采用自主方法设计用于上颌骨重建的CAD/CAM手术导板

摘要

展示了计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）手术导板的设计方法。通过分离、合并和增厚切割平面，可直观显示所需的骨组织转移量。这些设计可进行三维打印，并用于准确性验证。

摘要

计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）目前正被评估作为一种用于颌面外科手术的预备技术。由于该技术成本较高且在全球范围内仅在有限地区可用，我们开发了一种基于自主方法的新型CAD/CAM手术导板。通过使用CAD软件，确定上颌切除区域、截骨平面以及腓骨的截骨平面和角度。一旦确定切除区域，即利用布尔修改器提取所需表面。这些表层表面被整合以贴合骨面，并增厚以稳定实体结构。不仅腓骨和上颌的截骨导板，而且移植骨段的位置排列也通过增厚表层表面来确定。CAD设计以.stl文件格式保存，并通过三维（3-D）打印制成实际的手术导板。为验证导板的准确性，使用3D打印的面部和腓骨模型进行模拟手术。这些方法可用于在无法获得商用导板的情况下辅助外科医生进行手术。

引言

近年来，CAD/CAM 技术在牙科和义齿制作中的应用日益增多。随着 CAD/CAM 技术的发展，目前在恶性肿瘤经广泛性肿瘤切除术后下颌骨重建领域，也开始采用基于 CAD/CAM 的骨皮瓣移植技术^1,2,3。一些西方国家的公司已开始供应并销售用于下颌区域的 CAD/CAM 导板。下颌骨的 CAD/CAM 重建被认为在精确性方面具有优势^{4,5,6,7,8,9,10,11}。然而，该技术的缺点在于其在全球范围内仅限于少数地区可用，且费用昂贵¹²。因此，CAD/CAM 技术在上颌骨缺损重建中的应用尚未普及。上颌骨重建的病例数量少于下颌骨，且商业化的导板并不常见。

由于商业化的上颌CAD/CAM导板未在日本销售，我们采用内部方法开发了CAD/CAM手术导板。CAD/CAM导板的临床有效性已有报道^{13,14,15,16,17,18,19}，但尚无关于其设计方法的报告。本报告的目的是展示一种低成本的内部CAD/CAM设计方法。

方案

本研究经作者所在机构审查委员会批准，所有患者均签署了书面知情同意书。

1. 材料准备

1. 使用个人计算机、面部骨骼和腓骨的计算机断层扫描（CT）数据、InVesalius²⁰等转换软件，以及三维（3-D）CAD软件（例如，Blender²¹）。
   注意：建议使用最大厚度为1 mm的CT数据切片，以实现精确设计。在实际手术模拟中，应使用患者的CT数据；在研究中，可使用免费的人体三维数据²²。
2. 使用3-D打印机²³、螺钉、金属板和小型锯，不仅用于检查设计，还用于验证实物及结果。
   注意：本研究为实验性研究。金属板、螺钉和小型锯可用于模型手术。也可使用3-D打印机打印塑料固定板，与手术导板一同制作。
3. 使用InVesalius²⁰将面部骨骼和腓骨的影像数据转换为三维数据（.stl格式）。
   注意：CT数据本质上以二维（2-D）图像形式记录，因此在使用三维数据前，必须将其转换为三维数据。免费软件即可满足此需求。本报告不详述如何将数据转换为三维文件，相关教学视频和指南可在其他地方获取。
4. 将每个.stl文件导入Blender²¹。
   注意：CAD软件通常可接受.stl格式的三维文件。首先，应通过导入操作在特定CAD软件中打开上颌骨和腓骨的.stl文件。

2. 设计

1. 确定骨切除区域并构建骨缺损模型
   1. 确定需要切除的区域。
      注意：在此实验性模拟手术中，上颌骨的任何部分均可设为切除区域。由于全上颌骨切除术后的重建较为困难，初学者可仅选择上颌骨的一小部分作为切除区域。在临床实践中，耳鼻喉科医生将根据肿瘤侵犯范围决定切除区域。
   2. 创建一个大平面，并在对象模式下将其放置于待切除区域的边界处（图1a 和 1b）。随后添加第二个平面（图1b–1d），并继续添加，直至这些平面完全包围待切除区域。在对象模式下将这些平面合并为一个整体。
   3. 在编辑模式下，选中所有这些平面的顶点，并通过创建边和面将它们相互连接（图1e），以完全包围待切除区域。
      注意：应复制并保留这些切除平面，因为在构建切除实体时，原始平面将被使用并丢弃。本研究建议每次均复制每个平面和实体，以便后续重复使用。
   4. 在编辑模式下，使用布尔修改器从面部骨骼中减去可切除的实体。由此得到一个被削除的面部骨骼（图1f），即为上颌骨缺损模型。
2. 放置腓骨
   1. 将一段腓骨放置于上颌骨缺损区域（图2a）。在腓骨上选取两个位置（距腓骨头远端8 cm处和距外踝近端5 cm处）放置小立方体作为标记（图2中显示为紫色小立方体）。
      注意：在临床实践中，可用于移植的腓骨范围为距腓骨头远端8 cm至距外踝近端5 cm之间。通过此标记，可清晰识别可用的骨段区域。
   2. 在对象模式下，将小立方体设置为腓骨的子对象（父级设定）。
   3. 在上颌骨缺损区域中需要重建的多个位置放置小立方体作为标记。通过此标记可提高关键重建点的可视性。
   4. 若腓骨从正中线开始放置，则在对象模式下将其与牙槽骨前缘对齐。
   5. 将先前设定的上颌骨正中截骨平面作为第一段腓骨截骨平面（图2b）。
   6. 在对象模式下适当位置添加新的截骨平面（图2c），并将该新平面设置为腓骨的子对象（父级设定）。
      注意：通过将新截骨平面设为腓骨的子对象，即使移动腓骨，该平面与腓骨之间的相对方位关系也将始终保持不变。被这两个截骨平面包围的腓骨区域即为第一段腓骨块。
   7. 在对象模式下复制腓骨及两个截骨平面（保持父级设定）。将此复制的腓骨（两端各带一个截骨平面，包含第一骨块区域）移至需要进行第二次重建的区域（图2e），以规划第二段腓骨块。
   8. 在对象模式下添加新平面，设定第二段截骨平面。
      注意：第一和第二截骨平面将成为第二段腓骨块的两端。若需第三段骨块，可依相同步骤继续添加。相邻腓骨块之间的间隙长度应保持适当。
      注意：第一与第二骨块之间的间隙被认为是实现舒适截骨的关键。若间隙较宽，操作空间充足，截骨较为容易，但会浪费部分血管长度；反之，若间隙较窄，截骨操作将较困难，但可通过减少未使用骨段的浪费来优化第二或第三骨块的设计。
3. 设计腓骨截骨导板
   1. 在对象模式下仅显示腓骨及截骨平面，用于设计腓骨截骨导板（图3a）。
   2. 在编辑模式下，沿边滑动顶点，将每个截骨平面缩小至仅占腓骨截面面积的一半（图3b–3d）。
      注意：截骨导板的贴合面为腓骨外侧。由于供血血管位于腓骨内侧，因此导板不设计在内侧。
   3. 在对象模式下将两端的两个平面合并，形成一个实体（图4a–4e）。在编辑模式下选中所有平面的顶点，并通过创建边和面将它们连接，形成一个长方体实体。
   4. 使用布尔修改器从该长方体实体中减去腓骨（图5a–5c）。
      注意：该减法操作所得表面与腓骨外侧完全贴合。此过程需在每一个必要的腓骨块上重复进行。
   5. 在对象模式下将每个减法所得实体合并为一个整体。
   6. 在减法所得实体附近放置一个立方体（图5d）。拉伸其面以形成支柱（图5e–5g），并将这些支柱与减法实体合并。此即为腓骨截骨导板（图5h–5j）。
4. 上颌骨截骨导板
   注意：在截取上颌骨时，无需为每个截骨面均设计导板，因为通常仅需使用腓骨重建有限区域。一般情况下，设计两个导板即可，分别覆盖上颌内侧牙槽区和外侧颧骨区。
   1. 准备上颌骨和颧骨的平面，这些平面为上颌骨切除后保留的原始表面。宽度约为1 cm的边缘已足够（图6a）。
   2. 在编辑模式下，使用实体化修改器（solidify modifier）拉伸步骤2.4.1中准备的面，以增加平面厚度并形成实体（图6b）。
   3. 在两端删除位于步骤2.1所确定的切除平面之上的增厚实体；由此完成上颌骨截骨导板的设计。
      ​注意：若贴合面呈锯齿状，则较小的贴合面积即可满足需求；若贴合面较平坦，则需较大的贴合面积，以防止导板滑动。
5. 腓骨节段固定导板
   注意：移植至上颌骨的腓骨节段在尺寸和长度上可视为精确，但若不使用固定导板，其植入位置可能发生偏移。本步骤将再次使用腓骨及各截骨平面（如步骤2.2中所创建）。
   1. 在编辑模式下，使用布尔修改器，通过提取腓骨与两端带截骨平面的实体之间的交集区域，构建每个腓骨块（图7a 和 7b）。
   2. 提取每个腓骨块表面的一半。
   3. 在对象模式下将所有这些表面合并为一个整体（图7c）。
   4. 在编辑模式下使用刀切工具（knife cut）删除小面积面（图8a），以预留金属板的安装空间。
   5. 在编辑模式下使用实体化修改器增加表面厚度（图8b–8e）。
      注意：最小厚度应达到2–3 mm，以确保固定导板的稳定性并防止变形。若在导板两端设计翼状结构，则可在不使用金属板的情况下帮助导板与上颌骨贴合。

3. 用于模型手术和实际导板的3D打印

注意：本报告的主要目的是展示手术导板的设计方法；如果不需要3D打印，则无需执行以下所述步骤。

1. 将导板设计导出为 .stl 格式，以便进行 3D 打印。
2. 打印所有导板和骨骼模型。
   ​注意：在打印过程中，底筏（rafts）会影响表面的光滑打印，导致表面粗糙且与骨骼贴合不良，因此需要保持光滑的平面必须朝上放置。
3. 按以下步骤进行模型手术：
   1. 与实际手术类似，首先将上颌截骨导板贴合到面骨模型上（图9a），然后使用锯子沿截骨平面切割面骨。
   2. 将腓骨截骨导板安装到腓骨模型上，并将其切割成若干段（图9b），随后将腓骨块固定到固定导板上（图9c 和 9d）。
   3. 使用螺钉和接骨板将该固定导板复合体固定到上颌缺损区域（图9e）。在固定导板未覆盖的区域，通过螺钉和接骨板将腓骨节段固定于上颌骨后，移除固定导板，完成重建（图9f）。
4. 使用 3D 扫描仪扫描三维重建后的图像，并以 .stl 格式保存记录²⁴。
5. 使用比对软件²⁵比较模型手术后的 .stl 文件与 CAD 重建设计（图10）。
   注意：通过比较虚拟重建设计与导板引导下的重建模型，可计算实际精度。由于在下颌骨重建中，CAD/CAM 技术的精度偏差通常在 2.5 mm 以内¹⁰，因此本方法也应达到类似的精确度。若未能达到所需精度，需重新进行虚拟设计。

结果

采用本方案所述步骤，首先确定截骨区域。使用计算机辅助设计（CAD）软件，通过多个截骨面完全包绕截骨区域。通过布尔运算将该区域从面颅骨中去除。将腓骨图像放置于缺损处，并在重建后的相应位置设置腓骨截骨面。所有腓骨截骨面均在父级设置中与腓骨关联。这些截骨面被缩小并合并形成实体。通过从这些实体中减去腓骨，得到腓骨截骨导板。面颅骨的其余表面也被增厚，形成上颌骨截骨导板。腓骨各节段的浅表侧面被合并并提取，形成固定导板。最终，在Blender软件中完成腓骨截骨导板、上颌骨截骨导板和腓骨固定导板的设计。导板设计文件以.stl格式导出，并通过3D打印技术转化为实际的塑料实物（图9a 和 图9b）。

进行了模型手术（图9c–9f）。上颌切割导板和腓骨切割导板被完全贴合至面骨和腓骨模型上。使用锯子对模型进行切割，并用钛板和螺钉固定切割后的结...

讨论

在使用截骨导板进行骨切割时，CAD/CAM 重建被认为有助于精确实现截骨的长度、宽度和角度^{4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16...}

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
巴西坎皮纳斯市雷纳托·阿彻信息技术中心	InVesalius	免费软件 https://www.cti.gov.br/en/invesalius
荷兰阿姆斯特丹市Blender基金会	Blender	免费软件 https://www.blender.org/
美国路易斯安那州新奥尔良市格拉维耶街935号1600室TurboSquid公司	免费3D骨骼数据文件	Free3D https://free3d.com/3d-models/human
美国纽约州布鲁克林市MetroTech中心1号楼21层MakerBot Industries有限公司	MakerBot Replicator+	https://www.makerbot.com/replicator/
美国加利福尼亚州圣布鲁诺市樱桃大道901号YouTube（谷歌公司）	视频分享网站	https://www.youtube.com/results?search_query=invesalius+dicom+to+stl
卢森堡让·昂格林街2号Artec 3D公司	Artec Eva Lite	https://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/artec-eva-lite
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