計算機輔助設計\\快速成型技術大面積顱眶缺損個性化整復

[摘要]目的:探討利用CT數據、計算機輔助設計、快速成型技術，預制個體化修復體在大面積顱眶缺損整復中的應用。方法: 2004年6月～2009年8月共6例外傷后顱眶缺損患者運用該方法修復。先行CT連續薄層容積掃描獲得斷層數據，在三維造型軟件中運用原位貼合、交互式屏幕法行缺損修復，設計個體化修復體三維曲面模型。然后將三維曲面模型數據格式轉換后傳入快速成型機制造修復體三維原型，利用醫用鈦合金鑄造修復體，植入缺損區域。結果:預制的個性化修復體曲度、邊緣與缺損區域吻合良好，6例顱眶缺損患者術后外觀形態對稱，痊愈后容貌恢復正常，平均隨訪4年無感染、假體外露等并發癥出現，治療效果滿意。結論:計算機輔助設計、快速成型技術預制個性化修復體在整復大面積顱眶缺損畸形可有效地解決修復體塑形難、手術時間長、整復后外形欠佳等治療難題，具有廣泛的臨床應用前景。

[關鍵詞]計算機輔助設計;快速成型;數字化骨科;顱頜面骨缺損;鈦合金

[中圖分類號]R782[文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455(2010)10-1466-03

Application of computer aided design and rapid prototyping in treating large-format cranio-orbital defect individually

XIA De-lin1，GUI Lai2，FU Guang-xin1，CHEN Jun-liang1，MA Zheng1，ZHOU Hang-yu1

(1.Department of Oral and Maxillofacial Surgery，The Affiliated Hospital of Luzhou Medical College，Luzhou 646000，Sichuan，China;2.Department of Cranio-Maxillo-Facial Surgery， Plastic Surgery Hospital，Chinese Academy of Medical Sciences)

Abstract:ObjectiveTa explore the method of prefabricated， individualized implant for reconstruction of large-format cranio-orbital defect by the techniques of CT data， computer aided designing and rapid prototyping.Methods6 patients who was suffered from post-traumaticand turmor resection cranio-orbital defect was involved in this group from June 2004 to August 2009. The data was obtained from continuous thin-layer volume computer tomography scanning.Three-dimensional curved model of implant was designed by in situ fully fit and interactive screen method with three-dimensional image processing software and three-dimensional fabricating software(surface 9.0) through a serial disposal of CT imaging. Three-dimensional curved data of implant was extracted and transmitted to rapid prototyping machine after format conversion. Resin prosthesis model was made using RP. The individualized implant was prefabricated by exact foundry of titanium alloy. Titanium prosthesis was obtained by casting.The titanium prosthesis was implanted in the defect area to restore the cranio-orbital defect. Results The prefabricated individual cranial implant was well fitting with cranio-orbital defect area in curvature and margin. The appearances of cranio-orbital area looked beautiful and symmetric.Followed up 4 years，no complications occurred，such as infectious，titanium plate exposed.ConclusionUsing computer aided design and rapid prototyping technique has many advantages，such as simple surgical steps，no need of intro-operative reshaping and few complications.It was to be a feasible and effective methods for reconstruction the large-format defect of cranio-orbital area and would be recommended in clinical practice.

Key words:computer aided design;rapid prototyping;cranio-maxillo-facial defect;digital orthopaedics; titanium alloy

各種原因導致的大面積顱眶區缺損對患者神經功能、容貌及心理等造成極大影響，及時正確的整復對神經功能的恢復、容貌改善及生活質量的提高具有重要的意義。顱眶區解剖結構復雜，形狀極不規則，傳統的修復方法對面積較小的缺損能達到較好的臨床效果，但在大面積涉及多個部位復雜缺損時由于植入物與缺損區不匹配，需臨時修剪拼對塑形難度大，制作過程復雜耗時，難以獲得滿意形狀。近年來隨著計算機輔助設計與快速成型技術的發展并引入顱頜面外科，因其準確、快速及擅長制造復雜形狀實體的特點使得大面積不規則顱眶缺損個體化修復體的三維仿真設計與制造成為可能。自2004年6月以來，我們利用該技術完成大面積顱眶缺損整復6例，精確地修復了缺損，取得良好效果。

1資料和方法

1.1 一般資料:本組共6例(男5例，女1例)，年齡23～52歲，平均31歲。缺損病因:外傷5例，腫瘤切除后缺損1例。缺損距手術修復時間:1個月以內2例，2～6個月3例，12個月1例。缺損部位:額眶缺損3例，額眶顳3例。缺損面積:最大14cm×16cm，最小8cm×10cm。

1.2 CT數據的獲取與個性化修復體的設計:6例患者均行顱頂至下頜64排螺旋CT斷層掃描，層厚1mm，層間距1mm，獲取顱頜面斷層DICOM格式數據。數據存盤后輸入工作站，在三維設計與造型軟件surface9.0中通過閾值分割與區域增長生成清晰的顱頜面三維骨骼圖像。采用完全貼合與交互式屏幕顯示設計法在CAD三維模型上、缺損的周圍定點并排序，通過圖像分割和配準，提取興趣區域，經過無數據損失的表面繪制得到三角化網格圖像，填充后即生成修復體的三維曲面模型，調整與修正點云數據的位置與角度，直至顱面結構對稱外形滿意后以.STL文件格式輸出，得到修復體的三維曲面模型數據，可以直接通過數字接口輸入快速成型機。

1.3 修復體的快速原型制作及個體化鈦合金修復體精密鑄造:將CAD后頭顱和修復體三維模型數據輸入AFS-320QZ激光快速成型機，通過對.STL文件進行“切片”軟件處理，得到有特定厚度的一系列片層信息及掃描加工路徑信息格式文件。由這些信息經過程序處理依次控制快速成型機，以光敏樹脂為原料通過粘結、光固化、燒結等工藝將模型材料逐層堆積，最終完成修復體原型制造。然后利用醫用鈦合金進行修復體的精密鑄造，在澆注完成后的鈦合金修復體表面和周邊打孔，用于引流和固定，周邊孔徑大小與鈦釘配套，最后經機械加工、拋光、超聲清洗和消毒備用，鈦合金修復體預制完成。

1.4 手術植入修復體整復缺損:沿原手術切口、頭皮半冠狀或全冠狀切口，小心分離皮瓣防止硬腦膜損傷腦脊液漏。在缺損骨窗邊緣切開骨膜，顯露距骨窗2cm左右骨床，將修復體植入缺損區域，在周圍預留孔處鈦釘固定。如缺損較大，硬腦膜變硬凹陷、失去彈性與修復體內面不能相貼形成死腔，容易積液導致感染發生，則將硬腦膜懸吊固定在修復體中央預留的孔上。生理鹽水沖洗，縫合切口，頭皮瓣常規放置負壓引流。

2結果

所有6例患者術中無需修整塑形，直接植入缺損區域固定即可，手術平均耗時45～60min，大大縮短手術時間。個性化修復體弧度、邊緣與缺損區吻合良好，形態自然，傷口一期愈合。其中1例術后4天頭皮下積液，引流后加壓包扎愈合良好。平均隨訪4年(18個月～5年)，無感染、排斥，頭皮破潰，修復體無松動、外露發生。頭顱外觀對稱、整形效果良好，達到傷前容貌，所有患者均對術后效果滿意。

典型病例:某男，32歲，外傷后顱眶缺損9個月入院。患者因腦外傷、顱眶粉碎性骨折在當地醫院行去骨瓣減壓骨折碎片取出術。入院查體左額眶部明顯塌陷，可見腦膜波動，缺損面積12cm×14cm，涉及額眶顳骨。采用連續薄層CT掃描并進行三維重建、計算機輔助設計、快速成型技術預制個性化鈦合金顱眶缺損修復體，完成修復體制作后入院手術植入，術后外觀對稱，頭顱形態自然，患者對術后效果滿意(如圖1～6)。

3討論

嚴重顱腦外傷、腫瘤等原因所致大面積顱眶缺損不僅因額眶區嚴重凹陷畸形影響容貌，而且顱腔的完整性破壞后導致生理功能異常，從而產生一系列的臨床癥狀如頭痛、頭暈、耳鳴、惡心、嘔吐、局部不適、怕震動、不安全感等“顱骨缺損綜合征”表現，影響患者生活質量，對身心造成嚴重損害[1-2]。由于該處結構復雜、外形極不規則、涉及多個三維曲面方向等解剖特點，使修復術變得復雜且術后效果常不盡人意。準確的恢復顱腔完整性和美觀的面部容貌，重建顱頜面對稱性，恢復正常的生理機能，防止繼發性神經功能損害，減少并發癥的發生，是大面積顱眶缺損治療的主要目標。傳統血管化、非血管化骨移植、生物材料等人工骨替代物植入等均存在以下不足:①自體骨移植雖能滿足生物相容性的要求，但在修復大面積骨缺損時機體可供骨量有限，通常需吻合血管的血管化骨移植開辟第二術區，操作難度較大，推廣受限，手術時間長[3]。②羥基磷灰石、生物活性玻璃、鈦網、Medpore等人工骨替代材料強度較低，脆性大、力學性能較差等特點也限制了其在修復大面積骨缺損時的使用[4-5]。③由于顱眶區解剖結構的復雜性，植入物與缺損形狀不匹配，須臨時對植人物進行塑形、拼對，自體骨瓣塑形困難且塑形后的植人物與缺損區適配性差難以獲得滿意的形狀，無法滿足仿生修復的要求，從而影響了手術效果。

根據特定患者缺損區域的幾何解剖形態，專門設計個體化治療方案，術前定制植入物，不僅能使植入物與缺損區匹配，而且大大縮短手術時間，簡化手術操作，減少手術并發癥，顯著提高手術質量[6-7]。近年來，隨著計算機輔助工程學和制造技術的飛速發展，數字化技術不斷到引入傳統醫學領域，并且在顱頜面外科臨床應用中得以發展壯大，植入物加工工藝越來越精細，使個體化設計制造普及成為可能[8]。計算機輔助設計的個體化植入物，是對CT影像和數據進行有限元分析，設計出有限元模型并制造出植入物，使植入物更適合缺損區域的生物力學和解剖形態的需求[9-10]。植入物的個體匹配與否，設計過程是一個決定全局的關鍵環節。由于早期CT數據精確度較差和文件格式轉化困難，限制其在醫學中的推廣，隨著高分辨率CT的問世和計算機圖像處理技術的發展突破了這一運用的瓶頸。在以往的植入物的CAD中多用鏡像對稱翻轉法來實現[11]。鏡像法利用健側的數據為參照標準，翻轉至缺損處行鏡像匹配，記錄下數據，然后將三維數據傳輸至快速成型機進行修復體的制造。由于顱頜面骨缺損部位大小差異很大、兩側創傷不一致、缺損常超出中線范圍，而且患者雙側頭顱很難保證絕對對稱，因此難以利用健側數據進行翻轉，并且翻轉法設計的修復體與缺損區域貼合不緊密。為此，本文進行了改進，直接在計算機生成的三維模型上運用原位完全貼合法設計，修復體超出缺損邊緣2～3mm預留與骨床固定部位，立體直觀觀察修復效果，并反復編輯修正直至滿意，最后自動生成三維曲面模型并以.STL文件格式輸出與快速成型機兼容，制造修復體原型[12]。這樣構建出個體化植人物的大小、形狀、安放位置及固定方式與缺損區域曲度及邊緣吻合良好。快速成型技術(rapid prototyping，RP)是20世紀80年代末首先從美國發展起來的一種新型工程制造技術，它基于材料累加(material increase)概念和疊層制造(layered manufacturing)方法。利用材料分層、疊加、堆積成形的原理來制造產品，可自動、快速、精確、直接的將設計思想轉化為具有一定功能的原型或直接制造產品[13]。由于CT數據與RP切片的數據格式具有相似性，通過對CT數據轉化，可以精確復制與生物形體相同的三維實體，從而實現三維虛擬模型與真實實體的交互轉化。RP技術可以制作任意復雜幾何形狀的實體，不受傳統加工方法的限制，特別適合大面積顱眶缺損這一特殊不規則解剖區域個體化修復體的制造[14]。且RP數據來源于特定的患者CT斷層數據，減少了個體化修復體設計出錯的空間，提高手術的準確性。本文直接將所設計的植入物的三維曲面模型數據轉化為快速成型分層制造的輪廓數據格式并快速制造植入物的實體原型，提高了個體匹配植入物的制造速度和精度，縮短患者的等待時間。鈦合金因其良好的生物物理性能被認為是最好的金屬骨替代材料之一，具有良好的生物相容性和足夠的強度，能滿足顱眶骨缺損修復的需求[15]。

該方法與傳統技術相比具有以下優點:①術前根據缺損的部位、大小、形狀設計和預制個體化修復體可以使修復體與缺損區域達到完美的貼合，具有極強的適配性，術中無需塑形和拼接，直接將修復體植入并固定在缺損區域即可。②不僅能達到功能修復，而且外觀形態良好，達到幾乎解剖意義上的重建，提高了手術質量和治療效果，增加了患者的滿意率。③大大縮短了手術時間，簡化了手術操作，使手術效果具有可預見性，減少了手術的風險和并發癥。④該方法可以進行遠程的會診，只需將患者頭顱CT平掃數據傳輸至工作站，在工作站內完成數據處理和個體化修復體的設計后，將數據再傳輸至制造中心，即可完成個體化修復體的預制用于臨床，具有廣泛運用的推廣價值。作為一種新型的修復方法，具有傳統手術無法比擬的優勢，為臨床治療難題提供了一種簡單有效的手段，但目前過程制作成本仍較高，患者經濟負擔較重是其主要缺點。

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[收稿日期]2010-08-14[修回日期]2010-09-29

編輯/何志斌