陈 诚,张琳梅,任文豪,高 岭,李少明,程 政,郅克谦*

(1陕西省颅颌面精准医学研究重点实验室,西安交通大学口腔医院综合科,西安 710004;2西安医学院口腔医学系;3青岛大学附属医院口腔颌面外科;#共同第一作者;*通讯作者,E-mail:zhikeqian@sina.com)

在过去的几十年里,颌面外科医生尝试了用多种方法重建颌骨缺损。腓骨因其可供给较充足的骨组织而被广泛地应用于下颌骨缺损的重建[1]。近年来其在上颌骨缺损的重建中也逐渐应用起来[2]。传统经验主义的重建侧重考虑腓骨移植的成活率,较少考虑恢复功能和美观。目前,由于上颌骨的解剖特殊性和吻合特点,外科重建主要集中于较大缺损的重建中。一些学者采用一段式游离腓骨,一端固定于近中的牙槽骨、另一端固定于颧骨、颧弓附近;而也有些采用了折叠的双层游离腓骨移植来弥补腓骨的高度不足[3-5],当然还有些医者采用了更多腓骨段[6]。数字化医学使得模型化的手术模拟可以在计算机里进行,这有利于颌面外科医生制定详细和精确的手术方案[7]。本研究利用医学图像数据以及Mimics软件对上颌骨半侧缺损游离腓骨重建进行了术前规划、模拟以及重建,对重建的过程进行了详细的解读,并对重建方案进行了术前分析,旨在为需行游离腓骨重建上颌骨缺损的患者提供快速准确的术前模拟和分析,同时便于颌面外科医生实施手术。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究对象的数据来自1名男性志愿者,年龄33岁,身高170 cm,牙列完整,无义齿修复史,无植入物。咬合关系为个别理想,无外伤史,并签署知情同意书。

1.2 试验设备

1.3 试验方法

1.3.1 数据采集、分割以及三维重建 本研究通过CT(西安交通大学第二附属医院影像中心)搜集志愿者骨组织数据,取仰卧开口位(上下牙列分离);扫描范围:锁骨上至颅顶+腓骨全段,所获扫描数据以DICOM3.0储存。在Mimics16.0中,通过阈值法分割颅骨、下颌骨、牙齿、上颌骨以及腓骨组织[8];并且计算理想的三维可视化数据(见图1)。

图1 分割后牙齿、下颌骨、上颌骨、剩余颅骨的三维视窗Figure 1 The 3D visual of teeth, jaw and residual skull

1.3.2 镜像重建和测量 根据Brown等[9]提出的上颌骨缺损的分类方法,拟定建立Brown Ⅱa类缺损。切除范围类似半侧Lefort Ⅱ型截骨线:经泪骨、眶下缘、颧上颌缝,绕上颌骨外侧壁向后至翼突。在Mimics16.0中的模拟模块下进行上颌骨半切术模拟。在medCAD模块下创建基准平面,以该平面镜像健侧上颌骨至左侧缺损区域,调整镜像后的数据,与患侧剩余的上颌骨尽量匹配(见图2)。

A.截骨面位置正面观B.切除后正面观C.设置镜像平面D.镜像对侧上颌骨图2 模拟切除手术和镜像Figure 2 Measurement of mirror and simulation of surgical operation

1.3.3 游离腓骨瓣重建上颌骨半侧缺损三维模拟 通过阈值法分离CT中的腓骨。选定左侧供区腓骨,将前嵴正对视线,外侧面向下,内侧面向上根据镜像颌骨测量数据,截取粗切的腓骨。然后在同一视窗下对腓骨段进行重建,通过移动和旋转操作改变腓骨段的坐标和位置,将其移至缺损区域。根据镜像颌骨、牙齿来摆放腓骨段,要求腓骨段尽量与牙槽嵴的位置重合。然后对腓骨段进行回切,设置新的截骨平面,得到最终确认的腓骨段,图3D示在腓骨相交处新建截骨平面,该平面位于腓骨段外侧面夹角的分角线,与腓骨前嵴垂直(见图3)。

1.3.4 外科重建辅助以及修复重建模拟 本研究拟定三组腓骨重建类型,组1为2段式;组2为3段式,组3为4段式(见图4)。在3matic16.0下进行个性化重建板、固定孔、螺钉、种植体(包含颧种植体)、修复上部结构的设计,其参数见表1。具体如下:健侧颌骨设定3个孔位,位置位于梨状孔下约5 mm,平行于梨状孔下缘分布;腓骨段1设定2个孔位;腓骨段2设定2个孔位;腓骨段3设定2个孔位;患侧颌骨、颧骨残端设定3个孔位。各孔位间距超过5 mm,分布依据颌骨表面的平坦度来确定。

A.镜像颌骨下摆放腓骨段;B.参照下颌骨摆放腓骨段;C.回切前腓骨段;D.回切后腓骨段图3 腓骨段摆放和回切Figure 3 Setting and failback for segments of fibula

表1外科重建辅助和修复装置模拟参数设定

Table1Parametersofsurgicalreconstructiveandrehabi-litativedevices

外科辅助和修复设计参数数值(mm)个性化重建板(弯板)厚度3.0宽度2.0间隙0.5固定螺钉内径2.0骨外高度2.0颧种植体 直径4.0长度50.0牙种植体直径4.0长度11.0上部结构支架厚度2.0

2 结果

2.1 腓骨段设计和摆放

本研究中组1为2段式单层腓骨重建:段1远心端与健侧剩余牙槽嵴固定,段1与段2之间弯曲角度后端端固定,段2近心端通过重建板固定于颧骨。段1外表面与牙槽骨外表面对齐,前脊朝向根方,与牙槽骨的截面形态保持一致。段2占据整个后牙牙槽骨,轻微外移段2后端,以保证能顺利使用重建板固定(见图4A)。

组2为3段式单层腓骨重建:段1远心端与健侧剩余牙槽嵴固定,段1与段2之间弯曲角度后端端固定,段2与段3之间弯曲后端端固定,连接部位位于26牙槽窝的位置;段3近心端固定于上颌骨截骨残端(见图4B)。

组3为4段式双层腓骨重建:段1的远心端与颧骨固定;段1与段2之间弯曲角度后端端固定;段3则向下水平翻转,层叠于段2下方,远心端朝向健侧上颌骨截面,近心端与段4远心端弯曲角度后端端固定;段4近心端位于上颌骨残端附近,层叠于段1的下方,但与其不平行,其方向和位置尽量与牙槽骨一致(见图4C)。

2.2 腓骨三维重建上颌骨半侧缺损模拟

对2段式、3段式、4段式修复方案分别进行个性化重建板、固定螺丝、常规种植体、颧种植体以及上部结构支架进行模拟,结果见图5。

2.3 腓骨段的测量

我们对重建后的腓骨段进行了测量,读取了一些基本的数据,以供手术参考。各腓骨段的长度为粗略测量,以外表面的直线距离为准。各腓骨段的长度为其最长距离。而总长为包括楔形的截骨的长度。

3 讨论

近年来,由于数字化技术在医疗领域的发展,越来越多的医者借助数字化技术来精确辅助外科手术的实施,在口腔颌面外科也不例外。众所周知,游离腓骨瓣是重建颌骨较大缺损经典术式之一,其很早就应用于上下颌骨的重建[10-12]。而数字化辅助提高了这一术式的精确度,并缩短了手术时间。孙坚等[13]对10例患者实施了CAD/CAM和3D打印辅助的腓骨肌瓣联合RFFF修复上颌骨缺损,虽然早期的技术有限,医者和患者对术后重建的结果仍然较为满意。Lethaus等[14]报道了1例采用CAD/CAM和3D打印辅助游离腓骨瓣重建Ⅲb类上颌骨半侧缺损的患者,术中运用镜像模型预弯了眶部的钛网;结果显示腓骨塑形和位置完全正确。Sun等[15]运用游离腓骨瓣联合钛网以及颧种植体来同期或二期重建Ⅲ类较高位的上颌骨缺损,结果表示联合运用于上颌骨重建的腓骨、钛网以及颧种植体是一个可靠、可接受的高成功率的重建方案。Wang等[16]采用CAD/CAM和RP技术对18例上颌骨缺损患者进行了游离腓骨瓣重建,并与传统的方法进行了比较;结果表明CAD/CAM和RP辅助组在手术时间、腓骨段位置的精确性方面均显著优于传统组。

A.2段式腓骨重建模拟B.3段式腓骨重建模拟C.重叠4段式腓骨重建模拟图4 腓骨重建模拟Figure 4 Reconstructive simulation of fibula for maxillary defect

A. 2段式修复固定方案和修复模拟B. 3段式固定方案和修复模拟 C. 4段式固定方案和修复模拟图5 腓骨段修复重建板、种植体以及上部结构模拟Figure 5 Simulation of reconstructive bone and plate, implants and upper structure

表2各组腓骨段测量数据(cm)

Table2Dataofmeasurementforfibulasegementsin3groups(cm)

重建组段1段2段3段4总长组12.134.076.35组21.972.502.98.40组33.001.901.73.8212.15

虽然数字化医疗已经广泛应用于该术式,但是临床上往往在术前容易忽略重建骨的三维位置。回顾文献发现游离骨皮瓣移植联合即刻或延迟种植体植入的临床应用的失败率接近10%-30%[17]。重建的牙种植体在一个相对不均衡的力学范围,植入移植骨的植体比植入牙槽骨或自然牙的高度低,其受力可能会在局部不均衡,最终导致骨量丧失、种植体松脱[18]。而预弯的重建板一方面缺乏精确定位,影响咬合关系及髁突位置的准确定位;另一方面存在应力集中,容易发生重建后早期的重建板断裂以及功能负荷后的重建板松脱[19]。还有一个可能的因素就是放疗,其在破坏肿瘤细胞的同时,也杀伤了正常的骨组织、腺体和软组织,这会增加软硬组织感染的机率而导致种植体和重建板的暴露[20]。所以更加精确的定位方法和重建附件的改善是有必要的,术前模拟的功能评估也是必不可少的。本研究通过Mimics软件处理患者医学图像数据,模拟腓骨重建上颌骨半侧缺损,术前快速建立不同设计的腓骨重建上颌骨半侧缺损的三维模型,设计生成个性化重建板、螺钉的三维数据;并且模拟二期种植修复重建方案,为颌面外科以及修复重建医者提供一个整体的思路。

对于上颌骨半侧缺损的腓骨重建来说,腓骨段的设计和摆放位置对于手术和重建均相当重要。本研究模拟上颌骨半侧缺损,以同一研究对象腓骨段进行重建设计,分别建立2段式、3段式和4段式修复方案,颌面外科医生可结合个案的具体情况来完成外科重建的选择。研究表明,除了下段(8-10 cm)以维持踝关节的稳定性以外,腓骨大约可以提供25-28 cm长的皮质骨段,其吻合血管蒂的长度在7-11 cm[21]。本研究中,2段式修复需要的总长度约6.35 cm,可获得较长的吻合血管蒂。而3段式腓骨重建其塑形段的总长度约为8.5 cm;其吻合的部位倾向于颞浅动脉;而4段式设计为双层,其需要的骨段总长最长,而其可获得的吻合支较短。可见,腓骨分段越多,外科重建考量的因素则越多,术前的准确分析和测量则非常有必要。

本案例中,所有重建方案中腓骨的位置均依据对侧镜像颌骨、患侧牙列、下颌牙列来手动完成。本文作者认为楔形截骨的旋转在不影响血管蒂血供原则下尽可能按照牙槽突的位置摆放,其在功能重建后的生物力学分布可能会更好。另外,本研究中所有重建方案均考虑了截骨线的设计和血管蒂的关系。如3段式楔形截骨在段1和段2之间为传统截骨[22],底边位于内侧;而段2与段3之间为改良截骨[23],底边位于腓骨的前嵴。再者,双层腓骨可获得充足的骨高度,但是以往的案例中腓骨双层大多是将两个腓骨段按照固定于截骨后的残端,并未充分考虑功能重建的合理性[4]。本研究中考虑到骨愈合的连续性以及功能应用的稳定性,本设计中下层2段位于牙槽嵴,上层2段分别连接近中梨状孔和远端的截骨线。可见,准确地模拟腓骨段的三维位置以及截骨线有利于术前进行外科和修复的可行性分析。

CAD/CAM以及3D打印技术辅助商业化重建板重建颌骨缺损基本步骤为:①重建手术的三维模拟;②截骨导板的设计与制作;③成品钛板预弯模型生成。在过去的很多年里,该方法为大多数医者们逐渐采纳[24-26]，其有效地提高了精确性,缩短了手术时间。但是对于该方法来说也存在一些缺陷:其一,预弯钛板并不能被动地适应重建后的骨表面;其二,成品的重建板固定位置存在偶然性和随机性,并不能精确再现计算机模拟的重建骨的三维位置,这会给同期或后续功能修复设计带来较大的误差；其三,重建的定位通过商业化预弯的重建板来辅助定位,缺乏对重建元素(腓骨段+颌骨残端)的精确定位,缺乏统一的规划。本研究预先设计的个性化板在医生确定后可以运用CAD/CAM或者3D打印的方法快速生成。能够提供更好的被动适应性。Frank等[27]在新鲜尸体上重建了Ⅱc类大范围的下颌骨缺损,游离腓骨在精确的截骨导板和个性化重建板的辅助下精确地固定于下颌骨的残端。可见,个性化重建板的使用可以使游离腓骨重建颌骨缺损更加准确、快速;而且随着CAD/CAM和3D打印技术的发展,复杂的个性化重建板设计和制作将变得更加简单和快速。

综上所述,数字化模型的生成有助于医者制定详细而完善的骨移植计划,术前的手术模拟可以快速地建立游离腓骨重建上颌骨半侧缺损的可视化方案,为进一步精确辅助术者定位和设计生成重建板和导板数据奠定了基础。