快速成型技术在下颌骨缺损修复中的应用研究

1、快速成型技术在下颌骨缺损修复中的应用研究                            作者：高俊武 薛玉萍 高翔 李涤尘【摘要】  目的：应用快速成型技术进行下颌骨缺损的个体化钛修复体的设计和制作。方法：应用快速原型技术完成1例下颌骨缺损个体化修复体的设计和制作,并完成其植入。结果：个体化钛修复体术中就位顺利

2、,各部件达到设计位置。结论：利用快速成型技术进行下颌骨缺损的个体化修复,方法简便、修复精确、优势独特。 【关键词】  快速成型;下颌骨缺损;个体化钛修复体下颌骨位于面下1/3，常常因为肿瘤、创伤、炎症及发育不良等原因导致缺损与畸形。下颌骨不仅与美观密切相关，而且与上颌骨共同承担着咀嚼功能，同时与保持呼吸道畅通还有一定的关系，其缺损的修复一直备受关注。目前，下颌骨缺损的修复多采用人工材料(钛重建板等)及生物材料(自体骨、异体骨、异种骨等)进行修复，对于移植骨块或钛板的塑形及面部外形的构筑，术者除了依据头颅标本外，均根据个人的临床经验来估计，主观性大、重复性差，难以恢复理想的颌面形态。快

3、速成型技术具有快速性、准确性以及擅长制造复杂实体的特点，能根据产品的三维模型数据，不借助其它工具设备，迅速而精确地制造出该产品。将其运用于下颌骨缺损修复，可以针对不同患者的骨缺损情况，采用个体化设计和制造下颌骨替代物。1 资料与方法1.1 病例资料患者女，35岁，下颌骨左侧造釉细胞瘤，截骨范围：中线至左下第三磨牙远中。1.2 个体化钛修复体的设计及制作原始数据提取自患者的CT图像，扫描条件：120 kV，58 mA，1.0 s，层厚1.3 mm，矩阵512×512，窗宽2 000，窗位200。患者平卧于扫描床，扫描平面平行于眶耳平面，扫描范围从眶上缘至下颌骨下缘，获得患者原始的断层影

4、像。然后利用影像中心的工作站对扫描的图像进行三维(three-dimentional，3D)与多平面重建(multi-planar reconstruction，MPR)，所谓多平面重建(MPR)是将扫描范围内所有的轴位图像叠加起来，再对某些标线指定的组织进行冠状位、矢状位以及任意角度斜位或曲面的切层及图像进行重组，最后输出CT图像。将前期处理好的CT图片数据输入比利时Materialise公司的图形软件Mimics 7.1软件中进行三维重建。Mimics是运行在Windows NT/95/98环境下的高度集成的三维图像处理软件，先设定图像层距和像素值，再通过定义灰度阈值来识别目标区域，高于阈

5、值的部分为要去除的组织，从而准确的获得组织的轮廓。然后对目标区域进行三维叠加运算，目标区域就以3D形式直观的显示了。将Mimics 7.1中输出的目标数据在Geomagic Studio 4.0中打开，在其中对目标数据进行抽壳操作，并在Gemagic Studio 4.0中确定截骨范围，以指导临床手术，保证术中钛下颌假体与两侧骨断端的严密吻合。截骨线见图1、图2。图1 截骨线(前界) 图2 截骨线(后界)将设计好的曲面模型输入实体建模软件使下颌实体化。直接在Geomagic中给设计好的曲面加厚，并以STL格式文件输出即可。本案例设计骨替代物的体部厚度为0.8 mm，延伸板为1.2 mm，见图3

6、。将输出的STL格式文件装载入LPSC快速成形零件数据准备系统软件RPData中进行轮廓编辑和支撑的加载，并将轮廓数据输入LPS600快速成型机进行骨替代物RP(Rapid Prototyping)模型的制作，见图4。最后将设计满意的修复体树脂模型经精密铸造，翻模加工成生物材料-钛合金，然后对钛体进行喷沙、抛光、清洗处理。在钛体的表面用转床均匀分布转孔，以利于术后组织包裹钛体和减轻钛体重量。在延伸板预留固位螺钉孔，螺钉直径依据固位部位骨组织厚度确定，每个延伸板打34个螺钉为宜。最后对钛体进行消毒备用，见图5。图3 个体化骨替 图4 骨替代物RP模型 图5 个体化钛体代物的反求设计1  

7、;       2 结果手术在全麻下进行，假体“U”型槽内填入自体松质骨，上覆皮质骨块。术中钛体与两骨断端严密接触，顺利就位，完全达到术前机模拟之手术效果，见图6。图6 钛体术中就位3 讨论快速成型技术采用了材料层层精确堆积的思想，突破了传统的“毛坯成品”的模式，同时又促进了设计思想的变革，由三维直接到三维，而不是传统的三维到二维，再返回到三维的设计思路。快速成型技术大大缩短了新产品的设计周期，降低设计成本，同时在模具制造业、空气动力试验、工程结构分析、医学领域中有广泛的应用。本文利用快速成型技术研究建立下颌骨缺损的个体化修

8、复体，并完成了具有临床代表性的下颌骨体部缺损(未过中线)临床案例1例。验证了应用数字化设计的下颌骨替代物在临床应用上的可行性。结果显示，手术时间和手术难度得到较大降低，术后患者下颌骨外形与功能得到良好恢复。经过该例临床实践，我们认为在个体化钛修复体的设计和应用中应注意以下问题：(1)进行修复体形态设计时表面应光顺外凸，避免形成内凹死腔。从而引起感染，最终导致手术的失败。(2)动物实验与临床实践证实，植入材料的生物相容性不仅与材料本身的生物性能有关，还与材料的结构有明显的关系。连续放置的致密片状材料恶性肿瘤发生率明显高于打孔放置的片状材料，而粉状材料和海绵状材料几乎不诱发肿瘤。表面粗糙的植入体诱

9、发肿瘤的潜伏期明显长于表面光滑的植入体。材料含杂质或清洗不彻底的植入体更易诱发肿瘤1。因此，为了降低诱发肿瘤的可能性，在保证钛修复体强度的前提下，在其上尽可能多打孔，不仅有减轻重量及利于手术缝合时消灭死腔的作用，同时还可以有效地降低诱发肿瘤的可能性。(3)运用快速成型技术实现下颌骨缺损修复体的个体匹配，匹配的难点在于CT图像的误差和手术定位的误差等，其中CT图像的误差达±0.5±1.5 mm 2-4。本方法的优点是恢复的修复体形态遵循了原骨骼的形态特征，可根据恢复的下颌骨数据及临近下颌骨的数据，重构出下颌骨修复体及与之相连的延伸板形态，对未超过中线的下颌骨缺损，特别是涉及体

10、部、下颌角、髁突、升支等部位的缺损，是一种理想的缺损修复方法。数据对称前要通过旋转、平移等操作对数据进行调整，以寻求一个理想的对称数据。(4)除了在数据调整、对称等操作中要反复观察和计算外，在RP树脂三维模型上进行模拟手术切除也是非常必要的。它可以在体外预先设计切除范围，并设计制作精确的个体化修复体，使肿瘤切除后的下颌骨能得到良好的外形修复。总之，快速成型技术具有快速性、准确性以及擅长制造复杂实体的特点，它与反求工程相结合，形成包括设计、制造、检测的快速设计制造闭环反馈系统，将其运用于颌面畸形与缺损的整复领域，可以解决颌骨畸形、缺损整复中一些难题，尤其在颌骨替代物的形状匹配中具有独特的优势，符

11、合当前修复物个体化设计的趋势，具有广阔的应用前景。但功能性外科及功能性重建不仅要求术后形态上与解剖学的高度一致，更重要的是要求患者功能的恢复。为使应用快速成型技术制备出的个体化钛修复体向真正意义上的生物功能性修复这一目标迈进，应对个体化钛修复体修复后的下颌骨及修复体的生物力学进行分析，其力学分析结果可以为以后个体化钛修复体的结构优化设计提供借鉴和，使其修复后的下颌骨达到功能和形态的完美统一。【参考】  1 Hollister SJ, Maddox RD, Taboas JM.Optimal design and fabrication of scaffolds to mimic tissue properties and satisfy biological constraintsJ. Biomaterials, 2002,23(20): 4095-4103.2 张海钟,步荣发,黄旭明，等.颅面骨三维定量测量及其临床意义J.临床解剖学杂志，1999,17(3)：195-198.3 藤勇,王臻,李涤