3D打印上颌截骨导向器-优快云博客

正颌手术中用于执行模拟截骨并去除骨性干扰的上颌截骨导向器

引言

近年来，3D成像与基于计算机的医学工程的快速发展共同深刻影响了正颌手术领域[1]。一个典型的例子是基于3D成像和工程学构建各种外科器械，正颌薄片便是其中最佳范例。手术用薄片式夹板或其他器械可根据不同目的设计成多种形式。如今，三维打印和立体光刻技术使得所设计的器械得以最终实体化[2]。

尽管这些外科器械可以精确制造，并提高手术的准确性和可靠性，但我们并不认为它们能让我们完全按照计划进行操作。手术夹板可以引导上颌骨段的移动，但无法确定截骨线的位置和方向。这会导致在3D计算机模型上生成的模拟截骨术线与患者实际执行的截骨线之间存在差异。这种差异将由于颅部与可移动上颌部分之间的过早接触和/或上颌前壁前移量的不同，导致不可预测的上颌移动。为了进一步辅助手术操作，我们可能需要一些3D参考点来定位除夹板以外的外科器械。

为了按计划实施上颌骨正颌手术，我们需要同时考虑决定三维数字模型上切割线的上颌骨截骨线，以及为使上颌骨段三维移动至计划位置而必须去除的骨性干扰。此外，在使用外科器械（如Y形夹板组件（韩国专利号10‐1501447）[3]）移动或固定可动上颌骨段时，还需要参考孔的位置来引导外科器械就位。

在此，我们介绍一种用于上颌骨正颌手术的3D打印上颌截骨导向器。该装置可帮助我们定位截骨线，预测并去除骨性干扰，并为附加外科器械预留放置孔。

制造方法

对颅上颌区域进行高分辨率的多层或锥形束CT成像（例如，切片厚度小于1.0 mm）。获取医学数字成像和通信（DICOM）文件格式的CT图像数据，并在个人计算机上使用3D软件（MIMICS；Materialise，比利时鲁汶）重建3D模型。

由于3D模型的牙科部分不足以实现精确的基于咬合关系的手术模拟，因此将其替换为牙科/咬合数据，例如基于我们开发方法的牙科模型的光学扫描数字图像[4]。

一条水平截骨线将上颌骨的颅部和上颌部分开，以模拟上颌骨截骨术。该线由诊断和手术规划确定，并决定外科医生的截骨线。上颌模型在截骨线处被分割为颅部和上颌部分。

随后，上颌骨段根据治疗计划移动到理想位置，而颅部和下颌各部分保持在术前位置（图1）。移动后的上颌骨段与固定下颌骨之间的咬合关系有助于薄板夹板的设计。这些数据以立体光刻格式保存，并导入其他软件（3‐MATIC；版本9，Materialise，比利时鲁汶）以设计切割导板。

示意图0

将移动后的上颌骨与固定的颅骨部分之间的重叠区域提取出来，以确定骨性干扰区域（图2）。该区域需在手术过程中予以去除，以便上颌骨段能够到达预期位置。此外，可增加一些孔用于放置导板或其他器械，例如Y形夹板组件[3]。例如，在梨状孔两侧各设计两个螺钉孔，用于引导并固定Y形夹板组件，以辅助上颌骨段的移动。由此获得正颌切割导板的三个主要组成部分：截骨切割线、需去除的骨性干扰区域，以及用于放置外科器械的孔。

上颌截骨导向器设计为带状模板，覆盖截骨线、骨干扰区域和导向孔（图3）。其应尽可能减小体积，并贴合骨面和梨状孔。截骨导板的下边缘设计时应避免损伤牙根，且不得侵犯牙龈和黏骨膜瓣。围绕截骨线的设计表面被拉伸，以实现适当的导板厚度，同时包覆所有组件。

截骨导板上的导向孔区域设计为中空圆柱体，用于容纳钻孔导向器的螺钉。这种由不锈钢制成并安装在截骨导板内的定制螺钉形钻孔导板（图3中红色箭头所指的蓝色螺钉）或丝锥套管形钻孔导板（图中未显示），将有助于引导导向孔的钻孔方向。还可于颧突支撑区设计两个额外的螺钉孔，用于截骨导板的临时固定。干扰部分的大小和位置也被构建出来（图2和3中的箭头所示）。

最后，将截骨导板模型导出至3D打印机（Viper Si2 SLA系统，3D Systems，加利福尼亚州瓦伦西亚），使用医用级USP VI类树脂材料（Somos）进行打印。Viper Si2系统设置为高分辨率模式（光束直径1/e2：0.07560.015 mm），适用于手术导板的超精细小型部件和特征，并通过集成数字信号处理器（DSP）精确控制配备单一固态激光器（Nd:YVO4, 354.7 nm，100 mW）的高速扫描系统。Viper Si2系统的垂直分辨率为0.0025 mm，位置重复精度为0.0076 mm。该材料为光固化、自然色、透明材料，其断裂拉伸强度为47.1–53.6 MPa，弯曲强度为63.1–74.2 MPa（Somos，DSM公司，伊利诺伊州埃尔金）。

在手术室中，将截骨导板放置于两侧并用螺钉暂时固定（图4）。使用裂钻沿导板轮廓（在裂沟内）钻孔，标记出截骨线及骨性干扰区域。将钻孔导向器或攻丝套管安装在截骨导板上，用于制备导向孔。移除导板后，沿已钻好的孔（代表截骨线）对上颌骨段进行截骨，并向下折断以使其与颅骨段分离。

根据导板上标记的区域，去除上颌骨段移动至计划位置时预期会在前壁产生的干扰。其他残余的干扰，通常位于上颌骨的后侧和内侧壁，也依据模拟模型上标记的骨性干扰区域予以去除。

使用简单咬合导板或其他外科器械将上颌移动调整至最终位置。一旦上颌骨段通过接骨板系统固定，即可开始下颌手术。

结果

该截骨导板已应用于45例上颌正颌手术中。我们确认其能够辅助实现按计划进行的简便且准确的截骨。导板包含上颌骨截骨线，用于在三维数字模型上确定切割线，以及为使上颌可移动骨段实现三维移动至计划位置所需去除的骨性干扰。这通过简化复位过程、避免对早期干扰部位进行重复的经验性检查以及防止过度骨切除，从而缩短了手术时间。

示意图1

示意图2

示意图3

讨论

计算机辅助手术结合3D成像和计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术的快速发展，已为正颌手术引入了多种外科器械，包括基于颅骨或未截骨的上颌区域[2,3,5]的各种正颌外科夹板或支具。这类基于CAD/CAM的外科支具在正颌手术中将上颌骨移动至计划位置时非常有帮助。为了进一步提高移动的准确性，我们旨在介绍一种采用CAD/CAM和3D打印技术设计与制造的外科截骨导板，专门用于上颌骨截骨术、移动引导以及去除骨性干扰。

设计截骨导板时会出现若干问题。如果导板过薄，则容易断裂；如果过厚，则可能阻碍截骨操作，影响术中视野或手术钻头对截骨线的手动操作。可考虑采用生物相容性金属的选择性激光烧结（SLS）作为提升截骨导板机械性能的另一种材料选择。已有文献报道此类SLS金属导板用于上颌骨定位与固定[6]，但存在包括经济成本在内的某些缺点。此外，也可考虑并验证其他截骨导板制造方法，例如采用氧化铝‐氧化锆等高强度生物相容性陶瓷进行立体光刻成型。

截骨导板设计的另一个问题是，导板上的截骨线应足够宽，以免被钻头磨除。水平截骨线可设计为曲线和/或裂隙状。根据中面部软组织的变化，可将截骨线的位置设置得较高或较低。截骨导板的基底面决定了上颌骨表面形态，通过更精细地设计截骨线可避免牙根损伤。将此信息从模拟过程转移到患者身上，可能促进适用于上颌和下颌正颌手术的多种装置的发展[7]。

在正颌手术中，当下颌骨的计算机辅助手术薄板夹板设计完成后，上颌骨的横向截骨术需要使用引导模板。该模板可以以较低的成本进行设计和制造，但可提高手术效率。随着计算机辅助设计与制造技术结合模拟手术的应用日益增多，这些优势将变得更加明显。