張純妍，聶 鑫

3D打印技術是近年快速發展的新興技術，其基本原理是根據計算機輔助設計(computeraided design，CAD)模型或X射線計算機斷層成像(X-ray computed tomography，CT)形成的數據，在電腦程序控制下，基于離散和堆積成型的原理，利用光、熱等外界輸入，并配合打印材料的特性，將打印材料逐步固化、堆積成型，實現3D復雜結構的制造[1]。此種3D打印技術具有能夠按照設計的模型構建特定空間結構的能力，并能在制備材料時對其微觀結構進行精確控制。較單一影像學診斷數據，3D打印技術的優點是允許醫生直接在打印出來的實物模型上診斷并制定治療方案，還可根據需要設計并制作患者術后評估模型。從1988年第一臺3D打印機問世到現在，3D打印已經歷了技術開發、技術成型、產品推出、技術發展、產品衍生、技術更新與成熟等不同發展階段(圖1)。3D打印技術也從最初作為工業制造領域的新型制造技術，開始向醫學領域不斷拓展。2013年醫療/牙科部門已占3D打印相關行業總收入的16.4%，僅次于消費品和摩托[2]。在醫療領域方面，鏡像技術、快速成型技術和計算機導航技術將成為未來頜面創傷外科發展的趨勢，其中以3D打印為主的快速成型技術在不到10年的時間獲得了迅猛的發展。Hoang等[3]以“3D printing”及“surgery”為主題詞對相關SCI論文進行meta分析，結果顯示論文數量從2011年出現明顯增長，應用分類分析結果顯示其中以用于顱頜面部解剖模型的3D打印論文居多。在材料使用上，也從最初單一PLA聚合物擴展到塑料、金屬、蠟、橡膠、光固化和生物材料。雖然3D打印的使用正在激增，但許多應用程序用于成像、教育或模擬，而不是直接用于外科手術。本文主要基于3D打印的基本原理與步驟、臨床實踐與規范、未來發展趨勢與爭鳴等方面，為有志于通過3D打印技術解決臨床難題的醫生提供參考意見和幫助。

圖1 3D打印及相關技術的基本發展歷程

1 3D打印的應用范疇及分類

精準醫療、個性化醫療和微創醫療逐漸成為醫療發展的未來趨勢，術前虛擬手術并以此為基礎的個性化3D打印模型技術日臻成熟。3D打印技術通過精細化建模、清晰區分病灶和周圍重要組織，實現了術前的數字化三維設計、仿真、3D打印和手術預演，3D打印應提供詳實的手術指導，對于顱頜面部創傷的手術路徑應包括術前規劃和3D打印并滲透于整個診療過程(圖2)。Choi和Kim[4]認為3D打印在整形外科手術的用途可以分為三類：(1)外科規劃。包括術前基本情況、術中復位及固定引導、術后康復情況預估；(2)患者教育。3D打印使用在醫生與患者的教育中，可以直觀的了解創傷程度、術中規劃、修復方式和價值；(3)訂制假肢。個體化3D打印假肢與殘肢能達到更高的契合程度，不僅美觀性更強，而且提高了患者的舒適度。而在口腔頜面部創傷導致的牙齒缺失，3D打印導板可以預估后期種植義齒的規格、位置及植入深度，從而有效降低手術的難度，降低了術后并發癥發生率。

圖2 術前規劃與3D打印規范診療路徑

整形外科、顱頜面及創傷手術對重建組織的對稱性和功能要求較高，3D打印中最常用的是固體材料，它能夠精確模擬骨骼等硬組織，有助于解釋3D打印在骨外科手術(如截骨、輪廓修正、修復重建)得到迅速應用和開展的根本原因[5]。3D打印在手術中應用大致可分為陰模或陽模打印，但更多根據患者的具體數據和復雜性分為4種類型：I型-解剖模型(術前陽模打印模型)，術者可以了解患者的基本解剖信息，直接在模型上進行模擬手術，使醫生術前在充分訓練的基礎上更加有把握地進行手術，這對提高手術效率、縮短手術時間、降低手術風險、保障患者安全具有重要作用；II型-導板(陰模打印模型)，根據數據引導切割和鉆孔的模型；III型-夾板(虛擬手術后位置的陰模模型，引導最終固位，正頜外科可以設計咬合夾板了解患者術前、術中頜骨遷徙狀態及術后最終咬合情況并進行咬合固位)和IV型植入物，可植入患者體內直接用于修復重建，包括惰性材料和生物材料。這些3D打印模型在顱頜面外科中發揮著重要作用(圖3)。在使用頻率上，術前創傷模型是最常見的3D打印形式(84%)，而在頜面部患者中引導和夾板也常見(43%和36%)，這可能是因為需通過咬合關系進行定位和術后口頜功能重建。而植入物應用相對最少，主要原因在于涉及到倫理和醫用材料的準入制度，但更具有潛力[6]。

圖3 3D打印分類 a. I型-解剖模型；b. II型-導板；c. 夾板；d. 植入物(3D打印鈦合金材料)

2 3D打印的影像數據源分類與發展趨勢

醫學3D打印模型的獲取是基于符合醫學數字成像和通信的DICOM數據，實現3D 打印主要有以下步驟：(1)醫學影像圖像數據的獲取；(2)圖像處理，提取 ROI，分離出需要重建和打印的部分，該過程被稱為分割；(3)將容積數據轉化為3D打印識別的三角網格模型；(4)將數字模型輸入3D打印機進行打印。其中準確、可靠的影像學數據是獲得精確3D打印模型的基礎[2]。在數據源獲取上，除常規CT外，在顱頜面外科領域，通過增強CT為信息源的3D打印模型可多方位旋轉，多方向、多角度了解病變組織范圍與嚴重程度，以及與大血管、周圍重要器官的解剖關系(圖4a)。而骨組織創傷與修復重建應用最多的CT數據一般要求位素≤0.125mm。薄層CT掃描可給術者提供清晰、多維可視的圖像，才能打印出符合醫學領域的產品。通過3D打印或計算機虛擬判斷創傷的具體位置及嚴重程度、進行手術規劃，可實現“診”與“治”一次性解決。對于涉及到口頜系統的創傷與整形更傾向于采用錐形束CT(Cone beam CT，CBCT)為數據源，CBCT體素為0.125mm，重建速度為2.0lp/mm，一次掃描即可獲得全口腔雙牙列三維立體影像(圖4b)。在顱頜面創傷修復中，由于頜面部作為人體視覺中心，軟組織創傷及面部體表輪廓圖像的獲取也受到研究者的重視。通過面部三維攝像可獲取患者術前及術后的3D容貌(圖4c)。此外，將軟組織體表圖像與CT等硬組織圖像信息進行融合，更有利于了解術后患者頜面部的變化特征，為手術規劃提供指南與規范。Zhou等[7]將面部掃描儀數據與多層CT數據進行融合比較，統計學分析發現重要標記點誤差<0.8mm，從而證實其可行性與真實性。值得注意的是，頜面部軟組織信息源的獲取也存在一定的不足，如受患者體位影響，頦下區常出現圖像缺失。在人體口腔輪廓掃描上，專業口內三維掃描系統對于牙體修復也具有一定的指導價值，口內三維掃描數據的質量和精度是決定數字化修復成敗的關鍵。目前市售產品多為藍光結構光成像，藍光波長短，圖像分辨率較高。張馨月等[8]對結構光口內三維掃描儀的數據質量、正確度和精密度進行相關性分析，證實掃描數據精密度與掃描數據質量呈正相關。此外，筆者認為立體攝影測量也是獲取口腔及其它人體腔道相關信息數據的重要來源，360°全景3D圖像及相關視頻將成為影像數據源獲取的發展趨勢。

a b c

圖4 3D打印的影像數據源分類 a.以CT為信息源的圖像信息；b.以CBCT為信息源的圖像信息；c.以面部三維攝像為信息源的圖像信息

3 計算機虛擬設計分類與發展趨勢

顱頜面創傷中因外力因素使骨折斷端出現旋轉或壓縮移位是手術處理和治療的棘手問題之一，常導致臨床效果欠佳和愈后畸形。通過計算機虛擬手術或者通過3D打印模型可以設計多平面截骨及最佳修復方式，這些在傳統手術計劃中很難執行。筆者在對頜面頭頸外科患者進行數據化分析和3D打印研究后認為，三維規劃與患者的個性化復位導板的使用可以真正解決這一具有挑戰性的難題[9]。在創傷導致的骨骼三維變形基礎上的復雜截骨術是傳統二維規劃技術的棘手問題，而基于三維成像基礎上的計算機虛擬規劃和3D 打印技術可以迎刃而解，既可采用以虛擬重建為基礎的手術規劃，也可直接在實體模型上進行手術規劃。3D打印手術設計通常可以分為兩種，一種是將獲取的信息源直接打印為3D產品；另一種是采用計算機相關軟件進行術前設計，特點是能夠直觀的再現頜面部創傷與骨折情況，既可用于醫患溝通，也可在模型上進行手術設計和預實踐，了解術后愈合情況，而后者通過術前計算機虛擬設計的應用更為廣泛。目前常用軟件包括以下幾種：(1)Mimics：是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，包含圖像導入、圖像分割、圖像可視化、圖像配準等模塊。對手術能起到相當大的指導作用，可以預先在軟件里面觀察、測試、演練等，還可以制作輔助手術用的器械等。(2)3-matic：是基于數字化CAD(STL)的正向工程軟件，可直接由STL格式進行后續CAD&CAM處理。徹底改變了產品設計準備到產品研發制造流程之間的不斷反復的過程。主要用于制作輔助手術工具與Mimics具有十分好的兼容性。(3)Simlant：是面向口腔醫學的三維手術設計平臺，涵蓋了種植、正頜外科、正畸以及修復等臨床設計。對口腔醫學的手術設計準確、可預測性強，具有很高的臨床指導性。(4)OHOLO外科手術模擬器：其操作相對簡單，可操作性較強。通過3D建模、智能分割、標準化測量等模塊，可以在計算機上根據患者真實病例影像資料，幫助醫生完成所有手術設計和規劃模擬。從而節約術中時間、提高手術精準度。(5)E-3D醫療三維建模與3D打印系統：包括CT/MRI導入、智能重建、骨折復位和三維測量功能，軟件界面簡捷，功能鍵直觀，含有相關教程內容，上手性較強[10]。在對相關患者進行術前規劃中，筆者發現重型顱頜面部伴有組織缺失的患者是目前進行虛擬設計的重要難題之一，單側復位和缺損修復可以通過鏡像技術，利用健側數據進行參考和分析，而對于骨及軟組織輪廓已完全喪失的患者仍需通過臨床經驗進行模擬，缺乏數據化依據和參考指標。四川大學田衛東教授認為大數據時代背景下，居于大規模數據的整合分析是顱頜面部創傷治療規劃的未來趨勢，目前應積極完善和建立中國人顱頜面部大數據，未來術者根據患者既往影像資料、體表輪廓及頜面部標志點、人體相關數據等信息來源，運用云計算獲得相匹配的人體面部輪廓及頜骨組織形態，通過3D打印為手術規劃提供指導性意見。

4 3D打印原理分類及發展趨勢

通過計算機輔助設計建模后，需將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，從而指導打印機逐層打印，設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。醫學數字成像和通信(DICOM)可以轉化為立體光刻(STL) 文件，然后由3D打印機讀取并有條不紊地構建。雖然3D打印技術已經有幾十年的歷史，但達到臨床應用程度的精細要求是直到最近才成為現實。由于該領域起步很小，技術種類繁多，各有利弊，每種打印方法都有各自的優點和缺點，它們的不同之處在于以不同層構建創建部件，并且是以可用的材料的方式[11-12]。一些方法利用熔化或軟化可塑性材料的方法來制造打印的“墨水”，還有一些技術是用液體材料作為打印的“墨水”的，此外，在構建時間、材料使用、精度和耐用性上也有所區別。目前并沒有用于臨床實踐和醫學研究的標準規范。為了使臨床醫生能充分了解和正確使用增材制造技術，筆者列出了幾種常用打印方式的原理、特性和精細度：(1)熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM):將熱熔材質加熱到液態，通過計算機控制的擠壓噴頭噴涂建造每層模型，通過每層材質的堆積建立空間立體模型。FDM是最廣泛應用的3D打印方式，通過調整加熱溫度和噴頭的參數，可以使用多種材質進行打印。最高截面厚度為0.007mm、X/Y分辨率為0.0028mm。(2)選擇性激光燒結 (selective laser sintering,SLS):使用紅外激光器作能源，粉末狀材料有選擇地進行燒結，逐層進行，最終獲取立體打印模型。SLS工藝簡單，可用柔性材質打印；最高精度為層厚為0.004～0.006mm、X/Y分辨率為0.030～0.050 mm。(3)光固化快速成型(stereolithography,SLA):使用液態光敏樹脂進行快速成型，這種材料在激光照射下可快速凝為固體。進而獲得空間立體模型。SLA可以快速精確地獲取3D打印模型，最高精度為層厚為0.002mm;X/Y分辨率:0.004mm。(4)聚合物噴射成型(polyJet): 是目前軟性材料快速成型的主要方法，使用光敏樹脂進行成型，首先使用噴頭將光敏樹脂和支撐聚合物同時噴射到工作臺，再使用紫外線照射，完全凝固后再噴涂下一層。最高精度為層厚為0.000632mm;X/Y分辨率0.0017mm。通過以上的打印技術與原理也能發現不足之處，從經濟角度及打印速率角度考慮，目前臨床應用較多的是熔融沉積成型與光固化快速成型。但應用的打印材料質地較硬，對于軟組織無法完全模擬。獲得有效解決需要考慮以下幾個問題：首先要開發適合于多種材料打印的影像后處理程序，使其不但能重建顱頜面部的精細解剖結構，還能直接在影像后處理的同時對組織的不同結構進行著色。其次，目前能用于直接植入人體的3D打印材料相對匱乏，最終未來的研究將需要考慮增加使用可植入物，包括生物材料和不斷出現的新3D打印材料與打印模式的應用，可以逼真地模擬軟組織。最后還要探索適合于軟性組織打印的特殊材料，能打印出與人體組織相似質地的模型，使外科醫生能直接進行手術規劃與應用。未來的3D打印技術的發展趨勢是有望制作出能高度模擬人體器官形態與質地的模型，其中生物材料使用細胞或其他生物活性的材質進行打印，現已進入動物試驗階段，在細胞打印層面上需要解決速度、精度、存活率與細胞活性等問題，而最終形成功能化組織還需要解決生物相容性、降解性能、力學性質以及成型過程的可控性等關鍵問題[13]。

5 顱頜面部臨床應用分類及實施方案

3D打印技術對于提高對稱性，在達到功能與外形和諧統一的顱頜面創傷外科手術中具有較大的優勢。在實際應用實踐過程中，術者也應該根據不同解剖部位、不同創傷類型制定3D打印的個性化治療方案，現將常見顱頜面部創傷修復的應用情況分述如下。

5.1顱骨重建 自體骨移植是重建顱骨的理想標準，但顱骨質地較硬，彎曲是相當困難和風險，通過顱骨骨移植技術進行顱骨重建首先需要預測供區的曲率是否與受體顱骨區域匹配。因此，顱骨重建是最早使用基于3D打印模型的臨床應用范例。除自體骨移植外，大量的人工材料也廣泛應用于顱骨修復，其中鈦是植入人體的理想材料。Park等[14]通過3D技術對21名顱骨缺損患者進行了個性化鈦網植入修復，與常規方式相比，其固位性和形態更具有優勢。目前peek材料由于其強度與顱骨類似、惰性的理化特性也開始應用。該材料也通過3D技術直接打印出顱骨，該技術目前看來是相當成功的，沒有任何并發癥。非常適合的植入到預先存在的缺陷如顱蓋骨或上頜骨缺損。然而，由于切除和重建應同時進行，可能的缺陷不能很容易地預先估計，因為切除的范圍可能會根據術中發現不同。因此，對于3D打印鈦種植體的成功應用，術前模擬應準確，術中切除指南應根據術前三維模型模擬外，還要考慮到骨骼和肌肉的相互作用與其他問題。

5.2眶壁骨折 雖然許多面部骨折可以用3D打印技術處理，但眶壁骨折是采用3D打印的理想模型，原理在于眶壁具有復雜的解剖結構，要達到理想的重建特別困難。對于眶壁修復如果不能達到精確程度，術后患者常出現眼球內陷或復視等并發癥的發生，主要原因在于眼眶壁骨折手術中手術視野有限，常常導致錯誤的平面重建。這些困難已被證實可以使用3D打印技術進行克服，術前周密的手術規劃可以防止異位植入材料。Oh等[15]通過對側眼眶的鏡像技術獲得基本信息源，可以在計算機軟件上模擬理想的同側眼眶結構，然后采用鈦合金植入物并結合MEDPORE生物材料，成功為104名患者進行眶壁重建。

5.3頜骨創傷 對于下頜骨創傷或醫源性缺失，下頜骨重建的理想狀態是不僅能在理想的位置恢復形態，而且具有足夠的骨量，能夠進行牙種植恢復拒絕功能。下頜骨重建大多是采用血管化腓骨肌皮瓣進行。形態的重建主要依賴于下頜骨的生理曲率，雖然也可以使用常規的方法重建，但3D打印技術能提供更精確的重建方式，包括腓骨截骨和固定導板[16-17]。此外，鈦合金植入物插入人體作為整體也具有可行性，可以直接3D打印個性化鈦合金關節修復顳下頜關節強直，相關文獻顯示該類患者重建效果與常規手術更為理想，但尚需遠期療效的分析 。

5.4正頜外科手術 關于在正頜外科手術中使用3D打印技術的文獻相對較多，主要集中于3D打印技術提供了理想的截骨指導和咬合夾板。對于LeFort I型、II型或III型截骨術而言，3D打印的I類模型是一種十分有效的的模擬工具[18]。然而值得注意的是，3D打印模型在準確性方面顯示出的誤差，導致與術中牙齒咬合狀態無法達到完全契合。這提示對于牙列，需要專業掃描設備才能獲得正頜外科手術理想的牙齒咬合夾板，同時也提示由于信息來源不同導致3D打印產生的誤差和變形不能忽視，這在正頜外科對精準度要求嚴格的領域顯得尤為突出。

6 總結

3D打印技術已應用于患者診療的全過程，在術前規劃、假體制作、醫患溝通及醫學教育等臨床實踐中有了較為成功的嘗試。3D打印模型準確地模擬面部精細的骨骼結構，在顱頜面創傷中的應用也越來越多。既往的文獻證實其有助于手術的可行性評估、降低手術難度并縮短手術時間，通過模型進行病情講解、術前溝通，患者或家屬對手術方式及風險有了更深刻的認識。盡管總體評價較高，但3D打印技術尚有一些不足之處：患者輻射暴露和手術成本的增加是不可忽視的因素；在著色方面，直接打印出彩色模型的成本太高，大多數患者難以承受，目前3D打印模型上的不同顏色部位依賴后期人工著色，存在一定的主觀性；影像過程中信息來源不同存在誤差，打印模型與真實情況也存在誤差，圖像分割不同可以表現為形態的細微誤差，尤其在導板設計會對術者產生誤導，在實施前可以先制作樣板在模型上進行校對。本文提到的用于術前規劃的軟件種類繁多，這也代表術前設計不是特別容易，需要大量的時間和努力，尤其計算機模擬中的分割過程比較費時的，未來更迫切能實現智能化和自動化[19]。

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