计算机辅助虚拟手术设计结合3D打印技术在颌骨重建的应用研究

李富涛，李 焰，马 杰，聂 鑫

·论 著·

计算机辅助虚拟手术设计结合3D打印技术在颌骨重建的应用研究

李富涛，李 焰，马 杰，聂 鑫

目的明确计算机辅助虚拟手术设计结合3D打印技术在颌面部骨缺损重建的应用模式及操作规范。方法选取2014—2016年眉山市中医院收治的14例颌骨创伤及肿瘤患者，其中男性9例，女性5例；平均年龄41.5岁。经医患沟通后患者同意采用虚拟手术方式进行术前设计，通过图像数据实现患者颌骨三维重建，利用计算机虚拟手术操作，确定最佳预期设计方案；根据计算机数据通过3D打印技术实现术前、术后模型重建，通过手术比较明确临床应用价值及操作规范。结果通过对14例患者实施术前设计及模型外科，创伤患者手术时间为2～6.5h，肿瘤患者手术时间为3～4.5h。14例患者术前利用3D 打印模型制定手术方案，模拟手术步骤，其中13例手术入路及手术导板放置及螺钉植入均与术前方案一致；患者的手术时间较常规手术时间平均缩短近1h。术后随访3～6个月，患者对面部轮廓及咬合关系恢复情况，其中满意9例，较满意4例，不满意1例。结论计算机辅助虚拟手术设计为颌骨修复重建手术提供了重要的手术依据和临床数据；通过3D打印技术可提高手术质量，有效缩短手术时间，减少术中和术后并发症发生率。

骨缺损； 颌骨; 重建； 3D打印； 模型

颌骨精细而复杂的三维形态结构与功能的多样性使人类具有更加生动的面容和丰富的表情动作。但在临床中对其功能修复带来了极大的挑战[1]。由于创伤或医源性因素导致的颌骨缺损与变形，不仅使患者存在面部畸形和功能障碍，甚至严重影响生存质量和心理健康。而常规颌骨修复重建手术由于对患者伤前的正常结构及损毁状况缺乏直观认识和数据分析，术后恢复效果欠佳也成为医患矛盾产生的主要焦点。此外，如何解决缩短手术时间、减轻手术风险、避免术前预期与术后疗效差异等诸多问题一直是颌面创伤整形的主要难题与研究热点。在精准医疗、个性化医疗和微创医疗逐渐成为医疗发展的未来趋势的背景下，随着数字医学的广泛推广，术前虚拟手术并以此为基础的个性化3D打印模型技术日臻成熟。虽然关于计算机辅助设计文献相对较多，但就颌面部骨组织的复杂解剖生理结构而言，从虚拟手术设计到临床操作细节，譬如如何设计才能达到最佳效果，虚拟设计方案是否能在临床应用并实现，如何通过虚拟手术指导术中骨重建，如何选择并放置合适的固定材料，类似诸多问题并未得到实质性解决，对于如何规范手术操作目前仍不清楚[2]。3D打印能将计算机虚拟手术设计方案和预期结果通过模型方式由虚拟变为现实，目前如何将术前虚拟手术与个性化3D打印技术结合指导手术并成功修复组织缺损的相关文献报道也相对较少[3]。笔者在对颌骨创伤及缺损患者的修复重建中，应用术前虚拟设计和个性化3D打印模型，并在术中将计算机辅助设计与实际情况进行对比，旨在探讨该方法的预测准确性，从而为其临床应用的推广提供进一步的科学依据。

临床资料

1一般资料

选取2014—2016年收治的颌骨创伤及肿瘤患者14例，经医患沟通后患者同意采用虚拟手术方式进行术前设计，其中男性9例，女性5例；平均年龄41.5岁。本研究医源性骨缺失患者4例，入选标准为术前根据影像学资料和病理学结果进行诊断，术中行下颌骨部分截除术的肿瘤患者，同期骨缺损部位采用髂骨移植；颌骨创伤患者10例，其中高处坠落伤4例，道路交通伤6例，因面部畸形严重、咬合关系紊乱等症状入院，入选标准为颌面部多发性骨折，骨折断端移位严重，需进行颌骨重建手术，术中行颌骨切开复位内固定术。

2图像重建与计算机辅助术前设计

所有患者采用64排以上螺旋方式水平位薄层CT扫描；层厚为0.625mm，扫描基准面平行于眶耳平面，垂直于水平面。 扫描范围为颅顶至舌骨水平；数据输出格式为Dicom。将患者颌面部CT扫描原始数据导入Mimics 17.0软件三维建模，配合3-Matic 9.0软件进行逆向工程设计，在计算机实现三维重建。其中创伤患者以健侧颌骨正常形态为参照，设计内容包括根据术前颌骨情况，将不同骨折断端采用颜色标记，计算骨折断端移位情况并标示，在计算机设计最佳复位效果(图1)；肿瘤患者需行同期颌骨缺损修复，以术前病变部位缺损结合健侧为参照，设计内容包括根据肿瘤性质、骨破坏范围模拟颌骨病灶的切除、骨切取以及重建位置，在计算机中设计手术入路及截骨线。

a b

图1 患者男性，34岁，诊断为右侧颧骨颧弓粉碎性骨折，术前通过计算机辅助设计指导情况。a.将骨折断端采用颜色标记，提高直观印象；b.对骨折断端移位情况进行计算并标示

3模型制备与导板制作

骨折患者的模型制备包括术前骨折情况及术后预期复位情况(图2)。肿瘤患者的模型制备包括术前病变模型及术后颌骨截除模型，同时设计术中复位导板，导板中央为截骨线。将数据通过FDM(立体易，广州)和SLA(中瑞，苏州)两种3D打印机自带软件，生成Gcode.代码，制作疾病模型、术后模型和手术导板。由术者在直视下通过术后模型预先弯制固定钛板形态，同时可以设计钛板植入部位，检查导板的密合程度，将模型、弯制钛板与手术导板进行灭菌消毒处理备用。

a b

图2 患者男性，45岁，诊断为右侧鼻眶筛骨折，术前通过3D打印实现术前设计与术后预期效果的直观化。a. 术前患者骨折情况；b.虚拟设计后骨折恢复情况

4临床应用模式

切开皮肤及皮下组织，在骨膜下剥离充分暴露手术区域，注意保护面神经分支，颌骨创伤患者根据计算机虚拟设计及3D打印模型操作步骤进行实施，在充分游离松解骨折断端后进行复位，颌骨表面放置预先弯制的钛板并确定是否密合。肿瘤患者在病变两端放置手术导板，确定截骨线，采用微动力系统进行截骨，然后根据虚拟手术设计的所需植骨块形状在供区切取，将植骨块放置入骨缺损部位，采用预先弯制的钛板进行固位，关闭创面。所有患者术后给予抗感染及对症处理，采用钛牵引钉进行颌间固定2周。

5应用疗效评价

实际应用情况评价包括术中应用情况分析和随访应用疗效分析，应用情况分析评价内容包括评价设计手术导板和钛板密合程度、手术使用情况，手术时间及出血量；评价应用后通过随访了解应用疗效。术后随访时间3～6个月，随访内容包括患者的面容恢复满意度，如面容轮廓是否对称及咬合关系是否正常。

结 果

本研究通过对14例患者实施术前设计及模型外科，创伤患者手术时间为2～6.5h，平均3.2h，肿瘤患者手术时间为3～4.5h，平均3.7h。其中12例在手术过程中能够利用模型数据，帮助医生合理、定量地实施手术方案；1例创伤患者上颌骨及颧骨骨折碎片体积较小，如按术前设计完全游离可能导致缺血坏死及感染等并发症而放弃，仅其他部位骨折按照虚拟手术设计实施复位；1例手术导板因设计问题无法完全稳定固位，术中按照虚拟手术设计实施，3D打印导板作为参考对象进行调整。

1术中应用情况分析

术中应用情况包括术前计算机辅助设计的精确度分析，研究证实无论复位情况及钛板选择、放置的图像相符程度很高，说明通过计算机模拟进行的术前规划可在手术过程中得到很好的执行，并可使手术的过程及结果更加可控，14例患者术前利用3D 打印模型制定手术方案，模拟手术步骤，其中13例手术入路及手术导板放置及螺钉植入均与术前方案一致。对计算机辅助设计的疗效分析，研究证实通过术前设计方案无需对钛板在术中进行弯制，术中按照手术导板进行截骨，对于在术前判断截骨的具体部位、需要固定的钛板长短数量及钉道部位的准备上更充分，患者的手术时间较常规手术时间平均缩短近1h，平均手术时间的减少有助于降低手术风险，减小手术创伤；通过个性化3D打印模型的术前模型分析和设计，术者对术中可能存在风险进行了充分评估，对骨缺失范围及植骨量有了充分认识，提高了手术成功率，减少了并发症。在术后随访过程中，对患者面部轮廓及咬合关系恢复情况调查，其中满意9例，较满意4例，不满意1例(不满意主要涉及颌面部严重损毁伤术后瘢痕形成问题，与手术无关)。笔者认为计算机辅助设计结合3D打印技术可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题，对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对邻近组织损害、实现精确定位、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。

2医源性骨缺失

患者男性，57岁，发现下颌膨隆4年余入院。2年前曾在他院行下颌骨刮治手术，病理结果提示成釉细胞瘤，1年前感病变部位开始缓慢增大，毗邻牙齿出现松动。入院行三维CT检查，明确病变范围，同时将扫描数据行三维重建及虚拟手术，确定手术方式及截骨线；通过计算机虚拟设计为下颌角及左下颌第一前磨牙区域处进行截骨，长度为5cm。通过虚拟手术设计手术导板，导板中央为截骨线，两侧扩展以保持与下颌骨的密合程度，术中应用情况分析评价包括评价设计手术导板和钛板密合程度。按照手术设计方案在下颌骨病变部位放置导板，比较与术前设计方案是否一致(图3)，术中按照导板路径进行截骨；钛板根据病变范围确定重建板长度，虚拟手术设计为每侧采用4个钉道进行固位，通过术后模型弯制形态，修整至与颌骨表面形态一致，在模型上设计钉道位置以便术中定位。截骨后根据虚拟手术情况及设计方案截取髂骨内侧板，将髂骨与下颌骨断端通过预先弯制的钛板进行固定，比较与术前设计钛板是否密合(图4)。术毕缝合创面，放置引流条，术后7～10d分别拆除缝线，术后随访患者对局部面容外形满意。

a b

图3 手术导板在患者术前3D打印模型(a)及临床应用(b)的比较研究：结果显示术中与术前设计比较密合，实际操作根据情况做细微调整

a b

图4 钛板在患者术前3D打印模型的弯制情况(a)及临床应用(b)的比较研究：结果显示术中与术前设计比较密合，实际操作根据情况做细微调

讨 论

对于颌面部因创伤或医源性因素导致的颌骨畸形和缺损进行修复重建是颌面外科的常见术式。颌面具有独特的三维解剖形态，一旦破坏可能涉及多方位的折断、塌陷、扭曲、旋转等移位类型，导致颌骨重建过程中的精确性难以控制，术后常常不能达到理想的咬合关系和面部外形。尤其是目前常规手术使用的植入物采用的固定规格，针对患者的个体差异，临床医生只能依靠经验在手术中选择或调整，不仅浪费了时间，还增加手术风险及感染概率。而近年来将数值化技术应用于手术设计已成为研究热点及难点。其中数字虚拟技术作为数字化外科的一个重要组成部分，尤其是术前设计和三维预测的临床应用已体现出显著优势[4]。Zeng等[5]在采用3D打印与虚拟手术对髂骨骨折进行术前修复，研究表明个性化3D打印能够较好满足髂骨骨修复的精确要求，在进行模型制备的过程中，术者能够完成术前虚拟设计、数字化导板的制备，术前模型设计与病变组织与血管的三维重建。笔者将术前规划与术中情况进行比对研究，结果表明与常规手术相比较，利用个性化3D打印模型技术进行三维数据的测量、虚拟手术及内植物的选择，可以为患者提供个性化、精准化、微创化的手术方案，采用该技术可使设计术式更趋合理，患者满意度较高。

颌面部骨修复与重建相对比较复杂，由于术前对患者伤情评估不充分或方案制定欠妥而影响手术效果的病例并不罕见。国内外诸多研究机构在3D打印模型和通过计算机定制个性化术前方案也进行过深入探讨，个性化定制3D打印模型正在成为目前复杂手术规划手术方案的可靠临床应用依据，如耶鲁大学Ryu和Pfaff等[6-7]将3D打印分析与计算机辅助设计制作方案应用于整形重建外科获得了满意的效果，在现实手术中，大量的手术时间浪费在考虑颌骨缺损后如何截骨、怎样使内固定器械、移植骨块与缺损部位相匹配等问题。笔者认为将计算机辅助设计与3D打印技术相结合在手术效率和精确性上提供了极大的帮助，其应用价值和优势包括：(1)数据分析：尤其是对于骨折后存在扭曲、塌陷的患者可以做好充分的术前准备；(2)设计规划：设计不仅包括手术方案，对于如何实现微创操作和减少切口长度也具有实际价值；(3)模拟手术：可以优化最佳方案，同时规范术中手术操作；(4)3D打印：实现了将虚拟手术和现实手术的有效衔接模式；(5)预期与实际手术的可比性，使术者对预期效果有了客观评估，更便于医患沟通与交流。手术前利用Mimics17.0软件模拟手术的全过程，通过虚拟手术可以在重建的图像上任意的放大及缩小图层，使图像的细节或整体有更清楚的表现[8]。另外，软件提供了包括线距、角度、容积和骨密度的测量功能，而且可以通过输入内固定器械的基本参数为选择钛板的规格和型号提供了基本的依据[9]。而3D打印技术实现了从计算机虚拟到现实手术的过渡，保障了按照术前设计方案的顺利实施，在3D模型中对治疗方案有了更直观的观察和更细微的调整。本研究证实术前骨骼模型能够反映病患的实际情况，可以有效帮助医生制定术前复位方案和确定内置物结构形状，通过体外真实手术演练，可以大大缩短手术时间，减少手术并发症。术中只需按照预先设计情况进行操作，这在一定程度上也降低了手术的风险和不确定因素。

在临床应用过程中，笔者认为基于该技术的手术应用也存在一定的问题和局限，虚拟手术与实际临床操作也存在一定的差距，并不能完全替代实际临床操作[10]。由于局部解剖的复杂性，存在丰富的神经和血管，术野在实际暴露过程中无法达到理想的状态，导板设计不合理可能存在无法就位或稳定性问题，术中应根据实际情况进行调整。一种解决的方式是术中导航，在手术过程中实现虚拟与实际手术相匹配，但对设备要求较高，费用也较昂贵[11]。此外，对于颌骨缺损的修复，理想的状态应为采用医用金属或医用生物材料进行个体化3D打印，使其可直接应用于缺损区域的组织修复[12]。Mironov 等[13]采用打印材料用于组织工程与修复重建，相关研究仍处于实验阶段，目前国内未得到SFDA的临床应用批准。本研究对于颌骨缺失或缺损的修复采用患者自体髂骨的方式替代，在术中根据缺失或缺损面积的大小修整好骨的形态后植入、固定，不可避免导致了患者的二次损伤，与理想的治疗方式仍有一定的差距。

综上所述，个性化3D打印技术的出现使得外科医生对患者进行“量体裁衣”的精准治疗成为可能。个性化3D打印模型可多方位、多角度、多层次展示颌骨病变真实情况，更加有助于手术的虚拟设计，从而做出准确的术前诊断并制定治疗方案。具体临床应用模式主要通过以下方面来实现：完成术前虚拟设计，数字化导板的3D打印及截骨手术以及牵引器的放置。本研究结果证实在对下颌骨进行修复重建时，该技术避免了手术中的盲目性和不确定性，从而减少了手术时间，而且在探索最佳治疗方案，并进行术后效果预测也具有一定的帮助和参考价值。

[1] 黄俊辉,刘桂,姚志刚,等.3D打印技术在口腔颌面修复中的应用[J].中华口腔医学研究杂志电子版,2015,9(3):252-255.

[2] Steinbacher DM.Three-dimensional analysis and surgical planning in craniomaxillofacial surgery[J].J Oral Maxillofac Surg，2015,73(12s):S40-56.

[3] Bauermeister AJ,Zuriarrain A,Newman MI.Three-dimensional printing in plastic and reconstructive surgery: a systematic review[J].Ann Plast Surg,2016，77(5)：569-576.

[4] 丁琳琳,柴鉴深,杨茂进,等.3D打印技术在颌面部多发骨折术前[J].创伤外科杂志,2015,17(5):389-392.

[5] Zeng C,Xing W,Wu Z,et al.A combination of three-dimensional printing and computer-assisted virtual surgical procedure for preoperative planning of acetabular fracture reduction[J].Injury,2016,47(10):2223-2227

[6] Ryu J,Cho J,Kim HM.Bilateral temporomandibular joint replacement using computer-assisted surgical simulation and three-dimensional printing[J].J Craniofac Surg,2016,27(5):450-452.

[7] Pfaff MJ,Steinbacher DM.Plastic surgery applications using three-dimensional planning and computer-assisted design and manufacturing[J].Plast Reconstr Surg,2016,137(3):603-616.

[8] 汪焰恩,李欣培,杨明明,等.个性化3D打印仿生骨骼术前诊断模型[J].中国科学: 信息科学,2015,45:235-247.

[9] 余丹,刘建华,朱慧勇,等.3D打印技术在颌面骨缺损修复重建的应用[J].中国修复建外科杂志,2014,28(3):292-295.

[10] Ricci JL,Clark EA,Murriky A,et al.Three-dimensional printing of bone repair and replacement materials: impact on craniofacial surgery[J].J Craniofac Surg,2012,23(1):304-308.

[11] Dai J,Wu J,Wang X,et al.An excellent navigation system and experience in craniomaxillofacial navigation surgery: a double-center study[J].Sci Rep,2016,6:28242.

[12] Levine JP,Patel A,Saadeh PB,et al.Computer-aided design and manufacturing in craniomaxillofacial surgery: the new state of the art[J].J Craniofac Surg,2012,23(1):288-293.

[13] Mironov AV,Grigoryev AM,Krotova LI,et al.3D printing of PLGA scaffolds for tissue engineering[J].J Biomed Mater Res A,2017,105(1):104-109.

(本文编辑： 郭 卫)

Applicationofcombineduseofcomputer-assistedvirtualdesignandthree-dimensionalprintinginreconstructionofmandibularbone

LIFu-tao1，3,LIYan2，MAJie3,NIEXin3

(1.Chinese Medical Hospital of Meishan,Meishan，Sichuan 620010,China;2.Chengdu Military General Hospital,Chengdu 610083,China； 3.Institute of Surgery Research,Daping Hospital,Third Military Medical University,Chongqing 400042,China)

ObjectiveTo elucidate the value of computer-assisted virtual design and three-dimensional printing in the management of maxillofacial bone defect.MethodsA total of 14 patients with jaw trauma and tumor were enrolled in this study. There were 9 males and 5 females with an average age of 41.5 years. The preoperative computer virtual and simulated operation was performed with digital data from CT scanning. Three-dimensional model including pre-operation,post-operation and surgical guide were printed according to computer design scheme. In the actual operation,the difference of surgical protocol and the clinical value were compared with conventional surgery.ResultsFourteen patients

the preoperative design and model surgery,the operation time of traumatic patients was 2-6.5h,and the operation time of tumor patients was 3-4.5h. All patients used 3D printing model before operation to develop surgical procedures to simulate the surgical procedures. The surgical approach,surgical guide plate placement and screw implantation were consistent with the preoperative program in 13 cases. The surgery time was shortened by one hour in comparison with the operation time of conventional surgery. Patients were followed up for 3 to 6 months. For the facial contours and occlusal relationship,9 cases were satisfactory and 4 cases were fair,and 1 case was not satisfactory.ConclusionComputer-assisted virtual design provides an important basis for the design of virtual surgery and clinical data for reconstruction surgery; 3D printing technology can improve the quality of operation,effectively shorten the operation time,and reduce the risk of intraoperative and postoperative complications.

bone defect; jaw bones; reconstruction; 3D printing; model

620010 四川，眉山市中医院(李富涛)； 610083 成都，成都军区总医院(李焰)；400042 重庆，第三军医大学大坪医院

野战外科研究所(李富涛，马杰，聂鑫)

聂鑫，E-mail: dr.xinnie@qq.com

1009-4237(2017)09-0657-05

R 782.2

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2017.09.005

2017-02-08；

2017-03-22)