引用本文： 沈聰聰, 張艷, 李青峰, 朱明, 侯亦康, 曲淼, 許祐榮, 柴崗. 3-D打印技術制備人工骨修復下頜角截骨整形術后骨缺損. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(3): 300-303. doi: 10.7507/1002-1892.20140068 復制
下頜角肥大表現為下頜角骨質向后增生突出及側向向外翻轉，導致面下部過寬。因不符合傳統的東方審美觀，要求行下頜角截骨整形術的患者在亞洲非常多見。成功的手術可使臉型和下頜角形態得到改善，且不影響正常口腔生理功能。目前下頜角截骨整形術多采用口內入路，因手術視野受限，對手術器械及術者經驗和技巧均有較高要求，術后易出現雙側下頜骨不對稱等并發癥。對于發生下頜骨不對稱的患者，通常需行下頜骨修復重建術。下頜骨缺損修復方法包括自體骨移植、人工骨移植以及自體加人工材料復合物移植。自體骨移植會繼發供區損傷，且手術時間較長；而同種異體骨移植具有傳播疾病和免疫排斥風險。因此，應用人工骨修復下頜骨不對稱畸形是理想選 擇。
制作個性化、能與缺損區完美契合的顱頜面假體，是一項巨大挑戰。CT技術的出現及發展，使得醫學影像可以在不同層面觀察和三維重建，也使基于離散、逐層堆積成型原理的快速成型技術得以實現。19世紀80年代，快速成型技術開始應用于基于CT掃描數據的實物模型打印。此后，該技術在生物醫學領域得到廣泛應用 [1]，其中3-D打印技術在臨床應用最廣泛。通過3-D打印技術制作人工骨可顯著減少手術時間，提高頜面部假體的質量和精確性，目前已逐步應用于臨床[2-3]。
2011年4月－2013年6月，我院收治23例曾行下頜角截骨整形術的患者，均伴下頜骨不對稱及形態不滿意等，我們應用3-D打印技術結合三維CT數據和計算機輔助設計制作個性化人工骨，用以修復下頜角截骨整形術后骨缺損，矯正下頜骨不對稱，取得了較好效果。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
本組患者均為女性，年齡22～34歲，平均27歲。患者均接受下頜角截骨整形術，術后雙側下頜骨形態不對稱，下頜骨缺損均不涉及顳頜關節，無咬合及咀嚼功能障礙。下頜角截骨整形術至此次修復術時間為6～16個月，平均12個月。
1.2 頭顱三維影像獲取
術前均采用Light Speed 16 排螺旋CT（GE公司，美國）進行頭顱掃描（5 mm 體積掃描），球管電流180 mA，電壓120 kV，矩陣512 × 512，厚1.25 mm薄層三維重建，數據以DICOM格式刻盤保存。
1.3 人工骨模型三維設計和3-D打印
將CT數據導入Mimics10.01軟件（Materialise公司，比利時）進行頭顱骨三維重建，進行CT數據分割分離上頜骨與下頜骨，在斷層影像中調整影像對比度，設置合適的數據選取閾值，過濾骨骼組織。根據健側下頜骨形態，應用鏡像原理設計對側缺損的下頜骨；然后將數據轉化為STL格式，輸入Z Corp快速成型打印機（Z Corporation公司，美國），采用快速成型粉（材料為羥基磷灰石）打印頭顱三維模型及缺損的下頜骨模型，提供給廠方根據模型制作相應的人工骨。
1.4 手術方法
患者經鼻氣管插管全麻下，經口內下頜支前緣切開，切口自咬合平面斜向下達第1磨牙近中頰側前庭溝底，深達骨面，用骨膜剝離器在骨膜下剝離，使下頜骨外板充分暴露，根據術前模擬方案調整人工骨骨塊位置，使之與下頜骨缺損區域達緊密貼合，用2～3枚7 mm長鈦釘固定人工骨。沖洗術野，分層縫合創口。術后常規抗感染治療，術后1周流質飲食，2周拆線。
2 結果
本組手術時間40～60 min，平均50 min。術后口內切口均Ⅰ期愈合，無感染、血腫、張口困難等并發癥發生。23例均獲隨訪，隨訪時間3～10個月，平均6.7 個 月。患者雙側下頜骨形態對稱，面部對稱性顯著改善；術后3個月CT三維重建檢查示人工骨契合度滿意。見圖 1。
圖1
患者，女，24歲，下頜角截骨整形術后1年行下頜角修復術 ? 術前CT三維重建示雙側下頜角形態不對稱，右側缺損范圍過大 ? 基于鏡像原理，根據健側下頜骨設計對側下頜骨缺損骨塊 ? 術前正面觀 ? 術前側面 ? 術前仰面觀 ? 術后3個月正面觀 ? 術后3個月側面觀 ? 術后3個月仰面觀 ? 術后3個月CT三維重建示雙側下頜骨對稱性明顯改善
Figure1.
A 24-year-old female patient,who received mandible repair after 1 year of mandibular angle ostectomy ? 3-D CT reconstructive image before operation,showing mandibular asymmetry deformity,the right side has larger defect than left side ? The defect side of mandible was simulated according to the contralateral side based on mirror theory ? Front view before operation ? Lateral view before operation ? Face up view before operation ? Front view at 3 months after operation ? Lateral view at 3 months after operation ? Face up view at 3 months after operation ? 3-D CT reconstructive image at 3 months after operation,showing remarkable symmetry improvement of the mandible
3 討論
快速成型技術是基于離散、堆積原理，通過計算機自動化逐層疊加成型，對結構復雜的物理模型進行快速制作的綜合技術。其最顯著特點是能在很短時間內制造出各種復雜實物的原型。在醫學領域中，快速成型技術惟一采用刪減技術的是研磨法，其他則主要采用逐層疊加技術，包括3-D打印、立體光刻、激光燒結、熔積鑄模技術[4]。3-D打印技術的過程包括：獲取三維圖像數據，通過計算機輔助設計系統將各種數字信息和圖形信息進行模型設計，隨后將建立的模擬三維模型數據格式轉換為STL格式，最后計算機程序對模型進行分析，并行逐層截面切分，最終將分層截面逐層結合疊加，創造出三維實體模型 [5]。其中三維模型數據可通過CT、MRI、激光掃描、立體測量技術和其他光學掃描方法獲得，其準確性決定了模型制作的精確程度。現有的CT掃描可達到約1 mm的切片厚度，足以滿足三維重建的精確性要求。應用3-D打印技術制作患者解剖結構的替換品，可簡化手術及假體制作步驟。假體模型主要用于疾病診斷、顱頜面假體制作，以及醫患溝通；由于絕大部分操作是在工廠加工進行，因此可顯著縮短手術時間。據報道，3-D打印模型的空間誤差平均值＜ 2 mm，對手術成功與否幾乎無影響[6-7]。本研究采用的快速成型機為3-D打印機，因此模型制作的精確程度足以保證手術成功率。
3-D打印技術首先應用于機械工程領域，現在在醫學領域也得到了廣泛推廣應用，尤其是在術前手術設計和假體制作方面。通過計算機模擬及3-D打印實體模型，可進行各種術前正頜截骨術和骨移動模擬，使術后效果達到美觀和功能兼顧，節省手術及術后恢復時間，且術中操作更準確，顯著減少術后并發癥[8-9]。計算機輔助設計和3-D打印技術制作的個性化假體，在顳骨重建、眼眶基底重建、下頜骨重建等領域也已得到了廣泛應用[10-13]。本研究根據三維CT數據設計個性化下頜骨假體，通過逆向工程軟件基于鏡像原理以健側圖像為基礎進行數據處理和操作，三維重塑的下頜骨足以恢復面部輪廓和對稱性；最后利用快速成型技術將患者頭顱模型及虛擬的下頜骨缺損骨塊圖像打印成實物模型。
下頜角雙側不對稱是下頜角截骨整形術后常見并發癥，患者對于再次手術的修復效果較為嚴苛，這也對顱頜面外科醫師提出了更高要求。下頜骨不僅影響面部輪廓及美觀，還承載著咬合及咀嚼等功能，因此在下頜骨修復重建的同時需要考慮功能及美學問題。自體骨移植是下頜骨修復重建的金標準，但需要第2供區并進行術中雕刻，所需手術時間較長[14]。近來不斷發展的人工骨材料為下頜骨修復重建提供了新選擇[15]。現有的人工骨材料具有良好的生物相容性或化學惰性，低熱或無熱傳導，CT、MRI檢查時不產生偽影，重量與骨組織相當或更輕，有強大的抗壓性能，易于操作并價格相對低廉 [16-17]。下頜角截骨整形術后繼發下頜骨不對稱的患者，通常不涉及下頜張口、咀嚼等功能障礙，因此人工骨是修復不對稱畸形的不二之選。本研究采用的人工骨材料為羥基磷灰石粉，該材料具有良好的生物相容性，炎性反應小，允許宿主組織長入，吸收量有限；但缺點是材質較脆，術中難以塑形。我們通過3-D打印技術在術前設計個性化人工骨形態，很好地解決了術中雕刻難的問題，同時也節省了手術時間。本組行人工骨下頜角修復術后均取得了令人滿意的矯正效果。
綜上述，采用3-D打印技術結合三維CT影像和計算機輔助設計制備人工骨，修復下頜角截骨整形術后骨缺損，大大縮短了手術操作時間，為臨床醫師提供了一種良好選擇。但本組患者隨訪時間較短，植入的人工骨長期穩定性及其對周圍骨組織的影響尚需進一步隨訪觀 察。
下頜角肥大表現為下頜角骨質向后增生突出及側向向外翻轉，導致面下部過寬。因不符合傳統的東方審美觀，要求行下頜角截骨整形術的患者在亞洲非常多見。成功的手術可使臉型和下頜角形態得到改善，且不影響正常口腔生理功能。目前下頜角截骨整形術多采用口內入路，因手術視野受限，對手術器械及術者經驗和技巧均有較高要求，術后易出現雙側下頜骨不對稱等并發癥。對于發生下頜骨不對稱的患者，通常需行下頜骨修復重建術。下頜骨缺損修復方法包括自體骨移植、人工骨移植以及自體加人工材料復合物移植。自體骨移植會繼發供區損傷，且手術時間較長；而同種異體骨移植具有傳播疾病和免疫排斥風險。因此，應用人工骨修復下頜骨不對稱畸形是理想選 擇。
制作個性化、能與缺損區完美契合的顱頜面假體，是一項巨大挑戰。CT技術的出現及發展，使得醫學影像可以在不同層面觀察和三維重建，也使基于離散、逐層堆積成型原理的快速成型技術得以實現。19世紀80年代，快速成型技術開始應用于基于CT掃描數據的實物模型打印。此后，該技術在生物醫學領域得到廣泛應用 [1]，其中3-D打印技術在臨床應用最廣泛。通過3-D打印技術制作人工骨可顯著減少手術時間，提高頜面部假體的質量和精確性，目前已逐步應用于臨床[2-3]。
2011年4月－2013年6月，我院收治23例曾行下頜角截骨整形術的患者，均伴下頜骨不對稱及形態不滿意等，我們應用3-D打印技術結合三維CT數據和計算機輔助設計制作個性化人工骨，用以修復下頜角截骨整形術后骨缺損，矯正下頜骨不對稱，取得了較好效果。報告如下。
1 臨床資料
1.1 一般資料
本組患者均為女性，年齡22～34歲，平均27歲。患者均接受下頜角截骨整形術，術后雙側下頜骨形態不對稱，下頜骨缺損均不涉及顳頜關節，無咬合及咀嚼功能障礙。下頜角截骨整形術至此次修復術時間為6～16個月，平均12個月。
1.2 頭顱三維影像獲取
術前均采用Light Speed 16 排螺旋CT（GE公司，美國）進行頭顱掃描（5 mm 體積掃描），球管電流180 mA，電壓120 kV，矩陣512 × 512，厚1.25 mm薄層三維重建，數據以DICOM格式刻盤保存。
1.3 人工骨模型三維設計和3-D打印
將CT數據導入Mimics10.01軟件（Materialise公司，比利時）進行頭顱骨三維重建，進行CT數據分割分離上頜骨與下頜骨，在斷層影像中調整影像對比度，設置合適的數據選取閾值，過濾骨骼組織。根據健側下頜骨形態，應用鏡像原理設計對側缺損的下頜骨；然后將數據轉化為STL格式，輸入Z Corp快速成型打印機（Z Corporation公司，美國），采用快速成型粉（材料為羥基磷灰石）打印頭顱三維模型及缺損的下頜骨模型，提供給廠方根據模型制作相應的人工骨。
1.4 手術方法
患者經鼻氣管插管全麻下，經口內下頜支前緣切開，切口自咬合平面斜向下達第1磨牙近中頰側前庭溝底，深達骨面，用骨膜剝離器在骨膜下剝離，使下頜骨外板充分暴露，根據術前模擬方案調整人工骨骨塊位置，使之與下頜骨缺損區域達緊密貼合，用2～3枚7 mm長鈦釘固定人工骨。沖洗術野，分層縫合創口。術后常規抗感染治療，術后1周流質飲食，2周拆線。
2 結果
本組手術時間40～60 min，平均50 min。術后口內切口均Ⅰ期愈合，無感染、血腫、張口困難等并發癥發生。23例均獲隨訪，隨訪時間3～10個月，平均6.7 個 月。患者雙側下頜骨形態對稱，面部對稱性顯著改善；術后3個月CT三維重建檢查示人工骨契合度滿意。見圖 1。
圖1
患者，女，24歲，下頜角截骨整形術后1年行下頜角修復術 ? 術前CT三維重建示雙側下頜角形態不對稱，右側缺損范圍過大 ? 基于鏡像原理，根據健側下頜骨設計對側下頜骨缺損骨塊 ? 術前正面觀 ? 術前側面 ? 術前仰面觀 ? 術后3個月正面觀 ? 術后3個月側面觀 ? 術后3個月仰面觀 ? 術后3個月CT三維重建示雙側下頜骨對稱性明顯改善
Figure1.
A 24-year-old female patient,who received mandible repair after 1 year of mandibular angle ostectomy ? 3-D CT reconstructive image before operation,showing mandibular asymmetry deformity,the right side has larger defect than left side ? The defect side of mandible was simulated according to the contralateral side based on mirror theory ? Front view before operation ? Lateral view before operation ? Face up view before operation ? Front view at 3 months after operation ? Lateral view at 3 months after operation ? Face up view at 3 months after operation ? 3-D CT reconstructive image at 3 months after operation,showing remarkable symmetry improvement of the mandible
3 討論
快速成型技術是基于離散、堆積原理，通過計算機自動化逐層疊加成型，對結構復雜的物理模型進行快速制作的綜合技術。其最顯著特點是能在很短時間內制造出各種復雜實物的原型。在醫學領域中，快速成型技術惟一采用刪減技術的是研磨法，其他則主要采用逐層疊加技術，包括3-D打印、立體光刻、激光燒結、熔積鑄模技術[4]。3-D打印技術的過程包括：獲取三維圖像數據，通過計算機輔助設計系統將各種數字信息和圖形信息進行模型設計，隨后將建立的模擬三維模型數據格式轉換為STL格式，最后計算機程序對模型進行分析，并行逐層截面切分，最終將分層截面逐層結合疊加，創造出三維實體模型 [5]。其中三維模型數據可通過CT、MRI、激光掃描、立體測量技術和其他光學掃描方法獲得，其準確性決定了模型制作的精確程度。現有的CT掃描可達到約1 mm的切片厚度，足以滿足三維重建的精確性要求。應用3-D打印技術制作患者解剖結構的替換品，可簡化手術及假體制作步驟。假體模型主要用于疾病診斷、顱頜面假體制作，以及醫患溝通；由于絕大部分操作是在工廠加工進行，因此可顯著縮短手術時間。據報道，3-D打印模型的空間誤差平均值＜ 2 mm，對手術成功與否幾乎無影響[6-7]。本研究采用的快速成型機為3-D打印機，因此模型制作的精確程度足以保證手術成功率。
3-D打印技術首先應用于機械工程領域，現在在醫學領域也得到了廣泛推廣應用，尤其是在術前手術設計和假體制作方面。通過計算機模擬及3-D打印實體模型，可進行各種術前正頜截骨術和骨移動模擬，使術后效果達到美觀和功能兼顧，節省手術及術后恢復時間，且術中操作更準確，顯著減少術后并發癥[8-9]。計算機輔助設計和3-D打印技術制作的個性化假體，在顳骨重建、眼眶基底重建、下頜骨重建等領域也已得到了廣泛應用[10-13]。本研究根據三維CT數據設計個性化下頜骨假體，通過逆向工程軟件基于鏡像原理以健側圖像為基礎進行數據處理和操作，三維重塑的下頜骨足以恢復面部輪廓和對稱性；最后利用快速成型技術將患者頭顱模型及虛擬的下頜骨缺損骨塊圖像打印成實物模型。
下頜角雙側不對稱是下頜角截骨整形術后常見并發癥，患者對于再次手術的修復效果較為嚴苛，這也對顱頜面外科醫師提出了更高要求。下頜骨不僅影響面部輪廓及美觀，還承載著咬合及咀嚼等功能，因此在下頜骨修復重建的同時需要考慮功能及美學問題。自體骨移植是下頜骨修復重建的金標準，但需要第2供區并進行術中雕刻，所需手術時間較長[14]。近來不斷發展的人工骨材料為下頜骨修復重建提供了新選擇[15]。現有的人工骨材料具有良好的生物相容性或化學惰性，低熱或無熱傳導，CT、MRI檢查時不產生偽影，重量與骨組織相當或更輕，有強大的抗壓性能，易于操作并價格相對低廉 [16-17]。下頜角截骨整形術后繼發下頜骨不對稱的患者，通常不涉及下頜張口、咀嚼等功能障礙，因此人工骨是修復不對稱畸形的不二之選。本研究采用的人工骨材料為羥基磷灰石粉，該材料具有良好的生物相容性，炎性反應小，允許宿主組織長入，吸收量有限；但缺點是材質較脆，術中難以塑形。我們通過3-D打印技術在術前設計個性化人工骨形態，很好地解決了術中雕刻難的問題，同時也節省了手術時間。本組行人工骨下頜角修復術后均取得了令人滿意的矯正效果。
綜上述，采用3-D打印技術結合三維CT影像和計算機輔助設計制備人工骨，修復下頜角截骨整形術后骨缺損，大大縮短了手術操作時間，為臨床醫師提供了一種良好選擇。但本組患者隨訪時間較短，植入的人工骨長期穩定性及其對周圍骨組織的影響尚需進一步隨訪觀 察。
