3D打印上頜骨手術(shù)模型誤差測量的實(shí)驗(yàn)研究*

呂 俊，廖媛媛，吳 坡，徐 平，鄢蘭元，李 焰，張 綱△

(1.第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院口腔頜面外科，重慶 400037；2.成都軍區(qū)總醫(yī)院附屬口腔醫(yī)院，成都 610017)

技術(shù)與方法·

3D打印上頜骨手術(shù)模型誤差測量的實(shí)驗(yàn)研究*

呂 俊1，廖媛媛2，吳 坡2，徐 平2，鄢蘭元2，李 焰2，張 綱1△

(1.第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院口腔頜面外科，重慶 400037；2.成都軍區(qū)總醫(yī)院附屬口腔醫(yī)院，成都 610017)

目的 分析3D打印上頜骨手術(shù)模型的誤差，為口腔頜面外科3D打印技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。方法 應(yīng)用熔纖3D打印技術(shù)制作標(biāo)準(zhǔn)幾何模型和上頜骨模型，觀測兩種模型的表面光潔度，測量幾何模型的外形數(shù)據(jù)和精細(xì)度，測量上頜骨模型與頜骨標(biāo)本骨性標(biāo)志物間的距離誤差。結(jié)果 3D打印標(biāo)準(zhǔn)幾何模型的表面X-Z、Y-Z平面呈水平排列，X-Y平面呈經(jīng)緯交錯排列，精度誤差率在-1.67%～1.47%；最高解析度X及Y軸邊長為0.25 mm，Z軸邊長為0.50 mm。3D打印上頜骨模型骨性標(biāo)志點(diǎn)間距離的誤差率在-0.08%～1.96%，X軸向上誤差率均值為1.59%，Y軸為0.86%，Z軸為0.42%，X軸誤差率顯著大于Y、Z軸(P<0.05)。結(jié)論 3D打印技術(shù)制作上頜骨模型具有很高的精確度，通過合理設(shè)計(jì)可以提高模型制作精度來滿足臨床需要。

誤差率;熔融沉積成型技術(shù);上頜骨;骨性標(biāo)志點(diǎn);模型, 解剖學(xué)

3D打印技術(shù)(three dimensional printing,3D Printing )是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用高分子或金屬材料按照計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)的三維數(shù)字模型，通過逐層打印的方式來制造三維物體的技術(shù)[1-2]。該技術(shù)基于患者的CT及MRI的數(shù)字影像，轉(zhuǎn)化為醫(yī)學(xué)影像通信標(biāo)準(zhǔn)(DICOM)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)建模實(shí)施打印，可以完成個性化的骨骼模型、護(hù)具、手術(shù)導(dǎo)板及相關(guān)醫(yī)療用品的制作[3]。該技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是在頭面部外傷治療中取得了良好的輔助治療效果[4-5]。國外基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)，在制作動物骨骼標(biāo)本時3D打印技術(shù)因不同的打印機(jī)類型會出現(xiàn)不同的模型誤差[6]，但是在國內(nèi)針對臨床應(yīng)用的3D打印模型的精確性和安全性評估尚未有研究報道。因此，本研究使用國產(chǎn)3D打印機(jī)，應(yīng)用較為成熟的熔融沉積成型技術(shù) (fused deposition modeling,FDM)制作標(biāo)準(zhǔn)幾何模型和人體上頜骨模型；進(jìn)而觀察模型表面和測量模型幾何數(shù)據(jù)，以評價分析3D打印模型的誤差；并通過改良模型設(shè)計(jì)來減小誤差，提高模型精度。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)使用SolidWork2014(Dassualt Systemes,法國)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)幾何模型。上頜骨數(shù)據(jù)來源于成都軍區(qū)總醫(yī)院附屬口腔醫(yī)院和第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院口腔頜面外科上頜骨標(biāo)本，錐形束CT(CBCT)數(shù)據(jù)掃描(KAVA，美國)；MIMICS17.0軟件(Materialise,美國)完成上頜骨重建。KISSlicer切片軟件設(shè)計(jì)打印。FDM35-3525 3D打印機(jī)(立體易，廣州)制作模型。工業(yè)顯微鏡(Olympus BX53,日本)拍照，游標(biāo)卡尺和千分尺(Mitutoyo,日本)測量。

1.2 模型制作方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)幾何模型設(shè)計(jì) 使用SolidWork2014軟件設(shè)計(jì)30 mm×30 mm×30 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體，設(shè)計(jì)X、Y、Z 3個方向邊長分別為4.0、2.0、1.0、0.5、0.25、0.125 mm，長度為20 mm的長方體，以.stl文件格式保存。

1.2.2 上頜骨模型設(shè)計(jì) 使用CBCT掃描人體上頜骨標(biāo)本，層厚為0.20 mm，利用MIMICS 17.0軟件完成上頜骨重建，灰窗值選擇200～300，模型均以.stl文件格式保存。

1.2.3 模型打印和參數(shù)設(shè)定 使用KISSlicer切片軟件設(shè)計(jì)打印，模型表面厚度1.00 mm，層厚0.25 mm，支撐設(shè)計(jì)70°， X、Y軸向移動速度100 mm/s，Z軸向移動速度3.5 mm/s。FDM35-3525打印機(jī)完成模型打印，熔纖溫度210°，頜骨矢向與打印機(jī)X軸對齊。

1.3 打印精度檢測 標(biāo)準(zhǔn)幾何模型制作完成后，置于工業(yè)顯微鏡下對模型X-Z和X-Y面在20倍下觀察拍照；游標(biāo)卡尺測量立方體X、Y、Z 3個軸向長度，測量5次，求均值并與設(shè)計(jì)值比較。上頜骨模型制作完成后，按照骨骼的橫向、矢向和縱向分組。橫向測量：眶上孔兩點(diǎn)(取內(nèi)點(diǎn))，眶下孔兩點(diǎn)(取內(nèi)點(diǎn))，莖突末點(diǎn)兩點(diǎn)，雙側(cè)顴弓最低點(diǎn)之間的直線距離；矢向測量：切牙孔到枕外隆突凸點(diǎn)，切牙隆起到腭骨突起點(diǎn)，左右顴骨低點(diǎn)到莖突，顱骨前后徑直線距離；縱向測量：左右眶上下孔間距離，鼻骨上末點(diǎn)到切牙牙槽突，梨狀孔上下骨緣直線距離。每兩點(diǎn)距離測量4次。3D打印模型和顱骨標(biāo)本同時測量，求均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié) 果

2.1 標(biāo)準(zhǔn)幾何模型表面光滑度和解析度 在3D打印標(biāo)準(zhǔn)幾何模型的X-Z平面，可見打印纖維呈與Z方向垂直的水平排列，其纖維直徑為0.010～0.015 mm；在X-Y平面，打印纖維呈經(jīng)緯交錯，纖維直徑為0.01～0.02 mm。從解析度模型可以看出，在X、Y方向3D打印機(jī)可以打印出0.25 mm邊長的立方體，而在Z軸方向，打印機(jī)在打印0.50 mm邊長立方體的時候，已經(jīng)與下一個0.25 mm融合，見圖1。

A：X-Z平面熔纖打印平面；B：X-Y平面熔纖打印平面； C：解析度模型外形。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)幾何模型表面光滑度和解析度

2.2 打印誤差

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)幾何模型誤差 利用SolidWork所建立的30 mm2的立方體，模型與設(shè)計(jì)誤差率均值(n=4)分別為：X軸向-1.67%，Y軸向-1.30%，Z軸向1.47%。

2.2.2 上頜骨模型誤差 3D打印上頜骨模型能夠如實(shí)反映頜骨標(biāo)本的解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)，所選取的解剖標(biāo)志點(diǎn)均清晰可見(圖2)。上頜骨、顴弓及眶區(qū)的側(cè)壁模型表面光滑，顱底、上腭和眶上下板等水平位結(jié)構(gòu)邊面粗糙。按照所選取的解剖結(jié)構(gòu)點(diǎn)測量得出數(shù)據(jù)表1，上頜骨骨骼標(biāo)本和3D打印上頜骨模型骨性標(biāo)志點(diǎn)間的誤差率在-0.08%～1.96%，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，各個測量點(diǎn)之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05，n=4)。

A：上頜骨骨骼標(biāo)本；B：3D打印上頜骨模型。

圖2 上頜骨骨骼標(biāo)本與3D打印上頜骨模型對比表1 3D打印上頜骨模型與上頜骨骨骼標(biāo)本之間的誤差(cm，n=4)

2.3 打印誤差軸向分析 按照上頜骨骨性標(biāo)志點(diǎn)測量線的方向，進(jìn)行頜骨X、Y、Z 3個方向分類求均值，統(tǒng)計(jì)打印誤差率，結(jié)果顯示模型X軸向上的誤差率均值為1.59%(n=4)，Y軸向上為0.86%(n=5)，Z軸向上為0.42%(n=4)，見圖3。經(jīng)t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，Z軸向的誤差率顯著低于X軸向(P<0.01)，Y軸向的誤差低于X軸向(P<0.05)。

圖3 3D打印上頜骨模型在X、Y、Z軸向上的 誤差統(tǒng)計(jì)對比

3 討 論

近年來利用3D打印技術(shù)輔助外科手術(shù)治療得到越來越多醫(yī)生的認(rèn)同，隨著手術(shù)模型和導(dǎo)板的應(yīng)用，在口腔頜面部創(chuàng)傷、腫瘤及整形方面取得了良好的治療效果[7]。在創(chuàng)傷方面，頜骨骨折模型及虛擬手術(shù)模型可為臨床醫(yī)生解決了骨折解剖復(fù)位的難題[8]；在腫瘤方面，羊書勇等[9]應(yīng)用3D打印技術(shù)在上頜骨腫瘤擴(kuò)大切除后，結(jié)合游離皮瓣的應(yīng)用完成上頜骨缺損的修復(fù)，在患者術(shù)后的功能恢復(fù)和外觀面型上均取得了良好的修復(fù)效果。但是，國內(nèi)應(yīng)用3D打印輔助頜面外科手術(shù)治療是否存在形態(tài)誤差，以及怎樣制作頜骨模型才能有效避免以上誤差，尚無相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

國外在3D打印技術(shù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面較早地注意到了打印誤差對模型的影響。Doney等[6]使用ProJet HD 300、Shapeways Inc.和Makerbot Replicator 3款國外3D打印機(jī)，通過CT數(shù)據(jù)完成了兔子的骨骼及肺部的打印，發(fā)現(xiàn)存在不同的系統(tǒng)誤差，尤其是Makerbot Replicator打印機(jī)。Kasparova等[10]在研究利用3D打印技術(shù)制作口腔義齒模型中也發(fā)現(xiàn)，RepRap打印機(jī)在牙列打印過程中存在系統(tǒng)誤差，會給口腔臨床工作帶來手術(shù)精準(zhǔn)度、修復(fù)體精確度不夠等問題。本研究發(fā)現(xiàn)FDM35-3525打印機(jī)制作上頜骨模型的系統(tǒng)誤差為-0.08%～1.96%，雖然高于ProJet HD 300等工業(yè)級光敏樹脂打印機(jī)，但是它比國外Makerbot Replicator等桌面級打印機(jī)的系統(tǒng)誤差要低。相對于頜面外科手術(shù)臨床應(yīng)用要求，這一精確度符合制作3D打印手術(shù)模型、植入體的預(yù)成型及設(shè)計(jì)手術(shù)方案的需要。然而在手術(shù)導(dǎo)板的制作上，實(shí)驗(yàn)中FDM35-3525打印機(jī)的模型表面纖維僅僅只能達(dá)到0.1 mm，其解析度在0.25～0.50 mm，無法在精確度上滿足要求。同樣在牙列制作，或是咬合導(dǎo)板的制作中，F(xiàn)DM35-3525打印機(jī)同樣也存在誤差過大和精確度不夠的問題。

采用3D打印頜骨模型不僅廣泛應(yīng)用于頜骨腫瘤、創(chuàng)傷、整形手術(shù)的模型制備，而且在術(shù)前對修復(fù)頜骨缺損的植入體的預(yù)成型、設(shè)計(jì)手術(shù)截骨方案等方面發(fā)揮著重要作用[11-12]。隨著3D打印機(jī)的發(fā)展，目前的模型制作在精度上有了長足的進(jìn)步。早在2008年Daniela等通過3D打印機(jī)制作顱骨模型，其測量的幾何誤差尚在2.10%～2.67%，高于本實(shí)驗(yàn)所檢測到的誤差[13]。Murugesan等[14]發(fā)現(xiàn)用FDM 3D打印機(jī)的下頜骨模型其幾何誤差率為1.73%；而Maschio等[15]發(fā)現(xiàn)FDM 3D打印技術(shù)的下頜骨模型其幾何誤差率達(dá)到3.76%；Petropolis等[16]采用FDM3D打印打印面骨標(biāo)本，層高為0.1 mm、0.25 mm、0.5 mm的模型的幾何誤差率分別為0.44%、0.52%、1.1%。目前，3D模型打印誤差主要來源于數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)輸出的誤差，數(shù)據(jù)錄入誤差為CT數(shù)據(jù)掃描和數(shù)據(jù)建模過程中產(chǎn)生，這里不是本實(shí)驗(yàn)討論的重點(diǎn)。數(shù)據(jù)輸出的誤差是由FDM打印機(jī)本身的機(jī)械運(yùn)動和參數(shù)設(shè)計(jì)所決定。實(shí)驗(yàn)中通過對X、Y、Z 3個方向的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)模型X軸向上誤差率顯著大于Y和Z方向，這是由于打印機(jī)布景儀在模型X軸向運(yùn)動負(fù)載高于Y方向，同步電機(jī)定位性下降所引起。而Z方向模型誤差最小，是由于Z向?yàn)槁菪S定位，運(yùn)動緩慢所決定的。實(shí)驗(yàn)過程中同時觀察到幾何模型的X-Z和Y-Z面相對光潔度好于X-Y平面，在上頜骨模型中也是側(cè)面好于水平面，因此在模型打印之前有必要結(jié)合臨床需要設(shè)計(jì)好打印方向。以上頜骨為例，考慮到模型支架的問題，我們通常是將頜骨的矢向與打印機(jī)Y軸重合，將顱底面放置于打印機(jī)底盤來完成模型打印，這是在有限的打印條件下可以顯著減少誤差的最簡便方法。

本實(shí)驗(yàn)研究對3D打印上頜骨模型的精準(zhǔn)性完成了初步探索，采用FDM 3D打印技術(shù)制作的上頜骨3D打印模型中存在一定的幾何結(jié)構(gòu)誤差，但此誤差相對于手術(shù)模型外科和植入體預(yù)成型是能夠接受的。在利用FDM 3D打印技術(shù)制作手術(shù)模型的過程中，按照臨床需要巧妙設(shè)計(jì)模型打印方向，能夠提高模型解析度、光潔度，并降低特定方向上的誤差率，從而提高模型的精確度。今后3D打印技術(shù)將會在植入體的制造、組織工程研究中擁有更大的應(yīng)用空間[17-18]，對于打印模型在臨床應(yīng)用中的安全性、精準(zhǔn)性研究也應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入下去，為其應(yīng)用提供更多的基礎(chǔ)理論保障。

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A study on the dimensional error of 3D printing maxilla models*

LvJun1,LiaoYuanyuan2,WuPo2,XuPing2,YanLanyuan2,LiYan2,ZhangGang1△

(1.DepartmentofOralandMaxillofacialSurgery,XinqiaoHospitalofThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400037,China;2.DepartmentofStomatology,AffiliatedDentalHospitaloftheGeneralHospitalofChengduMilitaryCommand,Chengdu,Sichuan,610017,China)

Objective To measure the dimensional error of three dimensional printing maxilla models for the clinical application to oral and maxillofacial surgery.Methods The FDM 3D printing was employed to make standard geometric shape models and maxillary models.After the surface finish of both models being observed,the contour data and fineness of geometric models,as well as the distance error of bony markers between maxillary models and jaw bones specimen were measured.Results Within the 3D printing standard geometric model,the fiber arrange horizontally in X-Z,Y-Z surface and crosswise in X-Y surface,and the accuracy errors range from -1.67% to 1.47%.Moreover,the maximum resolution was 0.25 mm in X and Y axis,and 0.50 mm in Z axis.Within the maxillary model,the distance error of bony markers range from -0.08% to 1.96%,and the mean errors were 1.59%,0.86%,0.42% in X,Y and Z axis respectively.The mean error in X axis was significantly larger than that in Y or Z axis (P<0.05).Conclusion 3D printing maxilla models may possess high accuracy and apply to clinical practice.

error rate; fused deposition modeling; maxilla; bony marker; models,anatomiy

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.06.025

軍隊(duì)醫(yī)學(xué)科技青年培育計(jì)劃(15QNP034)；第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院臨床科研課題(2014YLC31)。作者簡介：呂俊(1986-)，主治醫(yī)師，碩士，主要從事口腔頜面外科、牙周病及口腔循證醫(yī)學(xué)研究。△

，E-mail:xqyykqk@163.com。

R782

A

1671-8348(2017)06-0799-03

2016-10-23

2016-11-21)