游離腓骨瓣重建上頜骨半側(cè)缺損數(shù)字化模擬和輔助設(shè)計(jì)

陳 誠,張琳梅,任文豪,高 嶺,李少明,程 政,郅克謙*

(1陜西省顱頜面精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安交通大學(xué)口腔醫(yī)院綜合科,西安 710004;2西安醫(yī)學(xué)院口腔醫(yī)學(xué)系;3青島大學(xué)附屬醫(yī)院口腔頜面外科;#共同第一作者;*通訊作者,E-mail:zhikeqian@sina.com)

在過去的幾十年里,頜面外科醫(yī)生嘗試了用多種方法重建頜骨缺損。腓骨因其可供給較充足的骨組織而被廣泛地應(yīng)用于下頜骨缺損的重建[1]。近年來其在上頜骨缺損的重建中也逐漸應(yīng)用起來[2]。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)主義的重建側(cè)重考慮腓骨移植的成活率,較少考慮恢復(fù)功能和美觀。目前,由于上頜骨的解剖特殊性和吻合特點(diǎn),外科重建主要集中于較大缺損的重建中。一些學(xué)者采用一段式游離腓骨,一端固定于近中的牙槽骨、另一端固定于顴骨、顴弓附近;而也有些采用了折疊的雙層游離腓骨移植來彌補(bǔ)腓骨的高度不足[3-5],當(dāng)然還有些醫(yī)者采用了更多腓骨段[6]。數(shù)字化醫(yī)學(xué)使得模型化的手術(shù)模擬可以在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行,這有利于頜面外科醫(yī)生制定詳細(xì)和精確的手術(shù)方案[7]。本研究利用醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)以及Mimics軟件對上頜骨半側(cè)缺損游離腓骨重建進(jìn)行了術(shù)前規(guī)劃、模擬以及重建,對重建的過程進(jìn)行了詳細(xì)的解讀,并對重建方案進(jìn)行了術(shù)前分析,旨在為需行游離腓骨重建上頜骨缺損的患者提供快速準(zhǔn)確的術(shù)前模擬和分析,同時(shí)便于頜面外科醫(yī)生實(shí)施手術(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究對象的數(shù)據(jù)來自1名男性志愿者,年齡33歲,身高170 cm,牙列完整,無義齒修復(fù)史,無植入物。咬合關(guān)系為個(gè)別理想,無外傷史,并簽署知情同意書。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集、分割以及三維重建 本研究通過CT(西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院影像中心)搜集志愿者骨組織數(shù)據(jù),取仰臥開口位(上下牙列分離);掃描范圍:鎖骨上至顱頂+腓骨全段,所獲掃描數(shù)據(jù)以DICOM3.0儲存。在Mimics16.0中,通過閾值法分割顱骨、下頜骨、牙齒、上頜骨以及腓骨組織[8];并且計(jì)算理想的三維可視化數(shù)據(jù)(見圖1)。

圖1 分割后牙齒、下頜骨、上頜骨、剩余顱骨的三維視窗Figure 1 The 3D visual of teeth, jaw and residual skull

1.3.2 鏡像重建和測量 根據(jù)Brown等[9]提出的上頜骨缺損的分類方法,擬定建立Brown Ⅱa類缺損。切除范圍類似半側(cè)Lefort Ⅱ型截骨線:經(jīng)淚骨、眶下緣、顴上頜縫,繞上頜骨外側(cè)壁向后至翼突。在Mimics16.0中的模擬模塊下進(jìn)行上頜骨半切術(shù)模擬。在medCAD模塊下創(chuàng)建基準(zhǔn)平面,以該平面鏡像健側(cè)上頜骨至左側(cè)缺損區(qū)域,調(diào)整鏡像后的數(shù)據(jù),與患側(cè)剩余的上頜骨盡量匹配(見圖2)。

A.截骨面位置正面觀B.切除后正面觀C.設(shè)置鏡像平面D.鏡像對側(cè)上頜骨圖2 模擬切除手術(shù)和鏡像Figure 2 Measurement of mirror and simulation of surgical operation

1.3.3 游離腓骨瓣重建上頜骨半側(cè)缺損三維模擬 通過閾值法分離CT中的腓骨。選定左側(cè)供區(qū)腓骨,將前嵴正對視線,外側(cè)面向下,內(nèi)側(cè)面向上根據(jù)鏡像頜骨測量數(shù)據(jù),截取粗切的腓骨。然后在同一視窗下對腓骨段進(jìn)行重建,通過移動和旋轉(zhuǎn)操作改變腓骨段的坐標(biāo)和位置,將其移至缺損區(qū)域。根據(jù)鏡像頜骨、牙齒來擺放腓骨段,要求腓骨段盡量與牙槽嵴的位置重合。然后對腓骨段進(jìn)行回切,設(shè)置新的截骨平面,得到最終確認(rèn)的腓骨段,圖3D示在腓骨相交處新建截骨平面,該平面位于腓骨段外側(cè)面夾角的分角線,與腓骨前嵴垂直(見圖3)。

1.3.4 外科重建輔助以及修復(fù)重建模擬 本研究擬定三組腓骨重建類型,組1為2段式;組2為3段式,組3為4段式(見圖4)。在3matic16.0下進(jìn)行個(gè)性化重建板、固定孔、螺釘、種植體(包含顴種植體)、修復(fù)上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),其參數(shù)見表1。具體如下:健側(cè)頜骨設(shè)定3個(gè)孔位,位置位于梨狀孔下約5 mm,平行于梨狀孔下緣分布;腓骨段1設(shè)定2個(gè)孔位;腓骨段2設(shè)定2個(gè)孔位;腓骨段3設(shè)定2個(gè)孔位;患側(cè)頜骨、顴骨殘端設(shè)定3個(gè)孔位。各孔位間距超過5 mm,分布依據(jù)頜骨表面的平坦度來確定。

A.鏡像頜骨下擺放腓骨段;B.參照下頜骨擺放腓骨段;C.回切前腓骨段;D.回切后腓骨段圖3 腓骨段擺放和回切Figure 3 Setting and failback for segments of fibula

表1外科重建輔助和修復(fù)裝置模擬參數(shù)設(shè)定

Table1Parametersofsurgicalreconstructiveandrehabi-litativedevices

外科輔助和修復(fù)設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)值(mm)個(gè)性化重建板(彎板)厚度3.0寬度2.0間隙0.5固定螺釘內(nèi)徑2.0骨外高度2.0顴種植體 直徑4.0長度50.0牙種植體直徑4.0長度11.0上部結(jié)構(gòu)支架厚度2.0

2 結(jié)果

2.1 腓骨段設(shè)計(jì)和擺放

本研究中組1為2段式單層腓骨重建:段1遠(yuǎn)心端與健側(cè)剩余牙槽嵴固定,段1與段2之間彎曲角度后端端固定,段2近心端通過重建板固定于顴骨。段1外表面與牙槽骨外表面對齊,前脊朝向根方,與牙槽骨的截面形態(tài)保持一致。段2占據(jù)整個(gè)后牙牙槽骨,輕微外移段2后端,以保證能順利使用重建板固定(見圖4A)。

組2為3段式單層腓骨重建:段1遠(yuǎn)心端與健側(cè)剩余牙槽嵴固定,段1與段2之間彎曲角度后端端固定,段2與段3之間彎曲后端端固定,連接部位位于26牙槽窩的位置;段3近心端固定于上頜骨截骨殘端(見圖4B)。

組3為4段式雙層腓骨重建:段1的遠(yuǎn)心端與顴骨固定;段1與段2之間彎曲角度后端端固定;段3則向下水平翻轉(zhuǎn),層疊于段2下方,遠(yuǎn)心端朝向健側(cè)上頜骨截面,近心端與段4遠(yuǎn)心端彎曲角度后端端固定;段4近心端位于上頜骨殘端附近,層疊于段1的下方,但與其不平行,其方向和位置盡量與牙槽骨一致(見圖4C)。

2.2 腓骨三維重建上頜骨半側(cè)缺損模擬

對2段式、3段式、4段式修復(fù)方案分別進(jìn)行個(gè)性化重建板、固定螺絲、常規(guī)種植體、顴種植體以及上部結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行模擬,結(jié)果見圖5。

2.3 腓骨段的測量

我們對重建后的腓骨段進(jìn)行了測量,讀取了一些基本的數(shù)據(jù),以供手術(shù)參考。各腓骨段的長度為粗略測量,以外表面的直線距離為準(zhǔn)。各腓骨段的長度為其最長距離。而總長為包括楔形的截骨的長度。

3 討論

近年來,由于數(shù)字化技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展,越來越多的醫(yī)者借助數(shù)字化技術(shù)來精確輔助外科手術(shù)的實(shí)施,在口腔頜面外科也不例外。眾所周知,游離腓骨瓣是重建頜骨較大缺損經(jīng)典術(shù)式之一,其很早就應(yīng)用于上下頜骨的重建[10-12]。而數(shù)字化輔助提高了這一術(shù)式的精確度,并縮短了手術(shù)時(shí)間。孫堅(jiān)等[13]對10例患者實(shí)施了CAD/CAM和3D打印輔助的腓骨肌瓣聯(lián)合RFFF修復(fù)上頜骨缺損,雖然早期的技術(shù)有限,醫(yī)者和患者對術(shù)后重建的結(jié)果仍然較為滿意。Lethaus等[14]報(bào)道了1例采用CAD/CAM和3D打印輔助游離腓骨瓣重建Ⅲb類上頜骨半側(cè)缺損的患者,術(shù)中運(yùn)用鏡像模型預(yù)彎了眶部的鈦網(wǎng);結(jié)果顯示腓骨塑形和位置完全正確。Sun等[15]運(yùn)用游離腓骨瓣聯(lián)合鈦網(wǎng)以及顴種植體來同期或二期重建Ⅲ類較高位的上頜骨缺損,結(jié)果表示聯(lián)合運(yùn)用于上頜骨重建的腓骨、鈦網(wǎng)以及顴種植體是一個(gè)可靠、可接受的高成功率的重建方案。Wang等[16]采用CAD/CAM和RP技術(shù)對18例上頜骨缺損患者進(jìn)行了游離腓骨瓣重建,并與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行了比較;結(jié)果表明CAD/CAM和RP輔助組在手術(shù)時(shí)間、腓骨段位置的精確性方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)組。

A.2段式腓骨重建模擬B.3段式腓骨重建模擬C.重疊4段式腓骨重建模擬圖4 腓骨重建模擬Figure 4 Reconstructive simulation of fibula for maxillary defect

A. 2段式修復(fù)固定方案和修復(fù)模擬B. 3段式固定方案和修復(fù)模擬 C. 4段式固定方案和修復(fù)模擬圖5 腓骨段修復(fù)重建板、種植體以及上部結(jié)構(gòu)模擬Figure 5 Simulation of reconstructive bone and plate, implants and upper structure

表2各組腓骨段測量數(shù)據(jù)(cm)

Table2Dataofmeasurementforfibulasegementsin3groups(cm)

重建組段1段2段3段4總長組12.134.076.35組21.972.502.98.40組33.001.901.73.8212.15

雖然數(shù)字化醫(yī)療已經(jīng)廣泛應(yīng)用于該術(shù)式,但是臨床上往往在術(shù)前容易忽略重建骨的三維位置。回顧文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)游離骨皮瓣移植聯(lián)合即刻或延遲種植體植入的臨床應(yīng)用的失敗率接近10%-30%[17]。重建的牙種植體在一個(gè)相對不均衡的力學(xué)范圍,植入移植骨的植體比植入牙槽骨或自然牙的高度低,其受力可能會在局部不均衡,最終導(dǎo)致骨量喪失、種植體松脫[18]。而預(yù)彎的重建板一方面缺乏精確定位,影響咬合關(guān)系及髁突位置的準(zhǔn)確定位;另一方面存在應(yīng)力集中,容易發(fā)生重建后早期的重建板斷裂以及功能負(fù)荷后的重建板松脫[19]。還有一個(gè)可能的因素就是放療,其在破壞腫瘤細(xì)胞的同時(shí),也殺傷了正常的骨組織、腺體和軟組織,這會增加軟硬組織感染的機(jī)率而導(dǎo)致種植體和重建板的暴露[20]。所以更加精確的定位方法和重建附件的改善是有必要的,術(shù)前模擬的功能評估也是必不可少的。本研究通過Mimics軟件處理患者醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù),模擬腓骨重建上頜骨半側(cè)缺損,術(shù)前快速建立不同設(shè)計(jì)的腓骨重建上頜骨半側(cè)缺損的三維模型,設(shè)計(jì)生成個(gè)性化重建板、螺釘?shù)娜S數(shù)據(jù);并且模擬二期種植修復(fù)重建方案,為頜面外科以及修復(fù)重建醫(yī)者提供一個(gè)整體的思路。

對于上頜骨半側(cè)缺損的腓骨重建來說,腓骨段的設(shè)計(jì)和擺放位置對于手術(shù)和重建均相當(dāng)重要。本研究模擬上頜骨半側(cè)缺損,以同一研究對象腓骨段進(jìn)行重建設(shè)計(jì),分別建立2段式、3段式和4段式修復(fù)方案,頜面外科醫(yī)生可結(jié)合個(gè)案的具體情況來完成外科重建的選擇。研究表明,除了下段(8-10 cm)以維持踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性以外,腓骨大約可以提供25-28 cm長的皮質(zhì)骨段,其吻合血管蒂的長度在7-11 cm[21]。本研究中,2段式修復(fù)需要的總長度約6.35 cm,可獲得較長的吻合血管蒂。而3段式腓骨重建其塑形段的總長度約為8.5 cm;其吻合的部位傾向于顳淺動脈;而4段式設(shè)計(jì)為雙層,其需要的骨段總長最長,而其可獲得的吻合支較短。可見,腓骨分段越多,外科重建考量的因素則越多,術(shù)前的準(zhǔn)確分析和測量則非常有必要。

本案例中,所有重建方案中腓骨的位置均依據(jù)對側(cè)鏡像頜骨、患側(cè)牙列、下頜牙列來手動完成。本文作者認(rèn)為楔形截骨的旋轉(zhuǎn)在不影響血管蒂血供原則下盡可能按照牙槽突的位置擺放,其在功能重建后的生物力學(xué)分布可能會更好。另外,本研究中所有重建方案均考慮了截骨線的設(shè)計(jì)和血管蒂的關(guān)系。如3段式楔形截骨在段1和段2之間為傳統(tǒng)截骨[22],底邊位于內(nèi)側(cè);而段2與段3之間為改良截骨[23],底邊位于腓骨的前嵴。再者,雙層腓骨可獲得充足的骨高度,但是以往的案例中腓骨雙層大多是將兩個(gè)腓骨段按照固定于截骨后的殘端,并未充分考慮功能重建的合理性[4]。本研究中考慮到骨愈合的連續(xù)性以及功能應(yīng)用的穩(wěn)定性,本設(shè)計(jì)中下層2段位于牙槽嵴,上層2段分別連接近中梨狀孔和遠(yuǎn)端的截骨線。可見,準(zhǔn)確地模擬腓骨段的三維位置以及截骨線有利于術(shù)前進(jìn)行外科和修復(fù)的可行性分析。

CAD/CAM以及3D打印技術(shù)輔助商業(yè)化重建板重建頜骨缺損基本步驟為:①重建手術(shù)的三維模擬;②截骨導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與制作;③成品鈦板預(yù)彎模型生成。在過去的很多年里,該方法為大多數(shù)醫(yī)者們逐漸采納[24-26]，其有效地提高了精確性,縮短了手術(shù)時(shí)間。但是對于該方法來說也存在一些缺陷:其一,預(yù)彎鈦板并不能被動地適應(yīng)重建后的骨表面;其二,成品的重建板固定位置存在偶然性和隨機(jī)性,并不能精確再現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬的重建骨的三維位置,這會給同期或后續(xù)功能修復(fù)設(shè)計(jì)帶來較大的誤差；其三,重建的定位通過商業(yè)化預(yù)彎的重建板來輔助定位,缺乏對重建元素(腓骨段+頜骨殘端)的精確定位,缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃。本研究預(yù)先設(shè)計(jì)的個(gè)性化板在醫(yī)生確定后可以運(yùn)用CAD/CAM或者3D打印的方法快速生成。能夠提供更好的被動適應(yīng)性。Frank等[27]在新鮮尸體上重建了Ⅱc類大范圍的下頜骨缺損,游離腓骨在精確的截骨導(dǎo)板和個(gè)性化重建板的輔助下精確地固定于下頜骨的殘端。可見,個(gè)性化重建板的使用可以使游離腓骨重建頜骨缺損更加準(zhǔn)確、快速;而且隨著CAD/CAM和3D打印技術(shù)的發(fā)展,復(fù)雜的個(gè)性化重建板設(shè)計(jì)和制作將變得更加簡單和快速。

綜上所述,數(shù)字化模型的生成有助于醫(yī)者制定詳細(xì)而完善的骨移植計(jì)劃,術(shù)前的手術(shù)模擬可以快速地建立游離腓骨重建上頜骨半側(cè)缺損的可視化方案,為進(jìn)一步精確輔助術(shù)者定位和設(shè)計(jì)生成重建板和導(dǎo)板數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。