王希乾 彭立偉 王永功

(河南省人民醫(yī)院 河南 鄭州 450003)

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快速原型技術(shù)在下頜骨缺損重建中的臨床應(yīng)用

王希乾 彭立偉 王永功

(河南省人民醫(yī)院 河南 鄭州 450003)

下頜骨缺損；快速原型技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)；生物工程

由于下頜骨特殊的形態(tài)、解剖部位和復(fù)雜功能，下頜骨缺損重建在口腔頜面缺損修復(fù)中對(duì)外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)一直是一項(xiàng)比較大的挑戰(zhàn)。以往外科醫(yī)生一般是依靠其臨床經(jīng)驗(yàn)及術(shù)中操作來(lái)設(shè)計(jì)修復(fù)方案的，因缺乏精確的數(shù)據(jù)支持，修復(fù)效果在形態(tài)功能及美觀方面都不甚理想。1983年Hemmy等[1]首次將三維CT技術(shù)應(yīng)用于顱頜面疾病的診治中，F(xiàn)uhmann等[2]應(yīng)用三維技術(shù)重建了顱面骨三維骨像，上個(gè)世紀(jì)八十年代后期出現(xiàn)快速原型技術(shù)(rapid prototyping，RP)，突出的優(yōu)點(diǎn)使其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用迅速成為研究熱點(diǎn)之一，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)物理模型、贗復(fù)體、可植入假體、組織工程支架的制作[3-4]。制作的模型不僅可以讓醫(yī)生直接在真實(shí)大小的實(shí)物模型上觀察并掌握病情，輔助診斷，同時(shí)也可以方便教學(xué)、交流以及與患者進(jìn)行溝通。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)還可以提供一個(gè)真實(shí)的模擬空間，用于手術(shù)設(shè)計(jì)，模擬手術(shù)，對(duì)植入修復(fù)體進(jìn)行預(yù)成型，制作手術(shù)導(dǎo)板等[5-6]?，F(xiàn)代修復(fù)重建外科更注重外形和功能的協(xié)調(diào)發(fā)展，提高患者的生存質(zhì)量。充分發(fā)掘下頜骨重建中的一些新技術(shù)、新方法和新觀念，對(duì)全面提高下頜骨功能及外形的重建水平具有十分重大的意義。

1 RP概述

RP又稱快速原型制造(rapid prototyping manufacturing，RPM)技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，就是利用三維CAD或CT等的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成型機(jī)制作原型的一種數(shù)字化成型技術(shù)。目前，常見(jiàn)的RP方法有立體平板印刷(stereolithography，SLA)、熔化沉積制造(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)、薄片疊層制造技術(shù)、分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing，LOM)、選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)以及近幾年出現(xiàn)的3-D打印技術(shù)(3-dimensional printing)。其中SLA技術(shù)因其工藝穩(wěn)定且精度高(±0.1 mm)，原型表面質(zhì)量好，原材料的利用率高，制作效率較高，能制造形狀復(fù)雜(如空心零件和模具)、特別精細(xì)的零件等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2 原型制作的應(yīng)用

SLA于1991在維也納首次被引入口腔頜面外科的臨床應(yīng)用中[7]。制作的下頜骨模型使醫(yī)生可以直接在模型上分析病情、設(shè)計(jì)手術(shù)方案、預(yù)備鈦板、制作術(shù)中模板等，為醫(yī)生提供一個(gè)熟悉而真實(shí)的模型，并且能更好地與患者及家屬交流及教學(xué)使用。D’Urso等[8]研究表明，三維CT影像結(jié)合生物模型較單純?nèi)SCT影像可使手術(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性提高38.12%，診斷率提高29.80%，測(cè)量數(shù)據(jù)的差錯(cuò)率下降34.23%，手術(shù)時(shí)間減少17.63%，且有時(shí)還能反映CT等影像資料未能反映的細(xì)微病變[8-9]。

3 重建模型制作的應(yīng)用

通過(guò)鏡像技術(shù)還可以依靠對(duì)側(cè)健康的下頜骨制作重建模型，下頜骨原型結(jié)合重建模型對(duì)下頜骨缺損重建的術(shù)前設(shè)計(jì)較單一原型使術(shù)前設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單及精確[10-11]。然而人的頜面部不是完全對(duì)稱的，依靠對(duì)側(cè)通過(guò)鏡像技術(shù)重建另一側(cè)效果不是特別令人滿意[12]，制作的下頜骨重建模型對(duì)臨床使用仍然有影響。Benazzi等[13]研究認(rèn)為，通過(guò)單一鏡像技術(shù)制作的重建模型與原型有2～3 mm的偏差，并且有隨著重建范圍增大而上升的趨勢(shì)；通過(guò)單一薄板樣條函數(shù)插值技術(shù)制作的重建模型在形狀、大學(xué)及輪廓都較單一鏡像技術(shù)明顯改善，偏差在0.5 mm內(nèi)，但是截骨線處仍有可視的臺(tái)階；基于非均勻有理B樣條方法Nonuniform Rational B-splines(NURBS)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)合薄板樣條函數(shù)技術(shù)制作的模型外形雖然仍有0.5 mm以內(nèi)的偏差，但是很好地解決了截骨線處的連續(xù)性問(wèn)題。相對(duì)于原型，制作精良的重建模型對(duì)手術(shù)設(shè)計(jì)及術(shù)前鈦板及導(dǎo)板的預(yù)備等都有了進(jìn)一步的提高。

4 模擬重建及術(shù)中導(dǎo)航

計(jì)算機(jī)結(jié)合三維技術(shù)生成的各個(gè)解剖部位的影像圖片(主要是CT和MRI)被廣泛地應(yīng)用于指導(dǎo)手術(shù)，但是這些影像資料只能提供單一的視覺(jué)信息，有人稱之為第一代手術(shù)導(dǎo)航[14-16]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和RP的出現(xiàn)，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件工具結(jié)合RP在術(shù)前設(shè)計(jì)和模擬手術(shù)方面都取得了快速的進(jìn)展，不僅能顯示患者個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)，還能根據(jù)缺損的幾何形態(tài)自動(dòng)生成最優(yōu)化的供骨形態(tài)[17]。RP結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三維重建和影像導(dǎo)航技術(shù)在可視化的基礎(chǔ)上增加了“觸覺(jué)”信息，有人稱之為第二代手術(shù)導(dǎo)航。Juergens等[18]在用血管化髂骨瓣修復(fù)1例因下頜骨鱗狀細(xì)胞癌術(shù)后左側(cè)下頜骨缺損的患者時(shí)，采用RP結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三維重建和影像導(dǎo)航技術(shù)，術(shù)前根據(jù)缺損的大小及形態(tài)，在術(shù)前右側(cè)髂部供瓣區(qū)CT的基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件，優(yōu)化得到最適合的髂骨瓣，并制成實(shí)體模型用于指導(dǎo)手術(shù)操作。Yu等[19]研究表明，計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航在頜面外科手術(shù)中的虛擬仿真與真實(shí)手術(shù)結(jié)果之間的誤差為(1.46±0.24)mm，其對(duì)手術(shù)精確度的提高及減少并發(fā)癥都有很大的貢獻(xiàn)，患者術(shù)后的功能和形態(tài)都得到了良好的恢復(fù)。

5 個(gè)性化假體及生物工程

鈦金屬因其良好的生物相容性及物理性能，長(zhǎng)期以來(lái)一直被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Bowerman等[20]首先報(bào)道使用鈦板進(jìn)行下頜骨重建。近幾年結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造技術(shù)和RP制作個(gè)性化鈦質(zhì)假體用以修復(fù)下頜骨缺損在臨床上被廣泛應(yīng)用[21-23]，其中有些假體上端設(shè)計(jì)了義齒基樁，可以在術(shù)后進(jìn)行種植，通過(guò)手術(shù)植入下頜骨缺損部位，獲得了滿意的面部外形，后期還進(jìn)行了義齒修復(fù)。

生物工程技術(shù)結(jié)合RP應(yīng)用于下頜骨缺損重建目前大多處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)向臨床應(yīng)用的過(guò)渡階段[24]。徐華等[25]利用聚羥基乙酸/聚乳酸制作個(gè)性化支架，結(jié)合犬骨髓基質(zhì)細(xì)胞體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，聚羥基乙酸/聚乳酸支架和骨髓基質(zhì)細(xì)胞具有良好的生物相容性。并且當(dāng)測(cè)試點(diǎn)誤差小于1.0 mm時(shí)，復(fù)合率大于95%。

6 結(jié)論

RP在半側(cè)以內(nèi)的下頜骨缺缺損(包括單側(cè)的C型、R型、B型及其組合缺損)的修復(fù)重建中應(yīng)用廣泛，效果較好，但對(duì)于S型及包含S型的大范圍缺損、失位性等比較特殊的缺損類型效果較局限。以往針對(duì)這些特殊類型的下頜骨缺損，往往都是依靠術(shù)者的臨床經(jīng)驗(yàn)而行，缺乏良好、精確的設(shè)計(jì)方法。因不同個(gè)體間下頜骨形態(tài)差異較大，簡(jiǎn)單應(yīng)用下頜骨正常均值來(lái)代替?zhèn)€體下頜骨進(jìn)行修復(fù)是不合適的。目前，RP的臨床應(yīng)用還僅限于單純的形態(tài)模仿，對(duì)其功能的恢復(fù)仍有缺陷，更加接近下頜骨生物學(xué)特點(diǎn)且個(gè)體化的模型重建系統(tǒng)仍待開(kāi)發(fā)。

[1] Hemmy D C,David D J,Herman G T.Three-dimensional reconstruction of craniofacial deformity using computed tomography[J].Neurosurgery,1983,13(5):534-541.

[2] Fuhrmann R A,Frohberg U,Diedrich P R.Treatment prediction with three-dimensional computer tomographic skull models[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,1994,106(2):156-160.

[3] Webb P A.A review of rapid prototyping (RP) techniques in the medical and biomedical sector[J].J Med Eng Technol,2000,24(4):149-153.

[4] 朱虎,楊忠鳳,張偉,等.STL文件的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].機(jī)床與液壓,2009,37(6):186-189.

[5] D’Urso P S,Barker T M,Earwaker W J,et al.Stereolithographic biomodelling in cranio-maxillofacial surgery: a prospective trial[J].J Craniomaxillofac Surg,1999,27(1):30-37.

[6] Lin A C,Liang S R.Rapid prototyping through scanned point data[J]. Int Prod Res,2002,40(40):293-310.

[7] Onodera K,Ooya K,Kawamura H.Titanium lymph node pigmentation in the reconstruction plate system of a mandibular bone defect[J]. Oral Surg Oral Med Oral Pathol,1993,75(4):495-497.

[8] D’Urso P S,Barker T M,Earwaker W J,et al.Stereolithographic biomodelling in cranio-maxillofacial surgery: a prospective trial[J].J Craniomaxillofac Surg,1999,27(1):30-37.

[9] James W J,Slabbekoorn M A,Edgin W A,et al.Correction of congenital malar hypoplasia using stereolithography for presurgical planning[J]. J Oral Maxillofac Surg,1998,56(4):512-517.

[10]Melnik A K.A cephalometric study of mandibular asymmetry in a longitudinally followed sample of growing children[J].Am J Orthod Dentofacial Orthop,1992,101(4):355-366.

[11]Song W C,Koh K S,Kim S H,et al.Horizontal angular asymmetry of the face in korean young adults with reference to the eye and mouth[J]. J Oral Maxillofac Surg,2007,65(11):2164-2168.

[12]Benazzi S,Stansfield E,Kullmer O,et al.Geometric morphometric methods for bone reconstruction: the mandibular condylar process of Pico della Mirandola[J].Anat Rec (Hoboken),2009,292(8):1088-1097.

[13]Benazzi S,Fiorenza L,Kozakowski S,et al.Comparing 3D virtual methods for hemimandibular body reconstruction[J].Anat Rec (Hoboken),2011,294(7):1116-1125.

[14]Ewers R,Schicho K,Undt G,et al.Basic research and 12 years of clinical experience in computer-assisted navigation technology: a review[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2005,34(1):1-8.

[15]Wagner A,Undt G,Watzinger F,et al.Principles of computer-assisted arthroscopy of the temporomandibular joint with optoelectronic tracking technology[J].Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod,2001,92(1):30-37.

[16]Wagner A,Ploder O,Enislidis G,et al.Virtual image guided navigation in tumor surgery--technical innovation[J].J Craniomaxillofac Surg,1995,23(5):217-213.

[17]Król Z,Chlebiej M,Zerfass P,et al.Surgery planning tools for the osseous grafting treatment[J].Biomed Tech (Berl),2002,47(Suppl 1): 97-100.

[18]Juergens P,Krol Z,Zeilhofer H F,et al.Computer simulation and rapid prototyping for the reconstruction of the mandible[J].J Oral Maxillofac Surg,2009,67(10):2167-2170.

[19]Yu H,Shen S G,Wang X,et al.The indication and application of computer-assisted navigation in oral and maxillofacial surgery-Shanghai’s experience based on 104 cases[J].J Craniomaxillofac Surg,2013,41(8):770-774.

[20]Bowerman J E.A review of reconstruction of the mandible[J].Proc R Soc Med,1974,67(7):610-614.

[21]Warnke P H,Springer I N,Wiltfang J,et al.Growth and transplantation of a custom vascularised bone graft in a man[J].Lancet,2004,364(9436):766-770.

[22]張富強(qiáng),孫健,張秀娟,等.個(gè)性化下頜體部鈦植入支架的生物力學(xué)設(shè)計(jì)[J].口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志,2005,6(3):232-235.

[23]Peckitt N S.Stereoscopic lithography: customized titanium implants in orofacial reconstruction. A new surgical technique without flap cover[J]. Br J Oral Maxillofac Surg,1999,37(5):353-369.

[24]Meyer U,Runte C,Dirksen D,et al.Image-based biomimetric approach to design and fabrication of tissue engineered bone[J].International Congress,2003,1256:726-732.

[25]徐華,韓冬,董佳生,等.定制型聚羥基乙酸/聚乳酸支架與犬骨髓基質(zhì)細(xì)胞的體外復(fù)合培養(yǎng)[J].中國(guó)組織工程研究,2011,15(34):6310-6314.

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

2016-03-23)