快速成形技術(shù)應(yīng)用于下頜骨缺損二次重建手術(shù)指導(dǎo)

陳亞東 李 虎 尚德浩 王宛山

1.東北大學(xué)，沈陽，110819 2.中國醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，沈陽，110001

0 引言

下頜骨缺損多由腫瘤、外傷以及骨性關(guān)節(jié)強(qiáng)直等疾病所致，下頜骨缺損的修復(fù)是頜面外科的常見手術(shù)，恢復(fù)下頜骨的完整性和連續(xù)性，使頜面外形美觀，保持良好的語言、咀嚼、吞咽等功能，是口腔頜面外科治療的重要課題［1］。

自1989年文獻(xiàn)［2－3］首次報(bào)道利用游離腓骨骨皮瓣修復(fù)下頜骨缺損以來，醫(yī)生在進(jìn)行下頜骨的修復(fù)時(shí)，大多利用自體小腿腓骨進(jìn)行修復(fù)。游離骨瓣是自體骨移植的一種，即在移植骨的同時(shí)將其血管等組織移植到修復(fù)部位，該方法有效保持了骨活性，提高了自體骨修復(fù)的成功率。

游離腓骨瓣修復(fù)下頜骨的手術(shù)是目前最主流、最先進(jìn)的下頜骨修復(fù)方法，該手術(shù)比較復(fù)雜。首先，將患者小腿上的腓骨連同脈管系統(tǒng)切取下來，并在體外塑形成下頜骨的外形，然后將該腓骨塊植入下頜骨骨床，并將骨上的動(dòng)靜脈同面部血管施行血管吻合，最后用鈦板和鈦釘固定腓骨及下頜骨。

快速成形技術(shù)作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上有其必然性，因?yàn)榭焖俪尚渭夹g(shù)在加工不規(guī)則模型方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在醫(yī)學(xué)上，快速成形技術(shù)主要用于兩個(gè)領(lǐng)域：一是組織工程方面的研究；二是人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化［4］。

1988年，Engh等［5］將快速成形技術(shù)引入醫(yī)學(xué)建模領(lǐng)域，根據(jù)組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過逆向工程制作醫(yī)學(xué)模型?？焖俪尚渭夹g(shù)可在數(shù)小時(shí)內(nèi)準(zhǔn)確制作出人體組織的生物模型，制作的生物模型為外科醫(yī)生提供了直觀的組織三維狀態(tài)，有助于指導(dǎo)手術(shù)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施［6－11］。

1 基于CT數(shù)據(jù)的下頜骨三維建模

在本文中，快速成形技術(shù)被應(yīng)用于下頜骨手術(shù)重建的手術(shù)指導(dǎo)。手術(shù)指導(dǎo)分為三個(gè)步驟：①將病人的CT片存盤，在東北大學(xué)的快速成形實(shí)驗(yàn)室中，利用病人的CT數(shù)據(jù)重建出下頜骨的三維模型。然后在軟件中，進(jìn)行虛擬手術(shù)過程，即用腓骨擬合下頜骨的輪廓，得到對(duì)稱的下頜骨模型，并輸出STL文件；②將下頜骨模型在快速成形機(jī)加工；③醫(yī)生在術(shù)前通過生物原型，可以對(duì)手術(shù)有直觀的了解，也可以通過生物模型對(duì)手術(shù)進(jìn)行演練，更重要的是可以利用生物模型彎制鈦板，一次成形，避免了鈦板因?yàn)槎啻螐澲贫鴮?dǎo)致的強(qiáng)度降低和斷裂的情況。

本文選取了一例采用傳統(tǒng)下頜骨修復(fù)手術(shù)方法而導(dǎo)致手術(shù)失敗的案例，應(yīng)用快速成形技術(shù)輔助手術(shù)指導(dǎo)并成功進(jìn)行了手術(shù)的案例來說明該過程。

1.1 CT數(shù)據(jù)的采集

本文選取的是中國醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院的病例，女性，51歲。該病例之前因?yàn)橄骂M骨腫瘤已經(jīng)做了一次下頜骨重建手術(shù)，此項(xiàng)手術(shù)的難度很大：一是腓動(dòng)脈內(nèi)徑通常小于2mm，因此必須在手術(shù)顯微鏡下施行血管吻合，并保證血管暢通，術(shù)中需要花費(fèi)大量時(shí)間對(duì)移植骨進(jìn)行塑形、拼接；二是在切取腓骨以及雕塑腓骨過程中，一定要注意保證腓骨動(dòng)靜脈系統(tǒng)的完好無損，而腓骨的塑形和拼接過程主要依賴醫(yī)生的主觀評(píng)價(jià)和經(jīng)驗(yàn)積累來進(jìn)行，手術(shù)難度大。

由于采用傳統(tǒng)手術(shù)方法，醫(yī)生只能通過CT片來判斷患者的骨骼病變情況，在手術(shù)過程中，醫(yī)生只能憑借經(jīng)驗(yàn)來對(duì)腓骨切割，擬合下頜骨輪廓。該病例由于腓骨切割長(zhǎng)度不精確，導(dǎo)致病人面部左右不對(duì)稱。該病例的下頜骨CT掃描數(shù)據(jù)共計(jì)305層，掃描層厚為1mm，并以DICOM格式存儲(chǔ)。CT掃描參數(shù)的選擇如表1所示。

表1 螺旋CT的掃描參數(shù)

在圖1中可以清晰地觀察到病人的左右下頜骨不對(duì)稱。盡管通過下頜骨的CT圖像，醫(yī)生能夠清楚地看到每層CT圖片提供的信息，但CT圖像只是二維圖像，缺乏腫瘤與下頜骨的三維感官。此外，CT圖像也不能用于精確制造保護(hù)重建下頜骨的個(gè)性化鈦板。因此，需要建立下頜骨的三維模型。

1.2 CT數(shù)據(jù)的三維重建

圖1 病人的CT圖像

獲取CT數(shù)據(jù)后，原始的CT圖像被導(dǎo)入Mimics軟件（比利時(shí)Materialise公司）中。在對(duì)骨閾值進(jìn)行調(diào)節(jié)后，每層的輪廓線被提取出來，每層圖像按所需進(jìn)行劃分邊界、選擇性編輯、填充孔，以及去除多余的區(qū)域等處理之后，得到下頜骨的三維幾何模型，如圖2所示。

圖2 最初的下頜骨3D模型

從該病例的下頜骨三維模型可以看出，病人的左側(cè)髁狀突明顯高于右側(cè)健康部分，這是因?yàn)殡韫侵亟ㄏ骂M骨是自體移植，腓骨材料比較珍貴，在下頜骨重建手術(shù)中，醫(yī)生需要多次切割腓骨來擬合下頜骨，從而防止切割多了，出現(xiàn)材料不可再生的弊端。該病例就是因?yàn)殡韫橇舻帽容^長(zhǎng)，導(dǎo)致術(shù)后患者左側(cè)頜骨長(zhǎng)，左右面部不對(duì)稱，嚴(yán)重影響了病人的生理美觀和日常生活。

1.3 虛擬手術(shù)過程

虛擬手術(shù)的目的是利用圖像數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生合理、定量地制定手術(shù)方案，對(duì)提高手術(shù)精度和成功率、選擇最佳手術(shù)路徑、減小手術(shù)損傷等具有十分重要的意義。

人體許多器官具有左右基本對(duì)稱的特點(diǎn)，因而在三維重建的基礎(chǔ)上，能夠運(yùn)用鏡像技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。首先將患者重建失敗的部分切除，選取下頜骨健康的一側(cè)作為參考，對(duì)病人的下頜骨健康側(cè)作鏡像，利用鏡像來重建缺損一側(cè)的下頜骨得到的鏡像側(cè)來對(duì)照腓骨拼接，得到解剖形態(tài)良好的復(fù)原的下頜骨模型，并輸出STL文件。

針對(duì)該患者，首先建立對(duì)稱平面，通過鏡像得到對(duì)稱的下頜骨輪廓，利用腓骨擬合下頜骨曲線來修復(fù)下頜骨，重建后的下頜骨模型如圖3所示。

圖3 修復(fù)的下頜骨3D模型

修復(fù)后的下頜骨左右基本對(duì)稱，圖3c所示為修復(fù)后的下頜骨與修復(fù)前對(duì)比，其中1為修復(fù)前的下頜骨，2為修復(fù)后的下頜骨。修復(fù)后的左側(cè)髁狀突位置明顯低于修復(fù)前，兩側(cè)下頜底基本在同一平面，左右下頜骨基本對(duì)稱，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1.4 下頜骨重建效果評(píng)價(jià)

在以往的研究中，人們普遍重視快速成形技術(shù)的應(yīng)用研究，而對(duì)于如何評(píng)價(jià)重建的下頜骨的對(duì)稱程度并沒有進(jìn)行深入的研究，只是通過主觀的評(píng)價(jià)來鑒別重建的效果。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，游離腓骨皮瓣修復(fù)下頜骨的基本原則是腓骨與下頜底基本在同一平面上，并且腓骨的形狀與健康側(cè)基本對(duì)稱，盡量逼近健康下頜骨的生理曲線。

本文提出了一種通過計(jì)算健康側(cè)和重建側(cè)與人體左右對(duì)稱平面的距離加權(quán)值來評(píng)價(jià)下頜骨重建效果的方法。根據(jù)人體面部左右基本對(duì)稱的原則，首先以門牙中心與鼻骨中心連線作一豎平面，該平面將下頜骨左右分開，并且為人體左右面部的對(duì)稱平面。在下頜骨左右沿下頜底外沿各選8個(gè)點(diǎn)，測(cè)量各點(diǎn)與對(duì)稱平面之間的距離，分別記為ai，bi（i＝1，2，…，8）。然后沿健康側(cè)下頜骨的下頜底作一平面，垂直于左右對(duì)稱平面。如圖4所示，兩個(gè)平面互相垂直，水平對(duì)稱平面用于評(píng)價(jià)水平方向左右下頜骨的對(duì)稱情況，而下頜底平面用于評(píng)價(jià)垂直方向下頜骨的對(duì)稱情況。測(cè)量各個(gè)點(diǎn)與新建下頜底平面的距離，分別記為ci，di（i＝1，2，…，8），得到數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 水平對(duì)稱平面與下頜底平面

表2 模型各點(diǎn)與對(duì)稱平面及下頜底面的距離

由于健康側(cè)上取點(diǎn)位置不變，對(duì)稱平面及下頜底平面相同，所以bi與di（i＝1，2，…，8）的數(shù)值不變，計(jì)算后的φ值具有評(píng)價(jià)下頜骨對(duì)稱的價(jià)值。如圖5所示，測(cè)量各個(gè)點(diǎn)到兩個(gè)平面的距離。

圖5 測(cè)量各點(diǎn)到兩個(gè)平面的距離

用同樣的方法在修復(fù)后下頜骨模型相同位置左右各選取8個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)量它們與對(duì)稱平面及下頜底平面的距離，得到數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 修復(fù)后模型上各點(diǎn)與對(duì)稱平面及下頜底面的距離

經(jīng)過計(jì)算，修復(fù)后的下頜骨模型的φ值為2.47，明顯小于修復(fù)前，證明修復(fù)后的下頜骨左右輪廓比第二次手術(shù)前對(duì)稱，即該修復(fù)模型明顯比修復(fù)前更符合人體生理曲線。

2 快速成形機(jī)生產(chǎn)RP模型及手術(shù)應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)以色列Objet公司研制的EDEN250型四噴頭三維打印快速成形機(jī)，制造重建的下頜骨RP模型。將從Mimics輸出的STL文件導(dǎo)入Objet Studio軟件中，用來制造下頜骨RP模型，最終用時(shí)10小時(shí)19分鐘來制造重建的下頜骨RP模型，成形材料和支撐材料用量分別為168g和179g。

加工完成的樹脂模型，經(jīng)過去除支持材料，得到了修復(fù)后的下頜骨實(shí)體模型。醫(yī)生在手術(shù)前通過將鈦板與下頜骨模型進(jìn)行裝配測(cè)試，就能夠保證鈦板與患者下頜骨具有良好的匹配性。如圖6所示，該模型提高了術(shù)前規(guī)劃的精度和可靠性，另外醫(yī)生可以在RP模型上標(biāo)注切除部位，也可以將RP模型帶上手術(shù)臺(tái)作為參照，此舉對(duì)于保證手術(shù)修復(fù)質(zhì)量、縮短手術(shù)時(shí)間、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等方面具有十分積極的意義和作用。

圖6 RP模型用于鈦板的術(shù)前彎制

在術(shù)前，將彎制的鈦下頜修復(fù)體高壓消毒備用。手術(shù)中嚴(yán)格按照術(shù)前計(jì)算機(jī)模擬截骨線截除下頜骨，保留腓骨皮瓣及血管，按常規(guī)方法進(jìn)行受植床準(zhǔn)備。將彎制的鈦修復(fù)體嵌入骨缺損區(qū)，將兩側(cè)與骨斷端嚴(yán)密接合。將鈦修復(fù)體的延伸板用鈦釘固定于下頜骨斷端及腓骨上。圖7所示為手術(shù)中照片。

圖8所示為術(shù)前與術(shù)后一周患者的照片對(duì)比，圖8a為術(shù)前照片，可以看出由于初次采用傳統(tǒng)手術(shù)方法，醫(yī)生在手術(shù)過程中拼接腓骨不精確，導(dǎo)致左側(cè)下頜骨稍長(zhǎng)，最終導(dǎo)致患者面部不對(duì)稱；圖8b為手術(shù)后一周的患者照片，患者面部輪廓左右基本對(duì)稱，達(dá)到了術(shù)前預(yù)期的效果。

圖7 手術(shù)中照片

圖8 術(shù)前與術(shù)后一周照片對(duì)比

3 結(jié)語

（1）該手術(shù)指導(dǎo)使醫(yī)生于術(shù)前對(duì)病情有了很好的把握，并在手術(shù)治療之前，可以在模型上模擬最佳的復(fù)位步驟、內(nèi)固定類型及安裝方法，預(yù)演術(shù)中可能會(huì)遇到的情況，從而節(jié)省了手術(shù)時(shí)間，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)可以利用生物模型彎制鈦板，一次成形，不需要多次彎制，避免了鈦板因?yàn)槎啻螐澲贫鴮?dǎo)致的強(qiáng)度降低和斷裂的情況。

（2）本文提出了一種通過計(jì)算健康側(cè)和重建側(cè)與人體左右對(duì)稱平面的距離加權(quán)值來評(píng)價(jià)下頜骨重建效果的方法。經(jīng)過計(jì)算，得出了修復(fù)后下頜骨的對(duì)稱程度明顯好于手術(shù)前的結(jié)論。手術(shù)后的效果，說明了該方法確實(shí)行之有效。

［1］趙晉龍，劉彥普，商洪濤，等.應(yīng)用反求與快速原型技術(shù)修復(fù)下頜骨缺損［J］.實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志，2009，25（2）：214－217.Zhao Jinlong，Liu Yanpu，Shang Hongtao，et al.Clinical Study of Reconstruction of Discontinuous Mandibular Using Reverse Engineering and Rapid Prototyping Technique［J］.Journal of Practical Sto－matology，2009，25（2）：214－217.

［2］Hidalgo D A.Fibula Free Flap：A New Method of Mandible Reconstruction ［J］.Plast. Reconstr.Surg.，1989，84（1）：71－76.

［3］Hidalgo D A，Rekow A.A Review of 60Consecutive Fibula Free－flap Mandible Reconstructions［J］.Plastic and Reconstructive Surgery，1995，96（3）：585－596.

［4］劉彥普，龔振宇，何黎升，等.基于快速成型技術(shù)的下頜骨缺損重建術(shù)［J］.實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志，2003，19（5）：523－524.Liu Yanpu，Gong Zhenyu，He Lisheng，et al.Mandible Reconstruction Based on Rapid Prototyping Technology［J］.Journal of Practical Stomatology，2009，25（2）：214－217.

［5］Engh C A，Bobyn J D.The Influence of Stem Size and Extent of Porous Coating on Femoral Bone Resorption after Primary Cementless Hip Arthroplasty［J］.Clin.Orthop.Relat.Res.，1988，231：7－28.

［6］Mcnamara B P，Cristofolini L，Toni A，et al.Relationship between Bone－prosthesis Bonding and Load Transferrin Total Hip Reconstruction［J］.J.Biomech.，1997，30（6）：621－630.

［7］Cutting C，Bookstein F L，Grayson B.Three－dimensional Computer Assisted Design of Craniofacialsurgery Procedures：Optimization and Interaction with Cephalometrics and CT Based Models［J］.Plastics Reconstruction Surgery，1986，77（6）：877－887.

［8］Andrews J C，Anzai Y，Mankovich N J，et al.Three－dimensional CT Scan Reconstruction for the Assessment of Congential Aural Atresia［J］.Am.J.Otol.，1992，13（3）：236－240.

［9］Berry E，Brown J M，Connell M，et al.Preliminary Experience with Medical Applications of Rapidprototyping by Selective Laser Sintering［J］.Medical Engineering Physics，1997，19（1）：90－96.

［10］Mankovich N J，Samson D，Pratt W，et al.Surgical Planning Using Three－dimensional Imaging and Computer Modeling［J］.Otolaryngol Clinics North Am.，1994，27（5）：875－889.

［11］McGurk M，Potamianos P，Amis A A，et al.Rapid Prototyping Techniques for Anatomical Modelingin Medicine［J］.Ann.R.Coll.Surg.Engl.，1997，79（3）：169－174.