计算机辅助设计\快速成型技术大面积颅眶缺损个性化整复

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[摘要]目的:探讨利用CT数据、计算机辅助设计、快速成型技术,预制个体化修复体在大面积颅眶缺损整复中的应用。方法: 2004年6月～2009年8月共6例外伤后颅眶缺损患者运用该方法修复。先行CT连续薄层容积扫描获得断层数据,在三维造型软件中运用原位贴合、交互式屏幕法行缺损修复,设计个体化修复体三维曲面模型。然后将三维曲面模型数据格式转换后传入快速成型机制造修复体三维原型,利用医用钛合金铸造修复体,植入缺损区域。结果:预制的个性化修复体曲度、边缘与缺损区域吻合良好,6例颅眶缺损患者术后外观形态对称,痊愈后容貌恢复正常,平均随访4年无感染、假体外露等并发症出现,治疗效果满意。结论:计算机辅助设计、快速成型技术预制个性化修复体在整复大面积颅眶缺损畸形可有效地解决修复体塑形难、手术时间长、整复后外形欠佳等治疗难题,具有广泛的临床应用前景。

[关键词]计算机辅助设计;快速成型;数字化骨科;颅颌面骨缺损;钛合金

[中图分类号]R782[文献标识码]A [文章编号]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

各种原因导致的大面积颅眶区缺损对患者神经功能、容貌及心理等造成极大影响,及时正确的整复对神经功能的恢复、容貌改善及生活质量的提高具有重要的意义。颅眶区解剖结构复杂,形状极不规则,传统的修复方法对面积较小的缺损能达到较好的临床效果,但在大面积涉及多个部位复杂缺损时由于植入物与缺损区不匹配,需临时修剪拼对塑形难度大,制作过程复杂耗时,难以获得满意形状。近年来随着计算机辅助设计与快速成型技术的发展并引入颅颌面外科,因其准确、快速及擅长制造复杂形状实体的特点使得大面积不规则颅眶缺损个体化修复体的三维仿真设计与制造成为可能。自2004年6月以来,我们利用该技术完成大面积颅眶缺损整复6例,精确地修复了缺损,取得良好效果。

1资料和方法

1.1 一般资料:本组共6例(男5例,女1例),年龄23～52岁,平均31岁。缺损病因:外伤5例,肿瘤切除后缺损1例。缺损距手术修复时间:1个月以内2例,2～6个月3例,12个月1例。缺损部位:额眶缺损3例,额眶颞3例。缺损面积:最大14cm×16cm,最小8cm×10cm。

1.2 CT数据的获取与个性化修复体的设计:6例患者均行颅顶至下颌64排螺旋CT断层扫描,层厚1mm,层间距1mm,获取颅颌面断层DICOM格式数据。数据存盘后输入工作站,在三维设计与造型软件surface9.0中通过阈值分割与区域增长生成清晰的颅颌面三维骨骼图像。采用完全贴合与交互式屏幕显示设计法在CAD三维模型上、缺损的周围定点并排序,通过图像分割和配准,提取兴趣区域,经过无数据损失的表面绘制得到三角化网格图像,填充后即生成修复体的三维曲面模型,调整与修正点云数据的位置与角度,直至颅面结构对称外形满意后以.STL文件格式输出,得到修复体的三维曲面模型数据,可以直接通过数字接口输入快速成型机。

1.3 修复体的快速原型制作及个体化钛合金修复体精密铸造:将CAD后头颅和修复体三维模型数据输入AFS-320QZ激光快速成型机,通过对.STL文件进行“切片”软件处理,得到有特定厚度的一系列片层信息及扫描加工路径信息格式文件。由这些信息经过程序处理依次控制快速成型机,以光敏树脂为原料通过粘结、光固化、烧结等工艺将模型材料逐层堆积,最终完成修复体原型制造。然后利用医用钛合金进行修复体的精密铸造,在浇注完成后的钛合金修复体表面和周边打孔,用于引流和固定,周边孔径大小与钛钉配套,最后经机械加工、抛光、超声清洗和消毒备用,钛合金修复体预制完成。

1.4 手术植入修复体整复缺损:沿原手术切口、头皮半冠状或全冠状切口,小心分离皮瓣防止硬脑膜损伤脑脊液漏。在缺损骨窗边缘切开骨膜,显露距骨窗2cm左右骨床,将修复体植入缺损区域,在周围预留孔处钛钉固定。如缺损较大,硬脑膜变硬凹陷、失去弹性与修复体内面不能相贴形成死腔,容易积液导致感染发生,则将硬脑膜悬吊固定在修复体中央预留的孔上。生理盐水冲洗,缝合切口,头皮瓣常规放置负压引流。

2结果

所有6例患者术中无需修整塑形,直接植入缺损区域固定即可,手术平均耗时45～60min,大大缩短手术时间。个性化修复体弧度、边缘与缺损区吻合良好,形态自然,伤口一期愈合。其中1例术后4天头皮下积液,引流后加压包扎愈合良好。平均随访4年(18个月～5年),无感染、排斥,头皮破溃,修复体无松动、外露发生。头颅外观对称、整形效果良好,达到伤前容貌,所有患者均对术后效果满意。

典型病例:某男,32岁,外伤后颅眶缺损9个月入院。患者因脑外伤、颅眶粉碎性骨折在当地医院行去骨瓣减压骨折碎片取出术。入院查体左额眶部明显塌陷,可见脑膜波动,缺损面积12cm×14cm,涉及额眶颞骨。采用连续薄层CT扫描并进行三维重建、计算机辅助设计、快速成型技术预制个性化钛合金颅眶缺损修复体,完成修复体制作后入院手术植入,术后外观对称,头颅形态自然,患者对术后效果满意(如图1～6)。

3讨论

严重颅脑外伤、肿瘤等原因所致大面积颅眶缺损不仅因额眶区严重凹陷畸形影响容貌,而且颅腔的完整性破坏后导致生理功能异常,从而产生一系列的临床症状如头痛、头晕、耳鸣、恶心、呕吐、局部不适、怕震动、不安全感等“颅骨缺损综合征”表现,影响患者生活质量,对身心造成严重损害[1-2]。由于该处结构复杂、外形极不规则、涉及多个三维曲面方向等解剖特点,使修复术变得复杂且术后效果常不尽人意。准确的恢复颅腔完整性和美观的面部容貌,重建颅颌面对称性,恢复正常的生理机能,防止继发性神经功能损害,减少并发症的发生,是大面积颅眶缺损治疗的主要目标。传统血管化、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自体骨移植虽能满足生物相容性的要求,但在修复大面积骨缺损时机体可供骨量有限,通常需吻合血管的血管化骨移植开辟第二术区,操作难度较大,推广受限,手术时间长[3]。②羟基磷灰石、生物活性玻璃、钛网、Medpore等人工骨替代材料强度较低,脆性大、力学性能较差等特点也限制了其在修复大面积骨缺损时的使用[4-5]。③由于颅眶区解剖结构的复杂性,植入物与缺损形状不匹配,须临时对植人物进行塑形、拼对,自体骨瓣塑形困难且塑形后的植人物与缺损区适配性差难以获得满意的形状,无法满足仿生修复的要求,从而影响了手术效果。

根据特定患者缺损区域的几何解剖形态,专门设计个体化治疗方案,术前定制植入物,不仅能使植入物与缺损区匹配,而且大大缩短手术时间,简化手术操作,减少手术并发症,显著提高手术质量[6-7]。近年来,随着计算机辅助工程学和制造技术的飞速发展,数字化技术不断到引入传统医学领域,并且在颅颌面外科临床应用中得以发展壮大,植入物加工工艺越来越精细,使个体化设计制造普及成为可能[8]。计算机辅助设计的个体化植入物,是对CT影像和数据进行有限元分析,设计出有限元模型并制造出植入物,使植入物更适合缺损区域的生物力学和解剖形态的需求[9-10]。植入物的个体匹配与否,设计过程是一个决定全局的关键环节。由于早期CT数据精确度较差和文件格式转化困难,限制其在医学中的推广,随着高分辨率CT的问世和计算机图像处理技术的发展突破了这一运用的瓶颈。在以往的植入物的CAD中多用镜像对称翻转法来实现[11]。镜像法利用健侧的数据为参照标准,翻转至缺损处行镜像匹配,记录下数据,然后将三维数据传输至快速成型机进行修复体的制造。由于颅颌面骨缺损部位大小差异很大、两侧创伤不一致、缺损常超出中线范围,而且患者双侧头颅很难保证绝对对称,因此难以利用健侧数据进行翻转,并且翻转法设计的修复体与缺损区域贴合不紧密。为此,本文进行了改进,直接在计算机生成的三维模型上运用原位完全贴合法设计,修复体超出缺损边缘2～3mm预留与骨床固定部位,立体直观观察修复效果,并反复编辑修正直至满意,最后自动生成三维曲面模型并以.STL文件格式输出与快速成型机兼容,制造修复体原型[12]。这样构建出个体化植人物的大小、形状、安放位置及固定方式与缺损区域曲度及边缘吻合良好。快速成型技术(rapid prototyping,RP)是20世纪80年代末首先从美国发展起来的一种新型工程制造技术,它基于材料累加(material increase)概念和叠层制造(layered manufacturing)方法。利用材料分层、叠加、堆积成形的原理来制造产品,可自动、快速、精确、直接的将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造产品[13]。由于CT数据与RP切片的数据格式具有相似性,通过对CT数据转化,可以精确复制与生物形体相同的三维实体,从而实现三维虚拟模型与真实实体的交互转化。RP技术可以制作任意复杂几何形状的实体,不受传统加工方法的限制,特别适合大面积颅眶缺损这一特殊不规则解剖区域个体化修复体的制造[14]。且RP数据来源于特定的患者CT断层数据,减少了个体化修复体设计出错的空间,提高手术的准确性。本文直接将所设计的植入物的三维曲面模型数据转化为快速成型分层制造的轮廓数据格式并快速制造植入物的实体原型,提高了个体匹配植入物的制造速度和精度,缩短患者的等待时间。钛合金因其良好的生物物理性能被认为是最好的金属骨替代材料之一,具有良好的生物相容性和足够的强度,能满足颅眶骨缺损修复的需求[15]。

该方法与传统技术相比具有以下优点:①术前根据缺损的部位、大小、形状设计和预制个体化修复体可以使修复体与缺损区域达到完美的贴合,具有极强的适配性,术中无需塑形和拼接,直接将修复体植入并固定在缺损区域即可。②不仅能达到功能修复,而且外观形态良好,达到几乎解剖意义上的重建,提高了手术质量和治疗效果,增加了患者的满意率。③大大缩短了手术时间,简化了手术操作,使手术效果具有可预见性,减少了手术的风险和并发症。④该方法可以进行远程的会诊,只需将患者头颅CT平扫数据传输至工作站,在工作站内完成数据处理和个体化修复体的设计后,将数据再传输至制造中心,即可完成个体化修复体的预制用于临床,具有广泛运用的推广价值。作为一种新型的修复方法,具有传统手术无法比拟的优势,为临床治疗难题提供了一种简单有效的手段,但目前过程制作成本仍较高,患者经济负担较重是其主要缺点。

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[收稿日期]2010-08-14[修回日期]2010-09-29