使用三维规划及患者特异性植入物的3D打印治疗面部畸形

摘要

随着技术的发展和用户友好性的提升，手术规划以及患者特异性手术导板和固定板的制作应由外科医生完成。本文介绍了一种用于正颌骨性移动的三维规划，以及患者特异性固定板和手术导板的三维设计与打印的实验方案。

摘要

外科手术规划和患者特异性植入物的技术进步正在不断发展。人们可以选择采用这些技术以获得更优的效果，即使经验较少的医生也能如此；或者选择不使用这些技术继续传统操作。随着技术的进步和用户友好性的提升，我们认为，现在是让外科医生能够自主选择进行手术规划，并设计和制作个性化的手术导板及固定植入物，从而全面掌控整个手术过程的时候了。本文介绍了一种用于手术三维规划，继而进行手术导板和患者特异性固定植入物三维设计与打印的完整方案。在该过程中，我们使用了两款商用的计算机辅助设计（CAD）软件。手术导板采用熔融沉积成型 （fused deposition modeling）打印机制造，而钛合金患者特异性固定植入物则采用选择性激光烧结（selective laser sintering）打印机制造。该流程包括：获取计算机断层扫描（CT）影像，从CT数据中对颅骨和面部骨骼进行三维分割，对手术进行三维规划，根据骨骼最终位置进行患者特异性固定植入物的三维设计，设计用于精确截骨及为固定板准备骨面的手术导板，以及手术导板和患者特异性固定板的三维打印。该方法的优势包括对外科手术全过程的完全掌控、精确规划的截骨方案和固定板设计、显著的成本降低、手术时间缩短、性能优越以及高度精准的结果。其局限性在于需要掌握CAD软件的操作。

引言

3D打印是一种基于逐层添加不同材料从而制造三维物体的增材制造方法。该技术最初用于快速原型制作，由查尔斯·赫尔（Charles Hull）于1984年首次提出，他被认为是基于光敏聚合物树脂逐层固化原理的立体光刻技术的发明者¹。随着手术的虚拟规划以及患者特异性植入物的设计与打印技术不断进步，相关领域持续发展。计算机辅助设计（CAD）软件和3D打印技术两方面均不断涌现创新²。伴随着技术的发展，相关软件和打印机也日益用户友好，缩短了规划与打印所需的时间，使外科医生能够在原本仅为工程师专属的领域中，自主规划手术并设计制作患者特异性的手术导板和固定钢板。这些进展还使得外科医生与工程师能够共同开发患者特异性植入物的新应用与新设计^3,4,5。

其中一种应用是正颌手术的三维（3D）规划，随后进行手术导板和患者特异性固定板的三维规划与打印。传统上，正颌手术使用咬合器进行规划。通过面弓记录上颌与颞下颌关节之间的关系，从而在咬合器中定位患者的模型。随后在模型上模拟手术移动，并制作丙烯酸夹板，以辅助手术中上下颌的准确定位。该方法已使用多年，至今仍被大多数人采用。然而，锥形束计算机断层扫描（CT）结合口内扫描仪和计算机辅助设计（CAD）软件的应用，实现了更精确的手术规划，避免了面弓和模型的使用，转向数字化设计夹板的制作⁶。该方法减少了手工操作和测量带来的误差，但仍存在缺陷，例如以不稳定的下颌作为上颌定位的参考点，以及无法有效控制上颌的垂直位置⁷。因此，一种新方法被提出。该方法称为“无夹板”手术，其原理是利用手术切割导板和患者特异性钛合金固定板，实现上下颌的解剖学复位⁸。该方法克服了前述数字化夹板技术的缺点。本文将介绍这一方法，它使外科医生能够针对每位患者进行个性化手术规划，最大限度地减少可能的误差和不准确性。该方法实现了“无夹板”手术，即无需依赖对颌作为骨块复位的参考，从而降低了由此带来的定位误差⁹。

方案

1. 颌骨的重新定位

注意：本步骤使用成像软件（例如 Dolphin）进行。

1. 通过点击左侧的 3D 按钮并选择 Import New DICOM，将患者的面部骨骼 CT 图像 DICOM 文件导入软件（图 1A）（补充图 1）。点击 3D | Edit 进入 3D 编辑模式。
2. 使用左侧的方向按钮调整 3D 图像方向。使用左侧的“生成 X 光片”按钮创建全景图像（补充图 2）。
3. 进入 Tools | Orthognathic Surgical Planning | Start New Workup。
4. 在全景图像中定位各个骨段。裁剪每个骨段，使其仅包含相应骨骼的区域。
   注意：当为了提高精度而将扫描获得的牙弓与 CT 扫描图像叠加以制作导板时，清理步骤非常有用。但在本研究中所展示的“无导板”手术中并不需要此步骤，因此在此阶段可对 CT 图像中存在的伪影进行清理（如存在）。
5. 在左侧面板的截骨选项中为患者选择合适的截骨方式（例如 LeFort I 型、矢状劈开等）。通过移动黄色圆圈标记截骨线的精确位置（补充图 3）。
   注意：必须特别注意牙齿根尖的位置，因为此处确定的截骨位置将在后续依据手术导板实际执行。务必避开牙根，并保持至少 5 mm 的距离。
6. 通过在右侧相应位置左键单击，标记各个解剖标志点。
   注意：此步骤对于后续阶段的测量和移动操作至关重要。
7. 执行骨段的移动操作。可通过拖动将骨段移至目标位置，或为提高精度，右键单击并选择 Input Movements Using Keyboard。
8. 为追踪关键标志点的移动情况，请点击左侧的 Treat Options Button，并选择 Show Landmark Offset and Measurement Tables。
   注意：在下一个标签页中可观察虚拟手术规划前后的对比情况（补充图 4）。
9. 使用左侧的滑动条及 Export Segments in stl 按钮，导出骨段在术前和术后两个不同位置的 stl 文件。

2. 患者特异性固定板和手术导板的制备

注意：本步骤使用 3D 设计软件（例如 Geomagic Freeform）完成。

1. 单击 文件 | 导入模型（补充图 5A），以导入步骤 1.9 中获得的 stl 文件，该文件显示截骨术后但尚未重新定位至最终位置时上颌骨和中面部的位置。
2. 从规划上颌骨最终位置的患者特异性固定板开始。在左侧工具面板的 平面 类别下，选择 创建平面（补充图 6A），在此处将进行固定板的初步设计。手动将该平面平行移动至固定板将要放置的骨面位置。
3. 在 草图 类别下（补充图 6B），选择圆形形状，并创建适合后续所用螺钉尺寸的圆。在前一个圆外围再创建一个直径大 3 mm 的圆，以勾勒出固定板的轮廓。
   注意：圆的尺寸根据各机构使用的固定器械套装确定。这些圆应放置在计划手术截骨线的上方和下方（该截骨线已在第 1 节中确定）。
4. 将设计从平面投影到骨面。在 曲线 类别下（补充图 7），使用投影草图工具，选择需从平面投影到骨面的圆。
5. 为连接外圈以形成固定板的外缘轮廓，在 曲线 类别下选择分割工具，并定义需移除的圆弧部分，以便与相邻圆连接。使用选择功能选中该圆弧部分并将其删除。在 曲线 类别下，使用绘制曲线工具，连接各外圈，形成连续的患者特异性固定板外轮廓。
6. 在创建固定板前，通过右键单击对象列表并选择 复制 来复制上颌骨（补充图 7A）。此操作可在后续阶段使用布尔运算工具创建固定板。
7. 在 细节黏土 类别下，使用“沿曲线浮雕”工具。该工具将根据先前投影的曲线生成固定板的体积。选择外轮廓曲线，然后将圆形光标置于板形表面内部及表面上（注意：光标应置于需进行浮雕的一侧）。在底部设置该功能的参数，主要是 距离 选项，用于控制未来固定板的厚度。
8. 将固定板与上颌骨分离。在此阶段执行布尔运算操作。选择原始上颌骨，从对象列表中右键单击，然后依次点击 布尔运算 | 从中移除 | 带板的上颌骨。
9. 为创建螺钉孔，可绘制或扫描螺钉后使用布尔运算，或使用细分曲面（SubD）工具。在 SubD 曲面 类别下（补充图 8），使用线切割 SubD 工具，基于步骤 2.3 中从垂直平面生成的圆，在固定板上创建与所需孔尺寸一致且垂直于板面的杆状结构。
10. 接下来，使用 布尔运算 | 从中移除 方法，将杆状结构从板中减去。
    注意：至此，最终的固定板已准备就绪（补充图 9）。需为截骨术设计合适的手术导板，以确保固定板能够精确贴合。
11. 为创建导板，将上颌骨复位至其原始位置，但保留根据最终位置设计的固定板在骨面上标记的螺钉孔位置（注意：中面部的孔位不发生变化，因中面部保持在原位）。
    1. 为此操作，将带有用于最终固定板螺钉孔的曲线的上颌骨复位至移动前的原始位置。在 选择/移动黏土 类别下，使用 配准部件 功能。选择 源（移动后的上颌骨）和 目标（移动前的上颌骨和中面部）。在两个对象上使用大量固定点，以确保复位的准确性。
12. 根据新定位的孔位，参照固定板的制作方法（步骤 2.3−2.10）创建手术导板。

结果

为了展示该方法的临床应用，我们介绍一例23岁女性患者的病例。该患者年轻时右侧髁突发生髁突肥大，导致上下颌骨不对称。图1A显示了上颌后缩和下颌前突的情况，体现了上下颌之间的不协调。在正面观中，可通过黄色和红色标线清晰观察到严重的面部不对称。利用影像学软件（补充图1）制定了手术治疗方案（补充图2、补充图3和补充图4）。手术计划基于侧位头影测量分析。计划中的骨切开位置至关重要，既要保护健康的牙列，也要确保固定螺钉能够在完整的骨组织中正确置入。将影像软件中的3D STL文件导出，并分别导入3D设计软件中，用于术前及术后计划的骨移动模拟（补充图5）。随后设计患者特异性固定钢板（补充图6、补充图7、补充图8和补充图9），然后进行手术导板的设计（补充图10和...

讨论

三维规划与打印是外科领域发展最为迅速的技术之一。它不仅是面向未来的一项有前景的工具，也是当前用于实现高精度手术效果和个体化治疗方案的实用技术。该技术能够实现高度精确的手术结果，并减少对外科医生经验的依赖¹⁰。它解决了以往传统外科方法中的诸多缺陷，但高昂的成本阻碍了该技术的全面推广¹⁰。在院内自主完成手术导板的规划与打印，可将相关成本降至可忽略的程度，并显著降低个体化固定钢板的费用。本报告介绍了一种正颌外科的三维规划方法，继而进行手术导板与个体化固定钢板的三维规划与打印，为外科医生在院内独立完成整个流程提供基础。该方案适用于所有类型的正颌外科手术，可充分实现上述各项优势。

本方案基于两种计算机辅助设计（CAD）软件。第一种是成像软件，可用于分割图像并进行手术规划，包括截骨位置和骨块移动的规划。第二种是三维设计软件，可用于规划手术导板和患者特异性固定植入物。

使用成像软件时，必须获取准确的CT图像，以合理规划截骨位置，避免损伤牙根，并始...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
海豚成像软件	Dolphin Imaging Systems LLC (Patterson Dental Supply, Inc)		正颌手术的三维分析与虚拟规划
Geomagic Freeform	3D systems		雕刻式工程设计