3D打印技术在颅颌面创伤应用的相关技术与发展趋势

张纯妍，聂 鑫

3D打印技术是近年快速发展的新兴技术，其基本原理是根据计算机辅助设计(computeraided design，CAD)模型或X射线计算机断层成像(X-ray computed tomography，CT)形成的数据，在电脑程序控制下，基于离散和堆积成型的原理，利用光、热等外界输入，并配合打印材料的特性，将打印材料逐步固化、堆积成型，实现3D复杂结构的制造[1]。此种3D打印技术具有能够按照设计的模型构建特定空间结构的能力，并能在制备材料时对其微观结构进行精确控制。较单一影像学诊断数据，3D打印技术的优点是允许医生直接在打印出来的实物模型上诊断并制定治疗方案，还可根据需要设计并制作患者术后评估模型。从1988年第一台3D打印机问世到现在，3D打印已经历了技术开发、技术成型、产品推出、技术发展、产品衍生、技术更新与成熟等不同发展阶段(图1)。3D打印技术也从最初作为工业制造领域的新型制造技术，开始向医学领域不断拓展。2013年医疗/牙科部门已占3D打印相关行业总收入的16.4%，仅次于消费品和摩托[2]。在医疗领域方面，镜像技术、快速成型技术和计算机导航技术将成为未来颌面创伤外科发展的趋势，其中以3D打印为主的快速成型技术在不到10年的时间获得了迅猛的发展。Hoang等[3]以“3D printing”及“surgery”为主题词对相关SCI论文进行meta分析，结果显示论文数量从2011年出现明显增长，应用分类分析结果显示其中以用于颅颌面部解剖模型的3D打印论文居多。在材料使用上，也从最初单一PLA聚合物扩展到塑料、金属、蜡、橡胶、光固化和生物材料。虽然3D打印的使用正在激增，但许多应用程序用于成像、教育或模拟，而不是直接用于外科手术。本文主要基于3D打印的基本原理与步骤、临床实践与规范、未来发展趋势与争鸣等方面，为有志于通过3D打印技术解决临床难题的医生提供参考意见和帮助。

图1 3D打印及相关技术的基本发展历程

1 3D打印的应用范畴及分类

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，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。3D打印技术通过精细化建模、清晰区分病灶和周围重要组织，实现了术前的数字化三维设计、仿真、3D打印和手术预演，3D打印应提供详实的手术指导，对于颅颌面部创伤的手术路径应包括术前规划和3D打印并渗透于整个诊疗过程(图2)。Choi和Kim[4]认为3D打印在整形外科手术的用途可以分为三类：(1)外科规划。包括术前基本情况、术中复位及固定引导、术后康复情况预估；(2)患者教育。3D打印使用在医生与患者的教育中，可以直观的了解创伤程度、术中规划、修复方式和价值；(3)订制假肢。个体化3D打印假肢与残肢能达到更高的契合程度，不仅美观性更强，而且提高了患者的舒适度。而在口腔颌面部创伤导致的牙齿缺失，3D打印导板可以预估后期种植义齿的规格、位置及植入深度，从而有效降低手术的难度，降低了术后并发症发生率。

图2 术前规划与3D打印规范诊疗路径

整形外科、颅颌面及创伤手术对重建组织的对称性和功能要求较高，3D打印中最常用的是固体材料，它能够精确模拟骨骼等硬组织，有助于解释3D打印在骨外科手术(如截骨、轮廓修正、修复重建)得到迅速应用和开展的根本原因[5]。3D打印在手术中应用大致可分为阴模或阳模打印，但更多根据患者的具体数据和复杂性分为4种类型：I型-解剖模型(术前阳模打印模型)，术者可以了解患者的基本解剖信息，直接在模型上进行模拟手术，使医生术前在充分训练的基础上更加有把握地进行手术，这对提高手术效率、缩短手术时间、降低手术风险、保障患者安全具有重要作用；II型-导板(阴模打印模型)，根据数据引导切割和钻孔的模型；III型-夹板(虚拟手术后位置的阴模模型，引导最终固位，正颌外科可以设计咬合夹板了解患者术前、术中颌骨迁徙状态及术后最终咬合情况并进行咬合固位)和IV型植入物，可植入患者体内直接用于修复重建，包括惰性材料和生物材料。这些3D打印模型在颅颌面外科中发挥着重要作用(图3)。在使用频率上，术前创伤模型是最常见的3D打印形式(84%)，而在颌面部患者中引导和夹板也常见(43%和36%)，这可能是因为需通过咬合关系进行定位和术后口颌功能重建。而植入物应用相对最少，主要原因在于涉及到伦理和医用材料的准入制度，但更具有潜力[6]。

图3 3D打印分类 a. I型-解剖模型；b. II型-导板；c. 夹板；d. 植入物(3D打印钛合金材料)

2 3D打印的影像数据源分类与发展趋势

医学3D打印模型的获取是基于符合医学数字成像和通信的DICOM数据，实现3D 打印主要有以下步骤：(1)医学影像图像数据的获取；(2)图像处理，提取 ROI，分离出需要重建和打印的部分，该过程被称为分割；(3)将容积数据转化为3D打印识别的三角网格模型；(4)将数字模型输入3D打印机进行打印。其中准确、可靠的影像学数据是获得精确3D打印模型的基础[2]。在数据源获取上，除常规CT外，在颅颌面外科领域，通过增强CT为信息源的3D打印模型可多方位旋转，多方向、多角度了解病变组织范围与严重程度，以及与大血管、周围重要器官的解剖关系(图4a)。而骨组织创伤与修复重建应用最多的CT数据一般要求位素≤0.125mm。薄层CT扫描可给术者提供清晰、多维可视的图像，才能打印出符合医学领域的产品。通过3D打印或计算机虚拟判断创伤的具体位置及严重程度、进行手术规划，可实现“诊”与“治”一次性解决。对于涉及到口颌系统的创伤与整形更倾向于采用锥形束CT(Cone beam CT，CBCT)为数据源，CBCT体素为0.125mm，重建速度为2.0lp/mm，一次扫描即可获得全口腔双牙列三维立体影像(图4b)。在颅颌面创伤修复中，由于颌面部作为人体视觉中心，软组织创伤及面部体表轮廓图像的获取也受到研究者的重视。通过面部三维摄像可获取患者术前及术后的3D容貌(图4c)。此外，将软组织体表图像与CT等硬组织图像信息进行融合，更有利于了解术后患者颌面部的变化特征，为手术规划提供指南与规范。Zhou等[7]将面部扫描仪数据与多层CT数据进行融合比较，统计学分析发现重要标记点误差<0.8mm，从而证实其可行性与真实性。值得注意的是，颌面部软组织信息源的获取也存在一定的不足，如受患者体位影响，颏下区常出现图像缺失。在人体口腔轮廓扫描上，专业口内三维扫描系统对于牙体修复也具有一定的指导价值，口内三维扫描数据的质量和精度是决定数字化修复成败的关键。目前市售产品多为蓝光结构光成像，蓝光波长短，图像分辨率较高。张馨月等[8]对结构光口内三维扫描仪的数据质量、正确度和精密度进行相关性分析，证实扫描数据精密度与扫描数据质量呈正相关。此外，笔者认为立体摄影测量也是获取口腔及其它人体腔道相关信息数据的重要来源，360°全景3D图像及相关视频将成为影像数据源获取的发展趋势。

a b c

图4 3D打印的影像数据源分类 a.以CT为信息源的图像信息；b.以CBCT为信息源的图像信息；c.以面部三维摄像为信息源的图像信息

3 计算机虚拟设计分类与发展趋势

颅颌面创伤中因外力因素使骨折断端出现旋转或压缩移位是手术处理和治疗的棘手问题之一，常导致临床效果欠佳和愈后畸形。通过计算机虚拟手术或者通过3D打印模型可以设计多平面截骨及最佳修复方式，这些在传统手术计划中很难执行。笔者在对颌面头颈外科患者进行数据化分析和3D打印研究后认为，三维规划与患者的个性化复位导板的使用可以真正解决这一具有挑战性的难题[9]。在创伤导致的骨骼三维变形基础上的复杂截骨术是传统二维规划技术的棘手问题，而基于三维成像基础上的计算机虚拟规划和3D 打印技术可以迎刃而解，既可采用以虚拟重建为基础的手术规划，也可直接在实体模型上进行手术规划。3D打印手术设计通常可以分为两种，一种是将获取的信息源直接打印为3D产品；另一种是采用计算机相关软件进行术前设计，特点是能够直观的再现颌面部创伤与骨折情况，既可用于医患沟通，也可在模型上进行手术设计和预实践，了解术后愈合情况，而后者通过术前计算机虚拟设计的应用更为广泛。目前常用软件包括以下几种：(1)Mimics：是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，包含图像导入、图像分割、图像可视化、图像配准等模块。对手术能起到相当大的指导作用，可以预先在软件里面观察、测试、演练等，还可以制作辅助手术用的器械等。(2)3-matic：是基于数字化CAD(STL)的正向工程软件，可直接由STL格式进行后续CAD&CAM处理。彻底改变了产品设计准备到产品研发制造流程之间的不断反复的过程。主要用于制作辅助手术工具与Mimics具有十分好的兼容性。(3)Simlant：是面向口腔医学的三维手术设计平台，涵盖了种植、正颌外科、正畸以及修复等临床设计。对口腔医学的手术设计准确、可预测性强，具有很高的临床指导性。(4)OHOLO外科手术模拟器：其操作相对简单，可操作性较强。通过3D建模、智能分割、标准化测量等模块，可以在计算机上根据患者真实病例影像资料，帮助医生完成所有手术设计和规划模拟。从而节约术中时间、提高手术精准度。(5)E-3D医疗三维建模与3D打印系统：包括CT/MRI导入、智能重建、骨折复位和三维测量功能，软件界面简捷，功能键直观，含有相关教程内容，上手性较强[10]。在对相关患者进行术前规划中，笔者发现重型颅颌面部伴有组织缺失的患者是目前进行虚拟设计的重要难题之一，单侧复位和缺损修复可以通过镜像技术，利用健侧数据进行参考和分析，而对于骨及软组织轮廓已完全丧失的患者仍需通过临床经验进行模拟，缺乏数据化依据和参考指标。四川大学田卫东教授认为大数据时代背景下，居于大规模数据的整合分析是颅颌面部创伤治疗规划的未来趋势，目前应积极完善和建立中国人颅颌面部大数据，未来术者根据患者既往影像资料、体表轮廓及颌面部标志点、人体相关数据等信息来源，运用云计算获得相匹配的人体面部轮廓及颌骨组织形态，通过3D打印为手术规划提供指导性意见。

4 3D打印原理分类及发展趋势

通过计算机辅助设计建模后，需将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印，设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。医学数字成像和通信(DICOM)可以转化为立体光刻(STL) 文件，然后由3D打印机读取并有条不紊地构建。虽然3D打印技术已经有几十年的历史，但达到临床应用程度的精细要求是直到最近才成为现实。由于该领域起步很小，技术种类繁多，各有利弊，每种打印方法都有各自的优点和缺点，它们的不同之处在于以不同层构建创建部件，并且是以可用的材料的方式[11-12]。一些方法利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”，还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的，此外，在构建时间、材料使用、精度和耐用性上也有所区别。目前并没有用于临床实践和医学研究的标准规范。为了使临床医生能充分了解和正确使用增材制造技术，笔者列出了几种常用打印方式的原理、特性和精细度：(1)熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM):将热熔材质加热到液态，通过计算机控制的挤压喷头喷涂建造每层模型，通过每层材质的堆积建立空间立体模型。FDM是最广泛应用的3D打印方式，通过调整加热温度和喷头的参数，可以使用多种材质进行打印。最高截面厚度为0.007mm、X/Y分辨率为0.0028mm。(2)选择性激光烧结 (selective laser sintering,SLS):使用红外激光器作能源，粉末状材料有选择地进行烧结，逐层进行，最终获取立体打印模型。SLS工艺简单，可用柔性材质打印；最高精度为层厚为0.004～0.006mm、X/Y分辨率为0.030～0.050 mm。(3)光固化快速成型(stereolithography,SLA):使用液态光敏树脂进行快速成型，这种材料在激光照射下可快速凝为固体。进而获得空间立体模型。SLA可以快速精确地获取3D打印模型，最高精度为层厚为0.002mm;X/Y分辨率:0.004mm。(4)聚合物喷射成型(polyJet): 是目前软性材料快速成型的主要方法，使用光敏树脂进行成型，首先使用喷头将光敏树脂和支撑聚合物同时喷射到工作台，再使用紫外线照射，完全凝固后再喷涂下一层。最高精度为层厚为0.000632mm;X/Y分辨率0.0017mm。通过以上的打印技术与原理也能发现不足之处，从经济角度及打印速率角度考虑，目前临床应用较多的是熔融沉积成型与光固化快速成型。但应用的打印材料质地较硬，对于软组织无法完全模拟。获得有效解决需要考虑以下几个问题：首先要开发适合于多种材料打印的影像后处理程序，使其不但能重建颅颌面部的精细解剖结构，还能直接在影像后处理的同时对组织的不同结构进行着色。其次，目前能用于直接植入人体的3D打印材料相对匮乏，最终未来的研究将需要考虑增加使用可植入物，包括生物材料和不断出现的新3D打印材料与打印模式的应用，可以逼真地模拟软组织。最后还要探索适合于软性组织打印的特殊材料，能打印出与人体组织相似质地的模型，使外科医生能直接进行手术规划与应用。未来的3D打印技术的发展趋势是有望制作出能高度模拟人体器官形态与质地的模型，其中生物材料使用细胞或其他生物活性的材质进行打印，现已进入动物试验阶段，在细胞打印层面上需要解决速度、精度、存活率与细胞活性等问题，而最终形成功能化组织还需要解决生物相容性、降解性能、力学性质以及成型过程的可控性等关键问题[13]。

5 颅颌面部临床应用分类及实施方案

3D打印技术对于提高对称性，在达到功能与外形和谐统一的颅颌面创伤外科手术中具有较大的优势。在实际应用实践过程中，术者也应该根据不同解剖部位、不同创伤类型制定3D打印的个性化治疗方案，现将常见颅颌面部创伤修复的应用情况分述如下。

5.1颅骨重建 自体骨移植是重建颅骨的理想标准，但颅骨质地较硬，弯曲是相当困难和风险，通过颅骨骨移植技术进行颅骨重建首先需要预测供区的曲率是否与受体颅骨区域匹配。因此，颅骨重建是最早使用基于3D打印模型的临床应用范例。除自体骨移植外，大量的人工材料也广泛应用于颅骨修复，其中钛是植入人体的理想材料。Park等[14]通过3D技术对21名颅骨缺损患者进行了个性化钛网植入修复，与常规方式相比，其固位性和形态更具有优势。目前peek材料由于其强度与颅骨类似、惰性的理化特性也开始应用。该材料也通过3D技术直接打印出颅骨，该技术目前看来是相当成功的，没有任何并发症。非常适合的植入到预先存在的缺陷如颅盖骨或上颌骨缺损。然而，由于切除和重建应同时进行，可能的缺陷不能很容易地预先估计，因为切除的范围可能会根据术中发现不同。因此，对于3D打印钛种植体的成功应用，术前模拟应准确，术中切除指南应根据术前三维模型模拟外，还要考虑到骨骼和肌肉的相互作用与其他问题。

5.2眶壁骨折 虽然许多面部骨折可以用3D打印技术处理，但眶壁骨折是采用3D打印的理想模型，原理在于眶壁具有复杂的解剖结构，要达到理想的重建特别困难。对于眶壁修复如果不能达到精确程度，术后患者常出现眼球内陷或复视等并发症的发生，主要原因在于眼眶壁骨折手术中手术视野有限，常常导致错误的平面重建。这些困难已被证实可以使用3D打印技术进行克服，术前周密的手术规划可以防止异位植入材料。Oh等[15]通过对侧眼眶的镜像技术获得基本信息源，可以在计算机软件上模拟理想的同侧眼眶结构，然后采用钛合金植入物并结合MEDPORE生物材料，成功为104名患者进行眶壁重建。

5.3颌骨创伤 对于下颌骨创伤或医源性缺失，下颌骨重建的理想状态是不仅能在理想的位置恢复形态，而且具有足够的骨量，能够进行牙种植恢复拒绝功能。下颌骨重建大多是采用血管化腓骨肌皮瓣进行。形态的重建主要依赖于下颌骨的生理曲率，虽然也可以使用常规的方法重建，但3D打印技术能提供更精确的重建方式，包括腓骨截骨和固定导板[16-17]。此外，钛合金植入物插入人体作为整体也具有可行性，可以直接3D打印个性化钛合金关节修复颞下颌关节强直，相关文献显示该类患者重建效果与常规手术更为理想，但尚需远期疗效的分析 。

5.4正颌外科手术 关于在正颌外科手术中使用3D打印技术的文献相对较多，主要集中于3D打印技术提供了理想的截骨指导和咬合夹板。对于LeFort I型、II型或III型截骨术而言，3D打印的I类模型是一种十分有效的的模拟工具[18]。然而值得注意的是，3D打印模型在准确性方面显示出的误差，导致与术中牙齿咬合状态无法达到完全契合。这提示对于牙列，需要专业扫描设备才能获得正颌外科手术理想的牙齿咬合夹板，同时也提示由于信息来源不同导致3D打印产生的误差和变形不能忽视，这在正颌外科对精准度要求严格的领域显得尤为突出。

6 总结

3D打印技术已应用于患者诊疗的全过程，在术前规划、假体制作、医患沟通及医学教育等临床实践中有了较为成功的尝试。3D打印模型准确地模拟面部精细的骨骼结构，在颅颌面创伤中的应用也越来越多。既往的文献证实其有助于手术的可行性评估、降低手术难度并缩短手术时间，通过模型进行病情讲解、术前沟通，患者或家属对手术方式及风险有了更深刻的认识。尽管总体评价较高，但3D打印技术尚有一些不足之处：患者辐射暴露和手术成本的增加是不可忽视的因素；在着色方面，直接打印出彩色模型的成本太高，大多数患者难以承受，目前3D打印模型上的不同颜色部位依赖后期人工着色，存在一定的主观性；影像过程中信息来源不同存在误差，打印模型与真实情况也存在误差，图像分割不同可以表现为形态的细微误差，尤其在导板设计会对术者产生误导，在实施前可以先制作样板在模型上进行校对。本文提到的用于术前规划的软件种类繁多，这也代表术前设计不是特别容易，需要大量的时间和努力，尤其计算机模拟中的分割过程比较费时的，未来更迫切能实现智能化和自动化[19]。

[1] 张曙.三维打印的现状与未来[J].中国电子科学研究院学报，2013，8(6)：557-562.

[2] 张海荣，鱼泳.3D 打印技术在医学领域的应用[J].医疗卫生装备，2015，36(3)：118-120.

[3] Hoang D，Perrault D，Stevanovic M，et al.Surgical applications of three-dimensional printing：a review of the current literature & how to get started[J].Ann Transl Med，2016，4(23):456-475.

[4] Choi JW，Kim N.Clinical application of three-dimensional printing technology in craniofacial plastic surgery[J].Arch Plast Surg，2015，42(3):267-277.

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

[6] 杨润怀，陈月明，马长望，等.生物细胞三维打印技术与材料研究进展[J].生物医学工程学杂志，2017，34(2)：320-324.

[7] Zhou Z，Li P，Ren J，et al.Virtual facial reconstruction based on accurate registration and fusion of 3D facial and MSCT scans[J].J Orofac Orthop，2016，77(2):104-111.

[8] 张馨月，李虹 ， 赵一姣 ，等.两种结构光口内三维扫描仪获取单冠预备体数据质量的模型评价[J].中华口腔医学杂志，2016，51 (7)：432-436.

[9] 李富涛，李焰，马杰， 等.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[J].创伤外科杂志，2017,19(9)：657-661.

[10] Pucci JU，Christophe BR，Sisti JA，et al.Three-dimensional printing：technologies，applications，and limitations in neurosurgery[J].Biotechnol Adv,2017,35(5):521-529.

[11] Mankovich NJ，Samson D，Pratt W，et al.Surgical planning using three-dimensional imaging and computer modeling[J].Otolaryngol Clin North(Am),1994,27:875-889.

[12] Crafts TD，Ellsperman SE，Wannemuehler TJ，et al.Three-dimensional printing and Its applications in otorhinolaryngology-head and neck surgery[J].Otolaryngol Head Neck Surg,2017,156(6):999-1010.

[13] Murphy SV，Atala A.3D bioprinting of tissues and organs[J].Nat Biotechnol，2014，32(8)：773-785.

[14] Park EK，Lim JY，Yun IS，et al.Cranioplasty Enhanced by three-dimensional printing：custom-made three-dimensional-printed titanium implants for skull defects[J].J Craniofac Surg，2016，27(4):943-949.

[15] Oh TS，Jeong WS，Chang TJ.Customized orbital wall reconstruction using three-dimensionally printed rapid prototype model in patients with orbital wall fracture[J].J Craniofac Surg，2016，27(8):2020-2024.

[16] Li P，Xuan M，Liao C，et al.Application of intraoperative navigation for the reconstruction of mandibular defects with microvascular fibular flaps-preliminary clinical experiences[J].J Craniofac Surg，2016，27(3):751-755.

[17] Ren J，Zhou Z，Li P，et al.Three-dimensional planning in maxillofacial fracture surgery：computer-aided design/computer-aided manufacture surgical splints by integrating cone beam computerized tomography images into multislice computerized tomography images[J].J Craniofac Surg，2016，27(6):14.

[18] AlAli AB，Griffin MF，Butler PE.Three-dimensional printing surgical applications[J].Eplasty，2015,14(15):352-367.

[19] 谭培勇，陈尽欢，李鹏,等.下颌骨CT三维重建中阈值分割的改进及应用[J].四川大学学报(医学版) ，2015，46 (3)：458-462.