数字三维重建联合3D打印在血管化腓骨移植精准修复下颌骨缺损手术中的临床应用

,3 ,3 ,3 ,

(1 青岛大学口腔医学院，山东 青岛 266003； 2 青岛大学附属青岛市市立医院口腔医学中心；3 青岛大学附属医院口腔颌面外科； 4 山东省数字医学与计算机辅助手术重点实验室)

口腔颌面部解剖结构复杂，血管神经丰富，颌骨具有个性化特征结构和曲面形态，与周围结构邻接关系复杂。下颌骨疾病如肿瘤及类肿瘤病变、外伤、炎症等可引起面部畸形或组织缺损变形，下颌骨连续性及完整性破坏导致下颌骨缺损，从而引起不同程度的外貌缺陷与功能障碍，造成病人生理和心理上的障碍，严重影响其正常生活和社交活动[1]。因而制定周密的治疗计划修复重建下颌骨缺损尤为重要，重建不仅要考虑病人的外貌形态，同时更要精确地恢复下颌骨位置关系、形态、连续性以及牙列和咬合关系，恢复呼吸、吞咽、咀嚼及发音等生理功能，旨在提高下颌骨缺损病人的生活质量[2]。

随着医学影像技术和材料工程的不断发展，3D打印技术可通过计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)进行数字三维重建，根据个性化模拟制造出形态、大小完全一致的三维实体模型，利用反求工程重建三维设计镜像模型，并应用于硬组织缺损的修复重建中的术前诊断及手术模拟，直接或间接提高了手术精度[3]，满足了精准医疗、个性化医疗及微创医疗的要求。本文就数字三维重建联合3D打印技术在血管化腓骨移植精准修复下颌骨缺损手术中术前规划、术中指导及提高医患沟通效果等方面的临床应用价值进行探讨，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取青岛大学附属医院口腔颌面外科2015年9月-2017年10月因下颌骨良恶性病变拟行下颌骨切除后应用血管化腓骨移植修复的手术病人26例，其中男15例，女11例；年龄19～85岁，中位年龄50岁。良性病变15例(成釉细胞瘤7例、颌骨囊肿5例、牙源性角化囊性瘤3例)，恶性病变11例(牙龈鳞状细胞癌4例、中央性颌骨鳞癌4例、口底鳞状细胞癌2例、下颌骨软骨肉瘤1例)。全部病例均有下颌骨不对称畸形，部分表现为下颌骨膨隆或肿胀。术前行全口龈上洁治，均行病变组织切取活检术，明确包块的性质。颌骨囊肿为巨大囊肿累及下颌体部及下颌升支、牙龈癌及口底等邻近部位恶性肿瘤累及牙龈及相应颌骨、下颌骨原发性恶性肿瘤侵犯颌骨未超过中线，并伴有不同程度下颌骨连续性及完整性破坏缺损影像学表现。既往均未行颌骨缺损修复手术，术前查体完善，且能够耐受手术，对治疗均知情同意。所有病人均在术前行头颅三维CT扫描，获得DICOM原始数据。全部病例均于术前由青岛大学数字医学与计算机辅助手术研究院同一技术人员进行数字三维重建及3D模型打印，手术均由同一组医师完成，且采用同一手术入路。

1.2 数字三维重建及3D模型打印

采用三维CT扫描(参数：层厚0.625 mm，球管电流200 mA，电压120 kV)，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，获取图像数据，以DICOM格式保存。应用图像处理软件Mimics10.1对DICOM格式数据进行三维重建，重建出下颌骨的三维解剖模型(图1A)。以术前病变部位缺损结合术前骨同位素扫描为参照，术者与技术人员沟通协同根据肿瘤性质以及骨破坏范围进行手术截骨线设计，模拟颌骨病灶的切除、骨切取以及重建位置(图1B)。其中15例下颌骨膨隆、变形、破坏的病例，通过镜像及图形修补技术进行数字三维重建(图1C)，根据对侧下颌骨曲面形态及牙列位置反求出患侧复原模型(图1D)，将三维重建数据以STL格式导出。

应用Geomagic软件处理STL格式数据，经过RPData专用软件给模型加支撑分层后将数据导入SPS450B激光快速成型机(陕西恒通智能机器有限公司)，以6000B树脂(珠海正邦科技有限公司)为原料，加工每层厚度为0.10 mm，设计加工精度为0.10 mm，打印1∶1三维模型，去支撑并处理表面。

1.3 术前规划

术前评估3D打印模型准确性，准确了解硬组织的细微解剖结构及病变与周围结构的关系，对颌骨缺损情况进行分析，研究并制定手术方案，进行截骨线设计(图2A、B)。参照下颌骨镜像模型，进行移植腓骨的制备设计(图2C)，术前行重建钛板的预弯塑形、固位等模拟手术操作(图2D)。模型及重建钛板高温高压消毒备用。根据口内软组织病变范围确定切除范围，评估黏膜缺损情况，缺损较大者设计腓骨皮瓣，床旁行下肢血管超声定位皮穿支。

1.4 术前谈话及满意度调查

术者使用3D打印模型向病人和(或)指定家属交待病情，直观讲解下颌骨病变位置、范围，告知手术计划、术中术后可能出现的并发症、风险，并告知预测的手术效果。谈话结束后，填写针对病人及家属等非医学人员设计的开放性调查问卷，对谈话效果及3D打印模型用于交流的认可度进行调查。

1.5 手术实施

沿颌下设计切口，切开皮肤及皮下组织，保护面神经，暴露术区，根据数字三维重建设计及3D打印模型术前规划实施手术，恶性肿瘤同期行颈淋巴清扫术，术中根据术前设计的截骨线，结合肿瘤侵犯范围于安全边界切除肿瘤及部分下颌骨，同时获取腓骨瓣，根据口内黏膜缺损情况，可直接拉拢缝合的病人不制备皮岛。术中将塑形好的重建板固定下颌骨两断端，复位咬合关系，准备受区动静脉血管。根据3D打印镜像模型复原的下颌骨连续曲线，进行腓骨截骨，多段塑形，小钛板连结下颌骨断端，微型钛板行双层腓骨重建，吻合动静脉血管，关闭创面。

1.6 术后评估

针对3D打印模型、术前设计截骨线与术中实际切除位置、钛板密合程度以及腓骨移植断端接合程度进行术后评估。术后随访评估病人的外貌形态恢复情况、咬合关系及以咀嚼为主的包括吞咽、语音等功能恢复情况。

2 结 果

2.1 术中临床应用情况

成功打印出26例病人的下颌骨三维原型及15例病人相应的下颌骨镜像模型，下颌骨的解剖结构清晰可见，均可明确病变位置、范围、骨质破坏程度及与颏孔、下颌神经孔、髁状突的位置关系。通过对1∶1等大的3D打印下颌骨原型及镜像模型分析研究后，所有手术按照模拟手术设计成功完成，腓骨肌皮瓣均成活。3D打印模型术前设计的原发灶切除截骨线位置与术中实际切除范围基本一致，术中切取腓骨长度与术中移植塑形骨块长度基本吻合。术前于原型及反求模型上预弯重建钛板，节省了术中弯制的时间，且与截骨后保留的下颌骨接合良好，移植腓骨与下颌骨断端精密接合。病人颜面部双侧基本对称，全部病人供区切口恢复良好。典型病例见图3(扫描文后二维码观看相关视频)。

2.2 术后随访情况

病人面型恢复良好，两侧基本对称，下颌骨高度恢复良好，张口度正常，余留牙咬合关系正常，口内黏膜及皮瓣愈合良好，吞咽、语音无异常。复查全景片、三维CT及局部骨显像，显示腓骨骨段的位置和高度与术前设计相当，受区血运正常。供区术区愈合良好，所有病人术后均能正常行走，无病人出现踝关节不稳定。其中2例成釉细胞瘤病人双层腓骨移植修复术后半年，行二期牙种植修复，咬合关系稳定，咀嚼功能恢复良好(图4)。

2.3 应用3D打印模型术前谈话满意度调查结果

结果显示，①您对这次术前谈话的总体评价评分平均为(8.90±0.57)分；②3D打印模型对了解病变位置及情况是否有用评分平均为(9.10±0.70)分；③模型对理解手术方式及术后预期是否有用评分平均为(8.80±0.63)分；④是否希望医生使用3D模型与病人进行病情交流评分平均为(9.00±0.67)分。病人及其家属理解度和满意度均较高。

3 讨 论

颌骨位于面部重要位置，其在容貌及生理功能中起着重要作用。颌骨修复重建是口腔颌面部最为棘手的手术之一，如何合理选用整复外科技术也是学者们研究的热门课题[4]。理想的颌骨修复重建标准应恢复其形态及位置关系，恢复上下颌骨高度、宽度以及连续性，提供软组织的支持结构以重建面部特征性形态。单纯的下颌骨边缘性缺损修复重建主要注重于恢复其大小和形态，但下颌骨大范围的缺损则需注重其与上颌骨的位置关系，包括咬合关系和对位关系，颌骨的咬合重建对咬合功能恢复要求较高，稍有偏差，则会增加病人术后不适，对于后期修复也增加了难度。因此，下颌骨大型缺损的精准修复重建也是头颈重建领域的难点之一[5]。以往下颌骨缺损修复重建的方法主要有自体骨游离骨移植、同(异)种异体骨移植、骨替代性材料等[6]。因缺乏有效的血液供应，易出现移植物感染、吸收、免疫排斥等不稳定因素，导致愈合失败。随着显微外科在口腔颌面外科的应用与发展，凭借固有的血液供应系统，许多血管化游离组织瓣，如腓骨瓣、髂骨瓣及肩胛骨瓣等均应用于上下颌骨缺损的修复重建，在血供不佳区域，具有明显优势[7]。腓骨能够提供超过25 cm带双重血供的皮质骨，允许多段截骨和塑形，腓动脉及伴行静脉管径粗易吻合，已成为修复大型下颌骨缺损的首选方法[8]，而且可以同时切取肌肉和小腿外侧皮瓣构成复合骨肌皮瓣用于修复口内软组织缺损。HIDALGO[9]认为以颌骨解剖为基础，下颌骨重建后既能够保证最佳美学效应，又能保证其最佳功能的恢复。对于腓骨的塑形及精准恢复颌骨形态及功能，要求临床医生有高超的临床技术与良好的审美，单纯依靠术者的主观经验，明显缺乏精确性。数字化三维重建计算机规划合并3D打印技术，使外科手术由传统的纯经验方式向数字化和精确化发展[10]，为下颌骨获得最佳功能和外形提供了全新的个性化精准治疗途径。

A：数字三维重建下颌骨；B：计算机中设计截骨线；C：镜像及图形修补技术进行患侧重建；D：对侧下颌骨反求出患侧复原模型。

图1计算机辅助数字三维重建

A、B：术前3D打印原型设计截骨线、预留钉孔数量及定位；C：术前3D打印镜像模型移植腓骨设计；D：术前3D打印模型预弯重建板。

图23D打印模型术前规划

A:术前面像；B:术区切口设计；C:左下肢切口设计；D:植入重建板；E:腓骨塑形；F：切除原发灶；G：双层腓骨肌皮瓣修复下颌缺损；H:术后1个月面像。

图3左下颌成釉细胞瘤切除并腓骨修复

A：左侧下颌骨成釉细胞瘤；B:下颌骨半侧切除，一期行双层腓骨移植修复下颌骨缺损；C：术后半年口内照；D：二期种植手术拆除钛板；E:植入种植体；F：种植体植入术后半年；G、H:种植体上部烤瓷冠桥修复，恢复咬合关系。

图4左下颌骨成釉细胞瘤术后种植修复

3D打印技术是快速成型技术(Rapid Prototype manufacturing technology，RP) 的一种，是一种完全不同于传统制造方法的高新技术[11]。利用锥形束CT获取数据，通过数字三维重建，立体直观地显现颌面骨影像，与传统的二维的X线片相比，可获取精确的解剖信息，显著提高了术前诊断和手术诊疗质量。近年来，3D打印技术广泛应用于下颌骨重建、正颌外科测量及评估[12]、颌面部创伤和颞下颌关节重建[13]等诸多领域，为口腔颌面外科手术的术前诊断、病情分析、手术方案制定、术中植入物预制、制作手术导板[14]等提供了新的技术支持。有学者在腓骨瓣移植修复下颌骨部分切除术中用CAD/CAM技术制作模型，并用模型制作了用于指导下颌骨切除位置的装置和腓骨瓣固定钛板[15]，他们认为也许未来可以直接制作再生支架用于骨缺损的修复。有研究表明，在诊疗过程中应用3D打印技术，诊断正确率、操作准确度均有明显提高，相比手术时间缩短17.63%[16]。

修复重建的第一步是对缺损情况进行评估，包括缺损大小、位置以及对功能、美容等方面的影响。评估缺损大小时应从三维方向进行，本研究中联合数字三维重建技术，利用病人的CT数据，实现实体3D模型的打印，术者可在下颌骨原型基础上做出更准确的诊断，明确缺损情况，进行手术设计，制定更详细的手术方案，术中按照手术规划进行截骨，对骨缺失范围及植骨量有了充分认识，避免了传统手术中因考虑如何截骨重塑骨块才能与下颌骨切除后的缺损部位相匹配浪费大量的手术时间[17]。在3D打印镜像模型上，进行移植腓骨的制备设计，对重建板进行术前精准预弯，设计截骨线两端余留钉孔数量并进行定点定位，术中将塑形好的重建板就位于下颌骨两断端，复位咬合关系，精细调整，可与重建后的下颌骨紧密贴合。节省了术中弯制重建板的时间，简化了手术步骤，缩短了手术时间，减少了术中出血，同时减少了重建板弯制过程中多次弯制对其的损伤，减少了术后断裂的风险。腓骨截骨及骨块制备的术前设计，减少了反复打磨腓骨断端次数，降低了对骨血运的破坏，使得术中移植腓骨与下颌骨断端精密接合，术后骨愈合良好，面型恢复良好。颌骨重建的目的不仅要恢复颌骨的连续性和完整性，同时还要恢复咀嚼功能[18]，采用双层移植腓骨，恢复下颌骨高度，为种植义齿的固位创造了有利条件。通过半年时间骨愈合，于二期植入种植体的同时可取出一期手术中固定的钛板，避免长期作用导致感染、骨质吸收等[19]。术后随访，种植体与腓骨结合良好，咬合关系恢复正常，既美观又达到了良好的咀嚼功能。

随着现代医学技术的飞速发展，人们对健康的需求与服务提出更高的要求。近年，医患关系的不和谐因素一直呈现逐年递增趋势，病人与医护人员之间的信任感越来越低，医患关系相对紧张[20]。因此，采取措施提高医疗质量，强化医患沟通、构建和谐医患关系迫在眉睫[21]。本研究中使用个性化3D打印实体颌骨模型与病人和(或)家属进行术前谈话，可以使病人和(或)家属更加直观地观察病人自身的实体模型，通过对颌骨的形态、病变位置以及拟行手术部位等讲解，使其在视觉和触觉上直观地对病情、手术方式及风险有了更深刻的理解，增加了病人对于治疗的深入认识及信任，同时减少了医疗纠纷的发生。

综上所述，数字化三维重建联合3D打印能全方位、直观、精确地显示下颌骨的三维解剖结构以及病灶情况，对手术有极大的临床指导价值，实现了下颌骨缺损的精准移植腓骨修复，获得了优良的临床效果，极大地提升了显微外科游离组织瓣修复重建的临床水平。同时，3D打印技术作为个体化治疗、精准化手术的体现，在医患沟通方面具有得天独厚的优势，有利于病人及其家属理解病情，更好地为病人提供优质的人性化服务。

扫描二维码

观看本文相关视频

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

[2] 杨光辉,袁荣涛,董蒨,等. 3D打印辅助颌面骨缺损与畸形的临床精准修复重建[J]. 实用口腔医学杂志, 2017,33(4):492-495.

[3] RUTGER H S, GERRY M R, ARJAN V, et al. Accuracy of fibula reconstruction using patient-specific CAD/CAM reconstruction plates and dental implants: A new modality for func-tional reconstruction of mandibular defects[J]. J Craniomaxillofac Surg, 2015,43(5):649-657.

[4] 张新凤,董智伟,鲍海宏,等. 3D打印技术在提高80例应用血管化腓骨移植修复下颌骨缺损精确度方面的临床探讨[J]. 中国现代医学杂志, 2016,26(10):51-55.

[5] 马东洋,曹健,庞超远,等. 3D打印技术在血管化腓骨瓣重建下颌骨大型缺损中的应用[J]. 口腔颌面外科杂志, 2017,27(2):100-105.

[6] MOURA L B, CARVALHO P H, XAVIER C B, et al. Autogenous non-vascularized bone graft in segmental mandibular reconstruction: A systematic review [J]. Int J Oral Maxillofac Surg, 2016,45(11):1388-1394.

[7] WILKMAN T, APAJALAHTI S, WILKMAN E, et al. A Comparison of bone resorption over time: an analysis of the free scapular, iliac crest, and fibular microvascular flaps in mandibular reconstruction [J]. J Oral Maxillofac Surg, 2017,75(3):616-621.

[8] 沈毅,李军,王良,等. 虚拟手术辅助的腓骨肌(皮)瓣在上颌骨精确重建中的应用[J]. 中国耳鼻咽喉颅底外科杂志, 2016,22(2):114-119.

[9] HIDALGO D A. Discussion: Long-term operative outcomes of preoperative computed tomography-guided vrtual surgical planning for osteocutaneous free flap mandible reconstruction[J]. Plast Reconstr Surg, 2016,137(2):624-628.

[10] 蔡志刚. 数字化外科技术在下颌骨缺损修复重建中的应用.中华口腔医学杂志, 2012,47(8):474-478.

[11] FERRAZ E G, ANDRADE LC S, SANTOS A R, et al. Effect of different surface processing protocols in three-dimensional images for rapid prototyping[J]. Advances Engineering Software, 2011,42(6):332-335.

[12] 啜文钰,颜光启,白晓峰. 数字化技术在牙颌面畸形治疗中的应用研究[J]. 中国实用口腔科杂志, 2016,9(3):153-156.

[13] LEE S H, RYU D J, KIM H G, et al. Alloplastic total temporo-mandibular joint replacement using stock prosthesis: A one-year follow-up report of two cases[J]. J Korean Assoc Oral Maxillofac Surg, 2013,39(6):297-303.

[14] LIU Y, XU L, ZHU H, et al. Technical procedures for template-guided surgery for mandibular reconstruction based on digital design and manufacturing[J]. BioMedical Engineering Online, 2014,13(1):63.

[15] CIOCCA L, DE CRESCENZIO F, FANTINI M, et al. CAD/CAM and rapid prototyped scaffold construction for bone regenerative medicine and surgical transfer of virtual planning: A pilot stu-dy[J]. Comput Med Imag Grap, 2009,33(1):58-62.

[16] 孙成,于金华. 3D打印技术在口腔临床的应用[J]. 口腔生物医学, 2014,5(1):49-52.

[17] RYU J, CHO J, KIM H M. Bilateral temporomandibular joint replacement using computer-assisted surgical simulation and three-dimensional printing[J]. J Craniofac Surg, 2016,27(5):450-452.

[18] 毛广文,辛俊彤,袁荣涛,等. 双层腓骨移植联合牙种植重建下颌咬合功能[J]. 现代口腔医学杂志, 2016,30(4):221-224.

[19] 陆东辉,金友仁,汪海波,等. 39例颌骨重建固定钛板取出原因分析[J]. 口腔医学研究, 2008,24(5):554-556.

[20] 魏明. 整形美容外科工作中的医患沟通[J]. 中国美容整形外科杂志, 2007(1):25-27.

[21] 周晓,李武,曾勇,等. 3D打印在肿瘤整形外科的应用前景分析[J]. 中国耳鼻咽喉颅底外科杂志, 2016,22(2):157-160.