3D打印技术在正颌外科手术中的应用

王洪一，梁久龙，刘晓燕，张庭辉，邱 涛，付志强，何景涛，曹志强，柳云恩，陶 凯，侯明晓

颌面部严重的骨性不调、牙面畸形或齿槽骨畸形通常需行正颌外科手术治疗。常规的治疗流程是先行针对牙弓和个别牙齿的术前正畸治疗，之后行手术矫正，最后行术后正畸维护与保持。正颌外科手术是矫正骨性畸形的最佳选择，常规术式包括Lefort I型截骨术、矢状劈开截骨术和颏部水平截骨术。由于颌骨本身具有复杂的三维结构，截骨线的选择变化多样，涉及血管神经多且隐蔽，因此增加了手术的难度。如果能够预先获得与患者实体等大的骨骼模型，便可以在模型上进行手术设计、手术预测甚至手术导引，将大大减少风险，改善手术效果。3D打印技术又称快速成型技术，是根据分层制造、逐层叠加的原理，快速制作三维实体的一种分层制造技术，已开始越来越广泛地应用于器官模型制造、手术方案设计、个性化支架材料生产等医学领域［1-5］。沈阳军区总医院整形外科2015年2—7月收治颌骨畸形患者7例，应用3D打印技术术前预成个性化颌骨模型，在此模型基础上进行诊断分析、手术方案设计和手术导板制作，效果满意，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 本组7例，男3例，女4例;年龄18～22岁，平均20岁。术前诊断5例为Ⅲ类咬合畸形，2例为Ⅲ类咬合畸形伴颏部发育不对称。

1.2 手术方法

1.2.1 头颅三维CT数据获取:术前均采用Light Speed VCT螺旋CT扫描机(GE公司，美国)进行头颅扫描，球管电流10 mA，管电压120 kV，矩阵512×512，以层厚 0．625 mm薄层三维重建，数据以DICOM格式刻盘保存。

1.2.2 颌骨模型3D打印:将CT数据导入Mimics 10．01软件(Materialise公司，比利时)进行头颅骨三维重建，用CT数据分割分离上颌骨与下颌骨，在断层影像中调整影像对比度，设置合适的数据选取阈值，过滤骨骼组织。将数据转化为STL格式，输入Z Corp快速成型打印机(Z Corporation公司，美国)。采用快速成型粉打印头颅三维模型。

1.2.3 应用模型辅助诊断和手术设计:在头影测量数据分析的基础上进一步分析上颌和下颌的畸形数据，明确诊断，设计手术方式，即单纯下颌截骨，或双颌截骨，或结合颏部水平截骨术。同时，借助3D打印模型，与患者沟通，更为形象、直观地介绍畸形原因、手术过程和相关风险。

对于Lefort I型截骨，可在模型上进行模拟截骨，完成上颌骨段的移位、固定，并预先进行钛板的选择和弯制。对于矢状劈开截骨，可观察下颌小舌和颏神经的位置，术前设计截骨线的位置;对于颏部水平截骨，可在明确颏神经位置的基础上，设计截骨线位置和方向;对于颏部不对称，通过镜像原理，以健侧为参照，预成骨质增生模块，根据此模块，在颌骨模型上可标记增生范围、大小，以齿科塑料制成导板，指导骨质修整，以最大限度地达到两侧的对称性。

1.2.4 术前准备:术前进行口内清洁，完成术中导板的制作，对于双颌手术需要准备中间导板和最终导板。常规全麻术前准备。

1.2.5 手术步骤:行经鼻气管插管全麻，麻醉满意后，口内消毒。按正颌外科手术常规完成Lefort I型截骨术、矢状劈开截骨术和颏部水平截骨术。

1.2.5.1 Lefort I型截骨术:于上颌牙龈与唇颊侧黏膜交界处上方的前庭沟处设计切口线，切口线由一侧第2磨牙止于对侧第2磨牙。按切口线设计切开黏膜、黏膜下层及骨膜，紧贴骨剥离，暴露梨状孔、前鼻棘、上颌窦前外侧壁、颧牙槽嵴，向后剥离直达翼上颌连接处，剥离各处黏骨膜。按术前模型设计的截骨线截骨，离断翼上颌连接和鼻中隔，降下折断，充分游离松动上颌骨，中间导板就位，颌间固定，以术前预弯的钛板行坚强内固定。

1.2.5.2 矢状劈开截骨术:去除颌间固定。于咬合平面水平至第2前磨牙远中的龈颊沟稍偏颊侧黏膜处，沿外斜线切开黏骨膜。骨膜下剥离、显露下颌骨升支外侧面和内侧面。根据术前测量下颌小舌高度和深度，以球钻横行截骨，之后向近中沿外斜嵴做截骨线，向前方止于第1、2磨牙部位颊侧骨板。以往复锯加深截骨线，以骨凿行升支矢状劈开。双侧截骨完成后，下颌骨正中骨段可向后方移动。置入终导板，颌间固定。双侧矢状劈开区以钛板固定。

1.2.5.3 颏部水平截骨术:于下颌左右第1前磨牙之间对应的前庭沟区设计切口线，切开黏膜、黏膜下层和骨膜，骨膜下剥离，显露颏神经，加以保护。根据术前模型分析结果确定的截骨线部位画线，以往复锯制备截骨线，骨凿完成载骨。按术前设计向前移动下方骨块，直至理想位置，坚强内固定。

1.2.5.4 颏部修整术:对于颏部两侧骨质不对称者，置入术前预制的区域导板，画线，根据画线磨钻去骨，去骨完成后置入最终导板，导板贴附良好，说明磨除范围正确。

冲洗术野，分层缝合创口，置负压引流。术后常规抗感染治疗，术后1周流质饮食，2周拆线。

2 结果

本组行Lefort I型截骨加矢状劈开截骨2例，单纯矢状劈开截骨加颏部水平截骨3例，矢状劈开截骨加颏部水平截骨加颏部局部修整2例。手术时间为90～180 min，平均140 min。术后口内切口均Ⅰ期愈合，无一例发生血管神经损伤、感染、血肿、张口困难等并发症，患者咬合关系明显改善。7例均获随访，随访时间3～6个月，平均4．5个月，患者双侧下颌骨形态对称，咬合关系良好，面部对称性显著改善。

3 典型病例

男，20岁。入院诊断为Ⅲ类咬合畸形(图1～4)。经过系统正畸治疗后，确定手术方案为下颌升支矢状劈开截骨下颌后徙术、颏部水平截骨颏前徙术、颏短缩术。术前行CT检查，并制作3D打印模型。根据模型术前测量下颌小舌位置(图5)、矢状劈开截骨线位置(图6)、颏部水平截骨线位置(图7)，同时制作颏部水平截骨线导板(图8)。在术中根据模型测量数据施行截骨，手术顺利。术后患者面型和咬合恢复良好(图9～12)。

图1 Ⅲ类咬合畸形患者术前正位像;图2 Ⅲ类咬合畸形患者术前侧位像;图3 Ⅲ类咬合畸形患者术前咬合正位像;图4Ⅲ类咬合畸形患者术前咬合侧位像;图5 Ⅲ类咬合畸形患者下颌小舌位置测量;图6 Ⅲ类咬合畸形患者纵行截骨线位置测量;图7 Ⅲ类咬合畸形患者水平截骨线位置测量;图8 Ⅲ类咬合畸形患者水平截骨导板;图9 Ⅲ类咬合畸形患者术后正位像;图10 Ⅲ类咬合畸形患者术后侧位像;图11 Ⅲ类咬合畸形患者术后咬合正位像;图12 Ⅲ类咬合畸形患者术后咬合侧位像

4 讨论

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，利用计算机辅助设计，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。目前应用较多的3D打印技术主要包括光固化立体印刷(stereolithography，SLA)、熔融沉积成型(fused depositionmodeling，FDM)、选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)和三维喷印(three dimensional printing，3DP)等［6-8］。3D 打印技术与医学的结合是医学史上的重大进步。在外科领域，3D打印技术打印出的实体可实现3D可视化，使外科医师更易控制手术过程，提高了手术的精确性，从而达到手术预见性好、效果可靠、出血少、并发症发生率低等目的。

3D打印技术在外科的实际应用主要包括3个方面，即术前模拟手术的模型外科、基于计算机辅助设计和制作的导板外科以及个性化植入物设计和制作的移植外科［9-12］。这三方面在正颌外科中均涉及。首先，实现人体骨骼结构可视化。这一点对于以美容和畸形改善为主要目标、以骨骼位置矫正为主要手段的正颌外科尤为重要［13-14］。一方面，术者可以在术前利用模型对畸形成因、手术方法和手术细节进行详细而准确的分析，在此基础上设计更为合理的截骨方案。另一方面，可以在术前与患者及家属进行更为形象具体的沟通，阐明畸形原因、手术原理、截骨方式、手术风险等，增加患者的信赖感和配合度，减少术后纠纷的发生。其次，可进行手术模拟、截骨线设计，在此基础上设计导板，更准确地进行截骨操作、骨块移位和骨块固定。在正颌外科中，上颌骨骨块移位的方向和距离、下颌小舌的位置、颏成形截骨块移动的大小、不对称颏部截骨量的确定常常是手术的难点，并决定手术的效果［15-17］。本研究结果显示，通过3D打印模型的分析、测量和导板制作，可更准确地解决上述问题，术者可做到术前心中有数、有的放矢，手术时间缩短，手术并发症减少，术后患者满意度增高。第三，对于严重不对称畸形或手术失败病例，可通过采用个性化植入物设计，利用数字化镜像原理，根据健侧数据定制植入物，并可同时制成固定用孔道，连接固定用材料，实现“量身定做”，达到手术的“最简单化”和“最标准化”。

总之，数字化医学的主要内容有两个方面，一是对数字图像的处理，二是满足医学临床需要。前者由理学工程师或设计师完成，后者由医学工作者完成，两者的充分沟通和相互了解对于3D打印技术在医学领域取得良好效果至关重要，这一点既是目前临床实际应用中存在的不足，也是需要进一步完善的方向。

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