计算机辅助手术系统与3D打印技术在口腔颌面部缺损修复重建中的应用

王　静　袁荣涛　董　蒨

青岛大学附属医院手术室 青岛 266003

计算机辅助手术系统与3D打印技术在口腔颌面部缺损修复重建中的应用

王静袁荣涛董蒨

青岛大学附属医院手术室 青岛 266003

数字医学是一门新兴的多领域交叉学科，数字医学的快速发展，给临床医学带来了革命性变化。尤其是计算机辅助手术系统的开发与应用，使医学进入了一个全新的可视化的信息时代，其与3D打印技术相结合，推动了精准外科手术的发展，引发外科领域的技术革命，促进外科治疗发生质的飞跃。口腔颌面部缺损的修复重建具有复杂性与高要求的特点，计算机辅助手术系统与3D打印技术在口腔颌面部缺损修复重建中的应用，深刻地改变了这一领域的面貌。本文对计算机辅助手术系统与3D打印技术在口腔颌面部缺损修复重建中的应用与进展作一综述，并对其发展前景进行展望。

计算机辅助手术系统； 3D打印技术； 颌面部； 重建

数字化外科（digital surgery）是基于图像三维重建技术、计算机辅助设计和计算机辅助制造（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）、快速成型技术（rapid prototyping，RP）、反求技术（reverse engineering，RE）和外科导航技术（surgical navigation）等发展而成的现代化新技术[1]。

随着数字化外科技术在口腔颌面部修复重建中的应用不断成熟，颌面骨缺损的修复重建取得了突飞猛进的发展，积累了很多成功的经验[2-4]。在个体化治疗的要求下，临床医生更加关注颌骨缺损的精确重建，因而在进行颌面骨修复重建之前应用数字化外科及3D打印技术行个体化设计至关重要。现将计算机辅助手术系统与3D打印技术在口腔颌面部缺损修复重建中的应用与进展综述如下。

1　CAD/CAM技术及3D打印技术的概况

CAD是将螺旋CT、磁共振等扫描获得的DICOM格式图像，导入Mimics、Geomagic、Imageware等三维建模软件进行正常骨组织及病变部位的三维重建，再利用镜像技术、RE等计算机辅助外科技术根据人体的对称性进行修复设计，对图像进行删减、添加、表面光滑等，切除和重建病变区域，生成缺损区域的修复模型，最后将其三维解剖模型和修复模型以STL格式输入3D打印机。通过3D打印技术，制作出个性化实体模型，用于手术设计及制定手术方案。

3D打印技术是快速成型技术的一种，是20世纪80年代以后在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术与传统制造业的最大区别在于产品的成型过程，无需模具，一次成型，可制作出更复杂的结构，能完成传统制造无法达成的设计。根据不同的材料形式和工艺实现方法，3D打印技术可分为5大类：1）粉末/丝状材料高能束烧结及熔化成型；2）液态树脂光固化成型；3）丝材挤出热熔成型；4）液体喷印成型；5）固体薄层材料片/板/块材粘接或焊接成型。

2　在口腔颌面部缺损修复重建中的应用

3D打印技术在医学模型制造方面给医患带来了福音。美国医生给一对连体婴儿实施头颅分离手术前，先用3D打印制作出连体头颅模型，再参考模型对手术方案进行优化，不仅手术获得成功，而且时间也较以往明显缩短。

人类容貌特征的70%是由骨性结构决定的[5]，颌面部骨骼解剖结构复杂，神经血管丰富，与咀嚼、吞咽、语言、表情、呼吸等功能关系密切，计算机辅助手术系统及3D打印技术的联合应用突破了颌面部缺损修复领域的传统手术界限，简化了手术步骤，减少术者对主观经验的依赖，延伸了外科医生有限的视觉范围，为医生与患者提供了具有前瞻性、高成功率、微创化的手术手段，拥有独特的优势。医生通过数字化技术将虚拟图像转化为触觉模型，可以精确测定病变部位，预测缺损大小，合理计划供骨区及供骨量，缩短手术时间，减少手术并发症。

计算机辅助手术系统和3D打印技术在口腔颌面部缺损修复中的应用主要包括以下几个方面。

2.1个体化模型制作与钛板预制

Seres等[6]报道：利用计算机辅助设计及快速3D打印技术，为1例颌面部严重不对称患者恢复了稳定的咬合关系及面部对称性，其术前完善的手术设计及最终达到的精确的修复效果是传统手术方式无法比拟的。Azuma等[7]报道：对28例口腔恶性肿瘤患者行单侧下颌骨切除及重建术，12例患者利用CAD/CAM技术+快速成型3D打印技术，术前制作下颌骨模型，并在模型上进行钛板的预弯成形，其余16例患者采用传统的下颌骨重建手术方式，结果采用CAD/CAM技术+快速成型3D打印技术进行手术的患者手术时间明显缩短，下颌骨的对称性恢复效果明显好于采用传统的颌骨重建手术治疗的患者，且其容貌得到改善，生活质量得到明显提高。另有学者[8-9]的研究显示：通过术前手术模拟、预弯重建钛板，可使手术时间平均缩短45～90 min。

2.2骨瓣的精确制备

下颌骨缺损的修复方法较多，有自体髂骨或者肋骨移植、同种异体骨移植、代用品植入以及人工生物材料植入等，而以腓骨肌皮瓣为代表的血管化骨组织瓣修复重建颌骨缺损已成为主要方法[10-11]。数字重建下颌骨三维立体结构，模拟手术并利用镜像技术进行腓骨的分段成角塑形，通过快速打印技术获得头模，进行钛板预成型，术中按计划准确切除病灶组织，术后咬合关系良好，面容恢复理想。Seruya等[12]将传统的游离腓骨瓣修复颌面部缺损的手术方式与应用3D打印及计算机辅助技术的手术方式进行比较，结果发现：手术总时间未明显缩短，但皮瓣的平均缺血时间缩短了29.4%（由170 min缩短至120 min）；同时，因皮瓣缺血造成的术后并发症也明显减少。

2.3基于CAD/CAM技术的贋复体制作

贋复体是除外科手术修复外另一主要的颌骨缺损的修复方法，CAD/CAM口腔赝复系统通过对缺损组织或蜡型的数据采集，生成数字化模型[13]。利用CAD/CAM技术制成的颌面部缺损区赝复体，与周围组织衔接自然，色泽、形态逼真，取得了良好的美学修复效果，而且过程简单，解剖形态匹配良好[14]。

Feng等[14]运用激光烧结法制作颌面部修复体蜡型，再使用浸蜡法美化细微结构，最终完成颌面赝复体的制作。侯艳等[15]报道了18例上颌窦癌患者行上颌骨全切后以CAD/CAM技术制作的中空充填式赝复体同期修复缺损，可直接观察上颌骨区域的术腔变化，便于肿瘤复发的及时发现和处理。国内专家应用软衬式赝复体修复单侧上颌骨缺损患者，提高了患者术后的咀嚼功能和语音功能，避免了传统的中空式赝复体存在修复体固位和稳定性较差、咀嚼效率低等缺点，取得了良好的修复效果。

目前，基于视觉化工具函式库（visualization toolkit，VTK）的三维医学图像可视化已逐渐成为医学成像研究的热点[16]。该系统可以与快速成型加工系统结合，实现赝复体的个性化快速制作，提高制作质量，降低其操作难度。

2.4外科导板的应用

计算机辅助手术导板的精确制作是快速成型技术的优势，制作方法有2个：1）利用CAD/ CAM技术在计算机上设计并打印出手术导板，可提高手术的精确度，但对工程师的技术和打印材料要求较高，不容易推广；2）在已有仿真模型上通过口腔修复压模技术制作手术导板，制作的精度可以达到手术需要，值得推广。

外科导板应用于颌面部肿瘤手术中，除严格按照术前规划进行操作外，还要根据术中情况灵活应用。若术中发现切缘有癌细胞，则要相应扩大手术范围，直至手术切缘无肿瘤组织残留。

利用3D打印的导板还可指导种植牙手术，能提高种植技术的质量，改善种植体植入的精确度，特别在牙槽骨条件较差的情况下，导板能精确的引导种植体植入的方向和角度，有效地避免了种植体突破牙槽骨，或方向和角度误差，有效提高种植体的质量。

2.53D生物打印

3D打印植入体或修复体可满足颌面部不同缺损类型的修复要求，主要有高分子材料、金属材料和生物材料等。依据材料的发展和其生物学性能，生物3D打印技术的应用可分为4个层次。第1层次：医疗模型和体外医疗器械的制造，使用生物不相容、非降解材料；第2层次：永久植入物的制造，使用生物相容，但非降解的材料；第3层次：组织工程支架的制造，使用生物相容且可降解的材料；第4层次：体外生物结构体的制造，使用细胞、蛋白及其他细胞外基质。生物3D打印需要CAD/CAM、细胞生物学以及组织工程等多个领域合作，目前支持3D打印的材料还比较有限，而且3D打印技术还存在打印出的物体与身体器官、组织的生物相容性问题。

干细胞在这一领域的应用，使3D打印技术的优势突显，目前用干细胞已可以打印出骨骼、皮肤和肝脏等。这项技术正朝着多种材料、多个维度的方向发展，有学者用激光打印系统将细胞和生物材料直接打印在小鼠头颅骨缺损部位，另有学者将人牙髓细胞复合物用于3D生物打印，为牙齿再生研究提供实验依据，Cecchini等[17]用3D打印技术制备鼠的唾液腺，从而实现了唾液腺的再生。

生物3D打印目前面临的难题是如何将不同种类和功能的细胞排列在一个特定的三维结构中，制备出具有复杂结构的器官基体来，从而实现复杂器官的基本功能。

3　小结与展望

计算机辅助手术系统与3D打印技术在口腔颌面部缺损修复重建中具有显著优势，从精确快速制备复杂模型、个体化植入体的制备到导板设计和贋复体制作，不但直观准确地反映缺损区状态和植入体形态，便于医生进行术前设计及模拟操作，从而增加手术精确性和成功率，缩短手术时间，也利于医患沟通交流，提高患者满意度。

随着计算机辅助手术系统与3D打印技术的进一步发展，尤其是生物打印技术的发展，其必将在口腔颌面部缺损的个体化修复重建中发挥越来越重要的作用。

[1] 蔡志刚. 数字化外科技术在下颌骨缺损修复重建中的应用[J]. 中华口腔医学杂志, 2012, 47(8):474-478. Cai ZG. The application of digital surgical techniques in reconstruction of mandibular defect[J]. Chin J Satomatol, 2012, 47(8):474-478.

[2] Ciocca L, Marchetti C, Mazzoni S, et al. Accuracy of fibular sectioning and insertion into a rapid-prototyped bone plate, for mandibular reconstruction using CAD-CAM technology[J]. J Craniomaxillofac Surg, 2015, 43(1):28-33.

[3] Schepers RH, Raghoebar GM, Vissink A, et al. Ac-curacy of fibula reconstruction using patient-specific CAD/CAM reconstruction plates and dental implants: A new modality for functional reconstruction of mandibular defects[J]. J Craniomaxillofac Surg, 2015, 43 (5):649-657.

[4] 谭新颖, 胡敏, 陶冶, 等. 计算机辅助外科在颅颌面部骨纤维异常增殖手术中的应用[J]. 上海口腔医学, 2014, 23(1):62-65. Tan XY, Hu M, Tao Y, et al. Application of computer-aided surgery in fibrous dysplasia of craniomaxillofacial bone[J]. Shanghai J Stomatol, 2014, 23 (1):62-65.

[5] Becking AG, Tuinzing DB, Hage JJ, et al. Transgender feminization of the facial skeleton[J]. Clin Plast Surg, 2007, 34(3):557-564.

[6] Seres L, Varga E Jr, Kocsis A, et al. Correction of a severe facial asymmetry with computerized planning and with the use of a rapid prototyped surgical template: a case report/technique article[J]. Head Face Med, 2014, 10:27.

[7] Azuma M, Yanagawa T, Ishibashi-Kanno N, et al. Mandibular reconstruction using plates prebent to fit rapid prototyping 3-dimensional printing models ameliorates contour deformity[J]. Head Face Med, 2014, 10:45.

[8] Ciocca L, Mazzoni S, Fantini M, et al. A CAD/CAM-prototyped anatomical condylar prosthesis connected to a custom-made bone plate to support a fibula free flap[J]. Med Biol Eng Comput, 2012, 50(7):743-749.

[9] Shen Y, Sun J, Li J, et al. Using computer simulation and stereomodel for accurate mandibular reconstruction with vascularized iliac crest flap[J]. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol, 2012, 114 (2):175-182.

[10] 杨志诚, 向旭, 严颖彬, 等. 咬合导板及颌间牵引钉技术在游离腓骨瓣修复下颌骨缺损中的应用[J].中国修复重建外科杂志, 2013, 27(3):292-294. Yang ZC, Xiang X, Yan YB, et al. The application of between bite and jaw guides traction nail technology in mandibular defect under free fibula flap[J]. Chin J Reparat Reconstruct Surg, 2013, 27(3):292-294.

[11] 颜光启, 王雪, 谭学新, 等. 应用SurgiCase软件指导游离腓骨皮瓣修复下颌骨缺损的研究[J]. 中国修复重建外科杂志, 2013(8):1006-1009. Yan GQ, Wang X, Tan XX, et al. SurgiCase application software under the guidance of the free fibula flap in mandibular defects research[J]. Chin J Reparat Reconstruct Surg, 2013(8):1006-1009.

[12] Seruya M, Fisher M, Rodriguez ED. Computerassisted versus conventional free fibula flap technique for craniofacial reconstruction: an outcomes comparison[J]. Plast Reconstr Surg, 2013, 132(5):1219-1228.

[13] 高蕊, 周天, 白石柱, 等. 低剂量CT扫描获取颌面部软硬组织三维模型的初步研究[J]. 实用口腔医学杂志, 2013, 29(2):214-218. Gao R, Zhou T, Bai SZ, et al. A preliminary study of the application of low-dose ct in the construction of 3d model of maxillofacial hard and soft tissues[J]. J Pract Stomatol, 2013, 29(2):214-218.

[14] Feng Z, Dong Y, Zhao Y, et al. Computer-assisted technique for the design and manufacture of realistic facial prostheses[J]. Br J Oral Maxillofac Surg, 2010, 48(2):105-109.

[15] 侯艳, 姜菲菲, 卢利, 等. CAD/CAM赝复体同期修复上颌窦癌上颌骨全切除后缺损的功能评价[J].中国口腔颌面外科杂志, 2013, 11(4):319-324. Hou Y, Jiang FF, Lu L, et al. The functional evaluation of CAD/CAM prosthesis repairment on maxillary sinus cancer after resection defect[J]. China J Oral Maxillofac Surg, 2013, 11(4):319-324.

[16] Schroeder WJ, Avila LS, Hoffman W. Visualizing with VTK: a tutorial[J]. IEEE Comput Grap Appl, 2000, 20(5):20-27.

[17] Cecchini MP, Parnigotto M, Merigo F, et al. 3D printing of rat salivary glands: The submandibularsublingual complex[J]. Anat Histol Embryol, 2014, 43(3):239-244.

（本文编辑 王姝）

Application of computer aided surgery system and 3D printing technology in the reconstruction of the defects in oral and maxillofacial region

Wang Jing, Yuan Rongtao, Dong Qian.
(Dept. of Operating Theatre, The Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266003, China)

The rapid development of digital medicine brought the revolutionary change to clinical medicine, which was an emerging interdisciplinary field. The development and application of computer aided surgery system made the medicine enter a completely new visual information age especially, which promoted the development of precise and effective surgical treatment for qualitative leap and triggers a technology revolution in the field of surgery with the combination of 3D printing technology. The computer aided surgery system with 3D printing technology was extensively and profoundly applied in reconstruction of the defect in oral and maxillofacial region, which was complex and demanding. The paper reviewed the application and progress of computer aided surgery system and 3D printing technology in reconstruction of the defect in oral and maxillofacial region.

computer aided surgery system； 3D printing； maxillofacial region； reconstruction

R 782.2

A [doi] 10.7518/gjkq.2016.06.023

2015-12-20；

2016-06-15

王静，硕士，Email：jana11@163.com

董蒨，教授，博士，Email：yuanrongtao@163.com