快速成型结合3D打印技术在颅颌面畸形整形修复中的应用

何颜秋　综述，陈　华　审校

（内蒙古医科大学附属医院整形美容烧伤科内蒙古呼和浩特010050）

·综述·

快速成型结合3D打印技术在颅颌面畸形整形修复中的应用

何颜秋综述，陈华审校

（内蒙古医科大学附属医院整形美容烧伤科内蒙古呼和浩特010050）

因先天畸形、外伤、肿瘤切除以及炎性反应等因素所导致的颅颌面畸形，均可导致颜面部功能障碍和畸形，需要通过不同手段恢复其外形、功能，及时正确的个性化修复对于功能恢复、容貌改善、生活质量的提高具有重要的社会意义。众所周知，由于颅颌面解剖结构复杂、骨骼形状不规则、功能特殊的关系，仅通过CT、MRI等影像学检查确定复杂的颅颌面畸形病变性质、范围具有一定的局限性。近年来，随着快速成型（rapid prototyping，RP）技术的发展并且引入整形外科，因其可以快速、准确地制造复杂颅颌面畸形个性化修复体的特点，使得复杂颅颌面畸形个性化修复体的三维仿真设计和制造成为可能。

1　快速成型技术简介

快速成型（rapid prototyping，RP）技术是起源于20世纪80年代的一种原型制造技术，该技术集合计算机辅助设计（computer aided design，CAD）、计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）、三维激光扫描技术、CT三维重建技术、3D打印技术等，在医学领域已经得到广泛应用［1］。

1.1快速成型技术原理

首先通过CT、MRI获得二维数据，将二维数据导入计算机CAD或CAM平台，把dicom格式的CT数据［2］转化成stl格式，这样快速成型系统就能识别［3］，采用软件分层离散和数据成型系统重新分层、逐层叠加的原理制作出三维模型，即将二维薄层堆积形成三维实体［4］。

1.2快速成型技术的方法

目前，全世界投入应用的RP技术方法有十余种，但其中较为成熟的方法主要包括激光快速成型（stereo lithography apparatus，SLA）、选择性激光烧结（selected laser sintering，SLS）、分层实体制造（1aminated object manufacturing，LOM）、熔融离散堆积成型（fused deposition modeling，FDM）、3D打印技术、真空浇注、低压灌注等，其中SLA技术应用最广泛［5］。

2　快速成型技术在颅颌面畸形整形修复中的应用

2.1在颅颌面部骨折整形修复中的应用

颅骨缺损的形态迥异，解剖结构复杂。传统方法难以解决大面积颅骨缺损区域修复材料塑形问题。应用快速成型技术实现个性化设计，既保护脑组织达到治疗颅骨缺损的目的，又可以更好地恢复患者原有面貌和颅骨外形［6］。D'urso［7］将RP技术应用制造个性化丙烯酸树脂补件修复颅骨缺损，术前完成模拟补件与缺损模型的匹配，明显缩短手术时间，同时获得良好的临床应用结果。国内归来［8］应用快速成型技术制造出的钛合金骨缺损替代物在形状上与原骨骼几乎完全相同，而且重量相似、强度足够、组织相容性良好。

眼眶骨折的修复材料有许多种，包括自体骨和人工材料，自体骨虽然具有良好组织相容性、容易塑形等特点，但可致额外损伤，且有一定吸收性，易变形，从而影响手术效果。Marcin［9］、Lieger等［10］均认为RP技术在修复眼眶骨折中经济且方便可行，明显提高了手术精确性。Suresh等［11］报道称利用快速成型技术制备颞下颌三维模型来治疗颞下颌关节强直症对于软组织再造、过程优化和植入体模拟制造以及在组织工程研究应用方面都有重要的临床意义。Galantucc等［12］报道称通过三维重建技术和快速成型技术实现个性化下颌骨微细结构的三维仿真，以制作出三维结构模型为基础制作的组织工程骨植入相应缺损部位，可获得满意的修复效果。

2.2在颅颌面部赝复体制造中的应用

随着整形美容手术的精细化及正颌外科的发展，对术前手术仿真设计和面部软组织预测已成必然趋势。Subbura等［13］基于MRI的三维成像数据，通过镜像原理利用健侧正常耳廓获取患侧耳廓数据。应用SLA制作出一个患侧树脂耳模型，然后用聚硅酮作铸腔制出一个患侧耳的蜡型，使患侧的耳再造在外形、结构及位置上均达到了满意效果，此次制作的耳廓模型无论在精确度、持久性上均优于传统的制作模型，并且制作过程更加方便简约、经济。李风兰等［14］应用选区激光烧结法制作了个性化耳赝复体，证明了选区性激光烧结技术可用于制作形态复杂的耳赝复体模型，为该技术在颅颌面赝复体制作中的应用奠定了基础。熊耀阳等［15］应用熔融挤压法进行鼻赝复体的个性化制作，经临床检验符合修复学标准，术后效果患者满意。周冰等［16］应用选区激光烧结法制作出了鼻赝复体的蜡型，蜡型达到了临床应用的个性化制作要求，最终翻制成硅橡胶赝复体，获得了满意的临床应用效果。应用RPM方法可以准确、逼真、形象地再现患者缺损部位，明显降低了医生的工作强度，改进了颌面部赝复体的制作工艺［17］。

2.3在口腔整形修复中的应用

Bibb等［18］研究发现，RP技术直接制作可摘局部义齿，具有精确性、有效性，克服了传统手工工艺和铸造包埋技术操作的不确定性和重复性缺点，使得局部义齿加工更加经济、快捷。Meneghello等［19］应用RP技术依据患者口腔情况制作个性化石膏模型和树脂基托，设计每一粒牙齿形态，体外模拟口腔不同运动过程，分析力大小和接触区位置，完成修复体个性化制作，提高全口义齿设计咬合接触的精准性。杨芸等［20］通过计算机辅助设计和快速成型技术建立了4例个性化上颌埋伏牙牵引装置的三维模型，使术前确定的拟暴露牙面部位与装置底板形态匹配，紧密贴合，具有一定的临床应用价值。马晓飞等［21］报道通过快速成型技术制作的唇腭裂患儿齿槽区模型，可精确、直观地反映病情，可用于分析病情、制定手术方案，优化手术步骤等，且为未来唇腭裂术前矫形器的研发提供实体平台，具有极大的应用前景。唇裂患儿预后效果受不同唇裂术式的影响［22］，利用快速成型技术制作的个性化新生儿唇裂仿真模型可对个性化复杂病例在术前复制出多个仿真模型，在模型上模拟不同唇裂术式，为最终选择术式提供理论依据，缩短手术时间、提高手术精确性。

将快速成型技术应用到颅颌面畸形修复中，手术操作得到简化，明显缩短手术时间，降低了手术风险，提高了手术精确性，而且外形及功能恢复满意。

3　　3D打印技术的简介

20世纪80年代初，Charles Hull发明了3D打印技术，如今，3D打印技术在医学领域应用广泛［23］。3D打印技术的出现为医学领域提供了新的技术支持，尤其在颅颌面骨性组织缺损修复重建中，提高了手术精确度［24］，达到了个性化和微创的要求［25］。3D打印技术是一种基于三维可视化模型，通过融合或沉积塑料、金属、陶瓷、粉末、液体，甚至活细胞层产生一个三维物体［26］。由于其可直接根据计算机三维数据“打印”出任何结构、形状的物品，极大地提高了生产力、成本效率、分辨率及产品精度［27-28］。

4　　3D打印技术在医学中的应用

4.1定制假体或植入物

根据患者特定的CT或MRI数据来设计制作假体或复杂的外科植入物［29］已被用于制造牙齿、脊柱、髋关节等［30］。

4.2术前设计

3D打印技术快速获得手术部位的可视化实体模型可以供外科医生在术前确定最佳手术方案、模拟手术操作、预计手术结果［30］。

4.3组织工程

许多研究已经证明了组织和器官的3D打印还处于起步阶段，研究人员使用3D打印机创建了膝关节半月板、心脏瓣膜、椎间盘、其他类型的软骨和骨、人工耳［28-30］。

5　　3D打印技术在颅颌面畸形修复中的应用

颅颌面畸形修复手术常需植入物来修复缺损，而其不规则的解剖结构使得契合缺损部位难以精确，尤其是上颌骨缺损的修复重建。而3D打印技术不仅可以仿制物体三维结构而且还可以优化外部空间造型，从宏观到微观都能满足修复的个性化需求［31］。大量临床研究表明，应用3D打印技术制造个性化外科导板适用于外科创面修复，如可使肿瘤在安全边界下完整切除，并且最大限度地保留自体正常组织，同时明显缩短手术时间、降低术后并发症，预测手术效果［32-36］。3D打印技术设计的个性化植入物可以避免传统手术中依赖医生临床经验反复调整修改钛板或钛网这一过程，降低手术时间、减少术后并发症，最大程度恢复下颌骨轮廓外形［37］。

6　小结与展望

快速成型及3D打印技术的优势：形象化了畸形、肿瘤及骨折等解剖特征；方便医生之间以及医生和患者之间交流；外科术前和术中模拟，如在模型上进行切除、钻孔和定位，在模型上精确试装手术所需板、钉等，以缩短手术时间；用作标本资料，将各种病变RP模型收集起来分析，为以后类似病例手术治疗提供参考资料；有效缩短手术时间、降低手术风险、减少患者不舒适感［38］。

目前，颅颌面畸形缺损修复重建的快速成型和3D打印技术已发展到一个新阶段，其有望在个性化医学趋势中发挥重要作用。许多研究表明，快速成型和3D打印技术正影响着医学诊疗水平的发展及推广应用。但仍有许多问题需要进一步探索和解决，如：安全保障问题、专利和版权问题、监管问题等，但随着制作技术、新型材料以及计算机科学的发展，未来有望制造出理想的“人造组织器官”并将其应用于临床。

［1］滕勇，王臻，李涤尘，等.应用快速成型技术复制人体骨骼模型与假肢制造设计的意义［J］.中国临床康复，2003，26（7）：3556-3557.

［2］SuR，CampbellGM，BoydSK.Establishmentofan architecture-specific experimental validation approach for finite element modeling of bone by rapid prototyping and high resolution computed tomography［J］.Med Eng Phys，2007，29（4）：480-490.

［3］NgKW，MauckRL，StatmanLY，etal.Dynamic deformational loading results in selective application of mechanicalstimulationinalayered.tissue-engineered cartilage construct［J］.Biorheology，2006，43（3/4）：497-507.

［4］王明一，张陈平.快速成型技术在上颌骨缺损赝复治疗中的应用［J］.国际口腔医学杂志，2010，37（6）：724-726.

［5］陈俊兰，吴纪楠，王忠东.快速成型技术在颅颌面缺损整复中的应用［J］.国际口腔医学杂志，2011，38（5）：567-569.

［6］Nakayama B，Hasegawa Y，Hyodo I，et a1.Reconstruction Using a three-dimensional orbitozygomatic skeletal model of titanium mesh plate and soft-tissue free flap transfer following total maxillectomy［J］.Plast Reconstr Surg，2004，114（3）：631-639.

［7］D'Urso PS，Earwaker WJ，Barker TM.Custom cranioplasty using stereolithography and acrylic［J］.Br J Plast Surg，2000，53（3）：200-204.

［8］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.

［9］Martin K，Marcin E，Piotr L，et a1.Clinical application of 3D prebent titanium implants for orbital floor fractures［J］.J Cranio-Maxillofac Surg，2009，37（4）：229-234.

［10］Lieger 0，Richards R，Liu M，et a1.Computer-assisted design and manufacture of implants in the late reconstruction of extensive orbital fractures［J］.Arch Facial Plast Surg，2010，12（3）：186-191.

［11］Suresh MC，VmbMv B，Abhay K.Application of the rapid prototypingtechniquetodesignacustomized temporomandibular joint used to treat temporomandibular ankylosis［J］.Indian J Hast Surg，2009，42（1）：85-93.

［12］GalantucciLM，PercocoG，AngelelliG，etal.Reverse engineering techniques applied to a human skull，for CAD 3Dreconstructionandphysicalreplicationbyrapid prototyping［J］.J Med Eng Technol，2006，30（2）：102-111.

［13］Subbura J，Nair C，Rajesh S，et a1.Rapid development of auricular prosthesis using CAD and rapid prototyping technologic［J］.Oral Maxxillofac Surg，2007，36（10）：938-943.

［14］李风兰，赵铱民.选择性激光烧结法烧结复合蜡粉制作耳赝复体［J］.中国激光，2009，36（10）：2712-2716.

［15］熊耀阳，陈晓波，焦婷，等.快速成型技术在鼻赝复体制作过程中的应用［J］.上海交通大学学报：医学版，2008，28（4）：417-419，430.

［16］周冰，赵铱民，吴国锋，等.选区激光烧结成型技术在鼻赝复体制作中的应用［J］.中国激光，2008，35（10）：1644-1648.

［17］WuG，ZhouB，BiY，eta1.Selectivelasersintering technology for customized fabrication of facial prostheses［J］.J Prosthet Dent，2008，100（1）：56-60.

［18］Bibb R，Eggbeer D，Williams R.Rapid manufacture of removablepartialdentureframeworks［J］.Rapid Prototyping J，2006，12（2）：95-99.

［19］Meneghello R，Savio G，Raffaeli R，et a1.An integrated methodology for the functional design of dental prosthesis［J］.Int J Interact Des Manuf，2013，7（2）：103-114.

［20］杨芸，白玉兴，董辉，等.应用快速成形技术制作上颌埋伏牙个体化牵引装置［J］.中国实用口腔科杂志，2008，1（8）：479-481.

［21］马晓飞，张艳，龚昕，等.快速成型三维模型在唇腭裂治疗中的应用研究［J］.中国美容医学，2009，5（6）：322-324.

［22］Schwenzer-Zimmerer K，Chmtidis D，Berg-Beemer l，et al. Quantitative 3D soft tissue analysis of symmetry prior to and after unilateral cleft lip repair compared with non-cleft persons（performedinCambodia［J］.JCraniomaxillofac Surg，2008，36（8）：431-438.

［23］Schubert C，van Langeveld MC，Donoso LA.Innovations in 3D printing：a 3D overview from optics to organs［J］.Br J Ophthalmol，2014，98（2）：159-161.

［24］Zhou LB，Shang HT，He LS，et al.Accurate reconstruction of discontinuousmandibleusingareverseengineering/ computer-aideddesign/rapidprototypingtechnique：a preliminary clinical study［J］.J Oral Maxillofac Surg，2010，68（9）：2115-2121.

［25］王成焘.硬组织外科临床数字技术系统研究［J］.中国骨科临床与基础研究杂志，2010，2（2）：87-91.

［26］Lipson H.New world of 3-D printing offers"completely new ways of thinking："Q&A with author，engineer，and 3-D printing expert Hod Lipson［J］.IEEE Pulse，2013，4（6）：12-14.

［27］BanksJ.Addingvalueinadditivemanufacturing：Researchers in the United Kingdom and Europe look to 3D printing for customization［J］.IEEE Pulse，2013，4（6）：22-26.

［28］Mertz L.Dream it，design it，print it in 3-D：What can 3-D printing do for you［J］.IEEE Pulse，2013，4（6）：15-21.

［29］Bartlett S.Printing organs on demand［J］.Lancet Respir Med，2013，1（9）：684.

［30］Gross BC，Erkal JL，Lockwood SY，et al.Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences［J］.Anal Chem，2014，86（7）：3240-3253.

［31］Marcos Viní cius Marques Anchieta，Marcelo Marques Quaresma，Frederico Assis de Salles.Rapid prototyping appliedtomaxillofacialsurgery//MuhammadEnamul Hoque.Advancedapplicationsofrapidprototyping technologyinmodernengineering［DB］.InTech，DOI：10.5772/25761，2011：153-173.

［32］CioccaL，MazzoniS，FantiniM，etal.ACAD/CAM-prototyped anatomical condylar prosthesis connected to a custom-made bone plate to support a fibula free flap［J］. Med Biol Eng Comput，2012，50（7）：743-749.

［33］Mazzoni S，Marchetti C，Sgarzani R，et al.Prosthetically guided maxillofacial surgery：evaluation of the accuracy of a surgical guide and custom-made boneplate in oncology patients after mandibular reconstruction［J］.Plast Reconstr Surg，2013，131（6）：1376-1385.

［34］Narra N，Valásek J，Hannula M，et al.Finite element analysis ofcustomizedreconstructionplatesformandibular continuitydefecttherapy［J］.JBiomech，2014，47（1）：264-268.

［35］Kang H，Long JP，UrbielGoldner GD，et al.A paradigm for thedevelopmentandevaluationofnovelimplant topologies for bone fixation：implant design and fabrication［J］.J Biomech，2012，45（13）：2241-2247.

［36］Ciocca L，Mazzoni S，Fantini M，et al.CAD/CAM guided secondary mandibular reconstruction of a discontinuity defect after ablative cancer surgery［J］.J Craniomaxillofac Surg，2012，40（8）：511-515.

［37］Leiggener C，MessoE，Thor A，et al.A selective laser sintering guide for transferring a virtual plan to real time surgery in composite mandibular reconstruction with free fibula osseous flaps［J］.Int J Oral Maxillofac Surg，2009，38（2）：187-192.

［38］董青山，郭家平，李志进，等.快速成型技术应用于颌面部骨畸形的整复研究［J］.口腔医学研究，2013，29（12）：1141-1144.

编辑/李阳利

Application of rapid prototyping with 3D printing technology in plastic repair of cranial and maxillofacial deformity

陈华，内蒙古自治区呼和浩特市内蒙古医科大学附属医院整形美容烧伤科主任医师、医学博士；E-mail：will6699@sina.com

内蒙古医科大学科技百万工程资助项目（YKD2013KJBW011）；内蒙古医科大学附属医院重大科学研究项目（NYFYZD2014014）

2015-04-28

2015-06-22