計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)\\快速成型技術(shù)大面積顱眶缺損個(gè)性化整復(fù)

[摘要]目的:探討利用CT數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速成型技術(shù)，預(yù)制個(gè)體化修復(fù)體在大面積顱眶缺損整復(fù)中的應(yīng)用。方法: 2004年6月～2009年8月共6例外傷后顱眶缺損患者運(yùn)用該方法修復(fù)。先行CT連續(xù)薄層容積掃描獲得斷層數(shù)據(jù)，在三維造型軟件中運(yùn)用原位貼合、交互式屏幕法行缺損修復(fù)，設(shè)計(jì)個(gè)體化修復(fù)體三維曲面模型。然后將三維曲面模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后傳入快速成型機(jī)制造修復(fù)體三維原型，利用醫(yī)用鈦合金鑄造修復(fù)體，植入缺損區(qū)域。結(jié)果:預(yù)制的個(gè)性化修復(fù)體曲度、邊緣與缺損區(qū)域吻合良好，6例顱眶缺損患者術(shù)后外觀形態(tài)對(duì)稱，痊愈后容貌恢復(fù)正常，平均隨訪4年無感染、假體外露等并發(fā)癥出現(xiàn)，治療效果滿意。結(jié)論:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速成型技術(shù)預(yù)制個(gè)性化修復(fù)體在整復(fù)大面積顱眶缺損畸形可有效地解決修復(fù)體塑形難、手術(shù)時(shí)間長、整復(fù)后外形欠佳等治療難題，具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);快速成型;數(shù)字化骨科;顱頜面骨缺損;鈦合金

[中圖分類號(hào)]R782[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008-6455(2010)10-1466-03

Application of computer aided design and rapid prototyping in treating large-format cranio-orbital defect individually

XIA De-lin1，GUI Lai2，F(xiàn)U Guang-xin1，CHEN Jun-liang1，MA Zheng1，ZHOU Hang-yu1

(1.Department of Oral and Maxillofacial Surgery，The Affiliated Hospital of Luzhou Medical College，Luzhou 646000，Sichuan，China;2.Department of Cranio-Maxillo-Facial Surgery， Plastic Surgery Hospital，Chinese Academy of Medical Sciences)

Abstract:ObjectiveTa explore the method of prefabricated， individualized implant for reconstruction of large-format cranio-orbital defect by the techniques of CT data， computer aided designing and rapid prototyping.Methods6 patients who was suffered from post-traumaticand turmor resection cranio-orbital defect was involved in this group from June 2004 to August 2009. The data was obtained from continuous thin-layer volume computer tomography scanning.Three-dimensional curved model of implant was designed by in situ fully fit and interactive screen method with three-dimensional image processing software and three-dimensional fabricating software(surface 9.0) through a serial disposal of CT imaging. Three-dimensional curved data of implant was extracted and transmitted to rapid prototyping machine after format conversion. Resin prosthesis model was made using RP. The individualized implant was prefabricated by exact foundry of titanium alloy. Titanium prosthesis was obtained by casting.The titanium prosthesis was implanted in the defect area to restore the cranio-orbital defect. Results The prefabricated individual cranial implant was well fitting with cranio-orbital defect area in curvature and margin. The appearances of cranio-orbital area looked beautiful and symmetric.Followed up 4 years，no complications occurred，such as infectious，titanium plate exposed.ConclusionUsing computer aided design and rapid prototyping technique has many advantages，such as simple surgical steps，no need of intro-operative reshaping and few complications.It was to be a feasible and effective methods for reconstruction the large-format defect of cranio-orbital area and would be recommended in clinical practice.

Key words:computer aided design;rapid prototyping;cranio-maxillo-facial defect;digital orthopaedics; titanium alloy

各種原因?qū)е碌拇竺娣e顱眶區(qū)缺損對(duì)患者神經(jīng)功能、容貌及心理等造成極大影響，及時(shí)正確的整復(fù)對(duì)神經(jīng)功能的恢復(fù)、容貌改善及生活質(zhì)量的提高具有重要的意義。顱眶區(qū)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀極不規(guī)則，傳統(tǒng)的修復(fù)方法對(duì)面積較小的缺損能達(dá)到較好的臨床效果，但在大面積涉及多個(gè)部位復(fù)雜缺損時(shí)由于植入物與缺損區(qū)不匹配，需臨時(shí)修剪拼對(duì)塑形難度大，制作過程復(fù)雜耗時(shí)，難以獲得滿意形狀。近年來隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)的發(fā)展并引入顱頜面外科，因其準(zhǔn)確、快速及擅長制造復(fù)雜形狀實(shí)體的特點(diǎn)使得大面積不規(guī)則顱眶缺損個(gè)體化修復(fù)體的三維仿真設(shè)計(jì)與制造成為可能。自2004年6月以來，我們利用該技術(shù)完成大面積顱眶缺損整復(fù)6例，精確地修復(fù)了缺損，取得良好效果。

1資料和方法

1.1 一般資料:本組共6例(男5例，女1例)，年齡23～52歲，平均31歲。缺損病因:外傷5例，腫瘤切除后缺損1例。缺損距手術(shù)修復(fù)時(shí)間:1個(gè)月以內(nèi)2例，2～6個(gè)月3例，12個(gè)月1例。缺損部位:額眶缺損3例，額眶顳3例。缺損面積:最大14cm×16cm，最小8cm×10cm。

1.2 CT數(shù)據(jù)的獲取與個(gè)性化修復(fù)體的設(shè)計(jì):6例患者均行顱頂至下頜64排螺旋CT斷層掃描，層厚1mm，層間距1mm，獲取顱頜面斷層DICOM格式數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存盤后輸入工作站，在三維設(shè)計(jì)與造型軟件surface9.0中通過閾值分割與區(qū)域增長生成清晰的顱頜面三維骨骼圖像。采用完全貼合與交互式屏幕顯示設(shè)計(jì)法在CAD三維模型上、缺損的周圍定點(diǎn)并排序，通過圖像分割和配準(zhǔn)，提取興趣區(qū)域，經(jīng)過無數(shù)據(jù)損失的表面繪制得到三角化網(wǎng)格圖像，填充后即生成修復(fù)體的三維曲面模型，調(diào)整與修正點(diǎn)云數(shù)據(jù)的位置與角度，直至顱面結(jié)構(gòu)對(duì)稱外形滿意后以.STL文件格式輸出，得到修復(fù)體的三維曲面模型數(shù)據(jù)，可以直接通過數(shù)字接口輸入快速成型機(jī)。

1.3 修復(fù)體的快速原型制作及個(gè)體化鈦合金修復(fù)體精密鑄造:將CAD后頭顱和修復(fù)體三維模型數(shù)據(jù)輸入AFS-320QZ激光快速成型機(jī)，通過對(duì).STL文件進(jìn)行“切片”軟件處理，得到有特定厚度的一系列片層信息及掃描加工路徑信息格式文件。由這些信息經(jīng)過程序處理依次控制快速成型機(jī)，以光敏樹脂為原料通過粘結(jié)、光固化、燒結(jié)等工藝將模型材料逐層堆積，最終完成修復(fù)體原型制造。然后利用醫(yī)用鈦合金進(jìn)行修復(fù)體的精密鑄造，在澆注完成后的鈦合金修復(fù)體表面和周邊打孔，用于引流和固定，周邊孔徑大小與鈦釘配套，最后經(jīng)機(jī)械加工、拋光、超聲清洗和消毒備用，鈦合金修復(fù)體預(yù)制完成。

1.4 手術(shù)植入修復(fù)體整復(fù)缺損:沿原手術(shù)切口、頭皮半冠狀或全冠狀切口，小心分離皮瓣防止硬腦膜損傷腦脊液漏。在缺損骨窗邊緣切開骨膜，顯露距骨窗2cm左右骨床，將修復(fù)體植入缺損區(qū)域，在周圍預(yù)留孔處鈦釘固定。如缺損較大，硬腦膜變硬凹陷、失去彈性與修復(fù)體內(nèi)面不能相貼形成死腔，容易積液導(dǎo)致感染發(fā)生，則將硬腦膜懸吊固定在修復(fù)體中央預(yù)留的孔上。生理鹽水沖洗，縫合切口，頭皮瓣常規(guī)放置負(fù)壓引流。

2結(jié)果

所有6例患者術(shù)中無需修整塑形，直接植入缺損區(qū)域固定即可，手術(shù)平均耗時(shí)45～60min，大大縮短手術(shù)時(shí)間。個(gè)性化修復(fù)體弧度、邊緣與缺損區(qū)吻合良好，形態(tài)自然，傷口一期愈合。其中1例術(shù)后4天頭皮下積液，引流后加壓包扎愈合良好。平均隨訪4年(18個(gè)月～5年)，無感染、排斥，頭皮破潰，修復(fù)體無松動(dòng)、外露發(fā)生。頭顱外觀對(duì)稱、整形效果良好，達(dá)到傷前容貌，所有患者均對(duì)術(shù)后效果滿意。

典型病例:某男，32歲，外傷后顱眶缺損9個(gè)月入院?；颊咭蚰X外傷、顱眶粉碎性骨折在當(dāng)?shù)蒯t(yī)院行去骨瓣減壓骨折碎片取出術(shù)。入院查體左額眶部明顯塌陷，可見腦膜波動(dòng)，缺損面積12cm×14cm，涉及額眶顳骨。采用連續(xù)薄層CT掃描并進(jìn)行三維重建、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速成型技術(shù)預(yù)制個(gè)性化鈦合金顱眶缺損修復(fù)體，完成修復(fù)體制作后入院手術(shù)植入，術(shù)后外觀對(duì)稱，頭顱形態(tài)自然，患者對(duì)術(shù)后效果滿意(如圖1～6)。

3討論

嚴(yán)重顱腦外傷、腫瘤等原因所致大面積顱眶缺損不僅因額眶區(qū)嚴(yán)重凹陷畸形影響容貌，而且顱腔的完整性破壞后導(dǎo)致生理功能異常，從而產(chǎn)生一系列的臨床癥狀如頭痛、頭暈、耳鳴、惡心、嘔吐、局部不適、怕震動(dòng)、不安全感等“顱骨缺損綜合征”表現(xiàn)，影響患者生活質(zhì)量，對(duì)身心造成嚴(yán)重?fù)p害[1-2]。由于該處結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形極不規(guī)則、涉及多個(gè)三維曲面方向等解剖特點(diǎn)，使修復(fù)術(shù)變得復(fù)雜且術(shù)后效果常不盡人意。準(zhǔn)確的恢復(fù)顱腔完整性和美觀的面部容貌，重建顱頜面對(duì)稱性，恢復(fù)正常的生理機(jī)能，防止繼發(fā)性神經(jīng)功能損害，減少并發(fā)癥的發(fā)生，是大面積顱眶缺損治療的主要目標(biāo)。傳統(tǒng)血管化、非血管化骨移植、生物材料等人工骨替代物植入等均存在以下不足:①自體骨移植雖能滿足生物相容性的要求，但在修復(fù)大面積骨缺損時(shí)機(jī)體可供骨量有限，通常需吻合血管的血管化骨移植開辟第二術(shù)區(qū)，操作難度較大，推廣受限，手術(shù)時(shí)間長[3]。②羥基磷灰石、生物活性玻璃、鈦網(wǎng)、Medpore等人工骨替代材料強(qiáng)度較低，脆性大、力學(xué)性能較差等特點(diǎn)也限制了其在修復(fù)大面積骨缺損時(shí)的使用[4-5]。③由于顱眶區(qū)解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，植入物與缺損形狀不匹配，須臨時(shí)對(duì)植人物進(jìn)行塑形、拼對(duì)，自體骨瓣塑形困難且塑形后的植人物與缺損區(qū)適配性差難以獲得滿意的形狀，無法滿足仿生修復(fù)的要求，從而影響了手術(shù)效果。

根據(jù)特定患者缺損區(qū)域的幾何解剖形態(tài)，專門設(shè)計(jì)個(gè)體化治療方案，術(shù)前定制植入物，不僅能使植入物與缺損區(qū)匹配，而且大大縮短手術(shù)時(shí)間，簡化手術(shù)操作，減少手術(shù)并發(fā)癥，顯著提高手術(shù)質(zhì)量[6-7]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程學(xué)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)不斷到引入傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并且在顱頜面外科臨床應(yīng)用中得以發(fā)展壯大，植入物加工工藝越來越精細(xì)，使個(gè)體化設(shè)計(jì)制造普及成為可能[8]。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的個(gè)體化植入物，是對(duì)CT影像和數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，設(shè)計(jì)出有限元模型并制造出植入物，使植入物更適合缺損區(qū)域的生物力學(xué)和解剖形態(tài)的需求[9-10]。植入物的個(gè)體匹配與否，設(shè)計(jì)過程是一個(gè)決定全局的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于早期CT數(shù)據(jù)精確度較差和文件格式轉(zhuǎn)化困難，限制其在醫(yī)學(xué)中的推廣，隨著高分辨率CT的問世和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的發(fā)展突破了這一運(yùn)用的瓶頸。在以往的植入物的CAD中多用鏡像對(duì)稱翻轉(zhuǎn)法來實(shí)現(xiàn)[11]。鏡像法利用健側(cè)的數(shù)據(jù)為參照標(biāo)準(zhǔn)，翻轉(zhuǎn)至缺損處行鏡像匹配，記錄下數(shù)據(jù)，然后將三維數(shù)據(jù)傳輸至快速成型機(jī)進(jìn)行修復(fù)體的制造。由于顱頜面骨缺損部位大小差異很大、兩側(cè)創(chuàng)傷不一致、缺損常超出中線范圍，而且患者雙側(cè)頭顱很難保證絕對(duì)對(duì)稱，因此難以利用健側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并且翻轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)的修復(fù)體與缺損區(qū)域貼合不緊密。為此，本文進(jìn)行了改進(jìn)，直接在計(jì)算機(jī)生成的三維模型上運(yùn)用原位完全貼合法設(shè)計(jì)，修復(fù)體超出缺損邊緣2～3mm預(yù)留與骨床固定部位，立體直觀觀察修復(fù)效果，并反復(fù)編輯修正直至滿意，最后自動(dòng)生成三維曲面模型并以.STL文件格式輸出與快速成型機(jī)兼容，制造修復(fù)體原型[12]。這樣構(gòu)建出個(gè)體化植人物的大小、形狀、安放位置及固定方式與缺損區(qū)域曲度及邊緣吻合良好?？焖俪尚图夹g(shù)(rapid prototyping，RP)是20世紀(jì)80年代末首先從美國發(fā)展起來的一種新型工程制造技術(shù)，它基于材料累加(material increase)概念和疊層制造(layered manufacturing)方法。利用材料分層、疊加、堆積成形的原理來制造產(chǎn)品，可自動(dòng)、快速、精確、直接的將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造產(chǎn)品[13]。由于CT數(shù)據(jù)與RP切片的數(shù)據(jù)格式具有相似性，通過對(duì)CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，可以精確復(fù)制與生物形體相同的三維實(shí)體，從而實(shí)現(xiàn)三維虛擬模型與真實(shí)實(shí)體的交互轉(zhuǎn)化。RP技術(shù)可以制作任意復(fù)雜幾何形狀的實(shí)體，不受傳統(tǒng)加工方法的限制，特別適合大面積顱眶缺損這一特殊不規(guī)則解剖區(qū)域個(gè)體化修復(fù)體的制造[14]。且RP數(shù)據(jù)來源于特定的患者CT斷層數(shù)據(jù)，減少了個(gè)體化修復(fù)體設(shè)計(jì)出錯(cuò)的空間，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性。本文直接將所設(shè)計(jì)的植入物的三維曲面模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為快速成型分層制造的輪廓數(shù)據(jù)格式并快速制造植入物的實(shí)體原型，提高了個(gè)體匹配植入物的制造速度和精度，縮短患者的等待時(shí)間。鈦合金因其良好的生物物理性能被認(rèn)為是最好的金屬骨替代材料之一，具有良好的生物相容性和足夠的強(qiáng)度，能滿足顱眶骨缺損修復(fù)的需求[15]。

該方法與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):①術(shù)前根據(jù)缺損的部位、大小、形狀設(shè)計(jì)和預(yù)制個(gè)體化修復(fù)體可以使修復(fù)體與缺損區(qū)域達(dá)到完美的貼合，具有極強(qiáng)的適配性，術(shù)中無需塑形和拼接，直接將修復(fù)體植入并固定在缺損區(qū)域即可。②不僅能達(dá)到功能修復(fù)，而且外觀形態(tài)良好，達(dá)到幾乎解剖意義上的重建，提高了手術(shù)質(zhì)量和治療效果，增加了患者的滿意率。③大大縮短了手術(shù)時(shí)間，簡化了手術(shù)操作，使手術(shù)效果具有可預(yù)見性，減少了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和并發(fā)癥。④該方法可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的會(huì)診，只需將患者頭顱CT平掃數(shù)據(jù)傳輸至工作站，在工作站內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理和個(gè)體化修復(fù)體的設(shè)計(jì)后，將數(shù)據(jù)再傳輸至制造中心，即可完成個(gè)體化修復(fù)體的預(yù)制用于臨床，具有廣泛運(yùn)用的推廣價(jià)值。作為一種新型的修復(fù)方法，具有傳統(tǒng)手術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，為臨床治療難題提供了一種簡單有效的手段，但目前過程制作成本仍較高，患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較重是其主要缺點(diǎn)。

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[收稿日期]2010-08-14[修回日期]2010-09-29

編輯/何志斌