快速成型結(jié)合3D打印技術(shù)在顱頜面畸形整形修復(fù)中的應(yīng)用

何顏秋　綜述，陳　華　審校

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院整形美容燒傷科內(nèi)蒙古呼和浩特010050）

·綜述·

快速成型結(jié)合3D打印技術(shù)在顱頜面畸形整形修復(fù)中的應(yīng)用

何顏秋綜述，陳華審校

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院整形美容燒傷科內(nèi)蒙古呼和浩特010050）

因先天畸形、外傷、腫瘤切除以及炎性反應(yīng)等因素所導(dǎo)致的顱頜面畸形，均可導(dǎo)致顏面部功能障礙和畸形，需要通過(guò)不同手段恢復(fù)其外形、功能，及時(shí)正確的個(gè)性化修復(fù)對(duì)于功能恢復(fù)、容貌改善、生活質(zhì)量的提高具有重要的社會(huì)意義。眾所周知，由于顱頜面解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、骨骼形狀不規(guī)則、功能特殊的關(guān)系，僅通過(guò)CT、MRI等影像學(xué)檢查確定復(fù)雜的顱頜面畸形病變性質(zhì)、范圍具有一定的局限性。近年來(lái)，隨著快速成型（rapid prototyping，RP）技術(shù)的發(fā)展并且引入整形外科，因其可以快速、準(zhǔn)確地制造復(fù)雜顱頜面畸形個(gè)性化修復(fù)體的特點(diǎn)，使得復(fù)雜顱頜面畸形個(gè)性化修復(fù)體的三維仿真設(shè)計(jì)和制造成為可能。

1　快速成型技術(shù)簡(jiǎn)介

快速成型（rapid prototyping，RP）技術(shù)是起源于20世紀(jì)80年代的一種原型制造技術(shù)，該技術(shù)集合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）、三維激光掃描技術(shù)、CT三維重建技術(shù)、3D打印技術(shù)等，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［1］。

1.1快速成型技術(shù)原理

首先通過(guò)CT、MRI獲得二維數(shù)據(jù)，將二維數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)CAD或CAM平臺(tái)，把dicom格式的CT數(shù)據(jù)［2］轉(zhuǎn)化成stl格式，這樣快速成型系統(tǒng)就能識(shí)別［3］，采用軟件分層離散和數(shù)據(jù)成型系統(tǒng)重新分層、逐層疊加的原理制作出三維模型，即將二維薄層堆積形成三維實(shí)體［4］。

1.2快速成型技術(shù)的方法

目前，全世界投入應(yīng)用的RP技術(shù)方法有十余種，但其中較為成熟的方法主要包括激光快速成型（stereo lithography apparatus，SLA）、選擇性激光燒結(jié)（selected laser sintering，SLS）、分層實(shí)體制造（1aminated object manufacturing，LOM）、熔融離散堆積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、3D打印技術(shù)、真空澆注、低壓灌注等，其中SLA技術(shù)應(yīng)用最廣泛［5］。

2　快速成型技術(shù)在顱頜面畸形整形修復(fù)中的應(yīng)用

2.1在顱頜面部骨折整形修復(fù)中的應(yīng)用

顱骨缺損的形態(tài)迥異，解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳統(tǒng)方法難以解決大面積顱骨缺損區(qū)域修復(fù)材料塑形問(wèn)題。應(yīng)用快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)，既保護(hù)腦組織達(dá)到治療顱骨缺損的目的，又可以更好地恢復(fù)患者原有面貌和顱骨外形［6］。D'urso［7］將RP技術(shù)應(yīng)用制造個(gè)性化丙烯酸樹(shù)脂補(bǔ)件修復(fù)顱骨缺損，術(shù)前完成模擬補(bǔ)件與缺損模型的匹配，明顯縮短手術(shù)時(shí)間，同時(shí)獲得良好的臨床應(yīng)用結(jié)果。國(guó)內(nèi)歸來(lái)［8］應(yīng)用快速成型技術(shù)制造出的鈦合金骨缺損替代物在形狀上與原骨骼幾乎完全相同，而且重量相似、強(qiáng)度足夠、組織相容性良好。

眼眶骨折的修復(fù)材料有許多種，包括自體骨和人工材料，自體骨雖然具有良好組織相容性、容易塑形等特點(diǎn)，但可致額外損傷，且有一定吸收性，易變形，從而影響手術(shù)效果。Marcin［9］、Lieger等［10］均認(rèn)為RP技術(shù)在修復(fù)眼眶骨折中經(jīng)濟(jì)且方便可行，明顯提高了手術(shù)精確性。Suresh等［11］報(bào)道稱利用快速成型技術(shù)制備顳下頜三維模型來(lái)治療顳下頜關(guān)節(jié)強(qiáng)直癥對(duì)于軟組織再造、過(guò)程優(yōu)化和植入體模擬制造以及在組織工程研究應(yīng)用方面都有重要的臨床意義。Galantucc等［12］報(bào)道稱通過(guò)三維重建技術(shù)和快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化下頜骨微細(xì)結(jié)構(gòu)的三維仿真，以制作出三維結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)制作的組織工程骨植入相應(yīng)缺損部位，可獲得滿意的修復(fù)效果。

2.2在顱頜面部贗復(fù)體制造中的應(yīng)用

隨著整形美容手術(shù)的精細(xì)化及正頜外科的發(fā)展，對(duì)術(shù)前手術(shù)仿真設(shè)計(jì)和面部軟組織預(yù)測(cè)已成必然趨勢(shì)。Subbura等［13］基于MRI的三維成像數(shù)據(jù)，通過(guò)鏡像原理利用健側(cè)正常耳廓獲取患側(cè)耳廓數(shù)據(jù)。應(yīng)用SLA制作出一個(gè)患側(cè)樹(shù)脂耳模型，然后用聚硅酮作鑄腔制出一個(gè)患側(cè)耳的蠟型，使患側(cè)的耳再造在外形、結(jié)構(gòu)及位置上均達(dá)到了滿意效果，此次制作的耳廓模型無(wú)論在精確度、持久性上均優(yōu)于傳統(tǒng)的制作模型，并且制作過(guò)程更加方便簡(jiǎn)約、經(jīng)濟(jì)。李風(fēng)蘭等［14］應(yīng)用選區(qū)激光燒結(jié)法制作了個(gè)性化耳贗復(fù)體，證明了選區(qū)性激光燒結(jié)技術(shù)可用于制作形態(tài)復(fù)雜的耳贗復(fù)體模型，為該技術(shù)在顱頜面贗復(fù)體制作中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。熊耀陽(yáng)等［15］應(yīng)用熔融擠壓法進(jìn)行鼻贗復(fù)體的個(gè)性化制作，經(jīng)臨床檢驗(yàn)符合修復(fù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，術(shù)后效果患者滿意。周冰等［16］應(yīng)用選區(qū)激光燒結(jié)法制作出了鼻贗復(fù)體的蠟型，蠟型達(dá)到了臨床應(yīng)用的個(gè)性化制作要求，最終翻制成硅橡膠贗復(fù)體，獲得了滿意的臨床應(yīng)用效果。應(yīng)用RPM方法可以準(zhǔn)確、逼真、形象地再現(xiàn)患者缺損部位，明顯降低了醫(yī)生的工作強(qiáng)度，改進(jìn)了頜面部贗復(fù)體的制作工藝［17］。

2.3在口腔整形修復(fù)中的應(yīng)用

Bibb等［18］研究發(fā)現(xiàn)，RP技術(shù)直接制作可摘局部義齒，具有精確性、有效性，克服了傳統(tǒng)手工工藝和鑄造包埋技術(shù)操作的不確定性和重復(fù)性缺點(diǎn)，使得局部義齒加工更加經(jīng)濟(jì)、快捷。Meneghello等［19］應(yīng)用RP技術(shù)依據(jù)患者口腔情況制作個(gè)性化石膏模型和樹(shù)脂基托，設(shè)計(jì)每一粒牙齒形態(tài)，體外模擬口腔不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分析力大小和接觸區(qū)位置，完成修復(fù)體個(gè)性化制作，提高全口義齒設(shè)計(jì)咬合接觸的精準(zhǔn)性。楊蕓等［20］通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和快速成型技術(shù)建立了4例個(gè)性化上頜埋伏牙牽引裝置的三維模型，使術(shù)前確定的擬暴露牙面部位與裝置底板形態(tài)匹配，緊密貼合，具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。馬曉飛等［21］報(bào)道通過(guò)快速成型技術(shù)制作的唇腭裂患兒齒槽區(qū)模型，可精確、直觀地反映病情，可用于分析病情、制定手術(shù)方案，優(yōu)化手術(shù)步驟等，且為未來(lái)唇腭裂術(shù)前矯形器的研發(fā)提供實(shí)體平臺(tái)，具有極大的應(yīng)用前景。唇裂患兒預(yù)后效果受不同唇裂術(shù)式的影響［22］，利用快速成型技術(shù)制作的個(gè)性化新生兒唇裂仿真模型可對(duì)個(gè)性化復(fù)雜病例在術(shù)前復(fù)制出多個(gè)仿真模型，在模型上模擬不同唇裂術(shù)式，為最終選擇術(shù)式提供理論依據(jù)，縮短手術(shù)時(shí)間、提高手術(shù)精確性。

將快速成型技術(shù)應(yīng)用到顱頜面畸形修復(fù)中，手術(shù)操作得到簡(jiǎn)化，明顯縮短手術(shù)時(shí)間，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了手術(shù)精確性，而且外形及功能恢復(fù)滿意。

3　　3D打印技術(shù)的簡(jiǎn)介

20世紀(jì)80年代初，Charles Hull發(fā)明了3D打印技術(shù)，如今，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［23］。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了新的技術(shù)支持，尤其在顱頜面骨性組織缺損修復(fù)重建中，提高了手術(shù)精確度［24］，達(dá)到了個(gè)性化和微創(chuàng)的要求［25］。3D打印技術(shù)是一種基于三維可視化模型，通過(guò)融合或沉積塑料、金屬、陶瓷、粉末、液體，甚至活細(xì)胞層產(chǎn)生一個(gè)三維物體［26］。由于其可直接根據(jù)計(jì)算機(jī)三維數(shù)據(jù)“打印”出任何結(jié)構(gòu)、形狀的物品，極大地提高了生產(chǎn)力、成本效率、分辨率及產(chǎn)品精度［27-28］。

4　　3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

4.1定制假體或植入物

根據(jù)患者特定的CT或MRI數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)制作假體或復(fù)雜的外科植入物［29］已被用于制造牙齒、脊柱、髖關(guān)節(jié)等［30］。

4.2術(shù)前設(shè)計(jì)

3D打印技術(shù)快速獲得手術(shù)部位的可視化實(shí)體模型可以供外科醫(yī)生在術(shù)前確定最佳手術(shù)方案、模擬手術(shù)操作、預(yù)計(jì)手術(shù)結(jié)果［30］。

4.3組織工程

許多研究已經(jīng)證明了組織和器官的3D打印還處于起步階段，研究人員使用3D打印機(jī)創(chuàng)建了膝關(guān)節(jié)半月板、心臟瓣膜、椎間盤(pán)、其他類(lèi)型的軟骨和骨、人工耳［28-30］。

5　　3D打印技術(shù)在顱頜面畸形修復(fù)中的應(yīng)用

顱頜面畸形修復(fù)手術(shù)常需植入物來(lái)修復(fù)缺損，而其不規(guī)則的解剖結(jié)構(gòu)使得契合缺損部位難以精確，尤其是上頜骨缺損的修復(fù)重建。而3D打印技術(shù)不僅可以仿制物體三維結(jié)構(gòu)而且還可以優(yōu)化外部空間造型，從宏觀到微觀都能滿足修復(fù)的個(gè)性化需求［31］。大量臨床研究表明，應(yīng)用3D打印技術(shù)制造個(gè)性化外科導(dǎo)板適用于外科創(chuàng)面修復(fù)，如可使腫瘤在安全邊界下完整切除，并且最大限度地保留自體正常組織，同時(shí)明顯縮短手術(shù)時(shí)間、降低術(shù)后并發(fā)癥，預(yù)測(cè)手術(shù)效果［32-36］。3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的個(gè)性化植入物可以避免傳統(tǒng)手術(shù)中依賴醫(yī)生臨床經(jīng)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整修改鈦板或鈦網(wǎng)這一過(guò)程，降低手術(shù)時(shí)間、減少術(shù)后并發(fā)癥，最大程度恢復(fù)下頜骨輪廓外形［37］。

6　小結(jié)與展望

快速成型及3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：形象化了畸形、腫瘤及骨折等解剖特征；方便醫(yī)生之間以及醫(yī)生和患者之間交流；外科術(shù)前和術(shù)中模擬，如在模型上進(jìn)行切除、鉆孔和定位，在模型上精確試裝手術(shù)所需板、釘?shù)?，以縮短手術(shù)時(shí)間；用作標(biāo)本資料，將各種病變RP模型收集起來(lái)分析，為以后類(lèi)似病例手術(shù)治療提供參考資料；有效縮短手術(shù)時(shí)間、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、減少患者不舒適感［38］。

目前，顱頜面畸形缺損修復(fù)重建的快速成型和3D打印技術(shù)已發(fā)展到一個(gè)新階段，其有望在個(gè)性化醫(yī)學(xué)趨勢(shì)中發(fā)揮重要作用。許多研究表明，快速成型和3D打印技術(shù)正影響著醫(yī)學(xué)診療水平的發(fā)展及推廣應(yīng)用。但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步探索和解決，如：安全保障問(wèn)題、專(zhuān)利和版權(quán)問(wèn)題、監(jiān)管問(wèn)題等，但隨著制作技術(shù)、新型材料以及計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，未來(lái)有望制造出理想的“人造組織器官”并將其應(yīng)用于臨床。

［1］滕勇，王臻，李滌塵，等.應(yīng)用快速成型技術(shù)復(fù)制人體骨骼模型與假肢制造設(shè)計(jì)的意義［J］.中國(guó)臨床康復(fù)，2003，26（7）：3556-3557.

［2］SuR，CampbellGM，BoydSK.Establishmentofan architecture-specific experimental validation approach for finite element modeling of bone by rapid prototyping and high resolution computed tomography［J］.Med Eng Phys，2007，29（4）：480-490.

［3］NgKW，MauckRL，StatmanLY，etal.Dynamic deformational loading results in selective application of mechanicalstimulationinalayered.tissue-engineered cartilage construct［J］.Biorheology，2006，43（3/4）：497-507.

［4］王明一，張陳平.快速成型技術(shù)在上頜骨缺損贗復(fù)治療中的應(yīng)用［J］.國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2010，37（6）：724-726.

［5］陳俊蘭，吳紀(jì)楠，王忠東.快速成型技術(shù)在顱頜面缺損整復(fù)中的應(yīng)用［J］.國(guó)際口腔醫(yī)學(xué)雜志，2011，38（5）：567-569.

［6］Nakayama B，Hasegawa Y，Hyodo I，et a1.Reconstruction Using a three-dimensional orbitozygomatic skeletal model of titanium mesh plate and soft-tissue free flap transfer following total maxillectomy［J］.Plast Reconstr Surg，2004，114（3）：631-639.

［7］D'Urso PS，Earwaker WJ，Barker TM.Custom cranioplasty using stereolithography and acrylic［J］.Br J Plast Surg，2000，53（3）：200-204.

［8］歸來(lái)，左鋒，張智勇，等.顱骨缺損的個(gè)性化修復(fù)［J］.中華整形外科雜志，2004，20（2）：98-100.

［9］Martin K，Marcin E，Piotr L，et a1.Clinical application of 3D prebent titanium implants for orbital floor fractures［J］.J Cranio-Maxillofac Surg，2009，37（4）：229-234.

［10］Lieger 0，Richards R，Liu M，et a1.Computer-assisted design and manufacture of implants in the late reconstruction of extensive orbital fractures［J］.Arch Facial Plast Surg，2010，12（3）：186-191.

［11］Suresh MC，VmbMv B，Abhay K.Application of the rapid prototypingtechniquetodesignacustomized temporomandibular joint used to treat temporomandibular ankylosis［J］.Indian J Hast Surg，2009，42（1）：85-93.

［12］GalantucciLM，PercocoG，AngelelliG，etal.Reverse engineering techniques applied to a human skull，for CAD 3Dreconstructionandphysicalreplicationbyrapid prototyping［J］.J Med Eng Technol，2006，30（2）：102-111.

［13］Subbura J，Nair C，Rajesh S，et a1.Rapid development of auricular prosthesis using CAD and rapid prototyping technologic［J］.Oral Maxxillofac Surg，2007，36（10）：938-943.

［14］李風(fēng)蘭，趙銥民.選擇性激光燒結(jié)法燒結(jié)復(fù)合蠟粉制作耳贗復(fù)體［J］.中國(guó)激光，2009，36（10）：2712-2716.

［15］熊耀陽(yáng)，陳曉波，焦婷，等.快速成型技術(shù)在鼻贗復(fù)體制作過(guò)程中的應(yīng)用［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2008，28（4）：417-419，430.

［16］周冰，趙銥民，吳國(guó)鋒，等.選區(qū)激光燒結(jié)成型技術(shù)在鼻贗復(fù)體制作中的應(yīng)用［J］.中國(guó)激光，2008，35（10）：1644-1648.

［17］WuG，ZhouB，BiY，eta1.Selectivelasersintering technology for customized fabrication of facial prostheses［J］.J Prosthet Dent，2008，100（1）：56-60.

［18］Bibb R，Eggbeer D，Williams R.Rapid manufacture of removablepartialdentureframeworks［J］.Rapid Prototyping J，2006，12（2）：95-99.

［19］Meneghello R，Savio G，Raffaeli R，et a1.An integrated methodology for the functional design of dental prosthesis［J］.Int J Interact Des Manuf，2013，7（2）：103-114.

［20］楊蕓，白玉興，董輝，等.應(yīng)用快速成形技術(shù)制作上頜埋伏牙個(gè)體化牽引裝置［J］.中國(guó)實(shí)用口腔科雜志，2008，1（8）：479-481.

［21］馬曉飛，張艷，龔昕，等.快速成型三維模型在唇腭裂治療中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)美容醫(yī)學(xué)，2009，5（6）：322-324.

［22］Schwenzer-Zimmerer K，Chmtidis D，Berg-Beemer l，et al. Quantitative 3D soft tissue analysis of symmetry prior to and after unilateral cleft lip repair compared with non-cleft persons（performedinCambodia［J］.JCraniomaxillofac Surg，2008，36（8）：431-438.

［23］Schubert C，van Langeveld MC，Donoso LA.Innovations in 3D printing：a 3D overview from optics to organs［J］.Br J Ophthalmol，2014，98（2）：159-161.

［24］Zhou LB，Shang HT，He LS，et al.Accurate reconstruction of discontinuousmandibleusingareverseengineering/ computer-aideddesign/rapidprototypingtechnique：a preliminary clinical study［J］.J Oral Maxillofac Surg，2010，68（9）：2115-2121.

［25］王成燾.硬組織外科臨床數(shù)字技術(shù)系統(tǒng)研究［J］.中國(guó)骨科臨床與基礎(chǔ)研究雜志，2010，2（2）：87-91.

［26］Lipson H.New world of 3-D printing offers"completely new ways of thinking："Q&A with author，engineer，and 3-D printing expert Hod Lipson［J］.IEEE Pulse，2013，4（6）：12-14.

［27］BanksJ.Addingvalueinadditivemanufacturing：Researchers in the United Kingdom and Europe look to 3D printing for customization［J］.IEEE Pulse，2013，4（6）：22-26.

［28］Mertz L.Dream it，design it，print it in 3-D：What can 3-D printing do for you［J］.IEEE Pulse，2013，4（6）：15-21.

［29］Bartlett S.Printing organs on demand［J］.Lancet Respir Med，2013，1（9）：684.

［30］Gross BC，Erkal JL，Lockwood SY，et al.Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences［J］.Anal Chem，2014，86（7）：3240-3253.

［31］Marcos Viní cius Marques Anchieta，Marcelo Marques Quaresma，F(xiàn)rederico Assis de Salles.Rapid prototyping appliedtomaxillofacialsurgery//MuhammadEnamul Hoque.Advancedapplicationsofrapidprototyping technologyinmodernengineering［DB］.InTech，DOI：10.5772/25761，2011：153-173.

［32］CioccaL，MazzoniS，F(xiàn)antiniM，etal.ACAD/CAM-prototyped anatomical condylar prosthesis connected to a custom-made bone plate to support a fibula free flap［J］. Med Biol Eng Comput，2012，50（7）：743-749.

［33］Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al.Prosthetically guided maxillofacial surgery：evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made boneplate in oncology patients after mandibular reconstruction［J］.Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-1385.

［34］Narra N，Valásek J，Hannula M，et al.Finite element analysis ofcustomizedreconstructionplatesformandibular continuitydefecttherapy［J］.JBiomech，2014，47（1）：264-268.

［35］Kang H，Long JP，UrbielGoldner GD，et al.A paradigm for thedevelopmentandevaluationofnovelimplant topologies for bone fixation：implant design and fabrication［J］.J Biomech，2012，45（13）：2241-2247.

［36］Ciocca L，Mazzoni S，F(xiàn)antini M，et al.CAD/CAM guided secondary mandibular reconstruction of a discontinuity defect after ablative cancer surgery［J］.J Craniomaxillofac Surg，2012，40（8）：511-515.

［37］Leiggener C，MessoE，Thor A，et al.A selective laser sintering guide for transferring a virtual plan to real time surgery in composite mandibular reconstruction with free fibula osseous flaps［J］.Int J Oral Maxillofac Surg，2009，38（2）：187-192.

［38］董青山，郭家平，李志進(jìn)，等.快速成型技術(shù)應(yīng)用于頜面部骨畸形的整復(fù)研究［J］.口腔醫(yī)學(xué)研究，2013，29（12）：1141-1144.

編輯/李陽(yáng)利

Application of rapid prototyping with 3D printing technology in plastic repair of cranial and maxillofacial deformity

陳華，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院整形美容燒傷科主任醫(yī)師、醫(yī)學(xué)博士；E-mail：will6699@sina.com

內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)科技百萬(wàn)工程資助項(xiàng)目（YKD2013KJBW011）；內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院重大科學(xué)研究項(xiàng)目（NYFYZD2014014）

2015-04-28

2015-06-22