2種快速成型技術(shù)制作頜面部贗復(fù)體表面皮紋的初步研究

唐雪鵬，王崇，耿燕，畢方鵬，貢瑾，李適廷，張敏

（1.解放軍大連療養(yǎng)院桃源門診，遼寧 大連 116021；2.解放軍第210醫(yī)院，遼寧 大連 116013；3.解放軍空軍總醫(yī)院，北京 100000；4.解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院，重慶 400037；5.解放軍第457醫(yī)院口腔科，湖北 武漢 430000）

2種快速成型技術(shù)制作頜面部贗復(fù)體表面皮紋的初步研究

唐雪鵬1，王崇2，耿燕1，畢方鵬3，貢瑾1，李適廷4，張敏5

（1.解放軍大連療養(yǎng)院桃源門診，遼寧 大連 116021；2.解放軍第210醫(yī)院，遼寧 大連 116013；3.解放軍空軍總醫(yī)院，北京 100000；4.解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院，重慶 400037；5.解放軍第457醫(yī)院口腔科，湖北 武漢 430000）

目的比較光固化立體造型技術(shù)（SLA）和選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）2種快速成型技術(shù)設(shè)計制作表面帶有皮紋的硅橡膠試件和贗復(fù)體的效果。方法應(yīng)用SLA和SLS技術(shù)，分別制備取自正常志愿者面頰部帶有表面皮紋的硅橡膠試件和鼻部缺損患者的鼻部贗復(fù)體，并對其表面形態(tài)進行觀察和比較。結(jié)果SLA法制備出的硅橡膠試件表面帶有明顯的皮紋，并且制備出的鼻部贗復(fù)體表面可見清晰的紋理。而采用SLS技術(shù)獲得的硅橡膠試件和鼻部贗復(fù)體表面未見明顯皮紋。結(jié)論SLA快速成型技術(shù)更適合帶有表面皮紋的頜面部贗復(fù)體的制作。

三維打印；快速成型；表面皮紋；負型代模

當(dāng)前口腔頜面部嚴重的器官缺損可以通過硅橡膠制作的贗復(fù)體修復(fù)。然而如何使修復(fù)體與患者面部和諧相容，并且具有美感，表面細節(jié)特征起著決定作用。利用目前現(xiàn)有的重建技術(shù)尚無法完整獲得皮膚走形與紋路[1-2]。在贗復(fù)體的設(shè)計過程中，可以根據(jù)計算機軟件自帶的皮紋附加功能設(shè)計出皮紋的基本形態(tài)[3-4]。但軟件中設(shè)計出的皮紋能否夠在實際模型上體現(xiàn)出來，這不僅取決于皮紋的深淺和走形的復(fù)雜程度，更取決于快速成型技術(shù)的制作精度。目前，應(yīng)用較多的快速成型技術(shù)主要有光固化立體造型技術(shù)（Stereolithography，SLA）和選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（selected laser sintering，SLS），這兩種方法是目前快速成型技術(shù)中研究最多、應(yīng)用最廣泛的。雖然這2種方法加工原理、適用范圍及制作所需的材質(zhì)相似，但是這2種方法在制作精密的帶有皮紋的硅橡膠贗復(fù)體的研究尚未見報道。本實驗對這2種技術(shù)在制作帶有皮紋的硅橡膠贗復(fù)體上做初步探討。

1 資料與方法

1.1研究對象

患者男性，52歲，遼寧義縣人，2013年7月行鼻底細胞癌行全鼻切除術(shù)，選取2015年7月-2016年4月于解放軍第457醫(yī)院就診。健康志愿者1例，男性，21歲，在校大學(xué)生。

1.2實驗儀器

3DSS-Ⅱ三維結(jié)構(gòu)光掃描儀與自帶系統(tǒng)（上海數(shù)造公司），Geomagic studio 11.0（美國Geomagic公司），Magics RP 9.0（美國Materialise公司），SLA激光3D快速打印成型機（陜西恒通智能機器有限公司），SLS激光3D快速打印成型機（北京鑫龍自動成型系統(tǒng)有限公司），ZY-1型醫(yī)用硅橡膠（湖北武漢恒天藥業(yè)有限公司）。

1.3實驗方法

1.3.1健康志愿者面頰部數(shù)據(jù)的獲取利用3DSS-Ⅱ三維結(jié)構(gòu)光掃描儀光柵掃描獲取健康志愿者面頰部三維數(shù)據(jù)，以wrl.格式存儲備用。利用Geomagic studio 11.0軟件將健康志愿者的面頰部三維數(shù)據(jù)進行除噪、片面化。利用軟件自帶的雕刻刀及浮雕功能添加皮膚紋理。在深度選項中調(diào)節(jié)浮雕最深處的數(shù)值為2mm。

1.3.2三維鼻數(shù)據(jù)的選擇與皮紋添加利用3DSS-Ⅱ三維結(jié)構(gòu)光掃描儀光柵掃描獲取鼻部缺損患者的三維數(shù)據(jù)，以wrl.格式存儲備用，方法如下：①打開Geomagic studio 11.0軟件，將獲得的三維云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，利用軟件中的堆積整合功能，根據(jù)面部標(biāo)識點，構(gòu)建完整的患者面部軟組織三維形態(tài)數(shù)據(jù)圖；②利用Geomagic studio11.0軟件去除異常點、三角片面化，邊緣修整柔順，初步構(gòu)建出患者面部三維模型，以患者患病前照片為參考依據(jù)，從建立的健康外鼻數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)的健康鼻三維數(shù)據(jù)。征求患者意見并滿意后，以stl.格式存儲；③利用軟件的雕刻刀和浮雕功能對表面形態(tài)進行修整，在建立的缺損軟組織處添加皮紋細節(jié)。在深度選項中調(diào)節(jié)浮雕最深處的數(shù)值為3mm，進行數(shù)據(jù)微處理。

1.3.3硅橡膠實體的制作將上述兩組數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Magics RP 9.0軟件中，將文件轉(zhuǎn)換為快速成型機所能識別的文件類型。將文件導(dǎo)入使用SLA技術(shù)的SPS250B激光快速成型機和使用SLS技術(shù)的AFS360激光快速成型機中，加工完成后，經(jīng)相應(yīng)的后處理分別獲得取自面頰部硅橡膠試件和鼻部硅橡膠贗復(fù)體。

2 結(jié)果

2.1面頰部三維數(shù)據(jù)的獲取

利用3DSS-Ⅱ結(jié)構(gòu)光掃描儀所獲得的健康志愿者面頰部的三維數(shù)據(jù)完整平滑。

2.2三維鼻數(shù)據(jù)的構(gòu)建

三維結(jié)構(gòu)光掃描儀和Geomagic studio11.0構(gòu)建出符合患者面部外形的健康外鼻三維形態(tài)。見圖1。

圖1　軟件構(gòu)建的面部三維圖像

2.3面頰部硅橡膠試件的獲取

健康志愿者面頰部樹脂負型代模順利取出，并翻制得到硅橡膠試件。

2.3.1兩種快速成型技術(shù)獲得代模的比較采用SLA技術(shù)得到樹脂負型代模表面光潔，未見明顯的臺階現(xiàn)象，負型的底面可以清晰地觀察到不同深度的紋理，分布均勻。而采用SLS技術(shù)得到的樹脂盒狀負型，紋理較淺，紋理走形不規(guī)則，表面粗糙，以手觸之有明顯的顆粒感。負型內(nèi)層面紋理模糊不清，僅顯示為具有環(huán)形臺階狀粗糙表面。

2.3.22種快速成型技術(shù)獲得硅橡膠試件的比較

采用SLA技術(shù)得到的由負型代模翻制出來的面頰部硅橡膠試件，經(jīng)過外著色后，可見其外觀與人的正常的皮膚紋理相似。而利用SLS技術(shù)得到的面頰部硅橡膠，經(jīng)過外著色后，觀察硅橡膠塊表面光潔，未見明顯的皮膚紋理特征。見圖2、3。

圖2　SLS技術(shù)獲得的面頰部硅橡膠試件

圖3　SLA技術(shù)獲得的面頰部硅橡膠試件

圖4　SLA技術(shù)獲得的鼻贗復(fù)體

圖5　SLS技術(shù)獲得的鼻贗復(fù)體

2.42種快速成型技術(shù)獲得鼻贗復(fù)體皮紋的比較

獲得由負型代模翻制出來的鼻部贗復(fù)體。利用SLA技術(shù)獲得的鼻部贗復(fù)體表面可以觀察到走形清晰的紋路，在曲率變化較大的鼻尖區(qū)域，也可以觀察到清晰的皮膚紋理細節(jié)。而用SLA技術(shù)獲得的鼻部贗復(fù)體表面觀察不到走形清晰的紋路。見圖4、5。

3 討論

自從三維打印技術(shù)進入到頜面部組織工程修復(fù)領(lǐng)域以來，如何使贗復(fù)體的形態(tài)自然逼真而獲得更佳的修復(fù)效果，一直是學(xué)者們致力追求的目標(biāo)。

面部的紋理和皺紋是面部表面特征的重要組成部分，是面部具有鮮明個性化不可或缺的重要因素[5-6]。雖然部分頜面部的缺損能夠通過鏡像反轉(zhuǎn)技術(shù)完成計算機輔助設(shè)計的仿真修復(fù)[5]，但是在重建的面部三維模型中無法反映出明顯的皮膚紋理狀態(tài)。雖然基本滿足一般的缺損組織的修復(fù)，但是離“求美者”所追求的“完美”還是有一定距離。

通過三維結(jié)構(gòu)光掃描系統(tǒng)獲得掃描物體的三維數(shù)據(jù)，利用Geomagic 11.0軟件中提供的雕刻刀和浮雕功能，可以對贗復(fù)體表面形態(tài)進行修整，添加三維的皮紋特征，并設(shè)定皮紋深度，通過該方法能夠在贗復(fù)體表面模擬出不同深度的皮紋，其他一些三維設(shè)計軟件也具有類似功能。但是軟件中模擬的皮紋是否能夠在實體模型上體現(xiàn)出來，與模擬皮紋的深度、快速成型系統(tǒng)的加工精度，以及材質(zhì)的性能有關(guān)[7-8]。

本實驗結(jié)果表明，采用SLA快速成型方法制作出的試件負型能夠清晰地體現(xiàn)出軟件中設(shè)計的皮膚紋理特征，而采用SLS制作得到的試件負型表面不光滑、比較粗糙。與SLA加工的試件相比，紋理細節(jié)比較模糊，原因在于兩種快速成型制作方式的原理和加工材料都有所不同。

SLA技術(shù)是三維打印領(lǐng)域出現(xiàn)的發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最廣泛的的技術(shù)[9]。SLA技術(shù)原理是以光敏樹脂為基本原料，通過計算機逐層控制激光束，對目標(biāo)物體的表面進行逐點掃描，通過光聚合反應(yīng)使被掃描區(qū)域的樹脂形成零件的一個薄層[10-11]。由于加工材料多為液態(tài)光敏樹脂，并且所用激光光斑直徑較?。?0.2 mm），加工層間距也較?。?.1 mm），因此具有加工精度高、集成化、高度柔性、快速性等特點。深度在0.2～0.7 mm的溝回裂隙均可在模型上清晰地呈現(xiàn)，證明SLA技術(shù)可以滿足顏面贗復(fù)體仿真皮紋制作的要求。

相對于SLA技術(shù)，SLS具有適用范圍廣、成本低廉、加工過程中不需要支架等優(yōu)點。SLA技術(shù)的基本原理是在已成型的零件表面均勻地平鋪一層粉末狀材料，通過控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，均勻緩慢的加溫，直至達到熔點，使粉末完全熔化，進行燒結(jié)，與下層已成型的部分實現(xiàn)粘結(jié)[12-13]。該技術(shù)制作產(chǎn)品的精度與SLA相比略遜一籌，觀察SLS加工的試件表面發(fā)現(xiàn)其粗糙不平，觸之有明顯的顆粒感，這與SLS所采用的激光光斑直徑較大（0.3 mm）、加工材料為樹脂粉末顆粒、SLS的加工層厚較大（0.15mm）有關(guān)[14-16]。皮紋深度達0.3mm后能觀察到一定的皮紋形態(tài)，但是與SLA加工所得負型相比，其紋理細節(jié)模糊不清。

SLA快速成型制作的負型翻制的硅橡膠塊經(jīng)過外著色后，表面紋理清晰，再現(xiàn)出的紋理特征與面部皮紋非常相似。硅橡膠材料可以精確地復(fù)制出預(yù)設(shè)的皮紋表面特征，說明采用SLA快速成型技術(shù)能夠?qū)④浖性O(shè)計出的模擬的皮膚表面紋理清晰完整地復(fù)制到硅橡膠贗復(fù)體表面，因此適用于各種贗復(fù)體負型和贗復(fù)體的最終制作，尤其在制作鼻部贗復(fù)體時，因為要復(fù)制的表面紋理要求較高，SLA快速成型技術(shù)成為首選。

與SLA技術(shù)相比，由SLS技術(shù)制作出的負型代模翻制出來的硅橡膠塊和硅橡膠贗復(fù)體，經(jīng)過外著色后，表面紋理模糊不清，無法再現(xiàn)軟件中所設(shè)計的皮膚表面的紋理形態(tài)。本實驗的結(jié)果提示，如欲準(zhǔn)確再現(xiàn)計算機中模擬設(shè)計的皮膚紋理細節(jié)，應(yīng)該首選SLA方式加工制作贗復(fù)體負型。

在本研究中，筆者選用SLA、SLS 2種快速成型技術(shù)來驗證先制作面部負型代模，再實現(xiàn)硅橡膠贗復(fù)體表面皮紋的可行性。通過這2種技術(shù)分別制作帶有皮紋的硅橡膠贗復(fù)體，結(jié)果表明，如欲完整準(zhǔn)確再現(xiàn)計算機中模擬設(shè)計的皮膚紋理細節(jié)，應(yīng)該選擇SLA快速成型技術(shù)加工制作贗復(fù)體負型代模，尤其在制作鼻部贗復(fù)體時因為要復(fù)制的表面紋理要求較高，SLA快速成型技術(shù)成為首選。

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（童穎丹編輯）

R 783

B

10.3969/j.issn.1005-8982.2016.19.029

1005-8982（2016）19-0135-04

2016-05-11

張敏，E-mail：3505414874@qq.com