快速成型技术在颌面头颈外科中的应用

何海涛，杨茂进

快速成型技术在颌面头颈外科中的应用

何海涛，杨茂进

【摘要】快速成型技术(rapid prototyping，RP)是指在计算机的控制下，利用三维重建数据，短时间内通过材料的堆积制作出物体原型的一种数字化成型技术。近年来在国内外医学多个领域开始应用并迅速发展，但在我国尚未推广，临床应用还存在诸多问题。本文主要从快速成型技术的原理、模型制作过程以及在颌面头颈外科领域中的应用和前景方面作一评述。

【关键词】颌面损伤； 快速成型技术； 3D打印技术； 模型； 修复重建外科

作者单位： 400042 重庆，第三军医大学大坪医院野战外科研究所颌面头颈外科

快速成型技术又称快速原型技术，是国外20世纪80年代后期发展起来的一种高新制造技术，在医学领域中应用的报道始于20世纪90年代初[1]。外科学是快速成型技术最早应用的医学领域，目前该技术已经应用于口腔颌面外科[1]、神经外科[2]和矫形外科[3]等领域。口腔颌面外科领域的引入可以追溯到1991年，奥地利维也纳的口腔颌面外科医师首次将这种技术用于术前辅助制定手术方案。随后在颌面头颈外科中的应用，从简单的制作模型到复合材料、复杂假体的制作修复，甚至已用到组织工程器官的制作中[4]。自2001年上海交通大学第九人民医院运用计算机辅助设计(computer aided design,CAD)/计算机辅助制造(computer aid manufacturing,CAM)系统和快速成型技术制作出个体化的颌骨原型，并用以设计制作个体化的钛网和钛板修复颌面部骨缺损后，该技术在国内开始兴起。由于该技术具有直观简单、高效精确、个性化制作任意成型等特点，近年来在国内得到快速的应用和发展。随着3D打印机的普及，快速成型技术在临床上的应用正在逐步推广，但对大多数医院而言因为设计技术上的差距、导板制作难度大和材料限制等诸多因素，该技术优势尚未得到充分体现。本文通过对该技术的基础和临床研究进行回顾和总结，结合笔者在国外访问学习的经历和临床病例的经验，分析应用快速成型技术重建颅颌面模型、CAD/CAM等计算机辅助外科技术对诊断和治疗颌面部复杂骨折和颅面骨缺损的优势、存在问题和解决办法。相信在不久的将来，包括快速成型技术在内的计算机辅助外科技术将会给颌面头颈手术乃至整个外科带来革命性变化，实现传统经验医学向微创、精确、数字化医学过渡。

1　快速成型技术的基本原理

快速成型技术的原理是将CAD/CAM、计算机数字控制(CNC)、激光精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依靠计算机构成的物体三维模型，然后利用切片软件将三维模型分层切成1~2mm的薄片，得到各层截面的二维轮廓，即将三维信息转换为系列二维信息，各层截面轮廓数据转换成数控加工的命令，控制激光来选择性切割纸或固化液态树脂，烧结粉末材料，形成各截面轮廓并逐步顺序叠加成三维实体模型[5]。整个制造过程在计算机控制下进行，采用分层制造、逐层叠加的原理，在短时间内可以直接制造出任意复杂形状的实体模型。利用快速成型技术可以加工出内外部三维结构完全仿真的生物模型(bio-model)，其线形误差<0.05mm，总体误差≤0.1%[6]。这样的精度完全可以满足外科手术的需要，同时也克服了获取生物解剖模型的难度和伦理道德学问题，为临床实际病变的再现和直观化、提高诊断率、模拟手术、制定手术方案、预判和检验手术效果[7]、便于医患沟通和医学培训等方面提供可能，其优越性是目前的二维CT、三维CT远远无法企及的。

快速成型技术制作仿真实体模型流程的第一步是数据采集。通过CT或MRI等影像设备行放射性扫描获得三维图像的原始数据。目前对于骨组织的扫描常规是用CT，随着64排甚至256排螺旋CT的普及，以及近年来电子束CT(electron beam CT,EBCT)和锥形束CT(cone beam CT,CBCT)的逐步应用，目前对大多数综合医院而言，获得理想的颅面骨数据(Dicom格式)已非难事。为了保证仿真实体模型的精确度，要求扫描层厚≤1mm。获得的数据导入三维重建的软件(Mimics、Geomaigic or imageware11.0等 )，这些软件可以读取Dicom格式的数据，通过设置不同密度组织的阈值，构建形态曲面，重建三维模型，并可以在计算机上以STL格式(surface tesselation language)保存。STL格式是3D打印机可以识别的格式，根据临床的需要利用不同的工艺技术和不同材料打印出临床需要的三维实体仿真模型[5，8]。

2　快速成型技术在颌面头颈外科中的应用及临床病例

目前快速成型技术在颌面头颈外科主要用于制定手术方案、模拟手术和制作个体化的植入假体[9-11]，下面将结合笔者国外访问学习的经验和笔者科室的具体实际情况通过典型病例展示介绍该项技术在笔者科室的开展情况、存在问题及解决办法。

2.1数据的获取和制作仿真实体模型所有患者均行颌面部三维CT(64排或256排螺旋CT)扫描获得三维重建的原始数据(Dicom格式)，扫描层厚0.625mm。将原始数据以Dicom 格式导入三维重建软件Mimics10.0(Simpleware 公司)，定义好三维坐标顺序后，利用区域增长功能从原始Dicom 文件中分割出骨性重建部分，并根据需要选择重建部分模型，并在软件上进行骨折复位、肿瘤切割、移植骨块的选择、效果检验等操作，最后根据需要将选定部分行三维重建，数据以STL格式保存。再把STL格式数据送到上海普天阳公司制作仿真模型。最后在仿真模型上进行手术模拟、预制钛板、检验效果、制作手术导板等操作，最终确定手术方案，并将模型环氧乙烷消毒备用。

2.2在颌面部复杂骨折中的应用首先获得骨折仿真实体模型(图1a)，再利用电脑模拟手术行骨折断端解剖复位，复位后并与健侧进行对比确认后再次获得复位后仿真实体模型(图1b)。在骨折仿真模型上首先与三维CT模型进行对比，进一步明确骨折碎片移位的位移和方向，借助模型和伤因推断患者的受力方向，模拟受伤过程；根据骨折移位情况制定手术方案(包括手术入路、切口大小、固定材料和样式的确定)，逆外力方向模拟复位；在复位模型上预制成型钛板或制作导板，预制成型钛板一方面可缩短手术时间，同时可作为导板指导术中手术复位以及检验术中复位情况。目前由于3D打印机的普及，省、地市级三甲医院已在使用该技术治疗面部骨折，但多数医院仅仅停留在诊断上。由于颌面骨形态不规则、厚薄不一，骨折常常是多发性、粉碎性骨折，且多合并颅底骨折；骨折复位具有外形和咬合的双重要求，要做精确复位是很困难，甚至是不现实的。利用仿真模型对于术前判断骨折移位方向和大小非常有帮助，但利用模型制作导板，再用导板去恢复患者的咬合关系较困难，即限制了该技术的优势。但在笔者的经验中，对于颧骨、颧弓骨折，特别是粉碎性骨折和陈旧性骨折，仿真模型对于手术复位有明显优势，完全可以实现双侧面部的基本对称，一般可以通过在仿真模型上预制成型钛板来实现，充分体现了快速成型技术的优越性，值得推广。

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图1患者女性，40岁，全面部骨折。a.全面部骨折仿真实体模型; b.复位后仿真实体模型

2.3在下颌骨肿瘤切除和重建中的应用可根据三维CT影像标记肿瘤范围，根据肿瘤性质确定肿瘤切除边界，并在计算机上模拟手术切除肿瘤。根据缺损的部位和大小，镜像健侧后在计算机上模拟选取移植骨类型、大小和位置，以期与缺损形态最为接近，以确定移植骨块最佳的切取位置。再以健侧为参照，修整移植骨以期获得最为接近缺损大小的形态，最后再制作成型钛板或根据仿真模型预制成型钛板。要想实现计算机辅助外科精确化的优势，快速成型技术的关键是制作手术导板。目前制作手术导板有两个方法： (1) 在获得与缺损形状和大小最为接近的移植骨位置、形状和大小后,利用CAD/CAM技术在计算机上设计然后再打印出手术导板，这种导板可以实现手术的精确化，但对工程师技术和打印材料要求较高，不太容易推广。(2) 在已有的仿真模型上制作手术导板，这个过程完全可以通过口腔修复的压模技术完成，材料也容易获得，制作的精度完全可以达到手术的要求，值得推广，这也是目前所采用的主要方法。

用同样的方法获得移植骨模型和切除后模型，并将重建板预制成型，如果条件许可利用CAD/CAM技术制作手术导板，但因为现在的打印材料无法在术中使用，笔者根据下颌骨原始模型利用口腔修复科的压模技术制取截骨导板。

典型病例： 患者女性，40岁，因“发现右侧下颌骨包块2个月”入院。入院活检： 成釉细胞纤维瘤，倾向低度恶性。入院后行256排CT扫描采集三维重建数据，确定肿瘤边界和设计手术切口；利用CAD设计截取髂骨位置、大小，制作仿真实体模型和预制成型钛板。在制作手术截骨导板时，为避免国外制作导板的高成本和克服国内3D打印材料无法用于术中的缺陷，笔者利用压模技术自行在仿真实体模型上制作下颌骨和髂骨的截骨导板。导板设计是实现计算机技术的微创化、精确化和简单化的关键，导板的基本作用是精确切除的位置和方向，笔者利用压模技术在仿真模型上用口腔修复材料制取手术导板，导板以周围的突出或凹陷等解剖标志为参照，制作下颌骨的截骨导板和髂骨的截骨导板，并在仿真模型上验证。入院后约半个月行右侧下颌骨节段性切除术+游离髂骨移植术+下颌骨重建术。手术采用颌下、颌后切口，在肿瘤放射学边界约0.5cm处切除肿瘤。手术在术前制作手术导板的引导下截骨，截骨范围从下颌孔至颏孔，完整切除下颌骨及肿瘤组织。截骨后发现截骨近端(颏孔处)靠近下颌骨下缘处存在可疑肿瘤组织，再次扩大0.5cm作阶梯型截骨：即截除颏孔平面以下下颌骨下缘，保留上方健康下颌骨、牙槽骨及正常牙体。利用髂骨截骨导板并在术中做适当修改切取同侧髂骨，所取髂骨根据模型作简单修整以适应下颌骨颊面形态，近远端未作任何修整，与下颌骨缺损较精确对位，并用预制成型钛板固定，钛板未再做任何调整。术后病理诊断为：鳞状细胞样成釉细胞瘤，局部细胞密集，有异型性，有侵袭性行为，考虑癌变。术后患者咬合关系良好，双侧面部轮廓对称，较术前明显改善，手术效果满意，达到了预期的目的(图2)。

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图2a.术前患者外观; b.术前计算机模拟手术切除范围(肿瘤边界约0.5cm); c.利于CAD/CAM技术在髂骨选取最匹配骨段修补缺损,确定切除髂骨的位置和大小; d、e.利用压模技术在仿真模型上制作手术导板，包括下颌骨截骨导板和同侧髂骨截骨导板; f.利用仿真模型预制下颌重建板; g.术中利用手术导板整块切除肿瘤; h.利用导板取髂骨; i.制取髂骨标本与模型对比; j.髂骨精确修复肿瘤切除后缺损术后CBCT影像，对位良好; k.术后1周患者外观; l.术后咬合关系恢复良好

2.4在颅面骨较大缺损中的应用笔者用同样方法获得头颅缺损的仿真实体模型，并在计算机上根据缺损形状和大小设计个体化的植入体并打印出植入体。颅骨和上颌骨常规采用聚醚醚酮(PEEK)材料，下颌骨采用自体骨移植，利用快速成型技术获得个体化的植入假体，并在缺损的仿真实体模型上进行验证，模拟手术和制定手术方案。

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图3a.术前患者外形; b.术前制作仿真实体模型; c.CAD设计个体化植入假体; d.CAM制作个体化假体; e.术中个性化假体精确修复颅骨缺损; f.术后1个月患者外形3快速成型技术在颌面头颈外科中的展望

典型病例： 患者男性，37岁，因“1年前被重物撞击面部造成额部畸形”入院。因PEEK材料具有有良好的生物相容性、与皮质骨生物机械性能相近、耐热、X线半穿透性——便于CT检查、非磁性——便于MRI检查、对术后放疗无不良影响等优点，入院后笔者选用PEEK材料利用快速成型技术制作颅骨个性化假体和仿真头颅模型，将制作好的头颅模型在仿真模型上验证，设计手术方案。采用冠状切口入路，将个性化假体修补颅骨缺损，假体与缺损精确密合，未作任何修改，钛板固定。手术时间短，修复可靠，外形改善明显(图3)。

快速成型技术因具有微创、精确、简单等优越性，已经在颌面头颈外科领域尤其是颅颌面整复外科中显示出巨大的应用前景。该技术的关键是制作仿真的实体模型和制作手术导板。对于前者，随着3D打印技术和打印机的普及，一般都能制作出手术要求所需要的精度；对于后者才是该技术的难点和重点。目前笔者主要采用仿真模型和手工制作相结合的方法制作手术导板，通过临床病例检验完全符合笔者手术需要的精度。虽然该技术目前还存在一些问题：如快速成型技术所使用的设备和材料昂贵，数据处理系统较为专业，临床科室无法普及相关设备和软件，造成临床医生和制模工程师分离，在进行CAD/CAM易出现沟通脱节而导致制作模型存在较大误差；由于术前对肿瘤边界的确定有时很困难，术中如出现临床边界与放射线边界有较大差异需改变手术方案，从而导致成型的钛板或预制的手术导板无法使用，反而延长手术时间，造成材料的浪费；对于部分患者因为制作个性化假体的时间较长而无法满足临床的一期修复。但是随着3D打印技术的进步和逐渐普及，低价格高质量材料的出现、计算机技术的进步和相关操作软件的普及，快速成型技术在颌面头颈外科领域中的应用前景将更加广阔。同时，伴随组织工程、材料学的快速发展，多学科协作下的快速成型(RP)技术为人体组织缺损修复重建提供一条光明之路，甚至能通过3D打印机将自身活细胞直接打印成缺损的活体组织，未来有望制备出理想的“人造组织器官”并将其用于临床[11]。

参考文献：

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[11] Farré-Guasch E,Wolff J,Helder MN,et al.Application of additive manufacturing in oral and maxillofacial surgery[J].J Oral Maxillofac Surg,2015.

(本文编辑： 黄小英)

·专家论坛·

Application of rapid prototyping in the field of maxillofacial

and head-neck surgery

HEHai-tao,YANGMao-jin

(Department of Maxillofacial Surgery,Institute of Surgery Research,Daping Hospital,Third Military

Medical University,Chongqing400042,China)

【Abstract】Rapid prototyping is a digital prototyping technology which uses three-dimensional reconstruction of data,produces a prototype of an object molding within a short time through the accumulation of materials under the control of the computer. In recent years,rapid prototyping has been widely applied and rapidly developed in many medical fields in both foreign countries and China,but it has not yet been widely promoted in clinical applications and still has many problems in China. This paper reviews from the aspects of the principle of rapid prototyping technology,the model-producing process as well as its application and future in the field of head and neck and maxillofacial surgery.

【Key words】maxillofacial injury; rapid prototyping; three-dimpensional printing technique; model; repair reconstruction surgery

收稿日期：( 2015-06-01； 修回日期： 2015-07-22)

【中图分类号】R 782.4

【文献标识码】A

【DOI】10.3969/j.issn.1009-4237.2015.05.001

文章编号：1009-4237(2015)05-0385-04