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3D打印技术在髁突肿瘤中的运用

2021-01-25 173 上传者：管理员

摘要：目的:探讨多类型数字影像拟合及3D打印技术在治疗髁突肿瘤中的临床意义。方法:基于患者螺旋CT数据,血管CTA数据,牙齿3D扫描数据,联合运用软件Mimics21.0(Materialise,Belgium)重建患者上下颌骨、面部软组织、髁突肿瘤及周围重要解剖结构,并运用牙齿3D扫描数据与螺旋CT上下颌骨牙齿数据拟合,运用血管及软组织数据与颌骨数据拟合,最终在同一空间坐标系下得到包含有精确牙齿信息、髁突肿瘤及周围血管的上下颌骨复合体三维模型。设计并制作3D打印颌板辅助手术。结果:6例患者均顺利完成手术,创口均一期愈合,所有患者咬合关系恢复良好,术后术后复查CBCT示骨瘤完整切除,长期随访未见关节强直及复发征象。结论:多类型数字影像拟合及3D打印颌板可以精确重建髁突肿瘤及周围血管等重要解剖结构,便于术前充分了解术区情况,同时设计个性化颌板辅助手术,为手术创造空间,减少术区周围组织的损伤,该方法可作为治疗髁突肿瘤患者的一种辅助手段运用。

关键词：
3D打印
口腔疾病
影像拟合
髁突肿瘤
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近年来,计算机辅助技术,术前虚拟规划手术越来越用于口腔颌面外科领域。三维重建,数据拟合,3D打印技术作为数字化技术的重要组成手段,也逐渐运用到口腔外科手术中[1,2,3,4]。

髁突肿瘤以髁突骨瘤、髁突骨软骨瘤、滑膜软骨瘤病较为多见,以良性肿瘤为主,恶性肿瘤所占比例较少[5]。髁突肿瘤较为常见,肿瘤初期无明显症状,常因导致面部生长偏斜及关节功能异常而就诊发现。临床常见特征有面部不对称,长面型,患侧后牙开颌,下颌前突偏斜与颞下颌关节功能障碍等[6,7,8,9]。Wolford将髁突增生分为4种类型,CH2型包括下颌骨髁突肿瘤,根据肿瘤形态可将其分为2组(CH2A型和CH2B型)[10]。本研究针对CH2B类型,即髁突的外生性肿瘤,该肿瘤可以向任何方向发展,使髁突头变形,当肿瘤外生生长较大时,可使髁突向下移位脱离关节窝,从而使同侧下颌骨垂直距离增加,引起面部偏斜。

治疗髁突肿瘤的常见方法有髁突切除或病灶局部切除和髁突置换,通常采用肋软骨移植或全关节假体[11]。髁突肿瘤切除术是一项困难的手术,因为手术入路复杂,且邻近重要的解剖结构[12]。所以,在传统手术中,精准切除肿瘤且最大限度地保留部分或全部髁突头操作复杂,手术难度较大[13]。

本研究运用多类型数字影像拟合及3D打印技术辅助髁突肿瘤的切除,帮助术者在术前更清晰、直观的了解手术区的重要解剖结构,可视化下灵活设计手术入路,避免损伤重要的血管、神经等结构,节省了手术时间,降低手术难度。

本研究将三维重建、多数据拟合、3D打印等多种技术联合运用到髁突肿瘤的手术治疗中,探讨这些技术的临床应用意义。

1、材料与方法

1.1纳入标准

选取2017年5月～2020年5月,在我科确诊为“髁突肿瘤”的病例6例,包括女3例,男3例,平均年龄37岁(25～55岁)。所有患者术前都用面部偏斜及咬合错乱的临床表现。所有病例排除全麻禁忌症,经患者及家属同意并签署知情同意书,决定全麻下运用影像拟合及3D打印辅助技术行髁突肿瘤切除术,该临床治疗手段已通过昆明医科大学附属口腔医院伦理委员会审核并通过,批件号为:KYKQ2020MEC015。

1.2三维重建、多数据拟合、模型分析及测量、3D颌板设计及打印

1.2.1获取上下颌骨、血管原始数据及3D牙齿扫描数据

运用美国GE宝石能谱CT(120kV,300mA,FOV:15.6cm,SliceThickness:0.625mm)对患者颌面部进行连续扫描,扫描结果以DICOM格式导出备用;增强显影患者颌面部及颈部血管信息(即血管CTA),结果以DICOM格式导出备用;运用3D扫描仪(DS-EX,SHINING3D,CHINA)扫描患者上下颌硬石膏模型,导出.STL文件备用。

1.2.2三维重建及多种影像数据拟合

将颌骨及血管CTA信息DICOM数据导入Mimics21.0(Materialise,Belgium)软件。分别对数据进行阈值选取(thresholding)、选取蒙板(cropmask)、分割(segmentation)、区域增长(regiongrowing)等功能。最后运用3D模型重建(calculate3D)分别得到上颌骨、下颌骨、面部软组织、髁突肿瘤、术区颌面部及颈部血管等三维模型;建立统一空间坐标系后,根据二维组织信息及3D模型的轮廓线标点匹配骨组织与血管、骨组织与牙齿扫描数据;最终得到包含有精确牙齿信息、髁突肿瘤及周围血管的上下颌骨复合体三维模型(图1)。

图1骨组织及软组织三维重建

1.2.3模型分析及测量

在最终的3D复合模型上,测量骨瘤的大小、形状及体积,观察颈外动脉的分支与髁突肿瘤的关系及骨瘤与颅底之间的情况,还可通过头影测量显示患者偏斜的程度等。

图2数字化设计及制作个性化3D咬合板

表1患者详细信息

1.2.43D咬合板设计及打印

在Mimics软件中运用Move(移动)、Rotate(旋转)功能,以健侧髁突头顶点为旋转中心,向下旋转下颌复合体,使患侧关节窝与髁突之间保持一定的间隙,并在此咬合关系下,设计以上下牙齿为基底的个性化咬合板,通过3D打印成型,术中佩戴3D咬合板使患侧髁突及肿瘤旋转下降,稳定咬合关系并充分暴露术区(图2)。

1.3手术方法

所有患者均在全麻鼻腔插管下进行。术前常规消毒术区及口内,铺无菌巾。于耳屏前做“类L型拐杖”切口,分层切开,暴露髁突头后,把3D打印咬合板置于上下牙齿之间,充分暴露术区后,参考术前3D模型中血管的位置走行,调整骨凿避位置避开重要结构,凿开骨瘤与肿瘤连接处,完整取出骨瘤后,修整髁突断端,彻底止血,分层关闭创口(图3)。

图3术前模拟及手术切除髁突肿瘤

2、结果

2.1所有患者均使用多类型数字影像拟合及3D打印咬合板辅助髁突肿瘤切除手术。术中参考术前三维重建及拟合的血管、颅底与骨瘤的关系,同时,运用3D咬合板暴露术区,避免损伤重要解剖结构,安全、快速的完成手术。手术时间为70～98min,平均为84min。6例患者中未出现面神经及重要血管的损伤;未出现术中、术后大出血等并发症。其中,1例患者术后感染,经换药后顺利出院。术后3个月复查,患者张口度最大者46mm,最小者34mm,平均35mm;所有患者术区愈合良好,CBCT示骨折断端愈合良好(表1)。

通过对比6名患者术前虚拟手术后的下颌骨与术后复查CT三维重建的下颌骨,进行三维精确性分析,其梯度热图结果如下(图4)。对比下颌骨选取15个颜色段,最大临界值为1.8000mm,最小临界值为-1.8000mm,平均距离为0.3200,标准偏差为0.3427。颜色改变最明显的区域位于髁突内极1/3区域,该区域中上部平均最大偏差为1.12mm,下部平均最大偏差为1.26mm,内侧平均最大偏差为1.34mm,外侧平均最大偏差为0.94mm,造成偏差的原因和术中凿骨及修整骨突有关。所有患者对比统计结果见(表2)。

2.2典型病例55岁男性患者,诊断左侧髁突肿瘤。运用多类型数字影像拟合及3D打印咬合板进行充分的术前准备,顺利完成手术。患者术前及术后复查影像及口内外相对比,见图5。术后患者诉轻微头痛,其余未诉不适。

表2术前术后对比分析结果

图4术前虚拟手术后下颌骨及术后重建下颌骨模型拟合后的位移梯度对比图

图5术前术后口内照及影像学检查对比

3、讨论

治疗髁突肿瘤的传统方法是低髁突切除或病变的局部切除和髁突置换,通常采用肋软骨移植或全关节假体[11]。目前,人们普遍认为保守治疗的方式是切除肿瘤,最大限度地保留部分或全部髁突头[14]。

本研究6例患者均属于Wolford髁突增生分型中的CH2B类型,即髁突的外生性肿瘤,且在术前均采用多类型数字影像拟合技术及3D打印技术辅助切除髁突肿瘤,取得了满意的效果。

Yu等[11]报道了应用内窥镜经口内入路治疗髁状突,证明这是一种有效的治疗方法。其他文献认为导航技术也可用于髁突骨瘤的治疗,其优点是安全、准确、省时[5]。尽管研究人员报道了导航和内窥镜技术在髁突OC治疗中的优势,但仍存在一些不足,如手术野暴露有限、昂贵且不易使用、损伤正常组织以放置接收器和定位误差等[15]。

随着数字化计算机辅助手术模拟技术的发展,术前设计方案向术中的成功转化已成为现实,详细的术前分析帮助外科医生安全、精确的完成手术。数字化技术包括三维重建、虚拟手术、数据拟合、3D打印等手段。利用这些技术制定个体化的髁突肿瘤手术计划是非常必要的。Ord等[16]报道术前计划对髁突肿瘤的治疗非常重要,术前数字化设计可以使手术更加准确和安全,以节省手术时间[17]。Lu等[18]声称,数字咬合夹板在颞下颌关节手术中具有治疗时间短等优点。

在本研究中,通过三维重建螺旋CT、血管造影CTA数据,并把颌骨、3D扫描牙齿、血管等结构拟合在同一空间坐标系下,得到包含有上下颌骨、髁突肿瘤及周围血管及精细牙齿信息的上下颌骨复合体。在模型上进行分析与测量,并以健侧髁突头顶点作为旋转中心,向下适当旋转下颌复合体,以此增大患侧髁突与关节窝的间隙,充分暴露术区,在此咬合关系上设计并制作个性化咬合板,通过3D打印技术成型咬合板,消毒后术中运用,使虚拟设计转化为现实;对于术前虚拟手术后下颌骨的位置,因其受到多方面因素的影响,比如:关节韧带的牵拉、关节盘的改建、咬合关系的调整等,这些因素会使术后的下颌骨产生微动,从而适应新的位置,所以本研究中未对术前虚拟手术后的下颌骨进行特殊摆位操作。

颞下颌关节区手术主要并发症有面瘫、术中大出血和颅底损伤3种。然而,数字技术可以减少此类并发症的发生。术前通过三维重建后多种影像数据拟合及模型分析测量,了解血管与髁突及肿瘤的三维空间关系,避免重要解剖结构的损伤。术中血管的意外损伤,主要是在两个阶段容易发生:1.创口暴露阶段容易损伤颞浅动脉及伴行静脉;这时手术医师在术前可以屏蔽深部的髁突肿瘤,只显示下颌骨及浅表血管,明确血管走形,避免损伤;2.切除骨瘤阶段:术前模拟分别及同时显示骨/颌内动脉及分支/颈外动脉及其它分支/颈内动脉/颈内静脉等,术中既可随时在电脑上检查,并可术前将数据导入导航仪,实时指引手术,增加安全性。此外,髁突肿瘤常位于髁突内侧,术中下颌骨移动导致截骨困难,3D打印咬合板可以部分解决这个问题。同时,多个方向观察骨瘤的3D位置后,还可以设计辅助切口,左上颌前庭切口,可以轻易到达骨瘤与翼外板粘连位置并成功截骨,避免单一耳屏前切口导致手术困难。术前观察髁突及肿瘤的位置关系,设计截骨方向和深度,保护颅底,避免损伤髁突内侧血管。术前测量的安全距离有助于控制截骨深度以保护血管结构。另一个重要并发症是损伤面神经造成的面瘫,虽然有文献报道口外切口容易损伤面神经[7,13],但本研究中没有人损伤面神经。造成面瘫的原因很多,除了牵拉损伤外,可能是由于截骨工具滑脱导致面神经损伤。术前在上下颌复合体上的测量分析可保证截骨不致太深或偏位,完全避免意外颅底损伤或上颌骨内动脉或翼丛损伤等严重危及生命的并发症;3D打印咬合板可以充分暴露术区,降低器械损伤面神经的风险。本研究中多类型数字影像拟合及3D打印技术在髁突肿瘤中的运用有其优点,但同时还有改进的空间。首先,对于影像原始数据的收集,本研究从CBCT转化为螺旋CT及血管CTA,通过重建及拟合可以清晰判读患者骨组织及血管等信息。但对于关节盘的评估还不足,今后病例中可以完善关节区MRI的影像资料,把重建的关节盘数据拟合至原始模型,使术前分析更加完善。其次,通过术前模型的分析及测量,提前摆位直凿及弯骨凿的深度和方向,术中在髁突肿瘤与髁突之间的潜在间隙凿开,并用球钻打磨修整,术中未用往复锯及矢状锯,这也是造成术前虚拟手术后截骨区与术后复查三维模型误差分析的主要来源。若是肿瘤与髁突间没有潜在间隙,则需要术前设计并制作3D打印导板,指导截骨线并测量截骨深度,以保护重要解剖结构。第三,本研究利用FDM技术,将聚乳酸(PLA)材料熔融后用喷嘴逐层沉积制备3D咬合板,该材料是玉米提取物制成,因价格便宜,无毒性而广泛运用,可以达到操作要求[19];但精度不如用激光固化成型的树脂材料,比如SLA,DLP技术[20];然后,树脂打印机价格昂贵,今后可根据需求运用高精度的打印方式[21]。

综上所述,多类型数字影像拟合及3D打印技术辅助治疗髁突肿瘤,在术前可视化分析肿瘤及周围重要解剖结构的关系,灵活设计手术入路,并设计3D颌板用于手术,增加手术精确性,缩短手术时间,提高手术安全性,该方法具有潜在的临床实用价值,是一种可以借鉴的辅助手术方法。

马文,韦意,陆琳,付帅,张长彬,崔庆赢,彭灿邦,王立冬,许艳华,黎明.多类型数字影像拟合及3D打印技术在髁突肿瘤中的运用[J].口腔医学研究,2021,37(01):81-86.