Application of rapid prototyping in craniofacial surgery 李益敏 综述，郑永生 审校
快速成型技术（RP）是机械工程、计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)、计算机数字控制（CNC）、精密伺服驱动、检测技术、激光技术及新型材料科学等高科技技术的集成。由于它明显优于传统制造技术，近来获得了日新月异的发展，已被广泛应用于航空、汽车制造、军事、医疗等领域，其中在医学领域的应用占到整个应用领域中的12%,特别是在口腔、颅颌面外科及骨科治疗中。颅颌面外科由于其手术的复杂性和精确性,一直是医学界公认的较为棘手的领域，选择多学科合作，多领域技术的相互配合，是颅颌面外科治疗的发展趋势。近年来，RP技术和颅颌面外科的紧密结合，为颅颌面外科的发展注入了新的生机，使颅颌面外科治疗手段变得更为科学、精密和简便。本文就快速成型技术在颅颌面外科中的应用综述如下：
1快速成型技术
1.1 RP技术原理：RP技术最早起源于20世纪80年代后期的航空工业，是基于分层技术、堆积成型、直接根据CAD模型或CT数据等快速生产样件的先进制造成组技术总称。RP技术不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等制造加工手段，是利用塑料、陶瓷、复合蜡等各种材料累加法直接制造出样件。其基本原理是:分层制造,逐层叠加[1],实现一种由点到线、由线到面、由面再组成立体结构的过程。RP具体过程大体可分成三步：①数据准备：通过计算机生成零件三维CAD模型，或CT数据的准备，然后用切片软件将三维CAD模型切成大约0.5～2mm厚的薄片，得到各层面的轮廓信息；②分层叠加成型：各层截面轮廓数据信息转换成数控加工命令，控制激光束选择性切割一层层原材料（如：固化液态树脂、复合蜡粉等粉末材料、喷射粘结剂或热熔材料等），形成各截面轮廓并叠加成三维产品；③后处理过程：进行模型表面处理清洁等。
1.2快速成型技术工艺种类及加工材料:快速成型技术工艺多种,其中常用的较为成熟的有六种：①光固化（SL）；②选择性激光烧结（SLS）；③层状物体制造（LOM）；④熔融堆积成型（FDM）；⑤激光近似成型技术（LENS）；⑥三维打印技术（3DP）。不同的技术工艺可以选择不同的加工材料。
1.3 快速成型技术的特点：RP技术不同于传统的制造工艺，其优越性在于：①采用非接触加工，不需任何刀具、模具等；②生产过程数字化，可随时修改，随时制造，并可做到无人值守；③生产成本与产品数量无关，特别适合单个模型的生产；④能够实现快速铸造、快速模型制造；⑤生产过程没有切割、噪声和振动，有利于环保；⑥产品的制造过程与模型的复杂性无关，可以制造任意形状的模型。
2快速成型技术在颅颌面外科中的应用
在医学的领域RP技术最早应用于外科，尤其是对于颅颌面外科、骨外科、整形外科等的临床实践。利用RP技术可以加工出内、外部三维结构完全仿真的生物模型。借助患者术区解剖结构模型，医生可以更直观地了解术区状况，并结合模型具体讨论病例，制定更合理的手术方案。对于复杂病例，实施模型外科，预演术中可能遇到的问题，并比较此术式的优劣，同时也向年轻医生演示或供他们操作训练[2]。
2.1 颅颌面硬组织的精确复制：颅颌面骨组织形态不规则，结构复杂，周围解剖关系密切，通过X线片及单纯的CT片很难精确诊断病变的实际状态和部位。最早有学者在1989年即将该技术应用于患者的诊断。Haers PE[3]对于建立的21例患者的三维模型进行分类，认为模型具有对颅颌部综合征、面部不对称、器官距离过远、大型缺损等畸形的诊断、治疗有意义，而对于多发性骨折的错位矫正没有帮助。D"Urso PS等[4]对45例颅颌面颈部患者进行仿真生物模型及影像的对比，分析结果表明模型有利于改善手术设计（模型达82.21%，影像为44.09%）；术前诊断准确率达95.23%（影像的准确率为65.63%），模型的测量误差为7.91%，远远低于影像测量误差44.14%，应用仿真模型后手术时间平均降低17.63%。Ariver等[5]利用CT数据结合SL方法复制颅骨，并与原颅骨标本进行测量比较，绝对误差在0.1～4.62mm之间，平均误差为0.85mm，认为SL方法可以精确复制颅骨。Bianchi等[2]利用离体下颌骨CT数据、SL技术复制下颌骨模型，总体误差在0～4.03%范围，且解剖细节清晰可辨。林李嵩等[6]利用RP技术读取干性头颅的螺旋CT数据制作出眶三维模型,结果更加精确,模型与颅骨的平均差值为(0.22±1.04)mm。朱赴东[7]对根据螺旋CT数据制作的三维模型进行测量，认为模型的总体误差可以控制在0.02～0.53mm,其中颅骨模型的误差在0.02～0.24mm,牙齿模型的误差在0.04～0.53mm之间，颅骨、牙齿模型与实体无显著性差异。RP模型能够复制颅颌面骨组织的真实情况,提高临床诊断的准确率。
2.2颅颌面软组织的复制:软组织的数据来源通常是螺旋CT和MRI数据。Coward[8]利用MRI数据，应用镜像原理用SL方法制作出与健侧耳相同的树脂患耳赝复体。焦婷等[9]利用多排螺旋CT数据，应用LOM法制作缺损区耳廓阳模，然后用医用硅胶翻制耳廓硅胶阳模义耳，形态精度高，个性化高。李风兰等[10]应用SLS技术，利用三维激光扫描正常鼻数据制作鼻蜡模型，并翻制出硅橡胶鼻赝复体，获得结果是赝复体与蜡模测量无明显差异，提供了一种鼻赝复体新的制作方法。
2.3定制个性化修复体:运用RP技术，根据镜像原理，通过CAD系统制作颅颌面个性化植入体,材料可以选取铸造钛板、个性化钛合金、硅橡胶、人工骨等。
2.3.1对于颌面外科:Tideman等[11]早在1992年即对上颌骨切除术后缺损患者实施术中填塞已定制的快速成型铸造钛网和自体髂骨骨块、局部软组织覆盖联合方法进行即时修复，获得满意的近期效果。Eufinger H等[12]报道对于22例颅颌面缺损患者制作个性化钛板植入物重建外形，显著降低手术时间，并获得良好的美容外形。后Eufinger H又陆续报道了计算机辅助下的个性化钛网在临床中的应用，肯定了该种技术在临床中的显著成效。另有学者报道设计制造个性化钛板修复体修复腭部缺损。刘彦普[13]利用RP与反求技术制作缺损下颌骨的树脂模型,通过铸造技术制造纯钛修复支架进行个性化修复大块下颌骨缺损,方法简便、精确，可同时修复外形和重建咀嚼功能。杨连平等[14]应用CAD和RP技术联合用于下颌骨肿瘤切除术后骨缺损的个体化修复重建中,术前预制重建个性化钛板,即时修复骨缺损,提高手术精确度。
2.3.2对于颅骨的缺损:使用RP技术修复颅骨缺损在国内外已有大量报道。Winder J等[15]将该技术应用于10例颅骨缺损的患者，制作出精确的个性化钛板直接修复缺损，获得了满意的美容效果。D"Urso PS[16]应用RP技术制造出的个性化丙烯酸修复体修复颅骨缺损，术前并进行修复体与缺损模型的模拟，手术时间明显减少并产生良好的临床结果。国内归来[17]利用医用钛铸造个性化颅骨修复体修复颅骨缺损，效果良好。徐建军[18]制作EH复合型颅骨预制体修复额颞顶区大面积颅骨缺损,结果显示预制体与缺损周围组织精确吻合。夏德林[19]报道基于CT数据、快速成型技术预制钛合金个性化颅骨缺损修复术切实可行，修复体具有良好的组织相容性、足够的强度，且能在体内长期存留。
2.4模型外科手术模拟:前手术模拟可以选择计算机辅助手术模拟和模型外科手术模拟。前者为虚拟环境，后者为实物模型真实环境，其中模型外科在口腔正颌外科已被广泛使用。在颅颌面外科中，Lin CC等[20]将快速成型模型应用到颅颌面畸形患者术前模拟中，认为术前模拟有助于推动颅颌面外科的发展，能获得更为精确的手术效果。国外有学者运用SLS技术复制颅颌面尼龙仿生物模型，术前为颅颌面骨骨折伴畸形患者实施手术模拟，效果满意。国内唐晓军等[21]将模型外科应用到对陈旧性颌骨骨折的治疗中，在术前实施模型外科，可以简化术中手术步骤，提高治疗效果。何冬梅等[22]将模型应用于颧骨粉碎性骨折、颜面不对称等畸形中，术前模拟手术过程，以确定截骨量、移动颌骨的范围，效果满意。孙坚等[23]利用CAD/CAM技术作为上颌骨大型缺损重建的模型外科手段，对于病态三维模型进行设计截骨线、固位等模拟手术，有助于术中移植骨的准确摆位以及植入体植入的轴向，避免术后移位。
2.5 手术模版的设计与制作:颅颌面小块的缺损畸形无法定制个性化植入物，可以通过RP技术制作出需要充填的植入物三维立体模型，或者对于不对称畸形需要去除骨组织时，术前制作出需要去除骨组织的模版，以指导术中选用的植入物的大小、形状，截骨线的具体位置等。James等[24]报道了RP技术在先天性颧骨发育不全中的应用，由SLA模型获得骨缺损信息，优化植入物的大小、结构，估计移植骨量。刘筱菁等[25]对12例复杂颅颌面畸形患者构建三维头模，在头模上进行模型外科和植入物模版的预制，其结论是在头模上进行模型外科操作与真实手术吻合度很高，预制植入物模版能够缩短手术时间，改善手术效果。
3展望
随着CAD/CAM技术和RP技术的不断发展，相关软件和设备、材料费用降低，相信在不久的将来，RP技术的应用将成为颅颌面外科术前准备必不可少的步骤，并且，迎合临床应用需求的各种类型的三维模型将会应运而生。同时，伴随组织工程、材料学的快速发展，多学科协作下的RP技术将为推动颅颌面外科的发展提供无限可能。
[参考文献]
[1]滕 勇，王 臻，李涤尘.快速成型技术在医学中的应用[J].国外医学生物医学工程分册，2001，24(6)：257-261.
[2]Bianchi SD,Ramieri G,De Gioanni PP,et al.The validation of stereolithographic anatomical replicas: The authors" own experience and a review of the literature[J].Radio Med （Torino）, 1997,94(5):503-510.
[3]Haers PE,Warnke T,Carls FR,et al.Preoperative diagnosis of complex craniofacial syndromes[J].Mund Kiefer Gesichtschir,1998,2 Suppl1:S13-15.
[4]D"Urso PS,Barker TM,Earwaker WJ,et al.Stereolithographic biomodelling in cranio-maxillofacial surgery: A prospective trial[J].J Craniomaxillofac Surg,1999,27(1): 30-37.
[5]Arvier JF,Barker TM,Yau YY,et al.Maxillo facial biomodelling[J]. Br Journal Maxillofac Surg,1994,32(3):276.
[6]林李嵩，王 炜，王志红，等.建立个性化眶三维模型的研究[J].中华整形外科杂志，2006，22(2)：95-98.
[7]朱赴东，赵士芳，谢志坚，等.快速成型技术在正颌外科中的应用[J].解剖学报，2006，37(5)：563-567.
[8]Coward TJ,Watson RM,Wilkinson IC.et al.Fabrication of a wax ear by rapid process modeling using stereolithography[J].Int Prosthodont,1999,12(1):20.
[9]焦 婷，张富强，韩 强，等.应用螺旋CT与快速成型技术制作义耳[J].口腔颌面修复学杂志，2004，5(2)：127-129.
[10]李风兰，赵铱民，白培康，等.应用选择性激光烧结法烧结新型复合蜡粉制作鼻赝复体[J].实用口腔医学杂志，2005，21(1)：8-10.
[11]Tideman H,Samman N,Cheung LK.Immediate reconstruction following maxillectomy: a new method[J].Int J Oral Maxillofac Surg,1993,22(4):221-225.
[12]Eufinger H,Wehmoller M.Individual prefabricated titanium implants in reconstructive craniofacial surgery: clinical and technical aspects of the first 22 cases[J].Plast Reconstr Surg,1998,102(2):300-308.
[13]刘彦普,龚振宇,何黎升,等.大块下颌骨缺损的个体化数字设计及外形与功能重建[J].中国修复重建外科杂志,2005,19(10):803-806.
[14]杨连平,李彦生,张练平,等.应用CAD/CAM技术进行个体化下颌骨重建[J].中国口腔颌面外科杂志，2004,2(1):65-68.
[15]Winder J,Cooke RS,Gray J,et al.Medical rapid prototyping and 3D CT in the manufacture of custom made cranial titanium plates[J].J Med Eng Technol,1999,23(1):26-28.
[16]D"Urso PS,Earwaker WJ,Barker TM.Custom cranioplasty using stereolithography and acrylic[J].Br J Plast Surg,2000,53(3):200-204.
[17]归 来,左 锋,张智勇,等.颅骨缺损的个性化修复[J].中华整形外科杂志,2004,20(2):98-100.
[18] 徐建军,丁华山,瞿鸿义,等．计算机三维重建EH复合型颅骨预制体修复额颞顶大面积颅骨缺损[J].中国临床神经外科杂志,2006,11(12):748-749.
[19]夏德林.基于CT数据、快速成型技术个体化钛合金颅骨缺损修复术的实验与临床应用研究［D］.北京：中国协和医科大学整形外科，2004.
[20]Lin CC,Lo LJ,Lee MY,et al.Craniofacial surgical simulation: Application of three-dimensional medical imaging and rapid prototyping models[J].Chang Gung Med J,2001,24(4):229-238.
[21]唐晓军，归 来，张智勇，等.陈旧性颌骨骨折三维模型的临床应用[J].中国美容医学，2006，15（1）：48-50.
[22]何冬梅，张 益，张震康，等.三维头颅模型在口腔颌面外科的应用[J].中华口腔医学杂志，2001，36（5）：334-336.
[23]孙 坚.上颌骨缺损的修复与重建[J].口腔颌面外科杂志，2005，15（1）：5-8.
[24]James WJ,Slabbekoorn MA,Edgin WA,et al.Correction of congenital malar hypoplasia using stereolithography for presurgical planning[J].J Oral Maxillofac Surg,1998,56(4):512-517.
[25]刘筱菁，归 来，张智勇，等.基于CT三维头颅重建技术的模型在颅颌面畸形治疗中的应用[J].中华整形外科杂志，2006，22（3）：169-171.
[收稿日期]2007-06-01 [修回日期]2007-08-16
编辑/李阳利
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