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3D打印技术在颅颌面创伤应用的相关技术与发展趋势.doc

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3D打印技术在颅颌面创伤应用的相关技 术与发展趋势 张纯妍 聂鑫 沈阳联保中心大连疗养院口腔科 温州医科大学附属 口腔医院颌面外科 摘 要: 3D打印作为新兴技术首次应用于工业领域, 目前在医疗领域的潜在价值也受到 诸多关注。 自从20世纪 80年代后期引入医学领域以来, 利用这一技术, 医学数 字成像和通信 (DICOM) 文件可以转化为立体光刻 (STL) 文件, 打印出血管、 肿 瘤和头盖骨等三维解剖结构, 使外科医生能够改进术前规划。 由于该领域起步晚, 技术种类繁多且各有利弊, 目前尚无标准的 3D打印模式用于临床和医学研究。 为了使创伤外科临床医生能正确使用3D打印技术, 笔者对各种3D打印和计算机 辅助设计 (CAD) 软件的临床应用特别是颅颌面创伤的应用作一综述。 关键词: 颅颌面; 创伤; 3D 打印; 计算机辅助; Three-dimensional printing: applied technologies and developmental trend in craniofacial trauma ZHANG Chun-yan NIE Xin Department of Stomatology, Dalian Sanatorium , Shenyang Joint Logistics Center; Department of Maxillofacial Surgery, Stomatological Hospital, Wenzhou Medical University; Abstract: Three-dimensional ( 3 D) printing is a developing technology and firstly used in the industrial field. Recently, it gains a lot of attention in the medical field for its potential benefits. Since its introduction to the medical field in the late 1980 s, with the 3 D printing technology, digital imaging and communication in medicine ( DICOM) can be translated into stereo lithography ( STL) files. Finally, 3 D anatomical structures such as vessels, tumors, and skulls are printed, which enable surgeons to improve pre-operative planning. Due to the infancy of the field, and a wide range of technologies with varying advantages and disadvantages, there is currently no standard 3 D printing process for clinical and medical research. To enable craniofacial trauma doctor to optimize the use of this technology, we outline the variable clinical practical methods and design software for 3 D printing under the assistance of computer in the surgical field, especially in the field of craniofacial trauma. Keyword: craniofacial surgery; trauma; three-dimensional printing; computer-aided design; 3D打印技术是近年快速发展的新兴技术, 其基本原理是根据计算机辅助设计 (computeraided design, CAD) 模型或X射线计算机断层成像 (X-ray computed tomography, CT) 形成的数据, 在电脑程序控制下, 基于离散和堆积成型的原 理, 利用光、热等外界输入, 并配合打印材料的特性, 将打印材料逐步固化、堆 积成型, 实现3D复杂结构的制造[1]。此种 3D打印技术具有能够按照设计的模 型构建特定空间结构的能力, 并能在制备材料时对其微观结构进行精确控制。 较 单一影像学诊断数据, 3D打印技术的优点是允许医生直接在打印出来的实物模 型上诊断并制定治疗方案, 还可根据需要设计并制作患者术后评估模型。从 1988年第一台 3D打印机问世到现在, 3D打印已经历了技术开发、技术成型、产 品推出、技术发展、产品衍生、技术更新与成熟等不同发展阶段 (图 1) 。3D 打印技术也从最初作为工业制造领域的新型制造技术, 开始向医学领域不断拓 展。 2013年医疗/牙科部门已占 3D打印相关行业总收入的 16.4%, 仅次于消费品 和摩托[2]。在医疗领域方面, 镜像技术、快速成型技术和计算机导航技术将成 为未来颌面创伤外科发展的趋势, 其中以3D打印为主的快速成型技术在不到10 年的时间获得了迅猛的发展。Hoang等[3]以“3D printing”及“surgery”为 主题词对相关SCI论文进行meta分析, 结果显示论文数量从2011年出现明显增 长, 应用分类分析结果显示其中以用于颅颌面部解剖模型的 3D打印论文居多。 在材料使用上, 也从最初单一 PLA聚合物扩展到塑料、金属、蜡、橡胶、光固化 和生物材料。虽然 3D打印的使用正在激增, 但许多应用程序用于成像、教育或 模拟, 而不是直接用于外科手术。本文主要基于 3D打印的基本原理与步骤、临 床实践与规范、未来发展趋势与争鸣等方面, 为有志于通过3D打印技术解决临 床难题的医生提供参考意见和帮助。 图1 3D 打印及相关技术的基本发展历程 下载原图 1 3D打印的应用范畴及分类 精准医疗、 个性化医疗和微创医疗逐渐成为医疗发展的未来趋势, 术前虚拟手术 并以此为基础的个性化3D打印模型技术日臻成熟。 3D打印技术通过精细化建模、 清晰区分病灶和周围重要组织, 实现了术前的数字化三维设计、仿真、3D打印 和手术预演, 3D打印应提供详实的手术指导, 对于颅颌面部创伤的手术路径应 包括术前规划和3D 打印并渗透于整个诊疗过程 (图2) 。 Choi和Kim[4]认为3D 打印在整形外科手术的用途可以分为三类: (1) 外科规划。包括术前基本情况、 术中复位及固定引导、术后康复情况预估; (2) 患者教育。3D打印使用在医生 与患者的教育中, 可以直观的了解创伤程度、术中规划、修复方式和价值; (3) 订制假肢。 个体化3D 打印假肢与残肢能达到更高的契合程度, 不仅美观性更强, 而且提高了患者的舒适度。而在口腔颌面部创伤导致的牙齿缺失, 3D 打印导板 可以预估后期种植义齿的规格、 位置及植入深度, 从而有效降低手术的难度, 降 低了术后并发症发生率。 图2 术前规划与 3D 打印规范诊疗路径 下载原图 整形外科、颅颌面及创伤手术对重建组织的对称性和功能要求较高, 3D 打印中 最常用的是固体材料, 它能够精确模拟骨骼等硬组织, 有助于解释 3D打印在骨 外科手术 (如截骨、轮廓修正、修复重建) 得到迅速应用和开展的根本原因[5]。 3D打印在手术中应用大致可分为阴模或阳模打印, 但更多根据患者的具体数据 和复杂性分为4种类型:I型-解剖模型 (术前阳模打印模型) , 术者可以了解患 者的基本解剖信息, 直接在模型上进行模拟手术, 使医生术前在充分训练的基 础上更加有把握地进行手术, 这对提高手术效率、 缩短手术时间、 降低手术风险、 保障患者安全具有重要作用;II 型-导板 (阴模打印模型) , 根据数据引导切割 和钻孔的模型;III 型-夹板 (虚拟手术后位置的阴模模型, 引导最终固位, 正 颌外科可以设计咬合夹板了解患者术前、 术中颌骨迁徙状态及术后最终咬合情况 并进行咬合固位) 和 IV型植入物, 可植入患者体内直接用于修复重建, 包括惰 性材料和生物材料。这些 3D打印模型在颅颌面外科中发挥着重要作用 (图3) 。 在使用频率上, 术前创伤模型是最常见的3D打印形式 (84%) , 而在颌面部患者 中引导和夹板也常见 (43%和36%) , 这可能是因为需通过咬合关系进行定位和 术后口颌功能重建。 而植入物应用相对最少, 主要原因在于涉及到伦理和医用材 料的准入制度, 但更具有潜力[6]。 图3 3D 打印分类a.I 型-解剖模型;b.II型-导板;c.夹板;d.植入物 (3D打印钛 合金材料) 2 3D打印的影像数据源分类与发展趋势 医学3D打印模型的获取是基于符合医学数字成像和通信的DICOM数据, 实现3D 打印主要有以下步骤: (1) 医学影像图像数据的获取; (2) 图像处理, 提取ROI, 分离出需要重建和打印的部分, 该过程被称为分割; (3) 将容积数据转化为 3D 打印识别的三角网格模型; (4) 将数字模型输入 3D打印机进行打印。其中准确、 可靠的影像学数据是获得精确 3D打印模型的基础[2]。 在数据源获取上, 除常规 CT外, 在颅颌面外科领域, 通过增强CT为信息源的3D打印模型可多方位旋转, 多方向、多角度了解病变组织范围与严重程度, 以及与大血管、周围重要器官的 解剖关系 (图4a) 。而骨组织创伤与修复重建应用最多的 CT数据一般要求位素 ≤0.125mm。薄层CT 扫描可给术者提供清晰、多维可视的图像, 才能打印出符合 医学领域的产品。通过 3D打印或计算机虚拟判断创伤的具体位置及严重程度、 进行手术规划, 可实现“诊”与“治”一次性解决。 对于涉及到口颌系统的创伤 与整形更倾向于采用锥形束 CT (Cone beam CT, CBCT) 为数据源, CBCT 体素为 0.125mm, 重建速度为 2.0lp/mm, 一次扫描即可获得全口腔双牙列三维立体影 像 (图 4b) 。在颅颌面创伤修复中, 由于颌面部作为人体视觉中心, 软组织创 伤及面部体表轮廓图像的获取也受到研究者的重视。 通过面部三维摄像可获取患 者术前及术后的3D 容貌 (图4c) 。此外, 将软组织体表图像与CT 等硬组织图 像信息进行融合, 更有利于了解术后患者颌面部的变化特征, 为手术规划提供 指南与规范。Zhou 等[7]将面部扫描仪数据与多层 CT数据进行融合比较, 统计 学分析发现重要标记点误差<0.8mm, 从而证实其可行性与真实性。 值得注意的是, 颌面部软组织信息源的获取也存在一定的不足, 如受患者体位影响, 颏下区常 出现图像缺失。 在人体口腔轮廓扫描上, 专业口内三维扫描系统对于牙体修复也 具有一定的指导价值, 口内三维扫描数据的质量和精度是决定数字化修复成败 的关键。目前市售产品多为蓝光结构光成像, 蓝光波长短, 图像分辨率较高。张 馨月等[8]对结构光口内三维扫描仪的数据质量、正确度和精密度进行相关性分 析, 证实扫描数据精密度与扫描数据质量呈正相关。 此外, 笔者认为立体摄影测 量也是获取口腔及其它人体腔道相关信息数据的重要来源, 360°全景3D图像及 相关视频将成为影像数据源获取的发展趋势。 图4 3D 打印的影像数据源分类 a.以CT为信息源的图像信息;b.以CBCT 为信息 源的图像信息;c.以面部三维摄像为信息源的图像信息 3 计算机虚拟设计分类与发展趋势 颅颌面创伤中因外力因素使骨折断端出现旋转或压缩移位是手术处理和治疗的 棘手问题之一, 常导致临床效果欠佳和愈后畸形。 通过计算机虚拟手术或者通过3D打印模型可以设计多平面截骨及最佳修复方式, 这些在传统手术计划中很难 执行。笔者在对颌面头颈外科患者进行数据化分析和 3D打印研究后认为, 三维 规划与患者的个性化复位导板的使用可以真正解决这一具有挑战性的难题[9]。 在创伤导致的骨骼三维变形基础上的复杂截骨术是传统二维规划技术的棘手问 题, 而基于三维成像基础上的计算机虚拟规划和 3D打印技术可以迎刃而解, 既 可采用以虚拟重建为基础的手术规划, 也可直接在实体模型上进行手术规划。 3D 打印手术设计通常可以分为两种, 一种是将获取的信息源直接打印为 3D产品; 另一种是采用计算机相关软件进行术前设计, 特点是能够直观的再现颌面部创 伤与骨折情况, 既可用于医患沟通, 也可在模型上进行手术设计和预实践, 了 解术后愈合情况, 而后者通过术前计算机虚拟设计的应用更为广泛。 目前常用软 件包括以下几种: (1) Mimics:是一套高度整合而且易用的 3D图像生成及编辑处 理软件, 包含图像导入、图像分割、图像可视化、图像配准等模块。对手术能起 到相当大的指导作用, 可以预先在软件里面观察、测试、演练等, 还可以制作辅 助手术用的器械等。 (2) 3-matic:是基于数字化 CAD (STL) 的正向工程软件, 可直接由STL格式进行后续 CAD最高精度为层厚为 0.004~0.006mm、X/Y 分辨率为 0.030~0.050 mm。 (3) 光固化快速成型 (stereolithography, SLA) :使用液态光敏树脂进行快速成型, 这种材料在激光 照射下可快速凝为固体。进而获得空间立体模型。SLA可以快速精确地获取 3D 打印模型, 最高精度为层厚为 0.002mm;X/Y 分辨率:0.004mm。 (4) 聚合物喷射 成型 (poly Jet) :是目前软性材料快速成型的主要方法, 使用光敏树脂进行成 型, 首先使用喷头将光敏树脂和支撑聚合物同时喷射到工作台, 再使用紫外线 照射, 完全凝固后再喷涂下一层。最高精度为层厚为 0.000632mm;X/Y 分辨率 0.0017mm。 通过以上的打印技术与原理也能发现不足之处, 从经济角度及打印速 率角度考虑, 目前临床应用较多的是熔融沉积成型与光固化快速成型。 但应用的 打印材料质地较硬, 对于软组织无法完全模拟。 获得有效解决需要考虑以下几个 问题:首先要开发适合于多种材料打印的影像后处理程序, 使其不但能重建颅颌 面部的精细解剖结构, 还能直接在影像后处理的同时对组织的不同结构进行着 色。其次, 目前能用于直接植入人体的 3D打印材料相对匮乏, 最终未来的研究 将需要考虑增加使用可植入物, 包括生物材料和不断出现的新 3D打印材料与打 印模式的应用, 可以逼真地模拟软组织。 最后还要探索适合于软性组织打印的特 殊材料, 能打印出与人体组织相似质地的模型, 使外科医生能直接进行手术规 划与应用。未来的 3D打印技术的发展趋势是有望制作出能高度模拟人体器官形 态与质地的模型, 其中生物材料使用细胞或其他生物活性的材质进行打印, 现 已进入动物试验阶段, 在细胞打印层面上需要解决速度、精度、存活率与细胞活 性等问题, 而最终形成功能化组织还需要解决生物相容性、降解性能、力学性质 以及成型过程的可控性等关键问题[13]。 5 颅颌面部临床应用分类及实施方案 3D打印技术对于提高对称性, 在达到功能与外形和谐统一的颅颌面创伤外科手 术中具有较大的优势。在实际应用实践过程中, 术者也应该根据不同解剖部位、 不同创伤类型制定 3D打印的个性化治疗方案, 现将常见颅颌面部创伤修复的应 用情况分述如下。 5.1 颅骨重建 自体骨移植是重建颅骨的理想标准, 但颅骨质地较硬, 弯曲是相当困难和风险, 通过颅骨骨移植技术进行颅骨重建首先需要预测供区的曲率是否与受体颅骨区 域匹配。因此, 颅骨重建是最早使用基于 3D 打印模型的临床应用范例。除自体 骨移植外, 大量的人工材料也广泛应用于颅骨修复, 其中钛是植入人体的理想 材料。Park 等[14]通过3D技术对21名颅骨缺损患者进行了个性化钛网植入修 复, 与常规方式相比, 其固位性和形态更具有优势。目前 peek材料由于其强度与颅骨类似、惰性的理化特性也开始应用。该材料也通过 3D技术直接打印出颅 骨, 该技术目前看来是相当成功的, 没有任何并发症。 非常适合的植入到预先存 在的缺陷如颅盖骨或上颌骨缺损。 然而, 由于切除和重建应同时进行, 可能的缺 陷不能很容易地预先估计, 因为切除的范围可能会根据术中发现不同。 因此, 对 于3D打印钛种植体的成功应用, 术前模拟应准确, 术中切除指南应根据术前三 维模型模拟外, 还要考虑到骨骼和肌肉的相互作用与其他问题。 5.2 眶壁骨折 虽然许多面部骨折可以用3D打印技术处理, 但眶壁骨折是采用3D打印的理想模 型, 原理在于眶壁具有复杂的解剖结构, 要达到理想的重建特别困难。 对于眶壁 修复如果不能达到精确程度, 术后患者常出现眼球内陷或复视等并发症的发生, 主要原因在于眼眶壁骨折手术中手术视野有限, 常常导致错误的平面重建。 这些 困难已被证实可以使用 3D打印技术进行克服, 术前周密的手术规划可以防止异 位植入材料。Oh等[15]通过对侧眼眶的镜像技术获得基本信息源, 可以在计算 机软件上模拟理想的同侧眼眶结构, 然后采用钛合金植入物并结合 MEDPORE生 物材料, 成功为104 名患者进行眶壁重建。 5.3 颌骨创伤 对于下颌骨创伤或医源性缺失, 下颌骨重建的理想状态是不仅能在理想的位置 恢复形态, 而且具有足够的骨量, 能够进行牙种植恢复拒绝功能。 下颌骨重建大 多是采用血管化腓骨肌皮瓣进行。 形态的重建主要依赖于下颌骨的生理曲率, 虽 然也可以使用常规的方法重建, 但3D打印技术能提供更精确的重建方式, 包括 腓骨截骨和固定导板[16-17]。此外, 钛合金植入物插入人体作为整体也具有可 行性, 可以直接 3D 打印个性化钛合金关节修复颞下颌关节强直, 相关文献显示 该类患者重建效果与常规手术更为理想, 但尚需远期疗效的分析。 5.4 正颌外科手术 关于在正颌外科手术中使用3D打印技术的文献相对较多, 主要集中于3D打印技 术提供了理想的截骨指导和咬合夹板。对于 Le Fort I型、II型或 III型截骨 术而言, 3D 打印的 I类模型是一种十分有效的的模拟工具[18]。然而值得注意 的是, 3D 打印模型在准确性方面显示出的误差, 导致与术中牙齿咬合状态无法 达到完全契合。 这提示对于牙列, 需要专业扫描设备才能获得正颌外科手术理想 的牙齿咬合夹板, 同时也提示由于信息来源不同导致 3D打印产生的误差和变形 不能忽视, 这在正颌外科对精准度要求严格的领域显得尤为突出。 6 总结 3D打印技术已应用于患者诊疗的全过程, 在术前规划、假体制作、医患沟通及 医学教育等临床实践中有了较为成功的尝试。3D打印模型准确地模拟面部精细 的骨骼结构, 在颅颌面创伤中的应用也越来越多。 既往的文献证实其有助于手术 的可行性评估、降低手术难度并缩短手术时间, 通过模型进行病情讲解、术前沟通, 患者或家属对手术方式及风险有了更深刻的认识。尽管总体评价较高, 但 3D打印技术尚有一些不足之处:患者辐射暴露和手术成本的增加是不可忽视的 因素;在着色方面, 直接打印出彩色模型的成本太高, 大多数患者难以承受, 目 前3D打印模型上的不同颜色部位依赖后期人工着色, 存在一定的主观性;影像 过程中信息来源不同存在误差, 打印模型与真实情况也存在误差, 图像分割不 同可以表现为形态的细微误差, 尤其在导板设计会对术者产生误导, 在实施前 可以先制作样板在模型上进行校对。本文提到的用于术前规划的软件种类繁多, 这也代表术前设计不是特别容易, 需要大量的时间和努力, 尤其计算机模拟中 的分割过程比较费时的, 未来更迫切能实现智能化和自动化[19]。 参考文献 [1]张曙.三维打印的现状与未来[J].中国电子科学研究院学报, 2013, 8 (6) :557-562. 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