医学三维建模软件结合3D打印技术对颌面缺损修复的应用*

蒲根磊，杨涵，金铭，方曙，周金华

（安徽医科大学生物医学工程学院，安徽 合肥 230032）

在解剖结构和生理上，与人体的其他骨骼部位相比，人的颌面部具有很强的特殊性。第一、颌面骨多为不规则骨，主要为上颌骨、下颌骨、颧骨和额骨，以及与眼眶和鼻背构成的多个小骨块［1］，结构形态各异且复杂，各个颌面骨体积较小，相互间的结合处多为缝隙连接；第二、集人的眼眶、鼻腔、口腔等器官为一体，在进食过程中，牙齿咬合关系及咀嚼功能等都要离不开其颌面骨性结构的完整和协调，消化道和呼吸道的开口也是其重要的组成部分［1］。颌面骨性结构的完整性不仅仅只是实现人体的功能需求，还是人脸的直接构造及尊严和形象具体化的代表。通常，人类容貌特征的四分之三是由骨性结构决定的［2］。容貌对人的求职、家庭和日常生活等起着至关重要的作用，换而言之，颌面骨是个人容貌的生理支撑框架，又是一个人社会价值实现和展示的基础。不同因素造成的颌面骨性缺损或畸形，对容貌的影响较为突出，甚至给患者造成明显的心理阴影，导致一系列的心理疾病，难以融入社会，造成与社会脱节［1］。

在颌面修复过程中，会遇到较多问题，由于颌骨本身具有复杂的三维结构，截骨轮廓线的选择变化多样，涉及血管神经多且隐蔽，而患者拍摄的影像学CT 或MRI 图像结合三维建模软件对患者的影像学数据进行三维建模，使患者的三维立体模型显现出来。通过医学三维建模软件将三维模型的STL 格式导入3D 打印机切片软件进行切片，给3D 打印机相应的指令，通过3D 打印机获得与患者实体1∶1 等比例大小的骨骼模型，之后便可以在模型上进行术前预览、术中手术设计、手术预测等操作，还可在模型上进行手术导引［3］，将大大减少术中风险，减少出血量及手术时间，改善手术效果。

1 颌面缺损类型

颌面缺损的直接原因有以下三种：①先天性因素，如唇裂、腭裂最为常见，先天性耳缺损、鼻缺损以及面裂等；②后天性因素，如外伤，一般指工伤，烧伤，爆炸伤，交通事故，火器伤所致缺损；③疾病因素，在疾病中颌骨肿瘤居多。

根据解剖结构上的薄弱环节，上颌骨骨折主要有三种类型。第一型骨折为牙槽突基部水平骨折，骨折线经梨状孔下缘、牙槽突基部，绕颧牙槽嵴和上颌结节向后至翼突；第二型骨折为上颌中央锥形骨折，骨折线从鼻根部向两侧，经泪骨、眶下缘、颧上颌缝，绕上颌骨外侧壁向后至翼突；第三型骨折为高位水平骨折，骨折线经鼻额缝，横跨眼眶，再经颧额缝向后下至翼突，形成颅面分离［4］。头部唯一能活动的骨骼是下颌骨，在解剖结构上同样也有它的薄弱部位，如正中联合、颏孔部、下颌角部及髁状突，这些都是下颌骨骨折的好发部位。

2 医学三维建模软件在颌面修复中的应用

2.1 3D Slicer 软件

3D Slicer 是一款用于三维可视化及分析医学图像计算数据集的应用程序软件，用户可免费进行使用，其目的在于开发一个易于使用的分析和可视化的软件，同时开发者可扩展此款开源软件。起初3D Slicer 主要用于神经外科手术引导治疗、可视化和分析的系统，随着时代的进步发展，3D Slicer已经成为一种不仅能够应用于各类临床和临床前的研究应用，还可用于图像分析及处理的综合平台［5］。Slicer 的主要特征有广泛的功能、延伸性好、平台独立和无限制的软件许可等，无论是功能相似的商业软件，还是开源软件工具或工作站都无法比拟的［5］。通过3D Slicer 软件建模出的医学三维模型渲染显影效果显著，更加直观清楚地看到软组织形态结构。

对病变缺损区域进行CT 断层扫面，获得病变部位断面图像，以DICOM 格式保存后输入计算机，数据保存命名不能包含中文字符，否则Slicer软件无法识别。应用3D Slicer 软件通过阈值分割与区域增长生成原始三维图像。如图1 所示。

图1 3D Slicer 生成颌面破损三维图像

在Segment Editor 模块，Master volume 选择需要操作的数据，点击Add，新建一个Segment_1。Threshold Range 中通常将最小阈值设置为226，最大值默认。运用Scissors 功能将不需要部位剪除，亦可利用Islands 在二维图像上进行感兴趣模块选取，即可去除头颅颌面以外的部位，再次运用Scissors 剪刀功能将模型中骨折部位切除，将保留下的模型以stl 格式导出，通过Autodesk 开发的三维模型设计软件Meshmixer 进行修复、拼接、镜像等操作。对stl 模型进行镜像得到图2A。在Segment_1 模型上进行操作，选取原模型，将下颚骨折部分切割出，由于骨折比较严重，下颚右半部分分两部分切割（在原有切割基础上复制切割模型再实现二次切割），对切割的模型及上一步镜像完之后的模型一同在Transform 进行移动，布尔加运算得到图2B。导入到Meshmixer 进行同样镜像操作，得到图2C。Segment Editor 模块下再次新建一个Segment_2，Threshold 选取合适的齿骨阈值，运用Scissors 功能进行类似操作，得到齿骨模型，如图2D。在slicer 中对异位的齿骨进行旋转移动复位等操作，得到图2E。将2C 和2E 进行布尔运算整合。图2F 为修复合并之后的模型。

图2 3D Slicer 对颌面修复过程图

2.2 E-3D 数字化医疗建模-设计-仿真软件

E-3D 为中南大学廖胜辉团队开发的一款免费的医学三维建模软件。E-3D 功能强大，同时操作简单易用，旨在为临床医生提供可用于实际临床操作的数字化建模和术前设计，进行各种手术规划、手术演练和术后结果预测，同时可用于计算机辅助操作培训和教育。可导入stl 模型及三维重建、三维测量、模型编辑、手术规划、导板假体设计等功能，并且能根据客户需要进行功能扩展。

对病变缺损区域进行CT 断层扫面，获得病变节段断面图像，以DICOM 格式保存后输入计算机。点击计算机上E-3D 数字医疗建模与设计系统，将计算机上的影像学数据导入，点击阈值分割，选取组织类型，将骨阈值最小值设在226 像素左右，可进行微调，生成新的mask，再通过种子区域增长，将不需要的部位进行自动去除，得到图3。

医学三维重构前需先获取原始CT 图形，如图4A。在三维重建模块下，先进行简单的阈值分割，选取合适的齿骨阈值，由于齿骨骨折部位与其他颌面骨相连，故需要先利用团块分离，将需要的齿骨保留，再利用简单画刷功能将齿骨与相连的下颌面骨分离，得到图4B。对生成的齿骨间不相连部位进行团块分离，得到各个分区的Mask 模型，对Mask 进行实体建模。在手术规划模块中，对单独分离出的实体模型进行移动模型操作，使齿骨尽量完成复位，如图4C。图4D 为通过简单画刷功能将破损部位切除。再通过平移、镜像等操作完成图4E。最后再通过旋转、平移、布尔运算等操作将修复之后的几块模型进行整合，得到最终效果图4F。

图3 E-3D 生成原模型

图4 E-3D 对颌面修复过程图

3 3D 打印技术在口腔颌面缺损及修复中的应用

医学3D 打印技术在口腔颌面缺损及修复中的应用较为广泛［6］，所涉及的技术也较多。计算机模拟仿真是3D 打印的核心技术之一。通过获取患者医学影像数据，利用医学建模软件进行数据融合重建三维模型，同时可借助3D 打印机等比例打印出病灶模型，在此基础上医生可进行术前模拟规划、制定术前手术方案设计、术后治疗方案制定以及预后评估等。外国学者利用3D 打印技术对20 例下颌骨整形患者的钛合金矫形板进行术前预成型，结果显示矫形板完美贴合患者颌骨，形状精确，术中无需调整植入体的规格尺寸，手术时间大大减少，出血量减少较多，减轻了患者的痛苦［7］。3D 打印技术在先天性缺舌整形术［8］、牙科种植导板［9］，以及个体化人工耳的修复模型［10］、颅骨缺损重建修复术［11］等口腔颌面缺损部位的手术，起到了较好的作用。李武等［12］对15 例复杂颌面部肿瘤患者术前通过3D 打印技术制作手术区域模型，进行模拟设计术中方案、实现手术前预演，手术顺利完成，明显缩短了手术时间，术中出血量大大减少，提高了手术质量。WARAN等［13］论述了3D 打印技术制备头颅颌面模型辅助术前训练。LEE 等［14］获取患者颌面部位缺损影像学数据后进行医学三维重建，通过3D 打印技术打印缺损模型，并进行模拟评估，进行手术修复。董青山等［15］对下颌骨缺损患者应用3D 打印技术1∶1 制作颌面部缺损模型，利用模型进行术前规划模拟，可在术前提前制作好钛板，使其完全贴附与病灶部位。杨光辉等［16］采用3D 打印技术结合数字化医疗，对颌骨缺损进行修复板术前、体外精确预制，使得具有生物相容性的钛板达到精准弯制，修复精度高，获得最佳修复效果，达到患者满意度。上海交通大学附属第九人民医院运用CAD/CAM 系统和3D 打印技术，制作个体化颌骨病灶原始模型，通过原始病灶模型设计出纯钛支架，可应用于颌骨缺损或颌面肿瘤手术后缺损和畸形的患者，结果较为满意［17］。2019 安徽医科大学第二附属医院眼科接收了一位患者，遭遇车祸，左侧脸部严重毁容，眼眶骨折，生活也受到了极大的影响。该患者毁容严重，传统的方法整容达不到修复效果，考虑用医学三维建模结合3D 打印技术进行整容。为帮助患者解决面部修复问题，通过医学建模软件对右脸健侧进行镜像重建模型，使用激光烧结金属钛粉末制作个性化假体，打印出患者未毁容时的左脸骨骼模型，如图5。该模型可实现骨融合，术中再用该模型修缺损部位。术中创伤减少，术后患者无感染、面部轮廓对称，功能恢复完善，不影响正常生活。

图5 3D 打印模型

4 讨论

随着对容貌的注重程度增加，人们对颌面部缺损重建修复的效果提出更高的要求。传统的颌面部缺损修复重建手术，需要医生凭借丰富的临床经验进行手术操作，往往缺乏客观依据，手术时间长，失血量大，难以获得较为理想的修复效果［2］。临床研究中，可以通过获取患者医学影像数据，运用医学三维建模软件和3D 技术制作1∶1三维模型，更直观、真实地显示颌面三维解剖结构及骨线间隙关系，临床医生可对三维实体模型从不同角度进行测量和旋转，进行多面观察骨性结构，为术中最佳方案提供依据，同时也减少医生术中的工作量，对模型进行术前模拟，术中过程顺利，术中创伤减少，达到患者对修复效果的要求。而医学三维建模软件种类较多，本文着重对3D Slicer 及E-3D 软件在颌面修复中的应用进行分析。3D Slicer 软件对模型修复需要组装的插件较多，操作过程中略微复杂，常常需要其他软件辅助修复。E-3D 软件为中文操作界面，有多款修复重建软件，可用于临床研究的较多领域，模块使用简单，镜像修复功能较为完善。

因此，临床上在颌面修复过程中，医学三维建模软件结合3D 打印技术可使得下颌骨缺损修复达到不错的复位效果，可以进行术前模拟规划，对缺损部位进行更加细致的了解，这样可以在手术中极大缩短手术时间，减少术中出血量，且外形恢复效果良好，在临床上值得推广应用。