3D打印下颌骨定位及连接导板在下颌骨缺损修复中的应用

徐 波,冉红兵,林 川,杨丽俊,李 文,陈 尧

下颌骨缺损在口腔颌面外科中极为常见，可造成不同程度的面部畸形，同时伴有咀嚼、语言、吞咽、呼吸等功能障碍及全身症状。下颌骨缺损修复的主要目标在于其功能的恢复，而决定下颌功能重建效果的关键在于将髁状突维持在关节窝内的正常解剖位置[1-2]。目前，在下颌骨缺损修复术中对髁状突进行定位的方法很少有报道，因此，我们提出了一种新的下颌骨修复技术——下颌骨定位及连接导板。本次研究中，我们通过3D打印技术设计和制作下颌骨定位及连接导板，用于术中指导下颌骨缺损的修复重建，术后通过三维CT影像数据建立个体化三维坐标系，测量三维坐标数据与术前进行比较，结合临床随访，从而探讨和评价其临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 病例选择

本次研究病例为2017年1月至2018年9月我科收治的因下颌骨病变需要做病灶切除同期缺损修复的患者，排除恶性肿瘤及髁状突缺损的患者，男3例，女3例，年龄19～51岁，平均年龄37.7岁，1例骨缺损小于5 cm采用游离髂骨块修复，5例骨缺损大于5 cm采用血管化腓骨瓣修复(表1)。下颌骨缺损参照Boyd的HCL分类法[3]。

表1 纳入病例一般资料

Boyd下颌骨缺损分类法：HC 包括髁状突的半侧下颌骨缺损，不穿过中线；L不包括髁状突的半侧下颌骨缺损，不穿过中线；LC包含四颗切牙和两颗尖牙的整个下颌骨中央部分缺损；LCL为L+LC范围的下颌骨缺损。

1.2 导板设计与制作

术前使用螺旋CT扫描仪(SOMATOM Definition，西门子公司，德国)将患者的颌骨及供区部位进行扫描，如需要血管化骨移植，则需要用超声多普勒血流仪检测供区动、静脉直径和血流情况，并在体表标记出动脉穿支。将患者CT扫描数据以DICOM格式导入mimics 17.0及3matic 13.0软件，进行虚拟下颌骨切除及修复，并设计下颌骨定位及连接导板，再采用具有良好生物相容性的光敏树脂(ABS-M30iTM, Stratasys公司，美国)通过3D打印机(3D Hope 6000H，鸿普公司，中国)完成制作。

下颌骨定位及连接导板分为定位导板和连接导板两部分，定位导板用于在病灶两侧的健康骨质上制备定位孔，记录下颌骨的正确空间位置(图1A、B)，连接导板用于桥接留存的下颌骨两断端，恢复下颌骨的正确空间位置，此外，连接导板的中间部分形态为凹槽状的平台，其与完成塑形后的移植骨下缘形态吻合，为移植骨的就位提供了参照标志，可以引导移植骨按照术前设计的位置准确就位(图1C、D)。定位导板和连接导板在下颌骨上的安置部位相同，其组织面与安置部位的下颌骨表面形态完全吻合，两者的预留孔位完全一致。

A: 下颌骨定位导板；B: 下颌骨定位导板在3D打印下颌骨病灶模型上就位；C: 下颌骨连接导板；D: 下颌骨连接导板在3D打印下颌骨重建效果模型上就位

1.3 导板使用方法

术中暴露下颌骨，在病灶两侧的健康骨表面按照术前设计位置安置下颌骨定位导板(图2A)，依照导板上的预留孔位在下颌骨上制备定位孔(图2B)。拆除定位导板，按术前计算机虚拟手术计划精确切除病灶，在下颌骨相同位置安置连接导板，通过预留孔位直接固定于定位孔上，桥接下颌骨两侧断端，恢复其自然解剖位置(图2C)。最后，将在腓骨截骨塑形导板指导下截取并完成塑形的腓骨瓣放置于连接导板中间的凹槽状平台上，按照术前设计的位置准确就位，恢复下颌骨下缘的正常轮廓形态(图2D)，再以微型钛板进行固定连接后拆除连接导板。

A: 安置下颌骨定位导板；B: 依照预留孔位制备定位孔；C: 切除病灶后安置下颌骨连接导板；D: 完成塑形的腓骨瓣在连接导板上就位

1.4 术后评估

1.4.1 术后临床随访 术后1、3、6个月定期复诊，复查CT，检查患者面部外形是否对称，张口度、张口型及余留牙咬合关系是否正常，有无颞下颌关节疾病，做好追踪随访记录。

1.4.2 CT数据测量分析 术后再次对患者进行颌面部CT扫描，将术前、术后CT的DICOM格式数据导入Mimics 19.0软件完成三维重建，建立个体化三维坐标系，具体方法为：以左眶下孔上缘点(left-suborbital foramina, LSF)、右眶下孔上缘点(right-suborbital foramina, RSF)、前鼻嵴点(anterior nasal spine, ANS)三点确定平面RSF-LSF-ANS，ANS向RSF-LSF连线做垂线，垂点足为A，过A-ANS做与平面RSF-LSF-ANS垂直的平面A-ANS-ANS′-A′，建立三维坐标系，RSF-LSF为X轴，A-A′为Y轴，A-ANS为Z轴。选取下颌骨相关解剖标志点：左侧下颌骨髁状突中心点(left-condylar process of mandible, LCo)、右侧下颌骨髁状突中心点(right-condylar process of mandible, RCo)、左侧下颌骨喙突顶点(left-coronoid process of mandible, LCor)、右侧下颌骨喙突顶点(right-coronoid process of mandible, RCor)(图3)。测量上述解剖标志点的三维坐标数值，术前测量值与术后测量值相比较，得到解剖标志点在各三维方向上的位移值，综合分析髁突位移情况。

A:个体化三维坐标系示意图；B:计算机三维重建模型上的个体化三维坐标系及下颌骨相关解剖标志点

1.5 统计分析

采用SPSS 16.0软件进行描述性分析，术后下颌骨相关解剖标志点的三维方向位移使用绝对值均值、标准差、标准误、95%置信区间表示。

2 结 果

所有病例均按照术前设计完成手术，术后1、3、6个月定期复诊，所有患者均面部外观对称，外形恢复满意，张口度、张口型及余留牙咬合关系正常，无颞下颌关节症状，术区无感染，固定钛板无松动及断裂，病灶无复发。纳入患者术后下颌骨相关解剖标志点的三维方向位移绝对值见表2。术后各相关解剖标志点在各个三维方向上的位移绝对值均值最大为1.08 mm，是右侧下颌骨喙突在左右方向的位移，标准差最大为0.82，标准误最大为0.33。

表2 术后下颌骨相关解剖标志点的三维方向位移绝对值

上述结果说明，术后髁状突的位移被控制在了临床可接受的范围内，其三维空间位置与术前相比变动轻微。

3 典型病例

患者女，19岁，因发现左下颌牙龈肿物伴下唇麻木11个月余入院(表1，病例4)。查体：颌面部外观不对称，左侧下颌骨区面部膨隆， 口内左下颌D4的远中至下颌升支颊侧前庭沟隆起， D4D5向远中倾斜，松动Ⅱ度，D6D7缺失，表面黏膜粗糙。活检诊断为左下颌骨造釉细胞瘤。CT检查显示：左侧下颌体至左侧下颌升支髁突颈部骨质破坏，伴软组织团块影，病变区呈多房性(图4A)。术前将患者CT扫描数据导入计算机软件，完成下颌骨定位导板(图4E)及连接导板的设计(图4F)及打印。术中暴露左侧下颌骨病灶，安置定位导板，制备定位孔(图4G)，切除病灶骨后在下颌骨相同位置通过预留孔位将连接导板固定于定位孔上，桥接两侧骨断端，恢复下颌骨正确空间位置(图4H)，在连接导板的引导下完成塑形后腓骨瓣的就位，以微型钛板固定(图4I)，拆除连接导板，将腓骨瓣穿支血管与左侧面动、静脉端端吻合(图4J)。术后复查CT，重建下颌骨左右对称(图4B)，将术前术后CT影像数据导入计算机软件，进行三维模型配准，建立三维坐标系，确定相关解剖标志点(图4K～L)，测量分析后显示术后髁状突在各个三维方向上的位移绝对值均小于1 mm(表3)。术后3个月复诊，患者面部外形对称，外观恢复正常，余留牙咬合关系良好(图4M～O)，张口度约为36 mm，张闭、前伸和侧向运动自如，无关节绞锁症状，双侧髁状突动度一致，颞下颌关节区无疼痛、弹响，下肢行走正常。患者对面部外形及下肢功能恢复均非常满意。术后3个月及10个月复查CT，肿瘤无复发，腓骨瓣愈合良好，无吸收破坏(图4C～D)。

A：术前的颌面部三维CT影像；B： 术后2周的颌面部三维CT影像；C: 术后3个月的颌面部三维CT影像；D: 术后10个月的颌面部三维CT影像；E: 计算机软件设计下颌骨定位导板；F: 计算机软件设计下颌骨连接导板；G: 安置定位导板并制备定位孔；H: 切除病灶后安置下颌骨连接导板；I: 塑形后腓骨瓣的就位固定；J: 拆除连接导板并完成血管吻合；K: 在术前的计算机三维重建模型上建立三维坐标；L: 在术后的计算机三维重建模型上建立三维坐标； M、N: 术后3个月口内像；O: 术后3个月面像

表3 典型病例术前术后下颌骨相关解剖标志点的三维坐标测量值对比分析

4 讨 论

下颌骨是人体面下1/3的主要构成骨，形态极不规则，在咀嚼、吞咽、发音功能和面部美观性方面起着关键作用，且毗邻的组织解剖结构精细而复杂。病理性损害、创伤和感染是导致下颌骨缺损的主要病因[4]。下颌骨缺损的修复一直是口腔颌面外科领域的研究热点，已有很多学者对其进行了研究报道[5-7]，面部外形的对称，患者可接受的术后容貌外观和口腔颌面部正常功能的维持是下颌骨修复重建的主要目标，但目前仍然难以取得令人满意的修复效果[8]。3D打印技术作为一种新兴技术在口腔颌面外科领域的应用正在不断扩大，已广泛应用于下颌骨的重建修复[9]。该技术的应用实现了解剖结构可视化，术前预弯和塑形重建钛板，打印截骨导板以精确切除病灶骨和切取移植骨，可以有效缩短手术和麻醉时间，减少手术创伤和手术失血量，优势显著[10-11]。

下颌骨形态复杂，截断后剩余附着肌肉牵拉力量的失衡会导致髁状突移位，对下颌骨重建术后形态和功能的恢复是一大挑战[12]。传统方法是根据术前CT影像确定病灶骨切除范围， 预估移植骨长度，误差较大[13]，加上下颌骨截断后移位，难以准确还原髁状突在关节窝内的正确解剖位置，改变了髁状突的正常运动轨迹，常常导致术后患者面部外形对称性欠佳，出现张口受限、咬合关系紊乱、颞下颌关节弹响、疼痛等症状[14]。Sawh-Martinez[15]的研究证明，术前使用计算机软件制定虚拟手术计划可以提高下颌骨重建术的精度，减少术后髁状突的移位，保持正常的解剖关系。

为了保持髁状突的正常解剖位置，目前国内外的研究者大多使用在3D打印下颌骨模型上进行重建板预弯成型的方法[16-17]。但是，Marchetti等回顾了根据下颌骨颊侧骨板、舌侧骨板、颊舌侧骨板(双板技术)外形预弯重建板或制作髁状突定位板(Lhur method)4种保持下颌骨断端和髁突空间位置的方法，认为这些方法都有缺点，并不适合所有的临床情况，前两种方法不适用于因下颌骨正常外形破坏而无法预弯重建板的情况，双板技术的缺点是可能无法正确恢复下颌骨的外形轮廓，特别是在下颌骨颏部缺损的情况下，髁状突定位板稳定性较差，常常会导致髁状突空间位置重建的错误[18]。而我们也在临床研究中发现，由于重建板极为坚硬，而下颌骨形态为复杂的多曲度弧形，表面还有不规则的骨性隆起，加上截断后的移位，即使在3D打印下颌骨模型上预弯的重建板术中也很难与其完全贴合，极易在骨面滑动，很难按照术前设计精确连接固定下颌骨，并不能理想地控制髁状突移位。因此，我们设计了新的3D打印导板——下颌骨定位及连接导板，术中用来记录和恢复下颌骨的正常空间位置关系，桥接两侧骨断端，并引导移植骨就位和固定。这种方法的关键在于，得益于3D打印技术在颅颌面外科应用中具有极高的精确性[19]，导板的组织面三维形态与固定部位的下颌骨表面形态完全吻合，导板就位后不会发生滑动，而且下颌骨定位导板和连接导板上的预留孔位是完全一致的。我们根据定位导板的预留孔位在健康下颌骨上制备定位孔，记录下颌骨的正确空间位置，然后使用连接导板通过预留孔位固定于定位孔上，桥接截断的下颌骨，从而恢复下颌骨的正确空间位置，将髁状突定位于关节窝内的正常解剖位置，并引导移植骨按术前设计准确就位，恢复下颌骨的正常外形轮廓，最后使用微型钛板进行连接固定。与重建板相比较，微型钛板小巧轻薄，易于塑形，而且采用分段连接的固定方式，在术中很容易将其调整到与骨面完全贴合，此外由于完成塑形的移植骨下缘形态与连接导板中间的凹槽状平台吻合，移植骨按照术前设计的位置在连接导板上就位后会受到一个嵌入性的固位力，不会滑动移位，所以对微型钛板进行塑形时移植骨不会因为受力而改变位置。当微型钛板完成塑形并行连接固定后，再拆除连接导板，移植骨就固定在了术前设计的位置。

目前，国内外已有很多关于3D打印技术引导下颌骨缺损修复的相关报道[20-22]，但在疗效评估上多以主观性较强的临床观察描述为主，缺乏客观性，很少有报道对术后疗效进行量化检测和评估。Numajiri在12个3D打印模型上使用3D打印截骨导板进行模拟的下颌骨节段截骨和腓骨移植重建手术，以检验导板引导手术的准确性，结果显示下颌骨截骨的偏差约为1.3 mm，腓骨截骨的偏差小于1 mm，而下颌骨重建的偏差则达到了3 mm以内[23]。我们在研究中提出了一种新的量化评估方法，将术前术后的颌面部CT影像数据导入三维重建软件，建立个体化三维坐标系，测量相关解剖标志点的三维坐标数据，对术前术后的检测数据进行比较，评估术后髁状突的位移变化。同时我们结合术后临床随访，对下颌骨定位及连接导板在下颌骨缺损修复中的临床应用价值进行综合评估。

本次研究结果显示，下颌骨定位及连接导板引导下颌骨缺损修复术后下颌骨相关解剖标志点在各个三维方向上的位移绝对值均值最大为1.08 mm，效果优于Numajiri设计的导板，将术后髁状突的位移控制在临床可接受的范围内，有效地减少了下颌骨截断后的位移影响，使术后髁状突的位置恢复到自然状态，维持下颌骨的正确空间位置，极大地改善了患者下颌骨功能重建及面部外形恢复的效果。

需要说明的是，由于我们开展3D打印技术的时间较短，本次研究纳入的病例数较少，没有对相关解剖标志点术前术后的三维坐标测量值是否具有显著性差异进行统计分析，无法说明术后髁状突的位移是由于建立三维坐标系时的定点误差所致还是导板设计本身的不足导致。在今后的研究中我们会纳入更多的病例，以进一步验证我们的结论和完善导板的设计。