快速成型打印技术在唇腭裂矫形中的应用

Abstract

目的

探讨快速成型技术用于制备唇腭裂矫形术前鼻齿槽矫治器的可行性及效果。

方法

以 2014 年 6 月—2016 年 9 月收治的 17 例单侧完全性唇腭裂患儿作为试验组，通过数字化模拟唇腭裂矫治过程，设计数字化模型，并采用快速成型技术制备不同治疗阶段的鼻齿槽矫治器，进行术前矫形。与同期采用传统鼻齿槽矫治器及方法治疗的 22 例患儿（对照组）进行比较。两组患儿性别、年龄、唇腭裂侧别、初始裂隙宽度比较，差异无统计学意义（P>0.05）。记录两组矫治期间门诊次数、矫治时间以及并发症发生情况，测量矫治前后齿槽裂隙变化相关指标。

结果

矫治期间，试验组门诊次数显著少于对照组（P<0.05），两组矫治时间比较差异无统计学意义（P>0.05）。对照组矫治期间发生组织皮疹 16 例（72.2%）、黏膜溃疡 3 例（13.6%）、口内出血 1 例（4.5%），矫治后发生 1 例（4.5%）牙槽弓形态呈 T 形不对称；试验组发生组织皮疹 11 例（64.7%）、黏膜溃疡 3 例（17.6%）。两组并发症发生率比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。矫治后，两组齿槽前方裂隙宽度、水平裂隙宽度、矢状裂隙宽度、健侧齿槽近中弧度角及齿槽前缘与后齿槽基线夹角、唇系带点至中线距离均较矫治前减小（P<0.05），裂隙缘最前方交角、唇系带点与后方齿槽基线夹角较矫治前增大（P<0.05）。但以上指标矫治前后差值组间比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。矫治后，两组后方齿槽宽度、中间齿槽宽度、垂直裂隙宽度、患侧齿槽近中弧度角及齿槽前缘与后齿槽基线夹角与矫治前比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。

结论

将快速成型技术制作的鼻齿槽矫治器用于唇腭裂术前矫形，其疗效与传统鼻齿槽矫治器相似，但可减少门诊次数，为唇腭裂序列治疗提供一种更可靠和简便的方法。

唇腭裂是临床常见的先天性颅面部畸形之一，据报道我国唇腭裂发病率达 1.62‰^[1]。目前唇腭裂公认治疗方案为序列治疗，即根据患者生长发育不同时期出现的问题进行评价、诊断和治疗，依次通过术前矫形、手术修复、口腔正畸、语音训练、心理辅导等过程，多学科合作，以求取得最佳治疗效果。术前矫形是序列治疗中的一个重要环节^[2]，目前应用最广泛的矫治器为 Grayson 等^[3]提出的术前鼻齿槽矫治器，它主要通过在术前恢复齿槽骨的正常解剖，减轻唇裂修复时手术张力，复原鼻翼软骨的位置，达到精确对合目的。大量文献报道，对唇腭裂患儿作早期鼻软骨齿槽矫治器的治疗，可以减少组织移位，有效缩小上唇及上颌骨齿槽的裂隙宽度，同时刺激鼻软骨生长，改善鼻外观，降低手术难度，提高手术疗效^[4-8]。但是，传统鼻齿槽矫治器治疗存在一定缺点。例如，为引导齿槽骨按正常牙弓生长，患者需每 1～2 周就诊 1 次，选择性地进行矫治器材料的增添或减少，并对矫形器进行磨削，使齿槽适应变窄的裂隙宽度。而且这一调整过程，主要由医生根据其临床经验确定，缺乏客观量化标准。

近年来，计算机数字化模拟和制作技术在临床得到了广泛应用。我们采用三维激光扫描技术、计算机辅助设计和制作技术，建立了一套模拟唇腭裂矫治过程的系统。通过将上颌齿槽骨进行区块分割，模拟矫治过程中移动轨迹，并结合上颌骨数据库进行牙槽骨曲度分析，缓慢地使齿槽骨靠拢，并设计数字化模型，最终采用快速成型技术，制作不同治疗阶段的矫治器，以解决传统鼻齿槽矫治器治疗的不足。经上海市第九人民医院伦理委员会批准，我们将该方法用于 17 例单侧完全性唇腭裂患儿术前矫形治疗中，并与同期采用传统鼻齿槽矫治器及矫形方法治疗的 22 例患儿进行比较，探讨该方法的可行性及疗效。报告如下。

1. 临床资料

1.1. 一般资料

纳入标准：① 单侧完全性唇腭裂；② 未合并任何与唇腭裂相关的综合征；③ 既往未接受治疗。2014 年 6 月—2016 年 9 月，共 39 例单侧完全性唇腭裂患儿接受术前矫形治疗。其中，17 例患儿接受新方法制作的矫治器治疗（试验组），22 例患儿接受传统矫治器治疗（对照组）。所有患儿家属均签署知情同意书。两组均由同一医师进行矫治器制作和矫形治疗。

试验组：男 9 例，女 8 例；年龄 12～50 d，平均 23 d。左侧唇腭裂 11 例，右侧 6 例。初始裂隙宽度为（10.86±2.37）mm。对照组：男 11 例，女 11 例；年龄 10～53 d，平均 28 d。左侧唇腭裂 13 例，右侧 9 例。初始裂隙宽度为（11.23±2.94）mm。两组患儿性别、年龄、唇腭裂侧别、初始裂隙宽度比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。

1.2. 鼻齿槽矫治器的制作及治疗方法

1.2.1. 石膏模型制备

取模前两组患儿均禁食 4 h，心电监护下，选用形状、大小合适的特制小托盘（自制自凝塑料托盘），采用 3M 重体硅橡胶材料印模，取模完成后，灌注上颌齿槽石膏模型。

1.2.2. 矫治器制备及治疗方法

试验组：通过三维激光扫描系统（Vivid 910；Konica Minolta 公司，日本）采集石膏模型的三维影像，所获取的数据集通过 Polygon Editing Tool 2.0 系统（PET 2.0；Konica Minolta 公司，日本）叠加每桢图像，进行除噪、消除阴影、消除层差、平滑等一系列处理，以 STL 文件存储。随后将 STL 文件输出至三维模拟平台上的图像处理软件（Rapid Form 2006；Inus Technology 公司，韩国）进行虚拟齿槽骨块移动。结合上颌骨数据库进行齿槽骨曲度分析，予以个性化骨块移动轨迹设计，分步移动错位的上颌齿槽骨，每一步移动距离约 1 mm，使健侧齿槽骨不断向患侧靠拢，缓慢对齐上颌齿槽骨。将分步模拟移动的齿槽骨模型数据导出，输入快速成型打印机（Z Corp 公司，美国），打印上颌齿槽石膏模型。最后根据打印出的石膏模型，制备矫治器。见图 1、2。患儿矫治器戴入后以勺喂养，饮食后取出清洗，定期更换固定胶布。每周更换 1 个矫治器，每周缩窄裂隙宽度约 1 mm。当齿槽裂隙<6 mm 时，于上颌矫治器前端加入鼻撑，末端以树脂材料包裹钢丝接触鼻翼穹隆鼻腔面。矫治过程中上唇部绷带继续应用。矫治器须全天佩戴直至行唇腭裂整复术。

图 1.

Computer simulation of alveolar segment movement

计算机模拟矫治过程中齿槽骨块移动

图 2.

The fabrication of a series of alveolar casts using RP technology, then NAM appliances were fabricated according to alveolar castsRed arrow indicated an alveolar cast and the blue arrow indicanted the NAM appliance

利用快速成型技术打印上颌齿槽石膏模型，并根据模型制作相应的矫治器

红色箭头示模型，蓝色箭头示覆盖在模型上层的矫治器

对照组：根据上颌齿槽石膏模型，用透明自凝丙烯酸树脂制作矫治器，矫形器的前端基托制成连续性牙弓外形，覆盖整个牙槽嵴和硬腭。患儿每周复诊 1 次，就诊时根据上颌骨情况在两侧上颌骨生长方向上对矫治器内侧面进行磨削，引导上颌骨按正常牙弓生长。另外为适应裂隙变窄，矫治器裂隙处也进行磨削，每周调整约 1 mm。当齿槽裂隙<6 mm 时，于上颌矫治器前端加入鼻撑，末端以树脂材料包裹钢丝接触鼻翼穹隆鼻腔面。矫治过程中上唇部绷带继续应用。矫治器须全天佩戴直至行唇腭裂整复术。

1.3. 观测方法

将两组治疗前后的上颌齿槽模型数据，输出至 Rapid Form2006 图像处理软件工作站，选取标记点并测量相关变量。在模型上标定以解剖结构为基础的标记点：健、患侧裂隙缘最前点（P/P’），健、患侧齿槽后方腭小凹点（T/T’），健、患侧尖牙牙胚近中凹陷点（C1/C1’），健、患侧尖牙牙胚远中凹陷点（C2/C2’），唇系带点（I），健、患侧牙龈沟与远中凹陷沟相交点（Q/Q’）。以 TT’为 x 轴、TQ 为 y 轴，作一与平面 TT’Q 相垂直的直线为 z 轴，建立一个三维坐标系。TT’中点为 O，过 O 作与 TT’垂直的直线为中线 Sag。见图 3。

测量指标：① 线性变量，齿槽前方裂隙宽度（PP’）、水平裂隙宽度（PP’-x）、矢状裂隙宽度（PP’-y）、垂直裂隙宽度（PP’-z）、中间齿槽宽度（QQ’）、后方齿槽宽度（TT’）；② 角度变量，健、患侧齿槽前缘与后齿槽基线夹角[（P-T）-（T-T’）、（P’-T’）-（T-T’）]，健、患侧齿槽近中弧度角[（P-C1-T）、（P’-C1’-T’）]、裂隙缘最前方交角（C1-P）-（C1’-P’）；③ 中线偏移量，唇系带点至中线距离（I-Sag）、唇系带点与后方齿槽基线夹角（I-O）-（O-T）。

图 3.

Three dimensional surface of a cast with reference points

三维模型解剖标志点

1.4. 统计学方法

采用 SAS10.0 统计软件进行分析。计量资料以均数±标准差表示，组内矫治前后比较采用配对 t 检验，组内比较差异有统计学意义的指标计算其矫治前后差值，并进行组间比较，组间比较采用独立样本 t 检验；计数资料组间比较采用 χ² 检验；检验水准 α=0.05。

2. 结果

2.1. 一般情况

矫治期间，对照组患儿门诊检查（6.9±0.9）次，矫治时间为（108±17）d；试验组门诊检查（3.3±0.5）次，矫治时间为（94±14）d。试验组门诊次数显著少于对照组，比较差异有统计学意义（t=6.000，P=0.019）；两组矫治时间比较差异无统计学意义（t=0.130，P=0.717）。

矫治期间，对照组发生组织皮疹 16 例（72.2%）、黏膜溃疡 3 例（13.6%）、口内出血 1 例（4.5%）；试验组发生组织皮疹 11 例（64.7%）、黏膜溃疡 3 例（17.6%），无口内出血发生。两组组织皮疹、黏膜溃疡、口内出血发生率比较，差异均无统计学意义（χ²=0.036，P=0.851；χ²=0.119，P=1.000；χ²=0.000，P=1.000）。对照组 1 例（4.5%）患儿矫治后发生牙槽弓形态呈 T 形不对称，通过将上颌牙弓扩开并重新引导齿槽骨向生长方向靠拢处理后，不对称得到改善。试验组无患儿矫治后外观不对称。两组矫治后不对称发生率比较，差异无统计学意义（χ²=0.000，P=1.000）。

2.2. 矫治前后齿槽测量指标

2.2.1. 线性变量

矫治后，两组齿槽前方裂隙宽度（PP’）、水平裂隙宽度（PP’-x）及矢状裂隙宽度（PP’-y）均较矫治前减小，比较差异有统计学意义（P<0.05）；垂直裂隙宽度（PP’-z）与矫治前比较，差异无统计学意义（P>0.05）。其中，试验组矫治前后齿槽前方裂隙宽度、水平裂隙宽度、矢状裂隙宽度差值分别为（6.90±1.94）、（5.71±2.56）、（3.59±1.32）mm，对照组分别为（7.07±2.11）、（6.41±2.55）、（4.51±1.32）mm，组间比较差异均无统计学意义（t=0.260，P=0.611；t=0.000，P=0.974；t=0.100，P=0.748）。矫治后，两组后方齿槽宽度（TT’）、中间齿槽宽度（QQ’）与矫治前比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。见表 1。

表 1.

The linear variables pre- and post-treatment in 2 groups (mm)

两组矫治前后齿槽裂隙线性变量（mm）

组别 Group	例数 n	TT’				QQ’				PP’
		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic
试验组 Test group	17	31.45±2.06	30.44±1.47	t=0.792 P=0.524		26.34±1.68	25.05±1.98	t=1.978 P=0.053		10.86±2.37	3.04±1.68	t=14.620 P= 0.000
对照组 Control group	22	32.76±2.71	31.97±2.02	t=0.524 P=0.783		27.86±2.03	27.63±1.84	t=0.048 P=0.874		11.23±2.94	4.15±1.92	t=15.740 P= 0.000
组别 Group	例数 n	PP’-x				PP’-y				PP’-z
		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic
试验组 Test group	17	9.03±2.92	3.09±1.50	t=8.910 P=0.000		5.08±1.34	1.25±1.06	t=9.850 P=0.000		2.08±1.33	1.14±0.73	t=1.070 P=0.305
对照组 Control group	22	10.56±3.18	3.98±1.96	t=11.520 P= 0.000		6.54±2.57	2.03±1.73	t=15.680 P= 0.000		3.05±1.92	2.65±1.80	t=0.724 P=0.527

2.2.2. 角度变量

矫治后，两组健侧齿槽近中弧度角（P-C1-T）、齿槽前缘与后齿槽基线夹角（P-T）-（T-T’）均较矫治前变小，比较差异均有统计学意义（P<0.05）。其中，试验组矫治前后健侧齿槽近中弧度角（P-C1-T）、齿槽前缘与后齿槽基线夹角（P-T）-（T-T’）差值分别为（16.23±8.91）、（15.30±6.18）°，对照组分别为（20.00±8.96）、（20.84±7.00）°，比较差异无统计学意义（t=–1.240，P=0.225；t=–13.400，P=0.000）。而矫治后，两组患侧齿槽近中弧度角（P’-C1’-T’）、齿槽前缘与后齿槽基线夹角（P’-T’）-（T-T’）与矫治前比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。

矫治后，两组裂隙缘最前方交角（C1-P）-（C1’-P’）较矫治前增大，差异均有统计学意义（P<0.05）；试验组及对照组矫治前后其差值分别为（–22.29±9.85）、（–24.63±9.60）°，组间比较差异无统计学意义（t=–0.770，P=0.448）。见表 2。

表 2.

The angular variables pre- and post-treatment in 2 groups (°)

两组矫治前后齿槽裂隙角度变量（°）

组别 Group	例数 n	P-C1-T				P’-C1’-T’				（P-T）-（T-T’）
		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic
试验组 Test group	17	103.23± 7.38	86.77±5.53	t=6.420 P=0.000		114.04±7.00	110.22±6.25	t=1.630 P=0.103		56.83±4.23	36.59±6.08	t=6.080 P=0.000
对照组 Control group	22	116.98±10.17	92.77±8.52	t=9.990 P=0.000		120.76±8.86	109.12±7.56	t=1.890 P=0.065		63.44±7.06	42.61±5.82	t=9.130 P=0.000

2.2.3. 中线偏移量

矫治后，两组唇系带点至中线距离（I-Sag）较矫治前减小，差异均有统计学意义（P<0.05）；试验组矫治前后差值为（2.67±1.28）mm，对照组为（3.00±1.24）mm，比较差异无统计学意义（t=0.020，P=0.883）。矫治后，两组唇系带点与后方齿槽基线夹角（I-O）-（O-T）与矫治前比较，差异均有统计学意义（P<0.05）；试验组矫治前后差值为（–5.42±1.28）mm，对照组为（3.00±1.24）mm，组间比较差异无统计学意义（t=0.700，P=0.491）。见表 3。

表 3.

The midline deviation variables pre- and post-treatment in 2 groups (mm)

两组矫治前后齿槽裂隙中线偏移量（mm）

组别 Group	例数 n	I-Sag				（I-O）-（O-T）
		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic		矫治前 Before treatment	矫治后 After treatment	统计值 Statistic
试验组 Test group	17	5.64±1.84	2.37±2.14	t=8.070 P=0.000		76.47±6.15	87.35± 9.04	t=–7.030 P= 0.000
对照组 Control group	22	6.05±2.03	3.05±2.44	t=11.060 P= 0.000		75.50±6.89	88.05±10.01	t=–10.600 P= 0.000

3. 讨论

快速成型技术是在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计模型，通过材料的精确堆积，直接生成三维实体，具有快速、准确以及擅长制造复杂实体的优点^[9-10]。目前，该技术已探索应用于临床诸多领域，并取得一定成效。1992 年，Stoker 等^[11]首次将快速成型技术应用于颅颌面外科。他们采集患者影像数据，通过快速成型技术制作出精确的三维仿真生物模型，用于术前模拟。国内归来等^[12]将采集的患者头颅 CT 数据进行三维重建，利用快速成型技术打印实体模型，然后直接在模型上进行数据测量、手术设计、模拟，制作个性化骨缺损修复体，共临床修复 26 例严重颅颌面创伤患者。

鉴于此，我们提出了基于快速成型技术的数字化矫治器的制作。首先，取得患儿口腔上颌齿槽石膏模型。然后，应用三维激光扫描仪扫描模型，获得三维数字化齿槽模型数据。在三维模拟平台上进行虚拟齿槽骨块移动，结合上颌骨数据库进行齿槽骨曲度分析，予以个性化骨块移动轨迹设计。最后，将颌骨逐步移动的不同齿槽骨模型数据导入工作站进行快速成型打印，根据模型形状，用透明自凝塑料（丙烯酸树脂）制作相应的口内上颌塑形牙套。

本研究齿槽测量指标比较结果显示，矫治后两组患儿齿槽前方裂隙宽度（PP’）均较矫治前明显缩窄，其中水平裂隙宽度（PP’-x）、矢状裂隙宽度（PP’-y）与矫治前相比差异有统计学意义，而垂直裂隙宽度（PP’-z）与矫治前比较差异无统计学意义，提示在矫治过程中主要对齿槽进行横向及矢状方向的引导，无需过多进行纵向引导，这也避免了由于齿槽骨过度旋转而发生交错的可能。矫治后，两组患儿两侧裂隙缘最前方交角（C1-P）-（C1’-P’）较矫治前明显增大，健侧齿槽近中弧度角（P-C1-T）、齿槽前缘与后齿槽基线夹角（P-T）-（T-T’）均较矫治前显著变小，提示矫治过程中主要是健侧齿槽骨移动，健侧齿槽骨后方部分可能起到了旋转支点的作用。两组患侧齿槽近中弧度角（P’-C1’-T’）、齿槽前缘与后齿槽基线夹角（P’-T’）-（T-T’）与矫治前相比，差异无统计学意义，提示患侧齿槽骨块的形态在矫治过程中未发生明显变化。矫治过程中，健侧齿槽骨向内弯曲，侧方错位的唇系带点也逐渐向中线靠拢，矫治后两组唇系带点至中线距离（I-Sag）、唇系带点与后方齿槽基线夹角（I-O）-（O-T）与矫治前比较差异均有统计学意义。两组矫治期间均有并发症发生，但发生率比较无显著性差异。据报道，单侧唇腭裂患儿在矫治期间需要接受 13～14 次门诊，花费时间较多，也增加了患儿家庭的经济负担^[13]。而本研究中虽然两组矫治时间无显著差异，但试验组矫治期间门诊次数显著较对照组减少，减轻患儿家庭负担。

综上所述，通过数字化模拟唇腭裂矫治过程，设计数字化模型，并采用快速成型技术制备不同治疗阶段的鼻齿槽矫治器，进行术前矫形获得的效果，与传统矫治方法一致。但通过数字化技术进行唇腭裂术前齿槽骨正畸设计，避免了患儿不配合操作制备模型的影响以及依靠医生经验调整矫治器的盲目性，同时减少了患儿的复诊次数，以更加科学、精确方式进行唇腭裂的术前矫治。