快速原型技术在下颌骨缺损重建中的临床应用

王希乾 彭立伟 王永功

(河南省人民医院 河南 郑州 450003)



快速原型技术在下颌骨缺损重建中的临床应用

王希乾 彭立伟 王永功

(河南省人民医院 河南 郑州 450003)

下颌骨缺损；快速原型技术；计算机技术；生物工程

由于下颌骨特殊的形态、解剖部位和复杂功能，下颌骨缺损重建在口腔颌面缺损修复中对外科医生来说一直是一项比较大的挑战。以往外科医生一般是依靠其临床经验及术中操作来设计修复方案的，因缺乏精确的数据支持，修复效果在形态功能及美观方面都不甚理想。1983年Hemmy等[1]首次将三维CT技术应用于颅颌面疾病的诊治中，Fuhmann等[2]应用三维技术重建了颅面骨三维骨像，上个世纪八十年代后期出现快速原型技术(rapid prototyping，RP)，突出的优点使其在医学领域的应用迅速成为研究热点之一，被广泛应用于医学物理模型、赝复体、可植入假体、组织工程支架的制作[3-4]。制作的模型不仅可以让医生直接在真实大小的实物模型上观察并掌握病情，辅助诊断，同时也可以方便教学、交流以及与患者进行沟通。结合计算机技术还可以提供一个真实的模拟空间，用于手术设计，模拟手术，对植入修复体进行预成型，制作手术导板等[5-6]。现代修复重建外科更注重外形和功能的协调发展，提高患者的生存质量。充分发掘下颌骨重建中的一些新技术、新方法和新观念，对全面提高下颌骨功能及外形的重建水平具有十分重大的意义。

1 RP概述

RP又称快速原型制造(rapid prototyping manufacturing，RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，就是利用三维CAD或CT等的数据，通过快速成型机制作原型的一种数字化成型技术。目前，常见的RP方法有立体平板印刷(stereolithography，SLA)、熔化沉积制造(fused deposition modeling，FDM)、薄片叠层制造技术、分层实体制造(laminated object manufacturing，LOM)、选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)以及近几年出现的3-D打印技术(3-dimensional printing)。其中SLA技术因其工艺稳定且精度高(±0.1 mm)，原型表面质量好，原材料的利用率高，制作效率较高，能制造形状复杂(如空心零件和模具)、特别精细的零件等优点被广泛应用于医学领域。

2 原型制作的应用

SLA于1991在维也纳首次被引入口腔颌面外科的临床应用中[7]。制作的下颌骨模型使医生可以直接在模型上分析病情、设计手术方案、预备钛板、制作术中模板等，为医生提供一个熟悉而真实的模型，并且能更好地与患者及家属交流及教学使用。D’Urso等[8]研究表明，三维CT影像结合生物模型较单纯三维CT影像可使手术设计准确性提高38.12%，诊断率提高29.80%，测量数据的差错率下降34.23%，手术时间减少17.63%，且有时还能反映CT等影像资料未能反映的细微病变[8-9]。

3 重建模型制作的应用

通过镜像技术还可以依靠对侧健康的下颌骨制作重建模型，下颌骨原型结合重建模型对下颌骨缺损重建的术前设计较单一原型使术前设计更加简单及精确[10-11]。然而人的颌面部不是完全对称的，依靠对侧通过镜像技术重建另一侧效果不是特别令人满意[12]，制作的下颌骨重建模型对临床使用仍然有影响。Benazzi等[13]研究认为，通过单一镜像技术制作的重建模型与原型有2～3 mm的偏差，并且有随着重建范围增大而上升的趋势；通过单一薄板样条函数插值技术制作的重建模型在形状、大学及轮廓都较单一镜像技术明显改善，偏差在0.5 mm内，但是截骨线处仍有可视的台阶；基于非均匀有理B样条方法Nonuniform Rational B-splines(NURBS)的计算机辅助技术结合薄板样条函数技术制作的模型外形虽然仍有0.5 mm以内的偏差，但是很好地解决了截骨线处的连续性问题。相对于原型，制作精良的重建模型对手术设计及术前钛板及导板的预备等都有了进一步的提高。

4 模拟重建及术中导航

计算机结合三维技术生成的各个解剖部位的影像图片(主要是CT和MRI)被广泛地应用于指导手术，但是这些影像资料只能提供单一的视觉信息，有人称之为第一代手术导航[14-16]。随着计算机技术的快速发展和RP的出现，先进的计算机软件工具结合RP在术前设计和模拟手术方面都取得了快速的进展，不仅能显示患者个体解剖结构，还能根据缺损的几何形态自动生成最优化的供骨形态[17]。RP结合先进的计算机三维重建和影像导航技术在可视化的基础上增加了“触觉”信息，有人称之为第二代手术导航。Juergens等[18]在用血管化髂骨瓣修复1例因下颌骨鳞状细胞癌术后左侧下颌骨缺损的患者时，采用RP结合先进的计算机三维重建和影像导航技术，术前根据缺损的大小及形态，在术前右侧髂部供瓣区CT的基础上通过计算机软件，优化得到最适合的髂骨瓣，并制成实体模型用于指导手术操作。Yu等[19]研究表明，计算机辅助导航在颌面外科手术中的虚拟仿真与真实手术结果之间的误差为(1.46±0.24)mm，其对手术精确度的提高及减少并发症都有很大的贡献，患者术后的功能和形态都得到了良好的恢复。

5 个性化假体及生物工程

钛金属因其良好的生物相容性及物理性能，长期以来一直被广泛应用于医学领域。Bowerman等[20]首先报道使用钛板进行下颌骨重建。近几年结合计算机辅助设计制造技术和RP制作个性化钛质假体用以修复下颌骨缺损在临床上被广泛应用[21-23]，其中有些假体上端设计了义齿基桩，可以在术后进行种植，通过手术植入下颌骨缺损部位，获得了满意的面部外形，后期还进行了义齿修复。

生物工程技术结合RP应用于下颌骨缺损重建目前大多处于动物实验向临床应用的过渡阶段[24]。徐华等[25]利用聚羟基乙酸/聚乳酸制作个性化支架，结合犬骨髓基质细胞体外培养实验表明，聚羟基乙酸/聚乳酸支架和骨髓基质细胞具有良好的生物相容性。并且当测试点误差小于1.0 mm时，复合率大于95%。

6 结论

RP在半侧以内的下颌骨缺缺损(包括单侧的C型、R型、B型及其组合缺损)的修复重建中应用广泛，效果较好，但对于S型及包含S型的大范围缺损、失位性等比较特殊的缺损类型效果较局限。以往针对这些特殊类型的下颌骨缺损，往往都是依靠术者的临床经验而行，缺乏良好、精确的设计方法。因不同个体间下颌骨形态差异较大，简单应用下颌骨正常均值来代替个体下颌骨进行修复是不合适的。目前，RP的临床应用还仅限于单纯的形态模仿，对其功能的恢复仍有缺陷，更加接近下颌骨生物学特点且个体化的模型重建系统仍待开发。

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10.3969/j.issn.1004-437X.2016.10.027

2016-03-23)