快速成型技術在顱頜面外科中的應用

Application of rapid prototyping in craniofacial surgery

李益敏 綜述，鄭永生 審校

快速成型技術（RP）是機械工程、計算機輔助設計與制造技術(CAD/CAM)、計算機數(shù)字控制（CNC）、精密伺服驅(qū)動、檢測技術、激光技術及新型材料科學等高科技技術的集成。由于它明顯優(yōu)于傳統(tǒng)制造技術，近來獲得了日新月異的發(fā)展，已被廣泛應用于航空、汽車制造、軍事、醫(yī)療等領域，其中在醫(yī)學領域的應用占到整個應用領域中的12%，特別是在口腔、顱頜面外科及骨科治療中。顱頜面外科由于其手術的復雜性和精確性，一直是醫(yī)學界公認的較為棘手的領域，選擇多學科合作，多領域技術的相互配合，是顱頜面外科治療的發(fā)展趨勢。近年來，RP技術和顱頜面外科的緊密結(jié)合，為顱頜面外科的發(fā)展注入了新的生機，使顱頜面外科治療手段變得更為科學、精密和簡便。本文就快速成型技術在顱頜面外科中的應用綜述如下：

1快速成型技術

1.1 RP技術原理：RP技術最早起源于20世紀80年代后期的航空工業(yè)，是基于分層技術、堆積成型、直接根據(jù)CAD模型或CT數(shù)據(jù)等快速生產(chǎn)樣件的先進制造成組技術總稱。RP技術不同于傳統(tǒng)的去除成型、拼合成型及受迫成型等制造加工手段，是利用塑料、陶瓷、復合蠟等各種材料累加法直接制造出樣件。其基本原理是:分層制造，逐層疊加[1]，實現(xiàn)一種由點到線、由線到面、由面再組成立體結(jié)構(gòu)的過程。RP具體過程大體可分成三步：①數(shù)據(jù)準備：通過計算機生成零件三維CAD模型，或CT數(shù)據(jù)的準備，然后用切片軟件將三維CAD模型切成大約0.5～2mm厚的薄片，得到各層面的輪廓信息；②分層疊加成型：各層截面輪廓數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工命令，控制激光束選擇性切割一層層原材料（如：固化液態(tài)樹脂、復合蠟粉等粉末材料、噴射粘結(jié)劑或熱熔材料等），形成各截面輪廓并疊加成三維產(chǎn)品；③后處理過程：進行模型表面處理清潔等。

1.2快速成型技術工藝種類及加工材料:快速成型技術工藝多種，其中常用的較為成熟的有六種：①光固化（SL）；②選擇性激光燒結(jié)（SLS）；③層狀物體制造（LOM）；④熔融堆積成型（FDM）；⑤激光近似成型技術（LENS）；⑥三維打印技術（3DP）。不同的技術工藝可以選擇不同的加工材料。

1.3 快速成型技術的特點：RP技術不同于傳統(tǒng)的制造工藝，其優(yōu)越性在于：①采用非接觸加工，不需任何刀具、模具等；②生產(chǎn)過程數(shù)字化，可隨時修改，隨時制造，并可做到無人值守；③生產(chǎn)成本與產(chǎn)品數(shù)量無關，特別適合單個模型的生產(chǎn)；④能夠?qū)崿F(xiàn)快速鑄造、快速模型制造；⑤生產(chǎn)過程沒有切割、噪聲和振動，有利于環(huán)保；⑥產(chǎn)品的制造過程與模型的復雜性無關，可以制造任意形狀的模型。

2快速成型技術在顱頜面外科中的應用

在醫(yī)學的領域RP技術最早應用于外科，尤其是對于顱頜面外科、骨外科、整形外科等的臨床實踐。利用RP技術可以加工出內(nèi)、外部三維結(jié)構(gòu)完全仿真的生物模型。借助患者術區(qū)解剖結(jié)構(gòu)模型，醫(yī)生可以更直觀地了解術區(qū)狀況，并結(jié)合模型具體討論病例，制定更合理的手術方案。對于復雜病例，實施模型外科，預演術中可能遇到的問題，并比較此術式的優(yōu)劣，同時也向年輕醫(yī)生演示或供他們操作訓練[2]。

2.1 顱頜面硬組織的精確復制：顱頜面骨組織形態(tài)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)復雜，周圍解剖關系密切，通過X線片及單純的CT片很難精確診斷病變的實際狀態(tài)和部位。最早有學者在1989年即將該技術應用于患者的診斷。Haers PE[3]對于建立的21例患者的三維模型進行分類，認為模型具有對顱頜部綜合征、面部不對稱、器官距離過遠、大型缺損等畸形的診斷、治療有意義，而對于多發(fā)性骨折的錯位矯正沒有幫助。D'Urso PS等[4]對45例顱頜面頸部患者進行仿真生物模型及影像的對比，分析結(jié)果表明模型有利于改善手術設計（模型達82.21%，影像為44.09%）；術前診斷準確率達95.23%（影像的準確率為65.63%），模型的測量誤差為7.91%，遠遠低于影像測量誤差44.14%，應用仿真模型后手術時間平均降低17.63%。Ariver等[5]利用CT數(shù)據(jù)結(jié)合SL方法復制顱骨，并與原顱骨標本進行測量比較，絕對誤差在0.1～4.62mm之間，平均誤差為0.85mm，認為SL方法可以精確復制顱骨。Bianchi等[2]利用離體下頜骨CT數(shù)據(jù)、SL技術復制下頜骨模型，總體誤差在0～4.03%范圍，且解剖細節(jié)清晰可辨。林李嵩等[6]利用RP技術讀取干性頭顱的螺旋CT數(shù)據(jù)制作出眶三維模型，結(jié)果更加精確，模型與顱骨的平均差值為(0.22±1.04)mm。朱赴東[7]對根據(jù)螺旋CT數(shù)據(jù)制作的三維模型進行測量，認為模型的總體誤差可以控制在0.02～0.53mm，其中顱骨模型的誤差在0.02～0.24mm，牙齒模型的誤差在0.04～0.53mm之間，顱骨、牙齒模型與實體無顯著性差異。RP模型能夠復制顱頜面骨組織的真實情況，提高臨床診斷的準確率。

2.2顱頜面軟組織的復制:軟組織的數(shù)據(jù)來源通常是螺旋CT和MRI數(shù)據(jù)。Coward[8]利用MRI數(shù)據(jù)，應用鏡像原理用SL方法制作出與健側(cè)耳相同的樹脂患耳贗復體。焦婷等[9]利用多排螺旋CT數(shù)據(jù)，應用LOM法制作缺損區(qū)耳廓陽模，然后用醫(yī)用硅膠翻制耳廓硅膠陽模義耳，形態(tài)精度高，個性化高。李風蘭等[10]應用SLS技術，利用三維激光掃描正常鼻數(shù)據(jù)制作鼻蠟模型，并翻制出硅橡膠鼻贗復體，獲得結(jié)果是贗復體與蠟模測量無明顯差異，提供了一種鼻贗復體新的制作方法。

2.3定制個性化修復體:運用RP技術，根據(jù)鏡像原理，通過CAD系統(tǒng)制作顱頜面?zhèn)€性化植入體，材料可以選取鑄造鈦板、個性化鈦合金、硅橡膠、人工骨等。

2.3.1對于頜面外科:Tideman等[11]早在1992年即對上頜骨切除術后缺損患者實施術中填塞已定制的快速成型鑄造鈦網(wǎng)和自體髂骨骨塊、局部軟組織覆蓋聯(lián)合方法進行即時修復，獲得滿意的近期效果。Eufinger H等[12]報道對于22例顱頜面缺損患者制作個性化鈦板植入物重建外形，顯著降低手術時間，并獲得良好的美容外形。后Eufinger H又陸續(xù)報道了計算機輔助下的個性化鈦網(wǎng)在臨床中的應用，肯定了該種技術在臨床中的顯著成效。另有學者報道設計制造個性化鈦板修復體修復腭部缺損。劉彥普[13]利用RP與反求技術制作缺損下頜骨的樹脂模型，通過鑄造技術制造純鈦修復支架進行個性化修復大塊下頜骨缺損，方法簡便、精確，可同時修復外形和重建咀嚼功能。楊連平等[14]應用CAD和RP技術聯(lián)合用于下頜骨腫瘤切除術后骨缺損的個體化修復重建中，術前預制重建個性化鈦板，即時修復骨缺損，提高手術精確度。

2.3.2對于顱骨的缺損:使用RP技術修復顱骨缺損在國內(nèi)外已有大量報道。Winder J等[15]將該技術應用于10例顱骨缺損的患者，制作出精確的個性化鈦板直接修復缺損，獲得了滿意的美容效果。D'Urso PS[16]應用RP技術制造出的個性化丙烯酸修復體修復顱骨缺損，術前并進行修復體與缺損模型的模擬，手術時間明顯減少并產(chǎn)生良好的臨床結(jié)果。國內(nèi)歸來[17]利用醫(yī)用鈦鑄造個性化顱骨修復體修復顱骨缺損，效果良好。徐建軍[18]制作EH復合型顱骨預制體修復額顳頂區(qū)大面積顱骨缺損，結(jié)果顯示預制體與缺損周圍組織精確吻合。夏德林[19]報道基于CT數(shù)據(jù)、快速成型技術預制鈦合金個性化顱骨缺損修復術切實可行，修復體具有良好的組織相容性、足夠的強度，且能在體內(nèi)長期存留。

2.4模型外科手術模擬:前手術模擬可以選擇計算機輔助手術模擬和模型外科手術模擬。前者為虛擬環(huán)境，后者為實物模型真實環(huán)境，其中模型外科在口腔正頜外科已被廣泛使用。在顱頜面外科中，Lin CC等[20]將快速成型模型應用到顱頜面畸形患者術前模擬中，認為術前模擬有助于推動顱頜面外科的發(fā)展，能獲得更為精確的手術效果。國外有學者運用SLS技術復制顱頜面尼龍仿生物模型，術前為顱頜面骨骨折伴畸形患者實施手術模擬，效果滿意。國內(nèi)唐曉軍等[21]將模型外科應用到對陳舊性頜骨骨折的治療中，在術前實施模型外科，可以簡化術中手術步驟，提高治療效果。何冬梅等[22]將模型應用于顴骨粉碎性骨折、顏面不對稱等畸形中，術前模擬手術過程，以確定截骨量、移動頜骨的范圍，效果滿意。孫堅等[23]利用CAD/CAM技術作為上頜骨大型缺損重建的模型外科手段，對于病態(tài)三維模型進行設計截骨線、固位等模擬手術，有助于術中移植骨的準確擺位以及植入體植入的軸向，避免術后移位。

2.5 手術模版的設計與制作:顱頜面小塊的缺損畸形無法定制個性化植入物，可以通過RP技術制作出需要充填的植入物三維立體模型，或者對于不對稱畸形需要去除骨組織時，術前制作出需要去除骨組織的模版，以指導術中選用的植入物的大小、形狀，截骨線的具體位置等。James等[24]報道了RP技術在先天性顴骨發(fā)育不全中的應用，由SLA模型獲得骨缺損信息，優(yōu)化植入物的大小、結(jié)構(gòu)，估計移植骨量。劉筱菁等[25]對12例復雜顱頜面畸形患者構(gòu)建三維頭模，在頭模上進行模型外科和植入物模版的預制，其結(jié)論是在頭模上進行模型外科操作與真實手術吻合度很高，預制植入物模版能夠縮短手術時間，改善手術效果。

3展望

隨著CAD/CAM技術和RP技術的不斷發(fā)展，相關軟件和設備、材料費用降低，相信在不久的將來，RP技術的應用將成為顱頜面外科術前準備必不可少的步驟，并且，迎合臨床應用需求的各種類型的三維模型將會應運而生。同時，伴隨組織工程、材料學的快速發(fā)展，多學科協(xié)作下的RP技術將為推動顱頜面外科的發(fā)展提供無限可能。

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[收稿日期]2007-06-01 [修回日期]2007-08-16

編輯/李陽利

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”