正颌外科术前快速原型-石膏复合性模型精确性评价

吴 烨， 谢福平， 陈嘉民， 牛 刚， 刘欢欢， 林李嵩，2

正颌外科手术是一种改善患者容貌和功能的手术，因此术前应做好治疗计划与预测。目前，通常采用头颅侧位片VTO分析、石膏模型分析、快速原型(rapid prototyping, RP)技术制作的高仿三维头颅RP模型分析、三维虚拟手术分析等方法进行术前分析与预测，其中最直观最有效的方法是RP模型分析。

RP技术是基于离散堆积成型的思想，根据数字模型直接快速生产样件的一种技术[1],起初应用于工业制造，后被用于医学领域，重建骨质方面具有较大的优势，现在已广泛应用于骨科及其相关学科，正颌外科便是其中之一[2-4]。但是正颌手术与一般的整形手术不同，不仅要求矫正患者畸形的容貌，还要兼顾良好的咬合功能，二者缺一不可。目前制作的RP模型，由于材料的膨胀系数、CT数据的失真等原因，尚不能毫无失真地复制颌面部的解剖结构[5]。这种误差在牙弓上的表现尤为明显，常导致RP模型的咬合关系与患者口内咬合关系偏差较大。倘若沿用RP模型上错误的咬合关系进行术前模拟，势必无法获得精确的术前预测结果。为解决这一难题，笔者将牙弓石膏模型嫁接于RP模型上，恢复RP模型精确的咬合关系，并评价其在正颌术前模型外科应用中的精确性。

1 对象与方法

1.1对象 选择2011年6月-2016年6月就诊的正颌患者33例，男性12例，女性21例；年龄(26.09±3.40)岁(20～35岁)。纳入标准：颌面部严重畸形需正颌手术者，男女不限，年龄18～35岁；排除标准：唇腭裂、多个牙缺失、外伤、肿瘤等其他原因造成的畸形。纳入研究的患者均签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1头颅CT数据采集与三维重建 螺旋CT扫描机(sx-11A，64排，日本东芝公司)，由福建医科大学附属第一医院提供。数据采集后委托福州大学生产高仿三维头颅模型。术前对患者进行多排螺旋CT连续薄层扫描头颅，层厚1 mm，螺距15，球管螺旋时间每圈0.5 s，球管电压120 V，电流350 mA，图像重建间距0.5 mm，矩阵512×512，视野范围直径240 mm。所有数据采用容积重建法进行三维重建[6]。

1.2.2高仿三维头颅模型制作 CT数据经Mimics软件转换成为STL格式后，输入RP成型机中，运用光敏液相固化法原理，分层固化光敏树脂，制作成高仿三维头颅模型[7]。

1.2.3RP-石膏复合性模型制作 取下患者口内的正畸钢丝，用蜡片填平托槽区的倒凹，用藻酸盐印模材及石膏按常规方法制取上下颌牙弓石膏模型，每位患者制取2副石膏模型，一副牙弓用于上架，利用解剖式架，将患者术前咬合关系精确地转移于架上，另一副匹配替换高仿三维头颅牙弓部分。替换方法：(1)将牙弓石膏模型底座修整变平；(2)于RP模型牙列中线及第一磨牙中线做标记线，牙弓石膏模型的相同位置进行标记;(3)锯除上颌RP模型的牙弓，利用面弓转移完成上颌牙弓石膏模型与上颌RP模型的替换;(4)锯除下颌RP模型的牙弓，根据患者术前的咬合印迹，用下牙弓石膏模型替换RP模型的下颌牙弓，最终完成牙弓石膏模型与RP模型的配准结合(图1)。

A：牙弓石膏模型底座标记；B：上颌RP模型标记；C：利用面弓进行替换上颌牙弓石膏模型于上颌RP模型；D：根据术前咬合关系替换下颌牙弓石膏模型于下颌RP模型；E：完成的下颌RP-石膏复合性模型；F：完成的上颌RP-石膏复合性模型.图1 RP模型上下颌牙弓替换过程Fig 1 The process of dental arch plaster model replacement in RP model

1.2.4数据测量 (1)测量患者本体(H1)、RP模型(H2)、RP-石膏复合性模型(H3)的眉弓中点至颏前点的垂直距离，分别记录为H1,H2,H3。(2)测量眶下缘中点至颏下点的垂直距离，分别记录为H4(患者本体)，H5(RP模型)，H6(RP-石膏复合性模型)。

1.3统计学处理 采用SPSS 11.0软件进行统计学处理。分别对H1,H2,H3的测量结果以及H4,H5,H6的测量结果进行单因素方差分析。P<0.05为差别有统计学意义。

2 结 果

H1,H2,H3测量结果分别为132.93～141.41，136.88～145.52，133.18～141.1 mm，H1,H3与H2比较，差别均有统计学意义(P<0.05)，而H1与H3间差别则无统计学意义(P>0.05)。H4,H5,H6测量结果分别为102.61～111.43，106.69～115.53，102.93～112.25 mm，H4，H6与H5比较，差别均有统计学意义(P<0.05)，而H4与H6间差别无统计学意义(P>0.05)。

3 讨 论

传统的正颌手术预测方法一般是通过头颅侧位片VTO分析法进行预测[8]，常常无法获得精确的预测结果。而牙弓转移至架上进行的石膏模型外科，虽然相对精确，但也仅仅体现咬合关系的改变较多，无法实现患者外貌改变的精准预测[9]。随着RP技术引入正颌外科后，制作出高精度的三维头颅模型，使得精确预测正颌术后效果成为可能。与传统头颅侧位片VTO分析比较，高仿三维头颅模型具有极大的优势：更形象、更具体、更准确[10]。然而，目前制作的高仿三维头颅模型的精确度依然受到许多影响因素的制约：原始三维CT数据、三维重建的精度、制作头颅模型材料的膨胀系数、部分患者口内金属正畸托槽的干扰、制作工艺及材料等[11-12]。以上因素均可导致高仿三维头颅模型与本体间出现误差，最明显的误差表现在RP模型的咬合关系上，因此恢复RP模型精确的咬合关系是获得精确预测结果的保证。本研究通过替换牙弓石膏模型于RP模型上，精确恢复RP模型的咬合关系，为精确模型外科奠定坚实的基础。

Mavili等也使用牙弓石膏模型替换的方式提高模型的精确度[13]，但因其只是针对石膏模型和RP模型进行简单的标记后做替换，随意性大，容易在以下几方面出现误差：(1)其牙弓的转移无论是水平还是垂直方向，均无准确的参照物，可能影响转移的精确性。为避免这种误差，本研究在牙弓石膏模型及RP模型相对应的位置上进行标记，并利用面弓在口内记录的上颌牙弓的位置进行石膏-RP模型替换。转移后可根据标记线是否重合来判断替换是否精确。(2)平面转移不精确。由于牙弓转移不精确，可能会使牙弓倾斜固定于颌骨上，而任何一点倾斜都会造成平面的变化，从而影响RP-石膏模型外科及模型外科的准确性，尤其会造成对关节位置预测的失真。本研究使用面弓转移，保证了平面与水平面的相对位置不变，避免了平面不精确的问题。(3)下颌牙弓的转移，笔者主要是依据患者口内现有的咬合关系，咬蜡后复制患者上下颌的咬合关系，根据已替换的上颌RP-石膏复合性模型引导下颌牙弓替换，进一步避免下颌牙弓替换的随意性。

本研究中模型替换的顺序如下：(1)面弓介导上颌牙弓替换，制作形成上颌RP-石膏复合性模型；(2)患者现有咬合关系介导下颌牙弓替换，制作形成下颌RP-石膏复合性模型。这个过程每一步都有参照物，可保证模型替换精确。完成模型替换后，从测量的垂直高度可得出，H1与H3以及H4与H6的差别均无统计学意义，提示RP-石膏复合性模型标记线精确对位，能较精确地复制患者的面部硬组织外貌特征及精确的咬合关系。而原始的RP模型与本体差异较大，不能作为模型外科使用。

因此，本研究利用面弓转移的石膏-RP模型替换法精确地转移了患者口内实际的咬合关系，也为术前模型外科操作时重建咬合关系提供了精确准备。其石膏模型上的细节清晰，利于术前模拟截骨后的咬合重建，减少了因咬合不精确而导致的截骨预测错误，提高了正颌外科术前预测的精确性[14-15]。当然，一个制作精良、完美精确的RP模型除了拥有精细的咬合是远远不够的，除牙弓以外的细节也必须精细。目前，RP模型的制作工艺是通过紫外线选择性固化树脂材料逐层堆积形成的，影响RP模型精确度主要是堆积的方式及树脂固化的膨胀系数。Murugesan等使用3种堆积模式(溶化沉积模式、喷射沉积模式、三维打印沉积模式)制作RP模型，分别使用3种不同材料制作出的三维模型，其精确度有明显统计学差异[16]。但RP模型制作过程中所使用的堆积模式和材料导致的误差，对模型最终的影响是整体性的，即整体放大或者整体缩小，模型上各骨块的相对位置仍然是正确的，这对正颌手术模型外科中判断颏部的对称性的影响较小，而对截骨量的预测有一定影响。因此，改进RP模型制作工艺、选用膨胀系数小的材料制作与患者等比例的模型，将是下一步要进行的工作。本课题组在早期的研究中，利用替换牙弓石膏模型的方法获得了良好的术前模型，其术前的模型外科预测与术中可能出现的问题高度吻合，可很好的预测，患者均获得良好的治疗效果[17]。

综上所述，本研究制作的RP-石膏复合性模型，较目前临床常用的RP模型，咬合关系精确度明显提高，术前模拟手术所获得的数据与实际手术无明显差异，便于制定准确的手术方案，并利于与患者及家属交流，使其获得对手术效果的直观及全面的认识，避免医疗纠纷，在临床应用上有其独特的优点。