正頜外科術(shù)前快速原型-石膏復(fù)合性模型精確性評價

吳 燁， 謝福平， 陳嘉民， 牛 剛， 劉歡歡， 林李嵩，2

正頜外科手術(shù)是一種改善患者容貌和功能的手術(shù)，因此術(shù)前應(yīng)做好治療計劃與預(yù)測。目前，通常采用頭顱側(cè)位片VTO分析、石膏模型分析、快速原型(rapid prototyping, RP)技術(shù)制作的高仿三維頭顱RP模型分析、三維虛擬手術(shù)分析等方法進行術(shù)前分析與預(yù)測，其中最直觀最有效的方法是RP模型分析。

RP技術(shù)是基于離散堆積成型的思想，根據(jù)數(shù)字模型直接快速生產(chǎn)樣件的一種技術(shù)[1],起初應(yīng)用于工業(yè)制造，后被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，重建骨質(zhì)方面具有較大的優(yōu)勢，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于骨科及其相關(guān)學(xué)科，正頜外科便是其中之一[2-4]。但是正頜手術(shù)與一般的整形手術(shù)不同，不僅要求矯正患者畸形的容貌，還要兼顧良好的咬合功能，二者缺一不可。目前制作的RP模型，由于材料的膨脹系數(shù)、CT數(shù)據(jù)的失真等原因，尚不能毫無失真地復(fù)制頜面部的解剖結(jié)構(gòu)[5]。這種誤差在牙弓上的表現(xiàn)尤為明顯，常導(dǎo)致RP模型的咬合關(guān)系與患者口內(nèi)咬合關(guān)系偏差較大。倘若沿用RP模型上錯誤的咬合關(guān)系進行術(shù)前模擬，勢必?zé)o法獲得精確的術(shù)前預(yù)測結(jié)果。為解決這一難題，筆者將牙弓石膏模型嫁接于RP模型上，恢復(fù)RP模型精確的咬合關(guān)系，并評價其在正頜術(shù)前模型外科應(yīng)用中的精確性。

1 對象與方法

1.1對象 選擇2011年6月-2016年6月就診的正頜患者33例，男性12例，女性21例；年齡(26.09±3.40)歲(20～35歲)。納入標準：頜面部嚴重畸形需正頜手術(shù)者，男女不限，年齡18～35歲；排除標準：唇腭裂、多個牙缺失、外傷、腫瘤等其他原因造成的畸形。納入研究的患者均簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1頭顱CT數(shù)據(jù)采集與三維重建 螺旋CT掃描機(sx-11A，64排，日本東芝公司)，由福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院提供。數(shù)據(jù)采集后委托福州大學(xué)生產(chǎn)高仿三維頭顱模型。術(shù)前對患者進行多排螺旋CT連續(xù)薄層掃描頭顱，層厚1 mm，螺距15，球管螺旋時間每圈0.5 s，球管電壓120 V，電流350 mA，圖像重建間距0.5 mm，矩陣512×512，視野范圍直徑240 mm。所有數(shù)據(jù)采用容積重建法進行三維重建[6]。

1.2.2高仿三維頭顱模型制作 CT數(shù)據(jù)經(jīng)Mimics軟件轉(zhuǎn)換成為STL格式后，輸入RP成型機中，運用光敏液相固化法原理，分層固化光敏樹脂，制作成高仿三維頭顱模型[7]。

1.2.3RP-石膏復(fù)合性模型制作 取下患者口內(nèi)的正畸鋼絲，用蠟片填平托槽區(qū)的倒凹，用藻酸鹽印模材及石膏按常規(guī)方法制取上下頜牙弓石膏模型，每位患者制取2副石膏模型，一副牙弓用于上架，利用解剖式架，將患者術(shù)前咬合關(guān)系精確地轉(zhuǎn)移于架上，另一副匹配替換高仿三維頭顱牙弓部分。替換方法：(1)將牙弓石膏模型底座修整變平；(2)于RP模型牙列中線及第一磨牙中線做標記線，牙弓石膏模型的相同位置進行標記;(3)鋸除上頜RP模型的牙弓，利用面弓轉(zhuǎn)移完成上頜牙弓石膏模型與上頜RP模型的替換;(4)鋸除下頜RP模型的牙弓，根據(jù)患者術(shù)前的咬合印跡，用下牙弓石膏模型替換RP模型的下頜牙弓，最終完成牙弓石膏模型與RP模型的配準結(jié)合(圖1)。

A：牙弓石膏模型底座標記；B：上頜RP模型標記；C：利用面弓進行替換上頜牙弓石膏模型于上頜RP模型；D：根據(jù)術(shù)前咬合關(guān)系替換下頜牙弓石膏模型于下頜RP模型；E：完成的下頜RP-石膏復(fù)合性模型；F：完成的上頜RP-石膏復(fù)合性模型.圖1 RP模型上下頜牙弓替換過程Fig 1 The process of dental arch plaster model replacement in RP model

1.2.4數(shù)據(jù)測量 (1)測量患者本體(H1)、RP模型(H2)、RP-石膏復(fù)合性模型(H3)的眉弓中點至頦前點的垂直距離，分別記錄為H1,H2,H3。(2)測量眶下緣中點至頦下點的垂直距離，分別記錄為H4(患者本體)，H5(RP模型)，H6(RP-石膏復(fù)合性模型)。

1.3統(tǒng)計學(xué)處理 采用SPSS 11.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)處理。分別對H1,H2,H3的測量結(jié)果以及H4,H5,H6的測量結(jié)果進行單因素方差分析。P<0.05為差別有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

H1,H2,H3測量結(jié)果分別為132.93～141.41，136.88～145.52，133.18～141.1 mm，H1,H3與H2比較，差別均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，而H1與H3間差別則無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。H4,H5,H6測量結(jié)果分別為102.61～111.43，106.69～115.53，102.93～112.25 mm，H4，H6與H5比較，差別均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，而H4與H6間差別無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

3 討 論

傳統(tǒng)的正頜手術(shù)預(yù)測方法一般是通過頭顱側(cè)位片VTO分析法進行預(yù)測[8]，常常無法獲得精確的預(yù)測結(jié)果。而牙弓轉(zhuǎn)移至架上進行的石膏模型外科，雖然相對精確，但也僅僅體現(xiàn)咬合關(guān)系的改變較多，無法實現(xiàn)患者外貌改變的精準預(yù)測[9]。隨著RP技術(shù)引入正頜外科后，制作出高精度的三維頭顱模型，使得精確預(yù)測正頜術(shù)后效果成為可能。與傳統(tǒng)頭顱側(cè)位片VTO分析比較，高仿三維頭顱模型具有極大的優(yōu)勢：更形象、更具體、更準確[10]。然而，目前制作的高仿三維頭顱模型的精確度依然受到許多影響因素的制約：原始三維CT數(shù)據(jù)、三維重建的精度、制作頭顱模型材料的膨脹系數(shù)、部分患者口內(nèi)金屬正畸托槽的干擾、制作工藝及材料等[11-12]。以上因素均可導(dǎo)致高仿三維頭顱模型與本體間出現(xiàn)誤差，最明顯的誤差表現(xiàn)在RP模型的咬合關(guān)系上，因此恢復(fù)RP模型精確的咬合關(guān)系是獲得精確預(yù)測結(jié)果的保證。本研究通過替換牙弓石膏模型于RP模型上，精確恢復(fù)RP模型的咬合關(guān)系，為精確模型外科奠定堅實的基礎(chǔ)。

Mavili等也使用牙弓石膏模型替換的方式提高模型的精確度[13]，但因其只是針對石膏模型和RP模型進行簡單的標記后做替換，隨意性大，容易在以下幾方面出現(xiàn)誤差：(1)其牙弓的轉(zhuǎn)移無論是水平還是垂直方向，均無準確的參照物，可能影響轉(zhuǎn)移的精確性。為避免這種誤差，本研究在牙弓石膏模型及RP模型相對應(yīng)的位置上進行標記，并利用面弓在口內(nèi)記錄的上頜牙弓的位置進行石膏-RP模型替換。轉(zhuǎn)移后可根據(jù)標記線是否重合來判斷替換是否精確。(2)平面轉(zhuǎn)移不精確。由于牙弓轉(zhuǎn)移不精確，可能會使牙弓傾斜固定于頜骨上，而任何一點傾斜都會造成平面的變化，從而影響RP-石膏模型外科及模型外科的準確性，尤其會造成對關(guān)節(jié)位置預(yù)測的失真。本研究使用面弓轉(zhuǎn)移，保證了平面與水平面的相對位置不變，避免了平面不精確的問題。(3)下頜牙弓的轉(zhuǎn)移，筆者主要是依據(jù)患者口內(nèi)現(xiàn)有的咬合關(guān)系，咬蠟后復(fù)制患者上下頜的咬合關(guān)系，根據(jù)已替換的上頜RP-石膏復(fù)合性模型引導(dǎo)下頜牙弓替換，進一步避免下頜牙弓替換的隨意性。

本研究中模型替換的順序如下：(1)面弓介導(dǎo)上頜牙弓替換，制作形成上頜RP-石膏復(fù)合性模型；(2)患者現(xiàn)有咬合關(guān)系介導(dǎo)下頜牙弓替換，制作形成下頜RP-石膏復(fù)合性模型。這個過程每一步都有參照物，可保證模型替換精確。完成模型替換后，從測量的垂直高度可得出，H1與H3以及H4與H6的差別均無統(tǒng)計學(xué)意義，提示RP-石膏復(fù)合性模型標記線精確對位，能較精確地復(fù)制患者的面部硬組織外貌特征及精確的咬合關(guān)系。而原始的RP模型與本體差異較大，不能作為模型外科使用。

因此，本研究利用面弓轉(zhuǎn)移的石膏-RP模型替換法精確地轉(zhuǎn)移了患者口內(nèi)實際的咬合關(guān)系，也為術(shù)前模型外科操作時重建咬合關(guān)系提供了精確準備。其石膏模型上的細節(jié)清晰，利于術(shù)前模擬截骨后的咬合重建，減少了因咬合不精確而導(dǎo)致的截骨預(yù)測錯誤，提高了正頜外科術(shù)前預(yù)測的精確性[14-15]。當然，一個制作精良、完美精確的RP模型除了擁有精細的咬合是遠遠不夠的，除牙弓以外的細節(jié)也必須精細。目前，RP模型的制作工藝是通過紫外線選擇性固化樹脂材料逐層堆積形成的，影響RP模型精確度主要是堆積的方式及樹脂固化的膨脹系數(shù)。Murugesan等使用3種堆積模式(溶化沉積模式、噴射沉積模式、三維打印沉積模式)制作RP模型，分別使用3種不同材料制作出的三維模型，其精確度有明顯統(tǒng)計學(xué)差異[16]。但RP模型制作過程中所使用的堆積模式和材料導(dǎo)致的誤差，對模型最終的影響是整體性的，即整體放大或者整體縮小，模型上各骨塊的相對位置仍然是正確的，這對正頜手術(shù)模型外科中判斷頦部的對稱性的影響較小，而對截骨量的預(yù)測有一定影響。因此，改進RP模型制作工藝、選用膨脹系數(shù)小的材料制作與患者等比例的模型，將是下一步要進行的工作。本課題組在早期的研究中，利用替換牙弓石膏模型的方法獲得了良好的術(shù)前模型，其術(shù)前的模型外科預(yù)測與術(shù)中可能出現(xiàn)的問題高度吻合，可很好的預(yù)測，患者均獲得良好的治療效果[17]。

綜上所述，本研究制作的RP-石膏復(fù)合性模型，較目前臨床常用的RP模型，咬合關(guān)系精確度明顯提高，術(shù)前模擬手術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)與實際手術(shù)無明顯差異，便于制定準確的手術(shù)方案，并利于與患者及家屬交流，使其獲得對手術(shù)效果的直觀及全面的認識，避免醫(yī)療糾紛，在臨床應(yīng)用上有其獨特的優(yōu)點。