸形的修复重建手术中的应用价值。方法治疗颌面骨缺损与畸形手术病例6 例。术前行三维CT扫描、重建并3D打印1∶1实物模型。根据模型进行疾病诊断、手术设计及植入物的预制。结果3D打印的头模全方位显示了骨缺损及病变区域的状况，实现了生物修复板的术前、体外精确预制；实证了头影测量分析的结果，实现了真正意义上的模型外科；利用镜像模型进行重建板精确弯制，恢复了患者面型及下颌骨高度。结论3D打印能全方位、直观、精确地显示颌面骨的三维空间关系，对于颌面骨缺损与畸形的修复重建手术有极大的临床指导价值。

3D打印； 颌骨； 修复重建

因外伤、发育异常、肿瘤切除等因素导致的颌面部缺损或畸形，可引起颜面部的外形改变和功能障碍，严重影响患者的生活质量。因此及时准确的诊断、治疗，以及手术后的个性化修复对于恢复功能、容貌及提高生活质量具有重要的意义。但由于颌面部解剖结构复杂、骨骼形状不规则、功能特殊，又有颅脑等重要器官毗邻，仅通过CT、MRI等影像学检查，来确定颌面部疾病的病变性质、范围及严重程度，具有一定的局限性。近年来，随着3D打印技术的发展，因其可以快速、准确地再现复杂颌面部畸形或缺损的特点并可以制造与之相应的个性化修复体，使得复杂颌面部疾病个性化修复治疗成为可能。

3D 打印(3D printing)，又称增材制造(additive manufacturing，AM)，属于快速成型(rapid prototyping，RP)技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科发展起来的尖端技术，主要通过计算机辅助设计(computer aided design，CAD)软件或逆向工程重建三维设计模型，然后对模型进行分层设计，在3D打印机上实现“打印”叠加，最终整体成形[1]。目前较为成熟的打印方法主要包括光固化成型(stereo lithography apparatus，SLA)、选择性激光烧结(selected laser sintering，SLS)、分层实体制造(laminated object manufacturing，LOM)、熔融离散堆积成型(fused deposition modeling，FDM)等，其中SLA技术因其分辨率高、打印尺寸不受限制、显示内部结构精确而被广泛应用[2-3]。我们临床应用SLA技术进行3D打印，修复颌面骨缺损与畸形，取得了良好效果，现报告如下。

1 材料与方法

1.1 病例资料

选取青岛大学附属医院口腔颌面外科2015-01～2015-11的6 例手术病例，男4 例，女2 例，年龄17～61 岁。其中上颌骨、颧骨、眶底骨折伴复视1 例、颜面部畸形1 例、口底恶性肿瘤1 例、上颌骨囊肿1 例，下颌骨成釉细胞瘤、骨化性纤维瘤各1 例。

1.2 方法

1.2.1 三维模型的建立 患者术前均行头颅三维CT扫描(SIEMENS,扫描电压120 kV，层厚2 mm，螺距1.5 mm)，扫描获得的病变部位的断面图像保存为DICOM格式，将数据导入Mimics 10.1三维建模软件，重建出病变部位三维解剖模型。 2 例下颌骨良性肿瘤患者，通过镜像及修补技术进行计算机辅助重建，根据对侧下颌骨反求出患侧复原模型，所得到的三维数据以STL格式输出。

1.2.2 3D打印 将三维重建输出的STL格式文件导入快速成型机前处理软件Geomagic，删除对图形有干扰和多余的数据，修补丢失的数据(补洞)，再对图形进行平滑、降噪和松弛处理，最大限度还原上下颌骨的解剖结构和几何外形。再经RPData专用软件给模型加支撑分层后将数据导入激光快速成型机(SPS450B，陕西恒通智能机器有限公司)，打印材料为6000B树脂(珠海正邦科技有限公司)，加工每层厚度为0.1 mm,设计加工精度为0.1 mm,打印三维1∶1模型并低温消毒备用。

1.2.3 术前设计与手术操作 在3D打印头模上，对颌面骨缺损与畸形的情况进行分析，完成术前设计。对拟行颌骨切除、修复重建者，利用镜像原理，打印出重建的预期头模，在其上进行植入物的预制。按照术前设计，完成手术的精准修复。

2 结 果

典型病例1。上颌骨、颧骨、眶底骨折的患者，术前分析患者颧面部、眶底多处骨折，眼球下陷且伴有复视(图 1A～B)，需行多处骨折复位，将嵌入上颌窦的眼球内容还纳回眼眶内，同时修复眶底的缺损，植入生物修复板(Medpor)。3D打印的头模全方位显示了眶底骨折的状况，在手术中依据头颅模型修剪衬垫生物修复板，完成生物修复板的精确预弯(图 1C～D)，口内切口联合睑下缘切口，首先将骨折复位、坚固内固定，将嵌入上颌窦的眼内容还纳回眶内，然后将预制的生物板精确地植入眶底的缺损处并固定，缩短手术时间，更能增加假体植入的精确性，减少不必要的损伤。实现了生物修复板的术前、体外精确预制，达到了完美的手术效果，避免了视神经损伤等并发症。患者术后眶下缘的连续性及眼球内陷得到明显改善(图 1E～F)。

典型病例2。下颌骨成釉细胞瘤患者，术前活组织检查确定为成釉细胞瘤(图 2A)，确定了下颌骨节段性切除及腓骨肌皮瓣重建下颌骨的手术方式。术前根据打印模型进行了手术模拟，在原型模型上进行截骨设计，描画截骨线(图 2B～C)。术中根据截骨线结合肿瘤生长情况切除肿瘤及部分下颌骨，获取腓骨肌皮瓣。在镜像模型上弯制重建板，大大缩短了重建板弯制时间，重建板固定下颌骨两断端，预制的重建板与截骨后保留的下颌骨接合良好(图 2D)。根据下颌骨外形连续性进行腓骨肌瓣塑型， 双层腓骨恢复下颌骨高度。小钛板固定双层腓骨及下颌骨断端，吻合动静脉血管(图 2E)。术后患者面型恢复良好，两侧对称，下颌骨高度恢复良好，后期可进行牙种植修复(图 2F)。面部畸形患者，根据术前头影测量及模型外科设计手术方案。在3D打印模型上模拟手术截骨线及骨块移动距离和旋转角度，在头模上实证了头影测量分析的结果，实现了真正意义上的术前模型外科。口底恶性肿瘤患者，术前在3D打印模型上模拟手术中下颌骨断开位置及长度，并设计取腓骨瓣长度。术中根据肿瘤生长状况和术前模拟确定下颌骨截骨线、断开下颌骨，确定腓骨瓣截取长度。利用重建板恢复下颌骨连续性，将腓骨肌瓣塑型，吻合动静脉，重建下颌骨。上颌骨囊肿病例，头模清晰显示上颌窦底壁的破坏情况，从而选择内镜下的上颌窦内壁开放术治疗。

3 讨 论

随着医学计算机技术和先进制造技术的快速发展以及患者对颌面部缺损及畸形手术修复精度要求的提高，如何运用计算机及3D打印技术来改进手术方式、提高手术质量、增加患者的满意度，引起了口腔颌面外科医生的极大关注。自Herman等[4]将三维重建技术应用于口腔颌面外科以来，3D打印技术应用于诊断、分析病情、术前设计、手术方案制定、术中植入物预制[5-7]、制作手术导板[8]等，尤其在医患之间沟通与交流方面具有得天独厚的优势。高蕊[9]经过研究发现低剂量CT(35 mA)扫描可用于颌面部软硬组织三维模型的重建，大大减少了患者在检查过程中所受的辐射剂量。

A： 治疗前正面照； B： 术前3D打印模型； C： 术中修整生物植入材料； D： 生物材料植入； E： 患者术后6 d正面照； F： 术后3D模型

图 1 眶底骨折

A： Before treatment; B: Preoperative 3D model; C: Biological implant materials dressing in surgery; D: Biological implant material implantation; E: 6 days after operation; F: 3D printing model after operation

Fig 1 Case 1 with orbital floor fracture

A： 术前； B： 3D打印模型； C： 在镜像模型上弯制重建板； D： 植入重建板； E： 腓骨肌皮瓣修复下颌缺损； F： 术后3 个月面像

图 2 左下颌成釉细胞瘤

A： Before tretment ; B: 3D printing model; C: Reconstruction plate bending on the Mirror image model; D: Placement of the reconstruction plate; E: Reconstruction of the mandibular defect with fibular flap; F: 3 months after surgery

Fig 2 Case 2 with left mandibular ameloblastoma

传统的生物修复板植入方法主要依靠术者的经验和肉眼观察，术中需要反复修剪比较，耗费大量时间，而且衬垫效果不够精确，且眶底部神经、血管等解剖结构复杂，易给患者造成不必要的损伤。本研究应用3D打印技术实现了生物修复板的术前、体外精确预制，达到了完美的手术效果，避免了视神经损伤等并发症。

近年来有报道利用3D打印技术进行口腔颌面部修复体植入物的制作[10]，口腔颌面部3D打印个性化修复体的应用逐渐增多，张庆福等[11]对单侧下颌骨体部与升支成釉细胞瘤患者设计了钛合金3D打印技术制作的下颌骨植入体，使缺损下颌骨的解剖形态即刻得到个体化修复重建。生物3D打印技术也在快速发展中，目前用干细胞已经可以打印皮肤[12]、骨骼[13]等。Cecchini等[14]用3D打印技术制备鼠的唾液腺，从而实现了唾液腺的再生。George等[15]利用脂肪干细胞打印支架结合重建板进行下颌骨成釉细胞瘤切除后重建取得成功。

本研究以患者颌骨CT扫描数据为基础，将三维重建、软件设计及快速成形等技术运用于口腔颌面外科多种手术类型的设计、操作中，直观、全面的显示了口腔颌面部的解剖结构，对手术有很重要的指导作用，增加了手术的准确性、可靠性、安全性，缩短了手术时间。特别是通过镜像技术设计颌骨修复模型，在其上进行重建板弯制节省了手术时间，减少了重建板弯制过程中多次试弯对患者的损伤，同时也降低了弯制过程中对重建板造成的损坏，减少了重建板断裂的可能性。术后患者下颌骨的完整性、连续性、颌面形态和功能即刻得到恢复，咬合关系与术前无差异。尤其是对于年轻的患者来说，手术中利用计算机设计后得到的模型进行手术操作能有效的保持患者颌面部外形的美观和功能，提高了患者的满意度。若通过计算机设计后打印手术导板来指导术中的操作，可更有效的提高手术的准确度，更完美的将术前的设计方案展现在手术过程中。关于手术导板的设计需进一步研究。随着3D打印技术的进步，高性能、高质量、低价格材料的出现以及CAD/CAM软件的普及，3D打印技术在口腔颌面外科领域中的应用前景将更加广阔。

[1] 管吉, 杨树欣, 管叶， 等. 3D打印技术在医疗领域的研究进展[J].中国医疗设备, 2014, 29(4): 71-72.

[2] 陈俊兰， 吴纪楠， 王忠东. 快速成型技术在颅颌面缺损整复中的应用[J]. 国际口腔医学杂志， 2011， 38(5)： 567-569.

[3] Chae MP, Rozen WM, McMenamin PG, et al. Emerging applications of bedside 3D printing in plastic surgery[J]. Front Surg, 2015, 2: 25.

[4] Herman S, DeBoer G, Rideout DF，et al. Observer variation in abdominal CT[J]. Invest Radiol, 1984, 19(6): 597-598.

[5] 谭新颖, 胡敏, 刘昌奎, 等. 计算机辅助外科在获得性颌面骨不对称畸形矫治中的应用[J]. 北京口腔医学, 2014, 22(2): 104-106.

[6] 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.

[7] Liu YF, Xu LW, Zhu HY, et al. Technical procedures for template-guided surgery for mandibular reconstruction based on digital design and manufacturing[J]. Biomed Eng Online, 2014, 13: 63.

[8] Adolphs N, Liu W, Keeve E, et al. RapidSplint: Virtual splint generation for orthognathic surgery-results of a pilot series[J]. Comput Aided Surg, 2014, 19(1-3): 20-28.

[9] 高蕊， 王仪， 谷无畏，等. 低剂量CT扫描重建颌面部软硬组织三维模型的剂研究[J]. 实用口腔医学杂志， 2014， 30(6)： 770-773.

[10]Nickels L. World's first patient-specific jaw implants[J]. Met Powder Report， 2012， 67(2)： 12-14.

[11]张庆福, 刘刚, 刘国勤. 个体化3D打印钛合金下颌骨植入体的设计制作与临床应用[J]. 口腔医学研究, 2015, 31(1): 48-51.

[12]Lee V, Singh G, Trasatti JP, et al. Design and fabrication of human skin by three-dimensional bioprinting[J]. Tissue Eng Part C Methods， 2014, 20(6): 473-484.

[13]Inzana JA, Olvera D, Fuller SM，et al. 3D printing of composite calcium phosphate and collagen scaffolds for bone regeneration[J]. Biomaterials, 2014, 35(13): 4026-4034.

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

[15]Wolff J, Sándor GK, Miettinen A, et al. GMP-level adipose stem cells combined with computer-aided manufacturing to reconstruct mandibular ameloblastoma resection defects: Experience with three cases[J]. Ann Maxillofac Surg, 2013, 3(2): 114-125.

Thevalueof3Dprinttechniqueinthepreciousreconstructionofthedefectsandmalformationsofmaxillofacialbone

YANGGuanghui,YUANRongtao,WANGJing,LIUYanshan,JIAMuyun,DONGQian.

266003，DepartmentofOralandMaxillofacialSurgery，theAffiliatedHospitalofQingdaoUniversity,KeyLaboratoryofDigitalMedicineandComputerAssistedSurgeryofShanDongProvince，KeyLaboratoryofOralClinicalMedicine，StomatologicalCollegeofQingdaoUniversity，China

Objective: To study the value of 3D print technique in the reconstruction of the defects and malformations of oral and maxillofacial bone.Methods6 cases with defects and malformations of oral and maxillofacial bone were examined by CT scanning, treated by the implantation of 3D printed implants.ResultsBefore operation, 3D printed model clearly showed the status of the defects and malformations for the precious preoperative implant shaping. The implants for the reconstruction were prepared by 3D print techinique. Perfect reconstruction of the defects was achieved.Conclusion3D printing technology exerts promising values in the precious and effective reconstruction of the defects and malformations of maxillofacial bones.

3Dprint；Jawbone；Reconstruction

青岛市自主创新重大专项资助(编号： 14-6-1-6-zdzx)

266003, 青岛大学附属医院口腔颌面外科, 山东省数字医学与计算机辅助手术重点实验室, 口腔临床医学重点实验室, 青岛大学口腔医学院

董蒨 E-mail： yuanrongtao@163.com

R782.4

A

10.3969/j.issn.1001-3733.2017.04.013

(收稿： 2017-01-18)