计算机设计及辅助制作结合3D打印技术在颌骨肿瘤切除后骨缺损修复的应用*

盛健峰，唐平，胡俊，徐涛，廖昌磊，蔡永聪，李超

621000 四川 绵阳，绵阳市第三人民医院·四川省精神卫生中心 甲状腺头颈颌面外科(盛健峰、唐平、胡俊、徐涛、廖昌磊)；610041 成都，四川省肿瘤医院·研究所，四川省癌症防治中心，电子科技大学医学院 头颈肿瘤外科(蔡永聪、李超)

颌骨肿瘤切除术后的骨缺损修复是头颈肿瘤外科医生临床工作的重要组成部分。颌骨对人体维持颌面部外形以及行使口腔功能具有重要作用。颌骨解剖结构复杂，血运丰富，故肿瘤侵及范围往往较大且不规则。此外，受术区条件限制，深在的肿瘤在手术中难以充分暴露，较小的手术操作误差都会影响术后重建效果。对于大规模肿瘤切除术后引起的颌骨缺损，临床医生仅凭临床经验进行缺损的精确修复困难重重，期望达到理想的颌骨外形更是不易。随着计算机辅助设计(computer aided design，CAD)和辅助制造(computer aided manufacture,CAM)以及3D打印技术的发展成熟并应用于颌面外科，数字化技术在辅助颌骨修复重建中发挥着日益重要的作用[1-2]。通过术前数字化模拟可以精确重建并展现出颌骨肿瘤的侵及范围，再通过3D打印颌骨及肿瘤区域模型，就可根据手术需要设计制定个性化的肿瘤切除以及颌骨重建方案，从而提高肿瘤手术的精确性，缩短手术时间，进而减少手术并发症，更好地实现肿瘤术后颌骨外形修复并恢复其功能[3-4]。本文结合绵阳市第三人民医院近5年来在CAD/CAM及3D打印技术辅助下行肿瘤切除并重建颌骨的手术经验，回顾现有的国内外相关文献资料,系统地介绍CAD/CAM与3D打印在肿瘤切除术后颌骨缺损重建中的应用。

1 CAD/CAM在颌骨肿瘤手术修复重建中的应用流程

与传统的肿瘤术后颌骨缺损修复流程相似，CAD/CAM患者术前均需对肿瘤侵及颌骨区域信息进行采集。目前，术前的信息采集已经有一套较为标准的操作流程[5-6]。主要包括以下几步：1)对患者术前颌骨肿瘤区域进行高分辨率CT扫描(扫描层厚为1 mm)，除了疾病诊断以外，详实记录患者的颌骨以及肿瘤侵及范围信息，将CT数据导出至DICOM格式后，通过专门的数据处理软件, 设定合适的阈值后，创建一个三维(3 dimension,3D)的颌面骨骼以及肿瘤侵及范围的虚拟模型。对需要血管化骨移植的病例，需加做超声多普勒血流仪检测患者供区动、静脉直径和血管分布情况，并在体表做出标记；2)手术设计与模拟。通过软件在3D虚拟头颅模型上进行手术模拟操作，对比各类手术方案优劣，确定最佳手术方式；3)制作3D打印手术导板。将计算机辅助虚拟手术设计方案转移到真实手术当中需要通过手术导板来实现，通过对虚拟模型分割、模拟切除肿瘤累及区域内的骨组织、镜像对比之后、塑形移植骨段、设计截骨、取骨手术导板以及钛钉钛板的固定位置。将导板信息以STL格式导入快速成型机，通过熔融沉积(FDM)的方法制作出拟定的颌骨模型及3D打印手术导板。术前可以根据打印好的模型进行重建板以及钛板的预弯，利于手术操作[7-8]。最后将3D手术导板及钛钉钛板消毒备用；4)手术效果评价。将患者术前虚拟设计的效果与最终手术结果进行拟合分析，评估术前设计与手术实施的精确性。

2 CAD/CAM与传统手术方式在肿瘤术后颌骨缺损应用中的优缺点比较

传统的肿瘤术后颌骨缺损修复过程存在着诸多问题，比如肿瘤的切除范围更多凭借经验进行，不可预见性大，为了根治往往进行大范围截骨，人为增大了术后骨缺损体积。对于自体骨移植的病例，手术取骨量难以量化，手术精度差。下面通过术前准备、手术模拟、手术实施、手术时间、术后评价、医患沟通等角度对CAD/CAM病例与传统手术进行综合对比(表1)。

2.1 术前准备

常规颌骨肿瘤患者术前准备主要是完善术前检查，以排除手术禁忌证。术前讨论主要根据术前影像学检查预估设计颌骨切除范围以及术中修复重建的取骨量，对于牵涉到咬合的病例则需进行口内制取牙模，灌注石膏模型等环节。CAD/CAM病例的术前准备除常规术前准备项目以外，还包括数据采集后的虚拟手术设计、打印手术导板，评价手术效果等步骤。数据采集主要包括术区螺旋CT，牵涉到咬合时需加做牙列扫描并转换成STL格式进行重新拟合重建，确定肿瘤侵及范围[9-10]。根据术前检查的数字化信息进行颌骨及肿瘤范围重建后进行虚拟手术模拟。传统手术的术前准备完成后，无法预测手术区域解剖结构的具体情况，对于累及范围小的肿瘤尚可以做到较为理想的治疗效果，但对于肿瘤累及范围广且涉及结构多的复杂病例，CAD/CAM的优势则就更为明显。不论是肿瘤累及范围的精准判断还是术后骨缺损区所需骨量的设计,CAD/CAM辅助下均可实现与真实手术过程较高的一致性，这一点对于大范围的肿瘤切除以及颌骨重建的高精度要求具有重要的指导意义[11]。

表1 CAD/CAM与传统手术病例在颌骨缺损手术应用中的比较

Table 1. Comparison of CAD/CAM and Traditional Surgical Cases in Jaw Defect Surgery

CategoryTraditional surgeryCAD/CAM Preoperative preparationPanoramic film | spiral CT | B-scan ultrasonographyDigital spiral CT | 3D photographySurgical simulationSurgeons discussed the operation plan according to results of examinationAccurately simulate surgical procedure through dedicated software on 3D virtual skull modelSurgical procedureDonor site bone extraction and recipient site bone re-pair and fixation with the help of the clinical experi-ence of surgeonsWith the help of surgical guide plate, precise bone removal from donor site and repairing and fixing of recipient site were achievedOperation durationLonger donor site preparationShorter donor site preparationPostoperative evaluationQualitative judgment was made according to postop-erative imaging data and functional recoveryQuantitative evaluation of surgical effect based on postoper-ative imaging dataDoctor-patient communicationAbstract | not comprehensible | low communication efficiencySpecific and explicit | comprehensible | high communica-tion efficiency

2.2 手术模拟设计

传统颌骨肿瘤患者术前手术设计更多的停留在抽象讨论以及设想阶段，综合患者术前检查结果结合术者既有的临床经验进行手术设计，参与者以主刀医生为主，且这一过程并未落实到具体患者的手术中。对于复杂肿瘤术后颌骨缺损病例，依托传统的手术经验设计缺点十分显著，无法进行精确的手术预测，导致手术不确定性增大。而通过螺旋CT数据虚拟重建患者颌骨肿瘤模型后，通过3D打印的方法打印出患者肿瘤侵及区域，以及精确模拟出切除后颌骨缺损的模型，使术后骨缺损的形态更加直观。而根据术前虚拟的术后骨缺损模型，预先设计好供区取骨范围，精确取骨。除了精确取骨量以外，功能性外科也应在术前充分考虑，主要体现在患者术后咬合功能的恢复上。腓骨具有骨膜和骨内双重供血的特点，可作多处截骨后行各种形状的三维立体塑形，腓骨移植时可选腓骨的前缘(嵴)作为齿槽突，利于以后义齿的固位及种植义齿对牙槽突高度的需求，亦可采用双层腓骨重建下颌骨。因此，在开展CAD/CAM辅助手术时，采用腓骨修补缺损有着显著的优势[12-13]。

此外，术前手术模拟也将手术过程程序化，而此过程可以让年轻医生参与进来，更有助于提高年轻医生的临床技能。利用虚拟手术软件，可以模拟真实的手术操作，精准判断肿瘤侵及范围，并进行虚拟肿瘤切除，评估对比不同手术方案的优缺点。另外，术前模拟能够更好地评估每一个手术过程的难易程度，从而规避手术风险，帮助医生制定最优的手术计划。通过手术模拟，可以有效降低肿瘤侵及区域重要结构(如大血管和神经)的损伤率，减轻手术创伤，利于患者术后功能恢复[10, 14-15]。

2.3 手术实施

对于数字化手术设计的病例而言，手术是借助导板将术前设计按步骤转移到真实手术当中的过程。具体过程可分为3步，即受区准备、供区骨组织准备，以及骨块的移植和固定。供区准备主要包括完整彻底地切除肿瘤，以及修整术区骨缺损区域，每一步均在手术导板的引导下进行。供区骨组织准备主要包括在导板引导下进行取骨并根据手术设计位置取骨塑形于，导板引导下在术前设计位置进行内固定。对于传统的颌骨肿瘤术后骨缺损修复的患者,手术很大一部分时间用于供区骨块制取和修整塑形，供区移植骨块往往需要根据术区范围反复比对和修整，耗时费力，效率低下。根据术区骨缺损范围确定供区的取骨量主要依靠术者的经验，无法精确量化，取骨量不确定性大，为了便于塑形往往需要切取大于所需量的骨体积,一定程度上增加了手术创伤。术前模拟将取骨与塑形的步骤在手术前已经设定好，术前对重建板进行预弯与塑形，有效减少了手术时间和术者操作难度,不仅减轻手术创伤，也提高了手术的精准性[6,16-17]。

2.4 术后评价

传统的颌骨肿瘤切除术手术很难达到较为理想的外形，手术评价也主要根据术后检查结果和患者的满意度进行主观评价，如患者面型对称情况、咬合以及手术满意度等指标，主观性强，难以获得手术的量化指标，精确度有待提升。而使用数字化的病例则可以对虚拟手术和真实手术之间的线性差异以及重要结构的角度进行对比，获得精确数据，从而量化分析手术的精确性。有文献报道，采用该方法时，肿瘤术后骨缺损修复与术前手术设计的差异在1mm左右，达到临床手术成功的标准[18-20]。

2.5 医患沟通与医师培养

复杂颌骨肿瘤病例术前数字化手术设计可以精确模拟手术过程，设计之后将肿瘤切除范围以及术后拟修复效果通过3D打印的方法制作出来，更为直观地向患者展示手术的效果，便于医生与患者沟通，提高沟通效率，一定程度上避免因沟通不足而造成的医患纠纷[21]。此外，术前手术模拟过程可以交由年资较低的年轻医师进行，虚拟手术过程可以更好地锻炼年轻医师的手术技能，增进其对手术的理解。术前手术模拟可以作为年轻医师进入手术室前的最后培训环节，提高年轻医师的手术参与度与积极性，利于其提高手术技能。目前我院也已经开始将这一过程纳入年轻医生规范化培养课程当中[22]。

3 CAD/CAM在肿瘤术后颌骨缺损修复中应用的典型病例

患者：蒋某，女，55岁，诊断：下颌骨成釉细胞瘤。

手术计划：拟于全麻下行右侧下颌骨病变组织局部扩大切除术(病变组织外0.5 cm正常骨组织内扩大切除)，加腓骨游离肌皮瓣修复下颌骨缺损。

手术设计：首先，根据术前高分辨率螺旋CT检查确定肿瘤侵及范围，该患者肿瘤位于下颌骨中部偏右侧(图1A)，距离右侧颏孔区较近。出于根治考虑，需扩大切除患区下颌骨，重建透露模型后，根据肿瘤侵及范围确定手术切除范围，右侧距离颏孔区太近，考虑牺牲右侧颏神经，左侧颏神经予以保留(图1B,C)。根据确定的下颌骨截骨范围，确定长度后利用设计制作腓骨截骨导板，根据该患者的情况，我们采用腓骨中下段进行下颌骨修复重建(图1D)，按照截骨线取骨修整后移植至下颌骨缺损区，较长一段腓骨置于右侧，与肿瘤侵及范围相一致(图1E)。患者选择术后活动义齿修复，故术前设计为单层腓骨移植。下颌骨对于面下三分之一的形态至关重要，颏部偏斜严重影响美观。因此，我们在设计腓骨修复时不仅要从前后向进行评估，更要从冠状位进行评价，确保移植腓骨骨块转折点位于颏部正中位，以恢复下颌骨的生理弯曲，利于术后功能恢复(图1F)

图1 3D重建过程图

Figure1.3DReconstructionProcess

A.Tumor range；B.Right mandibular osteotomy line；C.Left mandibular osteotomy line；D.The humeral osteotomy guide plate, the middle of the guide plate is the tibial dressing to reconstruct the mandibular turning point；E.Humerus repair design；F.Repair of mandible with fibula.

4 讨 论

因颌骨的解剖结构特点，颌骨肿瘤常伴有侵袭范围大、易复发、容易伤及重要结构、手术风险高以及与周围解剖关系复杂等特点，故颌面部骨肿瘤一直被认为是颌面外科诊断与治疗的疑难问题之一。以CAD/CAM为代表的数字化辅助手术以及3D打印手术导板的应用，一定程度上较为有效地解决了颌骨肿瘤术后骨缺损修复的难题。术前手术模拟可以实现多种手术方案的对比，择优选用。现有研究已证实数字化辅助下进行手术的精确性可以达到理想的效果。此外，CAD/CAM的使用缩短了手术时间，从而缩短了肿瘤切除以及供区取骨时间，减少了术区暴露的机会，降低了术后感染风险。数字化手术设计以及手术导板的应用可以提高颌骨肿瘤切除修复重建的手术效率，使手术过程变得更加精准和高效[3-4,8,10,23]。尽管CAD/CAM辅助颌骨肿瘤术后骨缺损修复的优点很多，我们也应该看到CAD/CAM在颌骨肿瘤手术应用中的不足之处。该方法不仅术前准备较传统手术更复杂，还需要一定的硬件和软件支持，比如对螺旋CT精度的要求和对手术设计软件版本的要求。CAD/CAM手术设计所需的经济成本也是阻碍其广泛应用的原因之一[16,24]。此外，对于一些恶性肿瘤或者侵及范围大、涉及组织多的肿瘤病例，一旦术中发现与术前设计有差异而需更改手术方案，则整个手术过程将无法按照术前设计方案进行手术。此外，对于肿瘤深在而术野不佳的病例，安放手术导板也存在一定困难，并且手术导板使用不准确将影响手术效果。这也要求在术前设计时医生应该对患者病情有充分预估，尽量避免术中更改手术方案，以免影响手术。不同病例的下颌骨重建方式也应根据实际情况进行设计，特别是术后需要进行种植牙修复的病例，术前应对重建的下颌骨骨量进行充分预估。若术后出现骨吸收以及牙槽嵴高度不足，可采用牵张成骨的方式进行改进，可以达到满意的效果[25]。

虽然数字化术前手术设计存在不足之处，但以CAD/CAM为代表的数字化辅助外科手术的发展方兴未艾。随着人工智能技术的发展，计算机辅助诊断将会在未来疾病诊断中发挥越来越重要的作用[26-28]。虽然数字化技术在手术设计中的应用开始普及，但是具体流程规范性有待进一步提高，只有规范化的诊疗流程才能更好地辅助手术，从而达到理想的治疗效果。与传统医生凭借临床经验进行诊断治疗相比，计算机在设计手术方案的容错率更小，随着医学大数据的构建以及人工智能技术在临床诊断的普及和应用，在不远的将来颌骨肿瘤手术过程将变得更加精准和高效。

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