何海濤，楊茂進

快速成型技術(shù)在頜面頭頸外科中的應(yīng)用

何海濤，楊茂進

【摘要】快速成型技術(shù)(rapid prototyping，RP)是指在計算機的控制下，利用三維重建數(shù)據(jù)，短時間內(nèi)通過材料的堆積制作出物體原型的一種數(shù)字化成型技術(shù)。近年來在國內(nèi)外醫(yī)學(xué)多個領(lǐng)域開始應(yīng)用并迅速發(fā)展，但在我國尚未推廣，臨床應(yīng)用還存在諸多問題。本文主要從快速成型技術(shù)的原理、模型制作過程以及在頜面頭頸外科領(lǐng)域中的應(yīng)用和前景方面作一評述。

【關(guān)鍵詞】頜面損傷； 快速成型技術(shù)； 3D打印技術(shù)； 模型； 修復(fù)重建外科

作者單位： 400042 重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所頜面頭頸外科

快速成型技術(shù)又稱快速原型技術(shù)，是國外20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一種高新制造技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的報道始于20世紀(jì)90年代初[1]。外科學(xué)是快速成型技術(shù)最早應(yīng)用的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于口腔頜面外科[1]、神經(jīng)外科[2]和矯形外科[3]等領(lǐng)域?？谇活M面外科領(lǐng)域的引入可以追溯到1991年，奧地利維也納的口腔頜面外科醫(yī)師首次將這種技術(shù)用于術(shù)前輔助制定手術(shù)方案。隨后在頜面頭頸外科中的應(yīng)用，從簡單的制作模型到復(fù)合材料、復(fù)雜假體的制作修復(fù)，甚至已用到組織工程器官的制作中[4]。自2001年上海交通大學(xué)第九人民醫(yī)院運用計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)/計算機輔助制造(computer aid manufacturing,CAM)系統(tǒng)和快速成型技術(shù)制作出個體化的頜骨原型，并用以設(shè)計制作個體化的鈦網(wǎng)和鈦板修復(fù)頜面部骨缺損后，該技術(shù)在國內(nèi)開始興起。由于該技術(shù)具有直觀簡單、高效精確、個性化制作任意成型等特點，近年來在國內(nèi)得到快速的應(yīng)用和發(fā)展。隨著3D打印機的普及，快速成型技術(shù)在臨床上的應(yīng)用正在逐步推廣，但對大多數(shù)醫(yī)院而言因為設(shè)計技術(shù)上的差距、導(dǎo)板制作難度大和材料限制等諸多因素，該技術(shù)優(yōu)勢尚未得到充分體現(xiàn)。本文通過對該技術(shù)的基礎(chǔ)和臨床研究進行回顧和總結(jié)，結(jié)合筆者在國外訪問學(xué)習(xí)的經(jīng)歷和臨床病例的經(jīng)驗，分析應(yīng)用快速成型技術(shù)重建顱頜面模型、CAD/CAM等計算機輔助外科技術(shù)對診斷和治療頜面部復(fù)雜骨折和顱面骨缺損的優(yōu)勢、存在問題和解決辦法。相信在不久的將來，包括快速成型技術(shù)在內(nèi)的計算機輔助外科技術(shù)將會給頜面頭頸手術(shù)乃至整個外科帶來革命性變化，實現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)驗醫(yī)學(xué)向微創(chuàng)、精確、數(shù)字化醫(yī)學(xué)過渡。

1　快速成型技術(shù)的基本原理

快速成型技術(shù)的原理是將CAD/CAM、計算機數(shù)字控制(CNC)、激光精密伺服驅(qū)動和新材料等先進技術(shù)集于一體，依靠計算機構(gòu)成的物體三維模型，然后利用切片軟件將三維模型分層切成1~2mm的薄片，得到各層截面的二維輪廓，即將三維信息轉(zhuǎn)換為系列二維信息，各層截面輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工的命令，控制激光來選擇性切割紙或固化液態(tài)樹脂，燒結(jié)粉末材料，形成各截面輪廓并逐步順序疊加成三維實體模型[5]。整個制造過程在計算機控制下進行，采用分層制造、逐層疊加的原理，在短時間內(nèi)可以直接制造出任意復(fù)雜形狀的實體模型。利用快速成型技術(shù)可以加工出內(nèi)外部三維結(jié)構(gòu)完全仿真的生物模型(bio-model)，其線形誤差<0.05mm，總體誤差≤0.1%[6]。這樣的精度完全可以滿足外科手術(shù)的需要，同時也克服了獲取生物解剖模型的難度和倫理道德學(xué)問題，為臨床實際病變的再現(xiàn)和直觀化、提高診斷率、模擬手術(shù)、制定手術(shù)方案、預(yù)判和檢驗手術(shù)效果[7]、便于醫(yī)患溝通和醫(yī)學(xué)培訓(xùn)等方面提供可能，其優(yōu)越性是目前的二維CT、三維CT遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法企及的。

快速成型技術(shù)制作仿真實體模型流程的第一步是數(shù)據(jù)采集。通過CT或MRI等影像設(shè)備行放射性掃描獲得三維圖像的原始數(shù)據(jù)。目前對于骨組織的掃描常規(guī)是用CT，隨著64排甚至256排螺旋CT的普及，以及近年來電子束CT(electron beam CT,EBCT)和錐形束CT(cone beam CT,CBCT)的逐步應(yīng)用，目前對大多數(shù)綜合醫(yī)院而言，獲得理想的顱面骨數(shù)據(jù)(Dicom格式)已非難事。為了保證仿真實體模型的精確度，要求掃描層厚≤1mm。獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建的軟件(Mimics、Geomaigic or imageware11.0等 )，這些軟件可以讀取Dicom格式的數(shù)據(jù)，通過設(shè)置不同密度組織的閾值，構(gòu)建形態(tài)曲面，重建三維模型，并可以在計算機上以STL格式(surface tesselation language)保存。STL格式是3D打印機可以識別的格式，根據(jù)臨床的需要利用不同的工藝技術(shù)和不同材料打印出臨床需要的三維實體仿真模型[5，8]。

2　快速成型技術(shù)在頜面頭頸外科中的應(yīng)用及臨床病例

目前快速成型技術(shù)在頜面頭頸外科主要用于制定手術(shù)方案、模擬手術(shù)和制作個體化的植入假體[9-11]，下面將結(jié)合筆者國外訪問學(xué)習(xí)的經(jīng)驗和筆者科室的具體實際情況通過典型病例展示介紹該項技術(shù)在筆者科室的開展情況、存在問題及解決辦法。

2.1數(shù)據(jù)的獲取和制作仿真實體模型所有患者均行頜面部三維CT(64排或256排螺旋CT)掃描獲得三維重建的原始數(shù)據(jù)(Dicom格式)，掃描層厚0.625mm。將原始數(shù)據(jù)以Dicom 格式導(dǎo)入三維重建軟件Mimics10.0(Simpleware 公司)，定義好三維坐標(biāo)順序后，利用區(qū)域增長功能從原始Dicom 文件中分割出骨性重建部分，并根據(jù)需要選擇重建部分模型，并在軟件上進行骨折復(fù)位、腫瘤切割、移植骨塊的選擇、效果檢驗等操作，最后根據(jù)需要將選定部分行三維重建，數(shù)據(jù)以STL格式保存。再把STL格式數(shù)據(jù)送到上海普天陽公司制作仿真模型。最后在仿真模型上進行手術(shù)模擬、預(yù)制鈦板、檢驗效果、制作手術(shù)導(dǎo)板等操作，最終確定手術(shù)方案，并將模型環(huán)氧乙烷消毒備用。

2.2在頜面部復(fù)雜骨折中的應(yīng)用首先獲得骨折仿真實體模型(圖1a)，再利用電腦模擬手術(shù)行骨折斷端解剖復(fù)位，復(fù)位后并與健側(cè)進行對比確認(rèn)后再次獲得復(fù)位后仿真實體模型(圖1b)。在骨折仿真模型上首先與三維CT模型進行對比，進一步明確骨折碎片移位的位移和方向，借助模型和傷因推斷患者的受力方向，模擬受傷過程；根據(jù)骨折移位情況制定手術(shù)方案(包括手術(shù)入路、切口大小、固定材料和樣式的確定)，逆外力方向模擬復(fù)位；在復(fù)位模型上預(yù)制成型鈦板或制作導(dǎo)板，預(yù)制成型鈦板一方面可縮短手術(shù)時間，同時可作為導(dǎo)板指導(dǎo)術(shù)中手術(shù)復(fù)位以及檢驗術(shù)中復(fù)位情況。目前由于3D打印機的普及，省、地市級三甲醫(yī)院已在使用該技術(shù)治療面部骨折，但多數(shù)醫(yī)院僅僅停留在診斷上。由于頜面骨形態(tài)不規(guī)則、厚薄不一，骨折常常是多發(fā)性、粉碎性骨折，且多合并顱底骨折；骨折復(fù)位具有外形和咬合的雙重要求，要做精確復(fù)位是很困難，甚至是不現(xiàn)實的。利用仿真模型對于術(shù)前判斷骨折移位方向和大小非常有幫助，但利用模型制作導(dǎo)板，再用導(dǎo)板去恢復(fù)患者的咬合關(guān)系較困難，即限制了該技術(shù)的優(yōu)勢。但在筆者的經(jīng)驗中，對于顴骨、顴弓骨折，特別是粉碎性骨折和陳舊性骨折，仿真模型對于手術(shù)復(fù)位有明顯優(yōu)勢，完全可以實現(xiàn)雙側(cè)面部的基本對稱，一般可以通過在仿真模型上預(yù)制成型鈦板來實現(xiàn)，充分體現(xiàn)了快速成型技術(shù)的優(yōu)越性，值得推廣。

a b

圖1患者女性，40歲，全面部骨折。a.全面部骨折仿真實體模型; b.復(fù)位后仿真實體模型

2.3在下頜骨腫瘤切除和重建中的應(yīng)用可根據(jù)三維CT影像標(biāo)記腫瘤范圍，根據(jù)腫瘤性質(zhì)確定腫瘤切除邊界，并在計算機上模擬手術(shù)切除腫瘤。根據(jù)缺損的部位和大小，鏡像健側(cè)后在計算機上模擬選取移植骨類型、大小和位置，以期與缺損形態(tài)最為接近，以確定移植骨塊最佳的切取位置。再以健側(cè)為參照，修整移植骨以期獲得最為接近缺損大小的形態(tài)，最后再制作成型鈦板或根據(jù)仿真模型預(yù)制成型鈦板。要想實現(xiàn)計算機輔助外科精確化的優(yōu)勢，快速成型技術(shù)的關(guān)鍵是制作手術(shù)導(dǎo)板。目前制作手術(shù)導(dǎo)板有兩個方法： (1) 在獲得與缺損形狀和大小最為接近的移植骨位置、形狀和大小后,利用CAD/CAM技術(shù)在計算機上設(shè)計然后再打印出手術(shù)導(dǎo)板，這種導(dǎo)板可以實現(xiàn)手術(shù)的精確化，但對工程師技術(shù)和打印材料要求較高，不太容易推廣。(2) 在已有的仿真模型上制作手術(shù)導(dǎo)板，這個過程完全可以通過口腔修復(fù)的壓模技術(shù)完成，材料也容易獲得，制作的精度完全可以達(dá)到手術(shù)的要求，值得推廣，這也是目前所采用的主要方法。

用同樣的方法獲得移植骨模型和切除后模型，并將重建板預(yù)制成型，如果條件許可利用CAD/CAM技術(shù)制作手術(shù)導(dǎo)板，但因為現(xiàn)在的打印材料無法在術(shù)中使用，筆者根據(jù)下頜骨原始模型利用口腔修復(fù)科的壓模技術(shù)制取截骨導(dǎo)板。

典型病例： 患者女性，40歲，因“發(fā)現(xiàn)右側(cè)下頜骨包塊2個月”入院。入院活檢： 成釉細(xì)胞纖維瘤，傾向低度惡性。入院后行256排CT掃描采集三維重建數(shù)據(jù)，確定腫瘤邊界和設(shè)計手術(shù)切口；利用CAD設(shè)計截取髂骨位置、大小，制作仿真實體模型和預(yù)制成型鈦板。在制作手術(shù)截骨導(dǎo)板時，為避免國外制作導(dǎo)板的高成本和克服國內(nèi)3D打印材料無法用于術(shù)中的缺陷，筆者利用壓模技術(shù)自行在仿真實體模型上制作下頜骨和髂骨的截骨導(dǎo)板。導(dǎo)板設(shè)計是實現(xiàn)計算機技術(shù)的微創(chuàng)化、精確化和簡單化的關(guān)鍵，導(dǎo)板的基本作用是精確切除的位置和方向，筆者利用壓模技術(shù)在仿真模型上用口腔修復(fù)材料制取手術(shù)導(dǎo)板，導(dǎo)板以周圍的突出或凹陷等解剖標(biāo)志為參照，制作下頜骨的截骨導(dǎo)板和髂骨的截骨導(dǎo)板，并在仿真模型上驗證。入院后約半個月行右側(cè)下頜骨節(jié)段性切除術(shù)+游離髂骨移植術(shù)+下頜骨重建術(shù)。手術(shù)采用頜下、頜后切口，在腫瘤放射學(xué)邊界約0.5cm處切除腫瘤。手術(shù)在術(shù)前制作手術(shù)導(dǎo)板的引導(dǎo)下截骨，截骨范圍從下頜孔至頦孔，完整切除下頜骨及腫瘤組織。截骨后發(fā)現(xiàn)截骨近端(頦孔處)靠近下頜骨下緣處存在可疑腫瘤組織，再次擴大0.5cm作階梯型截骨：即截除頦孔平面以下下頜骨下緣，保留上方健康下頜骨、牙槽骨及正常牙體。利用髂骨截骨導(dǎo)板并在術(shù)中做適當(dāng)修改切取同側(cè)髂骨，所取髂骨根據(jù)模型作簡單修整以適應(yīng)下頜骨頰面形態(tài)，近遠(yuǎn)端未作任何修整，與下頜骨缺損較精確對位，并用預(yù)制成型鈦板固定，鈦板未再做任何調(diào)整。術(shù)后病理診斷為：鱗狀細(xì)胞樣成釉細(xì)胞瘤，局部細(xì)胞密集，有異型性，有侵襲性行為，考慮癌變。術(shù)后患者咬合關(guān)系良好，雙側(cè)面部輪廓對稱，較術(shù)前明顯改善，手術(shù)效果滿意，達(dá)到了預(yù)期的目的(圖2)。

abcdef

ghijkl

圖2a.術(shù)前患者外觀; b.術(shù)前計算機模擬手術(shù)切除范圍(腫瘤邊界約0.5cm); c.利于CAD/CAM技術(shù)在髂骨選取最匹配骨段修補缺損,確定切除髂骨的位置和大小; d、e.利用壓模技術(shù)在仿真模型上制作手術(shù)導(dǎo)板，包括下頜骨截骨導(dǎo)板和同側(cè)髂骨截骨導(dǎo)板; f.利用仿真模型預(yù)制下頜重建板; g.術(shù)中利用手術(shù)導(dǎo)板整塊切除腫瘤; h.利用導(dǎo)板取髂骨; i.制取髂骨標(biāo)本與模型對比; j.髂骨精確修復(fù)腫瘤切除后缺損術(shù)后CBCT影像，對位良好; k.術(shù)后1周患者外觀; l.術(shù)后咬合關(guān)系恢復(fù)良好

2.4在顱面骨較大缺損中的應(yīng)用筆者用同樣方法獲得頭顱缺損的仿真實體模型，并在計算機上根據(jù)缺損形狀和大小設(shè)計個體化的植入體并打印出植入體。顱骨和上頜骨常規(guī)采用聚醚醚酮(PEEK)材料，下頜骨采用自體骨移植，利用快速成型技術(shù)獲得個體化的植入假體，并在缺損的仿真實體模型上進行驗證，模擬手術(shù)和制定手術(shù)方案。

abcdef

圖3a.術(shù)前患者外形; b.術(shù)前制作仿真實體模型; c.CAD設(shè)計個體化植入假體; d.CAM制作個體化假體; e.術(shù)中個性化假體精確修復(fù)顱骨缺損; f.術(shù)后1個月患者外形3快速成型技術(shù)在頜面頭頸外科中的展望

典型病例： 患者男性，37歲，因“1年前被重物撞擊面部造成額部畸形”入院。因PEEK材料具有有良好的生物相容性、與皮質(zhì)骨生物機械性能相近、耐熱、X線半穿透性——便于CT檢查、非磁性——便于MRI檢查、對術(shù)后放療無不良影響等優(yōu)點，入院后筆者選用PEEK材料利用快速成型技術(shù)制作顱骨個性化假體和仿真頭顱模型，將制作好的頭顱模型在仿真模型上驗證，設(shè)計手術(shù)方案。采用冠狀切口入路，將個性化假體修補顱骨缺損，假體與缺損精確密合，未作任何修改，鈦板固定。手術(shù)時間短，修復(fù)可靠，外形改善明顯(圖3)。

快速成型技術(shù)因具有微創(chuàng)、精確、簡單等優(yōu)越性，已經(jīng)在頜面頭頸外科領(lǐng)域尤其是顱頜面整復(fù)外科中顯示出巨大的應(yīng)用前景。該技術(shù)的關(guān)鍵是制作仿真的實體模型和制作手術(shù)導(dǎo)板。對于前者，隨著3D打印技術(shù)和打印機的普及，一般都能制作出手術(shù)要求所需要的精度；對于后者才是該技術(shù)的難點和重點。目前筆者主要采用仿真模型和手工制作相結(jié)合的方法制作手術(shù)導(dǎo)板，通過臨床病例檢驗完全符合筆者手術(shù)需要的精度。雖然該技術(shù)目前還存在一些問題：如快速成型技術(shù)所使用的設(shè)備和材料昂貴，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)較為專業(yè)，臨床科室無法普及相關(guān)設(shè)備和軟件，造成臨床醫(yī)生和制模工程師分離，在進行CAD/CAM易出現(xiàn)溝通脫節(jié)而導(dǎo)致制作模型存在較大誤差；由于術(shù)前對腫瘤邊界的確定有時很困難，術(shù)中如出現(xiàn)臨床邊界與放射線邊界有較大差異需改變手術(shù)方案，從而導(dǎo)致成型的鈦板或預(yù)制的手術(shù)導(dǎo)板無法使用，反而延長手術(shù)時間，造成材料的浪費；對于部分患者因為制作個性化假體的時間較長而無法滿足臨床的一期修復(fù)。但是隨著3D打印技術(shù)的進步和逐漸普及，低價格高質(zhì)量材料的出現(xiàn)、計算機技術(shù)的進步和相關(guān)操作軟件的普及，快速成型技術(shù)在頜面頭頸外科領(lǐng)域中的應(yīng)用前景將更加廣闊。同時，伴隨組織工程、材料學(xué)的快速發(fā)展，多學(xué)科協(xié)作下的快速成型(RP)技術(shù)為人體組織缺損修復(fù)重建提供一條光明之路，甚至能通過3D打印機將自身活細(xì)胞直接打印成缺損的活體組織，未來有望制備出理想的“人造組織器官”并將其用于臨床[11]。

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(本文編輯： 黃小英)

·專家論壇·

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)

【中圖分類號】R 782.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

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

文章編號：1009-4237(2015)05-0385-04