计算机辅助设计与3D打印导板在下颌角成形术中的应用*

杨运强， 顾旖菲， 邵乐南， 汤国雄， 蒋 梁， 李殿奇， 张 广

1华中科技大学同济医学院附属同济医院口腔科，武汉 4300302 四川大学华西口腔医院口腔颌面外科，成都 610041

临床研究

计算机辅助设计与3D打印导板在下颌角成形术中的应用*

杨运强1， 顾旖菲2， 邵乐南1， 汤国雄1， 蒋 梁1， 李殿奇1， 张 广1

1华中科技大学同济医学院附属同济医院口腔科，武汉 4300302四川大学华西口腔医院口腔颌面外科，成都 610041

目的 介绍并探讨计算机辅助设计(CAD)与3D打印技术在下颌角成形术中的应用价值，以期优化手术模式与获得最佳整形美容效果。方法 对来自四川大学华西口腔医院颌面外科与华中科技大学同济医院口腔科就诊的16例方脸患者术前拍摄头颅CBCT并进行三维数据重建，通过计算机辅助设计确定个性化下颌角截骨范围，用3D打印技术制作下颌骨模型，并制作实施准确手术的导板。在手术中用此导板引导进行下颌骨的“V-line”弧线截骨，部分患者同时结合颧骨颧弓与颏部的面部轮廓整形手术，术后效果通过3D曲线函数来评估。结果 所有患者术后均对自己面型满意，术后下颌骨两侧几乎完全对称，X线显示截骨线流畅平滑，完全达到术前设计要求。结论 计算机辅助设计与3D打印技术的有机结合为下颌角成形术的准确性、安全性与可预见性提供了新策略与新方法。数字化下颌角成形术的应用不仅提高了美容效果，而且能减少手术时间，降低手术难度并降低损伤重要神经血管的风险，值得临床推广应用。

下颌角成形术； 计算机辅助设计； 手术导板； 3D打印技术

东亚人审美观认为瓜子脸或卵圆型脸更能体现女性的妩媚清秀、恬静温柔与和善的特质，脸型好不好看下颌角起着非常重要的作用。而下颌角肥大者，多呈方脸面型，外观棱角突出，线条粗犷，常削弱女性的气质与魅力，且不利于发型的变换，因此很多女性要求将方脸改为瓜子脸或卵圆形脸，从而使下颌角截骨成形术逐渐成为目前流行的整形美容手术之一[1-5]。

下颌角成形术的术式发展经历了几个阶段，1975年Converse等[1]提出“下颌角一次性直线截骨术”，但其容易出现第二下颌角，使下颌曲线不流畅；1989年Baek[2]报道了“二次弧形截骨术”，1995年Yang等[3]提出“三次或四次弧形截骨术”，这两种方法手术效果有所进步，但手术过程比较复杂。1999年，归来等[4]提出“一次性下颌角弧形截骨术”，有效避免了第二下颌角现象，截骨曲线更符合东方人的审美观点，故被广泛采用。Hsu等[5]在长弧线截骨的基础上提出下颌角V-line成形+外板劈除术用以矫正低下颌角的方颌患者，该术式针对下颌骨进行整体轮廓塑形，临床上获得了满意效果。

传统下颌角成形术需临床医师在术中准确把握截骨线的设计、截骨区两边的对称性以获得最佳美学效果，同时还需应对截骨区的安全问题如避免伤及下牙槽神经血管束等、术中出血及麻醉意外等的处理。由于美学需要，绝大多数下颌角成形术的手术入路均在口内，视野狭小、术中出血等因素的干扰，导致即使是临床经验丰富的外科医生也很难保证完美地处理上述问题，尤其是两边的对称性问题。如何保持下颌角截骨术后对称是一比较困难的问题，目前还未见相关文献报道，一般整形外科医师均把双侧截除下颌角一致作为保持对称的手段[5]，但是多数患者原本双侧下颌角就是不对称的，所以保持截除下颌角一致并不能保证术后双侧对称。近年来，由于社会经济与科学的迅猛发展，对美学的要求越来越高，传统的单纯下颌角区截骨术已经不能满足临床需要，越来越多的医疗单位在尝试采用V-line长弧线截骨术式，但高难度的术式导致上述问题发生的风险增加，只有极富临床经验的医生有实力开展。因此，目前迫切需要一种革命性的新技术，以获得最佳整形美容效果，同时简化手术难度，降低手术风险。

近年来在颅颌面畸形领域，计算机辅助设计被广泛应用于疾病诊断、手术导板、效果评估及随访研究等方面，3D计算机图像处理能为颌骨提供各个方向的精确数据[6-8]。同时近年来3D打印技术发展迅猛，3D打印技术又被称为快速成型技术(rapid prototyping，RP)，是根据“分层制造，逐层叠加”原理，快速制作所需物件三维实体的一种分层制造技术，该技术精度高，速度快，在口腔颌面外科领域应用广泛[8-10]。因此，本文作者尝试应用将计算机图像处理与3D打印技术相结合用于下颌角成形术中，探讨其潜在的应用价值，以期获得最佳整形美容效果与最优手术模式。

1 材料与方法

1.1 病例资料

病例来自2014年3月～2016年3月，四川大学华西口腔医院颌面外科病房收治的方颌患者15例，华中科技大学同济医院口腔科收治的方颌患者1例。其中男3例，女13例，年龄20～35岁，平均年龄25.5岁。所有患者均在3D导板引导下行双侧下颌角成形术，有5例患者同时配合了颏成形、颧骨颧弓成形，或下颌角外板劈除等其他整形美容术式，高年资医生(主任医师)与低年资医生(副主任及以下职称医师)各主刀8例。本研究获四川大学伦理委员会与华中科技大学伦理委员会审查通过，所有患者均签署了手术同意书。

1.2 数字化图像处理与3D打印技术

所有患者术前均采用CBCT(KaVo公司，美国)进行扫描，扫描条件：0.2立体像素，37.07 mA，120 kV，获取时间26.9 s。所有扫描数据输出为图像与信息资料，并以DICOM格式导入Mimics17.0软件(Materialise公司，比利时)进行下颌骨三维数据重建，在三维模型上标记下颌神经管并设计截骨导板。将设计好的虚拟截骨导板数据及下颌骨模型数据以STL格式输入3-Matic打印机(Stratasys公司，美国)，采用聚丙烯树脂打印，手术导板厚约2.5 mm，下颌骨模型打印时间4～6 h，截骨导板打印时间约1 h，术前45 min手术导板与下颌骨模型进行低温等离子消毒备用。

下颌角截骨导板设计要求如下：①新下颌角与耳垂下缘的垂直距离为2.0～2.5 cm。②新的下颌平面(MP)与水平面(HP)的夹角为25°～35°，新下颌角点Go′在RP(下颌升支后缘线)与MP连线的夹角的角平分线上(图1)。③遵循个性化原则，所有导板均在升支后缘及下颌骨下缘位置设计了卡槽以利于导板固位，采取V-line弧线截骨的原则，导板的上缘在下颌神经管下方(图2)。

HP：水平面；MP：下颌平面；MP′：新下颌平面；RP：升支后缘平面；Go：下颌角点；Go′：新下颌角点；Go与Go′须位于BP与MP连线夹角的角平分线上，MP′与HP的夹角须在25°～35°之间；箭头提示下颌神经管图1 计算机辅助设计下颌角个性化截骨示意图Fig.1 Determination of osteotomy line of mandibular angloplasty by computer-aided design

箭头提示导板就位的卡槽图2 计算机辅助设计的手术导板就位于下颌骨表面示意图Fig.2 Diagram of surgical template through computer-aided design located on the surface of mandible

1.3 手术操作

全麻下，适度撑开患者上下牙列，从上颌磨牙平面对应的下颌升支前缘稍外侧的黏膜开始，沿升支前缘和外斜线向前下至尖牙区域，逐层切开黏膜、黏膜下组织与肌肉。在骨膜下剥离咬肌附着，显露下颌支中下份外侧骨板及升支后缘，同时暴露下颌角及前方的下颌骨下缘，小心保护颏神经，如需配合颏成形术等，则双侧下颌切口需相连。完成切开与分离后，SHEA拉钩钩住下颌支后缘，暴露下颌角。将导板就位，当听到咔嚓一声，导板上的2个卡槽就位后即意味着导板就位，必要时可加钛钉辅助固定。这时只需使用摇摆锯或来复锯沿导板上缘完成V-line弧线截骨，最后骨刀分离，取出骨块，缝合，上负压，完成手术(图3)。

A：导板就位；B：沿着导板完成下颌角截骨图3 手术步骤Fig.3 Surgical procedures

1.4 术后评估

术后1周所有患者拍摄下颌全景片及CBCT，于术后1、2、6个月进行复查，记录术后并发症情况。所有患者手术后与术前计算机模拟的下颌骨边缘形态均运用三维曲线函数[z = f(x，y)]来反映，术前计算机模拟的三维曲线函数的数据值运用Sigmaplot软件(version 12.0，SystatSoftware，Chicago，IL，USA)进行曲线拟合获取，术后数据通过Freeform软件分析获取。选取一侧下颌骨边缘至少10个点进行比较。运用组内相关系数(ICC)来反映术前模拟与术后患者的三维曲线函数的拟合优度，ICC的具体数值通过SPSS 17.0(SPSS，Chicago，IL，USA)计算获取。为进一步反映患者术后两侧的对称性，同样通过计算ICC来反映患者术后左侧与右侧的曲线拟合优度。

2 结果

所有患者术后均对自己面型满意，术后下颌骨两侧几乎完全对称(图4、5)，高年资与低年资医生术后效果无差异。术后影像学检查显示截骨线流畅平滑，完全达到术前设计要求.统计结果显示：右侧术前模拟对比右侧术后的ICC值为(0.958±0.012)，左侧术前模拟对比术后的ICC值为(0.959±0.013)，术后右侧对比左侧的ICC值为(0.960±0.011)。12例单纯下颌角成形术的手术时间为55 min，所有患者术后除下唇麻木外均无其他并发症发生，大多在7～20 d消退，仅有2例在1个月后仍然存在，2个月后消失。ICC具体值见表1。

图4 术后截下的下颌角与3D导板Fig.4 The excised mandibular angle after surgery and 3D templates

A：术前；B：术后图5 患者下颌角成形术效果对比图Fig.5 The contrast images of one patient before and after mandibular angloplasty

病例右侧模拟vs.右侧术后左侧模拟vs.左侧术后右侧术后vs.左侧术后10.9580.9830.97820.9560.9480.95130.9490.9540.96740.9720.9640.96850.9430.9820.97060.9860.9610.97070.9540.9760.96180.9730.9420.97090.9560.9440.960100.9620.9570.966110.9490.9500.946120.9550.9520.955130.9580.9600.961140.9400.9680.942150.9680.9520.941160.9540.9480.950x±s0.958±0.0120.959±0.0130.960±0.011

3 讨论

3.1 最佳整形效果

东方传统审美观点认为最理想的下颌角在耳垂下2.0～2.5 cm，多数下颌角成形术均遵循这一原则[4-5]。但由于术者本身技术问题，患者的特殊情况如双侧明显不对称，以及手术器械、术中出血等特殊情况的出现，导致传统手术始终存在一定的不可控性。术后双下颌角，截骨线不流畅、截骨过高或过低等现象广泛存在，因而手术存在一定程度的不可预见性，难以取得最佳的美学效果，即使术后效果与术前设计完全一样，由于肉眼与经验评估的不可定量性，也无法保证这个设计是最符合美学原则的。在本研究中，采用数字化模拟截骨，结合美学原则与患者个人意愿，通过3D导板指导手术，数字化辅助设计与3D打印技术的结合能够取得最佳美学效果，其效果是传统手术所无法比拟的。

3.2 对称

人体是轴对称的模型，无论是东方还是西方的审美观点均认为一个个体左右对称是美观的。如何保持下颌角截骨术后对称是一比较困难的问题，目前还未见相关文献报道，一般整形外科医师均把双侧截除下颌角一致作为保持对称的手段，但是多数患者双侧下颌角都是不一样大的，所以保持截除下颌角一致是并不能保证术后双侧对称[5，11]。本研究通过计算机模拟截骨，数字化导向可以完全保证术后两侧下颌骨完全对称，本研究中16例患者术后全景片与CT均提示术后两侧下颌骨完全对称，无论是患者术前模拟与术后实际情况作比较，还是患者术后左右两侧对比，ICC值均显示了术后良好的对称性，体现了数字化下颌角成形术良好的可预见性，这是传统手术很难实现的。

3.3 安全

下颌角截骨术目前大多在口腔内入路进行，传统下颌截骨线设计方法，即是在下颌曲面体层片上，先标出下颌骨升支前缘的垂线(L1)与下颌骨下缘的交点(A)，再标记下颌咬合平面(L2)与升支后缘交点R，这2个交点的连线(R-A)通常作为下颌骨的安全截骨线[11](图6)。然而目前多采取V-line弧线截骨，由图6可见，弧线越长，损伤下牙槽神经血管的风险越大，通过数字化图像处理设计截骨线，利用3D导板指导手术，则可完全避免了这种风险，术中仅仅有2例患者术后下唇麻木超过1个月，是由于截骨线过长，术中过度牵拉颏神经所致。由于3D导板的指导，术中手术的针对性更强，这也避免了盲目操作而导致损伤面神经等特殊结构的风险。

L1：下颌升支前缘平面；L2：下颌颌平面；A点为L1与下颌骨下缘交点，R点为L2与升支后缘交点，R-A连线以下为安全截骨区图6 传统下颌角截骨安全设计图Fig.6 The safety design diagram of conventional mandibular angloplasty

3.4 简化手术

下颌角成形手术是一个比较有挑战性的手术，只有经验丰富的外科医生有实力开展，3D手术导板的出现，只需外科医生沿着导板边缘截骨，完全省去了核对截骨线，核对截骨量等繁琐程序，使得手术难度大大降低，本次研究中，16例手术，有8例为低年资医生主刀，最终结果与高年资医生相比无差异，统计结果显示术后下颌角形态与术前模拟的结果几乎完全相符，术后两侧下颌角几乎完全对称。11例单纯下颌角截骨的平均时间为55 min，相较于我们经验，缩短手术约15～30 min。因此数字化图像处理与3D打印导板的结合不仅能取得最佳整形美容效果，而且能降低手术难度，缩短手术时间。

3.5 制作简单

设计与制作下颌角成形导板，时间往往在1 h左右，较其他复杂的颅颌面手术简单[12]，值得临床推广应用。本次研究的3D导板材质为聚丙烯树脂，为避免术中破裂其厚度需达2.5 mm，这对手术空间存在轻微的影响。材料不能降解，术中应避免破碎导致术后感染。远期发展目标应为寻找更适合的材质，不仅易于降解，还可制造更薄、更易于就位的导板。

综上所述，数字化图像处理与3D打印技术的有机结合为下颌角成形术的准确性、安全性与可预见性提供了新策略与新方法。数字化下颌角外科成形术的应用不仅提高了美容效果，而且能降低损伤重要神经血管的风险，减少手术时间，降低手术难度，可谓下颌角成形术革命性的创新技术，并且其制作简单，值得临床推广应用。

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(2017-03-05 收稿)

Application of Computer-aided Design and 3D Printing Template in Mandibular Angloplasty

Yang Yunqiang1，Gu Yifei2，Shao Lenan1etal

1DepartmentofStomatology，TongjiHospital，TongjiMedicalCollege，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430030，China2DepartmentofOralandMaxillofacialSurgery，WestChinaHospitalofStomatology，SichuanUniversity，Chengdu610041，China

Objective To introduce and discuss the application value of digital image manipulation combined with 3-dimensional(3D)printed template in mandibular angloplasty，so as to optimize the surgical technique model and achieve the best cosmetic effect.Methods Sixteen patients from Department of Oral and Maxillofacial Surgery，West China Hospital of Stomatology of Sichuan University，and Department of Stomatology，Tongji Hospital of Huazhong University of Science and Technology were enrolled in this study.All of the patients

pre-surgical CBCT scans，underwent 3D data reconstruction，and then personalization scope of mandibular angle osteotomy was determined through the computer-aided design(CAD).We then fabricated the mandible model and surgical template for accurate operation using 3D printing technique.Mandibular angle V-line osteotomy were carried out under the guidance of this template during operation and some patients were additionally treated with reduction malarplasty and genioplasty.The cosmetic effect was evaluted through 3D curve function.Results All patients were satisfied with their cosmetic outcomes.The bilateral sides of the mandible were almost completely symmetrical.The X-ray indicated the cutting line was smooth and fluent and the outcomes completely achieved the pre-surgical requirement. Conclusion The combination of computer-aided design and 3D printing technique can provide new strategy and method for accuracy，safety，predictability of mandibular angloplasty.The digital mandibular angloplasty can not only improve the cosmetic effect，but also decrease the surgical time，reduce the operation difficulty and lower the risk of injury of important vessels and nerves，and it should be worthy of clinical application.

mandibular angloplasty； computer-aided design； surgical template； 3-dimensional printing technique

*国家自然科学基金青年科学基金资助项目(No.81500830)

R319.1

10.3870/j.issn.1672-0741.2017.03.016

杨运强，男，1984年生，医学博士，主治医师，E-mail：yangyun720@163.com