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....

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....

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