通博娱乐下载:3D打印技术在颌面部缺损修复中的应用

2021-6-8 17:06  来源:医学综述
作者:罗磊 许彪 阅读量:1565

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    3D打印技术是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料通过逐层堆积产生的3D模型,是一种不同于传统制造方法的快速成型技术。目前,3D打印技术在工业中的运用相对成熟,随着科学技术的发展,3D打印技术已被运用于医学领域,通过磁共振成像、CT或计算机辅助设计(computer aided design,CAD)软件获得的图像完成研究对象假体的3D模型设计。

    近年来,3D打印技术在口腔颌面外科诊断和治疗中的应用越来越广泛,已经不仅仅局限于传统的塑造外形,更兼顾恢复软硬组织的形态和功能,因为颌面部畸形等问题会严重影响患者的生活质量和心理健康。

    心理健康也是目前新医学模式(生物-心理-社会医学模式)的焦点。3D打印技术可以根据患者的个性化形状和大小来选择材料进行制作,提高了手术的质量和手术的自主性。事实上,颌面外科可能是3D打印技术最大的潜在应用领域。现就3D打印技术在颌面部缺损修复中的应用予以综述。

    1.CAD与3D打印技术概况

    1.1CAD技术和计算机辅助制作(computer aided manufacturing,CAM)技术

    数字医学的主要部分是CAD,包括镜像成像、自由曲面构造、有限元分析、数据分割与构造、差分分析以及图像配准技术。CAD/CAM是快速制造技术的一种,可以系统地解读患者的图像数据,在术前规划软件的帮助下创建三维模型,更加直观立体地展示三维空间立体结构,为外科医师准确地确定切除范围及修复体精确设计提供依据,减轻了医师工作量,简化了手术流程,减少了患者的创伤,增加了患者的满意度。

    1.23D打印技术概况

    1984年,有学者发明了3D打印,开创了从打印纸到打印物体的新时代,通博娱乐下载:通过在光固化材料表面发射具有特定波长和强度的激光来创建单层形态,待其发生凝固,然后另一层在升降平台上下移动时变得固化,经过以上步骤重复后形成三维立体结构。21世纪初,出现了3D打印的人体膀胱,并且应用于需要膀胱成形术的患者,手术效果良好。

    目前,3D打印已广泛应用于骨关节外科、烧伤整形、器官移植等多个领域。3D打印首先是获取物体的3D打印图像,CT扫描尤其是锥形束CT是临床常用的方法,然后将医学图像导出到建模软件中,将它们处理成由positive space代表实际硬组织的模型或由negative-space代表中空组织的模型,Mimics是常用软件,最后导入打印软件打印,制作出成品3D立体模型。

    2.3D打印技术在颌面外科中的应用概况

    颅颌面组织是指由牙齿、骨骼、肌肉、软骨和韧带以及它们的支撑结构(如血管和神经)形成的复杂系统,担负身体的许多关键功能,这些结构协同作用才能保证机体的正常功能(如言语、呼吸)。由于颌面部解剖结构复杂,外伤、畸形或者术后缺损修复重建等对于颌面外科医师均是一巨大挑战,因此3D打印技术被引入到颌面外科领域,作为解决这类挑战的备选方案。另外,3D打印技术还可与各种支架材料和细胞兼容,因此3D打印技术也代表着颌面部仿生组织构建的前沿。

    目前,3D打印技术最常应用的方向是精确模拟硬组织(如骨骼)。颌面部手术通常涉及骨手术(如截骨术、骨折手术和颌骨重建术),这为寻找新兴3D打印技术的模式提供了理想的区域。除了涉及骨骼的复杂三维解剖外,颌面外科还具有对称性和功能性的要求,可以用3D打印模拟。在大多数情况下,3D打印不仅可以提高颅颌面外科手术的准确性,还可以节省手术时间,减少患者创伤。

    3.颌面外科中3D打印技术的使用分类

    3.1使用3D打印轮廓建模

    轮廓模型是颅颌面外科中最常用的3D打印技术,轮廓模型代表正空间模型,即患者的成像解剖结构,是3D打印对象,因此3D打印可清晰直观地复制患者的特异性解剖结构,然后根据3D模型模拟术前手术计划,预先塑造钛板等硬件,比在术中塑造更为容易。有临床研究指出,采用3D建模后在模型上预弯钛板成形的手术效果较传统方式好,手术时间短且容貌改善较好。

    虚拟手术计划与3D打印技术相结合,使外科医师能够在术前显示还原过程,并缩短手术时间,且复位更精确,3D打印的轮廓建模可以在治疗复杂粉碎的下颌骨骨折方面提供更令人满意的美学效果。

    3.2使用3D打印手术导航

    3D打印具有精确性,使用围绕患者骨骼解剖结构的负空间来打印患者特定的模板,而该模板仅在术中适合于某些骨段,以指导精确切割钻孔或定位。通过使用3D导板,缩短了手术时间,且获得了改善颅面外科手术的效果,这主要归功于术前3D手术模拟和使用手术导向器辅助手术的精确进行。

    对于下颌骨和移植物的切除以及在肿瘤切除和重建期间重建缺失的部分,通常使用3D打印指导手术,其中一个重要的用途是指导骨瓣的制备。有研究指出,3D打印结合CAD/CAM技术制作出的腓骨切割导板能够帮助外科医师精确地分割骨瓣,而且通过3D模拟CAD/CAM技术制备的骨瓣,可以预先模拟血供情况,对于颌骨重建有着至关重要的指导作用。

    颌面部异物,特别是较深部位的异物,若定位不准确,会给患者造成不必要的痛苦,3D计算机辅助导航通过计算机处理模型交互,在虚拟环境中排除重要解剖结构,动态定位,确定实际位置与目标位置的偏差,提高了手术的准确性和成功率,确保了手术准确完成。

    3.3用作植入物的3D打印

    3D打印植入物为骨缺损提供了解决方案,目前3D打印植入物需要的是生物相容性材料,发挥特定功能且不被排异,但未来3D打印物可能被用作工程组织的支架。目前,在颌面外科中主要使用由钛、聚甲基丙烯酸甲酯、羟基磷灰石、聚醚醚酮、环氧丙烯酸羟基磷灰石、聚丙烯-聚酯以及非特定丙烯酸树脂等组成的定制植入物。

    Mangano等借助CAD/CAM技术制作了严重萎缩的下颌前牙去牙槽嵴增强磷酸钙支架,植入后与牙槽骨缺损区贴合严密,2年后,还在支架上成功种植了牙齿,患者满意度较好。因此,从目前的研究来看,3D打印作为植入物的准确性是肯定的。

    4.3D打印技术在特定颌面外科手术中的应用

    4.1下颌骨手术

    头颈部癌症患者多次在术后留下面部畸形。由于复杂的3D结构,重建下颌骨特别困难。当进行下颌骨切除术、去除改变下颌骨轮廓的缺损组织时,下颌骨重建变得更具挑战性。此外,下颌骨结构排列的任何变化均可能导致咬合不良,从而引起功能障碍。3D打印是一种准确、快速的下颌骨重建技术。CAD/CAM程序越来越多地用于制造医学快速成型模型,这些模型可用于下颌骨重建外科手术。

    采用3D技术可缩短手术时间和全身麻醉时间、减少血液流失,使手术过程更精确。有研究对常规程序与3D打印轮廓模型手术导航指导下颌骨重建术进行了比较,结果发现,与常规程序组相比,3D打印组平均操作时间缩短了2h,且游离皮瓣尺寸更小,提示患者特异性的3D打印技术提高了手术效率。正颌外科专门用于矫正骨骼咬合不良引起的颌面畸形。

    传统上,根据患者特定的石膏模型,由技师制造夹板,现在3D打印技术正越来越多地用于术前计划与咬合关系的转移中。Adolphs等对10例患者进行了试点研究,通过计算机辅助3D打印技术制作咬合导板,结果显示8例患者使用3D打印导板达到了较为理想的咬合关系。恶性口腔癌和鼻咽癌的放射性骨坏死是最严重的并发症之一,为了控制感染和减轻疼痛,在晚期放射性骨坏死的治疗中,可能会行下颌骨切除的根治性治疗。尽管使用游离皮瓣可以治疗复杂的颌面部缺损,但下颌骨放射性骨坏死的复杂缺损修复仍具有挑战性。

    Man等报道了术前运用3D生物模型规划和流动径向前臂皮瓣成功游离了腓骨皮瓣,取得了较为满意的效果。Schepers等报道了另外一种下颌骨重建方法,即在3D打印虚拟技术的帮助下,用3D打印假体置换切除的下颌骨,而且还在打印体上装上了义齿。由此可见,可以通过3D虚拟技术完全规划下颌骨重建和即刻假体加载。下颌角骨切除术是一种通过切除突出的下颌角矫正颌面部畸形的一种方法。但由于无法直视进入手术部位,导致视野受限,因此在手术时可能存在困难或并发症。

    有研究提出,可应用计算机图像引导手术模板进行下颌角骨切除术,该研究纳入了9例下颌角突出的患者,通过CAD和3D打印制造一对立体光刻模板,而双边下颌角骨切除术均是在这些模板的指导下进行,结果所有患者对美容效果均感到满意,模拟的下颌骨轮廓的右侧和左侧与术后下颌骨最终轮廓之间的最大壳-壳偏差分别为(2.02±0.32)mm和(1.97±0.41)mm。这项新技术可以帮助外科医师制订更好的手术前计划,并确保更准确和更安全的操作。

    3D打印技术也可以辅助修复下颌骨髁突骨折。下颌骨髁突骨折是比较常见的骨折,占所有下颌骨骨折的29%~52%。髁突部位解剖结构复杂,精准的手术是外科医师的共同愿望。有研究描述了一种基于CAD/CAM和快速原型制作纳米级羟基磷灰石/聚酰胺的方法,用于个体设计、制造和植入下颌骨髁突,患者最终恢复了合理的颌骨轮廓、外观以及颞下颌关节功能。

    另外,在术前有术者设计了一个使用3D打印和虚拟手术的手术导航(3D手术导向器允许使用克氏针精确对准骨折,而无须额外的解剖和组织损伤),结果发现,通过3D打印技术增强的克氏针固定,在青少年髁突骨折中产生了良好的效果。

    4.2上颌骨手术

    在正颌外科手术期间,上颌骨通常在常规外科导板夹板的帮助下定位,这具有许多局限性。有研究描述了在双颌正颌外科手术中3D虚拟辅助手术与传统手术方式中上颌骨定位的准确性,最终得出,在临床情况下,CAD中间夹板的准确性能够满足双颌手术的要求。CAD/CAM模板为上颌骨手术计划的转移提供了可靠方法,是中间夹板技术一个很好的替代方法。

    Li等使用CAD/CAM模板指导截骨术和上颌骨的重新定位,对6例患者的研究模板使用3D打印技术制作,该设计符合3D手术计划,包括LeFort截骨术和上颌骨的重新定位,并基于CT扫描数据,在上颌骨的硬组织界标与参考平面之间进行术后测量,分析测量结果并与虚拟计划进行比较,初步结果显示,上颌位置精度(<1mm)能够达到临床要求,且手术时间也显著缩短。

    Mazzoni等使用CAD/CAM切割导轨和定制钛板进行上颌骨重新定位,以精确复制术前虚拟计划,无须使用任何手术夹板,并明确了用于正颌外科手术的完整CAD-CAM工作流程:手术治疗的虚拟计划;CAD-CAM和定制手术装置的3D打印(外科切割导向器和钛固定板);计算机辅助手术。

    4.3眶底骨折手术

    对于眶底骨折,3D打印提供了骨缺损的准确解剖,允许临床医师在术前预设钛板进行眼眶重建。从理论上讲,通过缩短手术时间、降低眶板定位错误的风险、减少多次插入引起的软组织创伤以及调整眶板等,可以改善手术效果。有研究评估了颅骨的镜像3D打印模型和用于面部创伤患者创伤性眶壁重建的预模拟合成的支架,该研究纳入104例眼眶缺损重建患者和23例眼眶创伤后缺损重建的患者,对于每种情况均使用3D打印技术重建镜像图像和单独制造的颅骨快速原型模型,颅骨模型作为指导的解剖学预模拟合成支架,进行眼眶腔的3D分析,并对术后并发症进行评估,结果发现,术后眶容积与原体积均无显著差异。

    4.4鼻部手术

    鼻缺损的重建在手术和美学上具有挑战性,特别是当涉及软骨部分时,手术结果必须在功能和美学上可接受,而且准确再现鼻内衬、支撑和鼻呼吸、覆盖、鼻形以及纹理至关重要。Horn等描述了使用3D技术对恶性外周神经鞘瘤患者进行鼻腔重建,首先在眉间和鼻腔区域接受了近全部鼻腔切除术,在肿瘤切除后,动态钛网在术前通过3D打印模型预先进行,并重建软骨和骨结构,使用相反的头皮瓣覆盖软组织缺损,实现了足够的长期功能、美学和肿瘤学的良好结果。

    Ciocca等使用3D打印技术设计手术模板,引导植入物插入鼻假体,手术使用虚拟手术软件计算植入物的最佳位置,并将位置转移到CAD建模软件,然后设计手术指导,使用快速原型系统打印三部分模板,模拟手术标记提升皮瓣之前皮肤的切口指导以及用于骨钻的手术指导,最后通过测量植入物轴的倾斜度(角度偏差)和植入物顶点的位置(顶点偏差)来评估计划放置位置与最终放置位置之间的准确度,此方法可行性高。

    5.小结

    目前,3D打印技术已经从最初的模型制作转变为手术指导。随着信息技术的发展和各种打印技术的改进,将进一步促进3D打印技术渗透到口腔医学的各个领域,特别是在颌面外科中的应用。3D打印在颌面外科中的应用具有十分重要的现实意义,而随着3D打印技术的发展,高性能、高质量、低成本材料和技术的出现以及CAD/CAM等计算机辅助软件的普及,3D打印技术在颌面外科中的应用前景将更广阔。但3D打印制作成本高,且需要特殊的生产设备,因此在临床医学的普及过程中仍存在许多问题,未来需进一步探索。

编辑: 陆美凤

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