【分析】3Dプリント技術を用いた下顎骨欠損修復術80例の改善に関する臨床研究

3D プリンターの登場により、積層造形技術の新しい時代が到来しました。プロセス製造、産業機器、航空宇宙などの分野に加えて、近年、3Dプリント技術は医療分野にも徐々に進出しており、その中でも3Dプリント人工骨の研究開発と応用も比較的一般的です。下顎欠損の修復と再建は、国内外の口腔外科医が常に研究している注目の課題の一つです。下顎欠損の修復および再建には多くの方法があります。血管柄付き腓骨移植は、臨床診療において最も広く使用され、効果的な方法の 1 つです。 1989年にHIDAGOは下顎欠損の修復に血管柄付き腓骨組織皮弁の自由移植法を初めて報告し、それ以来この方法は下顎欠損の修復および再建に広く利用されてきました。腓骨組織皮弁には以下の利点があります。

① 皮膚島と筋肉を運び、同時に軟部組織と硬部組織の欠損を修復することができます。
②腓骨皮弁は十分な骨量があり、長さは20～26cm確保できる。
③ ドナー部位の合併症が少なく、四肢機能への影響も少ない。しかし、実際の手術では腓骨の形を整えるのが難しい、手術時間が長いなどの問題が残っています。 1980年代に3Dプリント技術が登場し、特に設計・製造されたデジタルガイドの応用により、これらの問題はうまく解決されました。血管付き腓骨移植による下顎欠損の修復に3Dプリント技術を応用した臨床報告は、国内外で数多く発表されています。しかし、下顎欠損部の血管柄付き腓骨修復に用いられる3Dプリント技術の精度に関する報告はほとんどありません。本稿では、術前の設計精度と術後の修復効果について予備的な研究を行います。

1. 材料と方法
1.1 一般情報 2014年1月から2015年10月の間に瀋陽軍事総合病院口腔顎顔面外科で下顎の良性または悪性病変による下顎切除および修復と血管柄付き腓骨移植を受けた合計80人の患者が選択された。そのうち男性が43人、女性が37人でした。年齢は23歳から68歳までで、平均年齢は45歳でした。選択された患者の病変切除範囲は下顎の正中線を超えませんでした。

1.2 手術方法
1.2.1 仮想手術とモデル手術 患者の下顎とふくらはぎをフィリップスライトスピード 256 列スパイラル CT スキャナー (層厚 0.625 mm、ピッチ 1.5 mm) を使用してスキャンし、ふくらはぎの動脈造影検査を実施しました。超音波ドップラー血流計により片側の前脛骨動脈、後脛骨動脈、腓骨静脈の径と血流を検出し、腓骨動脈穿通枝を体表面にマーキングした。患者の CT スキャンデータは、DICOM 形式で Minimics 10.0 ソフトウェアにインポートされました。画像の分割、腫瘍の切断シミュレーション (切断面の厚さは、外科的骨切り術用の振動鋸の厚さと一致するように設定)、ミラーリング、骨切りガイドの設計の後、片側の腓骨データを STL 形式で下顎再構成ウィンドウにインポートしました。骨切り位置は、外側顆から 8 cm 以上上になるように設計され、整形がデバッグされ、腓骨の骨採取および整形ガイドが Geomagic Studio 2013 ソフトウェアを使用して設計されました。その後、データはSTL形式でラピッドプロトタイピングマシンにインポートされ、レーザーラピッドプロトタイピングFDM（溶融積層造形技術）を通じて、外科的再建をシミュレートするための下顎モデルとデジタルガイドプレートが製造されます。模型手術は、物理模型に基づいて行われ、下顎断端に留置される再建プレートの穴と釘の数（通常、穴は3つ、釘は3つ）と位置を明らかにし、再建プレートの事前曲げを完了します。最後に、再建プレートとデジタルガイドを消毒し、手術中に使用できるように準備します。

1.2.2 手術手順① 下顎原発病変の切除：医師団は術前の設定に従って、骨切りガイドを固定するために2本のネジを使用して下顎原発病変の切除を実施した。通常、吻合のために 1 本の動脈と 2 本の静脈を準備します。
②腓骨皮弁の作成：別の医師グループが同時に腓骨皮弁の作成を行った。術前に設計された切開線に従って切開を行い、適切な穿通血管を見つけ、穿通血管に沿って腓骨動脈と随伴静脈を探します。移植した骨部分の長さに応じて、1～2 本のネジを使用して骨形成ガイドを固定し、骨切りと形成後に脇に置きます。
③下顎再建：再形成した腓骨皮弁の有茎部分を切除し、移植部位に移植して微小血管吻合を行い、血液循環を回復させます。再建プレートは、手術前に予め曲げられた再建プレートに確保された穴と釘の数に従って、最初に下顎の断端に配置されます。次に、再建プレートの曲げられた形状に応じて、再建プレートと下顎の断端の関係を微調整します。下顎にしっかりとフィットした後、チタン釘で固定して、下顎欠損の再建を完了します。

1.3 統計的手法各患者は手術後7日目に追跡CTスキャンを受け、そのデータは術前CTスキャンとともにSTL形式でMinics 10.01にインポートされ、術前と術後の下顎が自動的に重ね合わされ、術前に設計された骨切りガイドが表示されました。移植された腓骨を下顎の左右から分離した後、下顎の頬側と舌側の誤差の最大値を順番に測定し、腓骨の内側と外側の表面の骨切り誤差の最大値を順番に測定しました。データ分析には SPSS 19.0 統計ソフトウェアを使用しました。下顎の頬側と舌側の骨切り誤差と腓骨の内側と外側の骨切り誤差を、対応のある t 検定を使用して比較しました。P < 0.05 は統計的に有意であると見なされました。

２結果 すべての手術はシミュレーションされた手術計画に従って正常に完了し、すべての腓骨皮弁が生き残りました。患者の顔は左右対称で、全患者のドナー部位の切開は局所のしびれや足首の不安定性などの合併症もなく良好に回復しました。手術前と手術後に下顎が自動的に重なり合います（図1参照）。

頬側下顎骨の実際の外科的切除と頬側下顎骨の模擬外科的切除（MB）との誤差は（0.99±1.06）mm、舌側下顎骨の実際の外科的切除と舌側下顎骨の模擬外科的切除（ML）との誤差は（1.47±1.30）mm、内側腓骨の実際の外科的切除と内側腓骨の模擬外科的切除（FM）との誤差は（1.41±0.97）mm、外側腓骨の実際の外科的切除と外側腓骨の模擬外科的切除（FL）との誤差は（1.62±1.46）mmであった。さまざまな場所での骨切りを図 2 に示します。

A: 術前に骨切りガイドプレートを設計した後、最大 MB と最大 ML はそれぞれ 1.10 mm と 0.08 mm でした。
B: 術前に骨切りガイドプレートを設計した後、最大FMと最大FLはそれぞれ2.43 mmと1.21 mmでした。
C: 術前に骨切りガイドプレートを設計した後、最大FMと最大FL値はそれぞれ0.91mmと0.85mmでした。
D: 術前に骨切りガイドプレートを設計した後、最大FMと最大FLはそれぞれ1.14mmと1.83mmでした。
E: 術前に骨切りガイドプレートを設計した後、最大FM値と最大FL値はそれぞれ0.55mmと0.32mmでした。
F: 術前に骨切りガイドプレートを設計した後、最大MBと最大MLはそれぞれ1.29mmと1.97mmでした。
G: 手術前に骨切りガイドプレートを設計した後、最大MB値は0.58mm、最大ML値は1.14mmでした。
図2 さまざまな部位における骨切りエラー
３議論 下顎は、咀嚼、嚥下、呼吸などの人間の機能において重要な役割を果たします。下顎欠損は患者の生活の質に重大な影響を及ぼします。下顎欠損の修復と再建は常に注目されている研究テーマの 1 つです。下顎欠損の修復および再建には、自家骨移植、同種骨移植、生体材料など、さまざまな方法があります。同種骨移植は慢性免疫拒絶反応を起こしやすい傾向があります。バイオマテリアルは、臨床操作の難しさや効果が不安定なため、臨床現場では広く使用されていません。口腔および顎顔面外科における顕微手術の応用と発展に伴い、自家血管柄付き腓骨移植の技術はますます成熟し、多くの利点を示してきました。しかし、腓骨の形状変更は難しく、時間がかかり、臨床医には優れた臨床スキルと優れた審美性が求められます。

近年、3D プリント技術は、下顎再建、顎矯正手術、顎顔面外傷、顎関節再建など多くの分野で広く使用されています。下顎再建の分野では、特にデジタルガイドの応用により、骨切りや骨形成の問題が効果的に解決され、血管柄付き腓骨移植による下顎欠損の修復手術がますます簡素化され、正確になりました。しかし、実際の手術でシミュレーション手術を正確に実行するには、主に下顎骨切り術の精度、腓骨骨切り術の精度、デジタルガイドの正しい設計と適用、および事前に曲げられた再建プレートの精度に依存します。

3.1 下顎骨骨切り術の精度 骨切りラインを正確に設計することが、正確な骨切りを実現するための第一歩です。骨切りラインの設計は、まず頭蓋骨の物理モデル、CT や CBCT などの画像データ、腫瘍の性質、臨床検査など、複数の要素に基づいて行う必要があります。物理的な頭蓋骨モデルは、コンピューター支援手術においてかけがえのない役割を果たし、骨切り線の設計に物理的な基礎を提供します。ARIVER らによると、頭蓋骨モデルの精度は CT スキャンパラメータと関係があります。スキャンピクセルが小さいほど精度が高くなり、画像とモデルが歪むことはありません。 He Dongmeiらはまた、CTスパイラルスキャン層の厚さは2mm、ピッチは1.5mmと1.0mmであり、再構成された頭蓋骨モデルの誤差は0.54%（0.05mm）であったと報告した。本研究では、スパイラルCTスキャンの厚さは0.625 mm、ピッチは1.5 mmと1.0 mmであり、頭蓋骨モデルの精度が十分に保証されました。第二に、画像やその他のデータをデータソースとしてコンピュータ支援設計ソフトウェアにインポートし、病変の範囲を層ごとに観察し、骨切り線からの距離を測定して腫瘍の切断を避け、十分な腫瘍安全マージンを確保し、最も健康な組織が保持されるようにする必要があります。下顎の頬側と舌側の骨切り誤差を調べるために、対応のあるt検定を使用しました。結果は、統計的に有意な差があることを示しました（P < 0.05）。下顎の舌側の骨切り誤差は、頬側のものよりも大きかった。これは、下顎の舌側を直接観察することが容易ではないため、実際の骨切り方向がシミュレーション手術で設計された骨切り方向と一致しなくなり、骨切り角度に誤差が生じるためです。骨切り角度の誤差を避けるために、外科医は手術前に模型と3次元再構成画像に基づいて下顎舌側の骨切り位置と角度を注意深く観察し、測定する必要があります。ガイドプレートの設計に関しては、手術方法と手術部位の露出に応じて、振動鋸を所定の位置に導く溝の端を可能な限り高く設計して、振動鋸を正しい角度で完全に所定の位置に導くことができます。

3.2 腓骨骨切り術の精度 腓骨を正確に採取するには、まず、ガイドプレートがシミュレーション手術用に設計された位置に正確に固定されていることを確認する必要があります。腓骨長骨は下顎ほど複雑ではなく、より規則的な形状をしているため、ガイドプレートが正確に配置されているかどうかを判断することが困難です。一方で、臨床医は手術前に腓骨ガイドの位置を正確に把握する必要があり、他方では、ガイドを最も適合する位置に固定するために、手術中に骨表面の軟部組織を可能な限り剥離する必要があります。患者の下肢血管の変化や塞栓性疾患を除外し、血管の変化により手術中にガイドプレートの位置が変わることを避けるために、手術前に下肢動脈の血管造影検査を行う必要があります。さらに、この研究では、腓骨骨切り術の精度は骨切り成形回数と関係していることも判明しました。骨切り成形回数が多いほど、骨切りセグメントが短くなり、骨セグメント間の角度が大きくなり、誤差が大きくなります。骨切り成形骨セグメントの長さは2cm以上である必要があり、これにより移植骨に十分な血液供給が確保され、移植骨の生存が保証されます。腓骨の内側表面と外側表面の間の骨切り誤差を検定するために対応のあるt検定が使用され、有意差はありませんでした（P>0.05）。腓骨の内側表面と外側表面の間の骨切り誤差に差はありませんでした。

3.3 デジタルガイドとプレベント再建プレートの適用 デジタルガイドは、複雑な手術計画を実際の手術に正確に伝達する架け橋でありリンクであり、手術が計画どおりに正確に実行されることを保証すると同時に、手術を簡素化します。ガイドプレートは、病変の状態に応じてさまざまな形状に設計できます。たとえば、腫瘍が下顎の下端に近い場合は、骨切り形状を台形に設計できます。口底がんの患者の場合、舌粘膜病変の範囲は頬側よりも広くなります。健康な頬粘膜をできるだけ多く保存するために、設計された骨切り方向を舌側に傾けることができます。これらは、デジタルガイドの個別化された骨切り術を完全に反映しています。ガイドプレートの設計を成功させる鍵は、ガイドプレート固定部位の骨の特殊性です。通常、顎や下顎角などの3次元生理的湾曲が大きい部位がガイドプレート固定部位として設計され、下顎体などの規則的な骨形態の部位は、ガイドプレート固定部位として可能な限り避けるべきです。

再建プレートは、手術前にあらかじめ曲げられます。再建プレートは、あらかじめ曲げられた再建プレートに確保された穴とピンの数に応じて、最初に下顎の残骨上に配置されます。次に、再建プレートと下顎の残骨の関係は、再建プレートのあらかじめ曲げられた形状に応じて微調整されます。再建プレートが術前の設計位置に従って正確に配置されると、再建された下顎にしっかりとフィットし、顔の外観を対称的に回復し、手術効果を保証します。この症例群では、再建プレート用のガイドプレートを設計しなかったため、術前のシミュレーション設計の手順と時間が短縮され、手術中に再建プレートガイドプレートを固定する時間が節約され、手術手順が簡素化されました。研究結果によると、手術による修復効果と精度には大きな影響はありませんでした。

要約すると、コンピュータ支援手術は、デジタルガイドの応用を通じて、血管柄付き腓骨移植による下顎欠損の修復において複雑な手術計画を実際の手術に正確に転送することができ、コンピュータ支援手術技術の強力な補助ツールとなる。しかし、この研究では症例数が少なく、正確性についてより詳細な研究を行うことはできなかった。第二に、この実験グループには第一段階のインプラント設計がなかったため、インプラント配置の精度は研究されていません。

編集者：Antarctic Bear 著者：張新鋒、李燕超（中国人民解放軍瀋陽軍区総合病院大学院研修基地遼寧医学院）董志偉、包海紅、張立（中国人民解放軍瀋陽軍区総合病院口腔外科）

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