應(yīng)用CAD-RP技術(shù)設(shè)計并優(yōu)化個體化支架修復(fù)下頜骨缺損.pdf

1、下頜骨缺損是頜面外科臨床常見的疾病。缺損的原因常見于外傷、感染、腫瘤切除手術(shù)等，也可見于某些先天性畸形。理想的頜骨缺損重建不光要求恢復(fù)正常的面部外形，更需要恢復(fù)咬合功能。這便要求恢復(fù)骨性的牙槽嵴，以利植入種植體修復(fù)牙列。目前，臨床上最常用的下頜骨缺損修復(fù)方法是骨移植，包括單純游離骨移植和血管化骨瓣移植。不過這兩種骨移植方法均完全依靠手術(shù)過程中術(shù)者對骨塊進行手工塑形，耗費手術(shù)時間，且難以獲得理想的形態(tài)修復(fù)。過去的十年中，一種工程制造的新技

2、術(shù)——快速成形技術(shù)被引進到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?？焖俪尚渭夹g(shù)善于精確制造復(fù)雜實體，能夠制造出結(jié)構(gòu)與形狀精確匹配的頜面骨替代物，尤其對于臨床上常規(guī)方法難以完成的復(fù)雜的面部缺損重建，具有重要意義。在頜面畸形與缺損的整復(fù)中，可針對不同個體，快速而準(zhǔn)確地設(shè)計并制作出個體化的修復(fù)體。利用快速成形技術(shù)可以在術(shù)前完成修復(fù)體的設(shè)計制作，因而術(shù)中無需對修復(fù)體塑形，且精確的制作能使修復(fù)體快速準(zhǔn)確就位，在獲得良好的面部外形重建的同時，可以有效縮短手術(shù)時間[1]。如果能夠

3、將快速成形制造的修復(fù)體和骨移植結(jié)合相結(jié)合，則有望實現(xiàn)外形和功能兼得的仿生學(xué)修復(fù)。
　　本研究通過一系列的實驗，設(shè)計、應(yīng)用并改進了快速成形植骨支架：利用計算機輔助設(shè)計與快速成形技術(shù)，制作個體化的骨移植托槽，用于松質(zhì)骨移植恢復(fù)下頜骨的骨連續(xù)性，期望植骨成活后，作為牙種植體的骨性支持，最終修復(fù)咀嚼功能，從而實現(xiàn)功能修復(fù)。在動物實驗和臨床初步應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)快速成形植骨支架最主要的問題：應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。并最終通過優(yōu)化植骨托槽的設(shè)計方案，使之減少剛

4、性，而使咬合應(yīng)力能夠傳導(dǎo)到植骨塊，從而有利于植骨的改建和代謝。
　　本研究共分為五個實驗。
　　實驗一：利用快速成形支架結(jié)合自體松質(zhì)骨移植修復(fù)下頜骨缺損：動物實驗研究
　　本實驗利用快速成形支架結(jié)合自體骨移植修復(fù)下頜骨節(jié)段性缺損，期望實現(xiàn)功能和形態(tài)兼顧的理想修復(fù)效果。并探討應(yīng)用核醫(yī)學(xué)方法監(jiān)測鈦支架內(nèi)部移植骨的轉(zhuǎn)歸情況。以10只雜種犬作為實驗動物。通過螺旋CT采集犬頭顱CT圖像，建立CAD模型，在模型上制造一側(cè)下頜骨4c

5、m長的節(jié)段性缺損，并利用鏡像對稱重構(gòu)缺損區(qū)域，設(shè)計完全匹配的個體化的植入支架，通過快速成形技術(shù)獲得樹脂模型，再鑄造得到鈦支架。然后手術(shù)制造下頜骨缺損，植入鈦支架，并在支架內(nèi)充填碎髂松質(zhì)骨。術(shù)后2、4、8、12及24周進行核素骨顯像檢查，連續(xù)觀察移植骨的核素分布情況，判斷植骨是否成活。結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)后植骨區(qū)域較對側(cè)正常下頜骨有明顯的核素濃聚。核素計數(shù)比值半定量分析發(fā)現(xiàn)術(shù)后2周時，植骨區(qū)和對照側(cè)核素計數(shù)比值最大，此后呈逐漸下降趨勢。實驗說明快速

6、成形支架結(jié)合自體骨移植植入下頜骨缺損區(qū)后，植骨塊能夠成活。利用核素骨顯像監(jiān)測金屬支架內(nèi)移植骨成活的方法是可行的。
　　實驗二:利用快速成形技術(shù)精確重建下頜骨間斷性缺損的臨床研究
　　本實驗中，利用個體制造的鈦支架結(jié)合自體髂松質(zhì)骨移植，修復(fù)6例因為外傷或者腫瘤截除的下頜骨。個體制造的鈦支架是應(yīng)用RE/CAD/RP技術(shù)制造而得。通過螺旋CT掃描獲得數(shù)字三維模型，在模型中，通過鏡像對稱方法，將正常側(cè)下頜骨的鏡像圖像覆蓋缺損區(qū)，以恢

7、復(fù)良好的面部對稱性?；阽R像圖像設(shè)計骨移植支架，并通過快速成形制造出支架模型，模型包埋后利用和鑄鈦方法得到個體化的鈦支架。利用該個體化的支架，結(jié)合自體髂骨移植，重建下頜骨缺損。在其中一例中，試行種植義齒，以恢復(fù)咬合。結(jié)果在6例患者中，利用快速成形技術(shù)制作的鈦支架和各自的下頜骨殘端精確匹配。使下頜骨重建手術(shù)很容易，而且節(jié)省時間，術(shù)后獲得了滿意的面部對稱性。經(jīng)過平均4年的隨訪，在5例未進行種植修復(fù)的患者中，均無嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生。而在隨訪病例復(fù)

8、查X線片時發(fā)現(xiàn)，植骨槽內(nèi)呈現(xiàn)低密度影，提示骨移植到植骨槽內(nèi)，并沒有完成骨改建形成良好的骨修復(fù)。而且在一例進行咬合重建的病例中，咬合重建只持續(xù)了一年，終因骨吸收和感染而告失敗。實驗說明，通過快速成形技術(shù)制作的個體化支架應(yīng)用于下頜骨修復(fù)，能夠獲得滿意的面部外形。快速成形技術(shù)為臨床下頜骨重建提供非常實用的技術(shù)支持。然而，鑄造的鈦支架的剛性可能對支架內(nèi)填充的移植骨塊產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力遮擋，這可能導(dǎo)致植骨的廢用性萎縮。因此，需要對支架做進一步的改進以

9、利下頜骨的功能性重建。
　　在進一步的研究中，我們致力于通過改變植骨支架的設(shè)計，而促進植骨的成活和改建。在改進支架設(shè)計過程中，我們主要從兩個方面入手：1、減小支架的體積。對于外形而言，僅修復(fù)完好的頰面形態(tài)，即可滿足醫(yī)生和患者對面部外形的要求?，F(xiàn)有的快速成形支架體積巨大，形成血供阻擋，不利于植骨的成活和改建，因而，在保證足夠強度的基礎(chǔ)上，設(shè)法減少植骨支架的體積和面積，理論上可以增進骨改建。因此我們考慮，僅通過RP技術(shù)設(shè)計植骨槽的頰面

10、，通過貼附式植骨，將植骨塊固定在修復(fù)體的舌側(cè)。如此，植骨塊只有頰側(cè)存在金屬支架對血運的阻擋，而舌側(cè)仍然可以與周圍軟組織很好的接觸，增強了血液供應(yīng)并有利于肌肉的附著。2、通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，降低鑄造鈦支架的剛性，以期減少支架對內(nèi)部游離植骨的應(yīng)力屏蔽和血運阻擋等不利影響。通過改進植骨支架的曲面結(jié)構(gòu)，使對于其中的植骨的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)達到最小化。
　　實驗三:個體化快速成形鈦重建板應(yīng)用于下頜骨缺損的修復(fù)
　　通過減小支架的面積，只保留托

11、槽支架的頰側(cè)面，結(jié)合塊狀自體髂松質(zhì)骨塊，修復(fù)下頜骨缺損。通過犬動物實驗發(fā)現(xiàn)，固定在在頰面板支架舌側(cè)的有軟組織附著則有良好的骨塊形成，植骨塊的頰側(cè)緊鄰重建板，被重建板阻擋了血運，因而成骨不佳，發(fā)生骨吸收、纖維化，甚至于形成死骨。結(jié)果說明，應(yīng)用頰面板形式的個體化重建板尚不能完全解決血運阻擋的問題，因為頰面板無法承載顆粒狀植骨，只能以大塊骨固定在頰面板上，而塊狀的植骨不利于血供的滲透，加上支架的阻擋，所以容易壞死。
　　實驗四:下頜骨植

12、骨支架的優(yōu)化設(shè)計
　　通過三維有限元分析方法分析正常下頜骨的受力和應(yīng)變分布。運用ANSYS軟件對下頜修復(fù)體進行CAD建模和力學(xué)分析研究，在常規(guī)托槽型鈦下頜植骨支架的基礎(chǔ)上對下頜修復(fù)體體部進行柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。引入骨應(yīng)力重建理論作為理論依據(jù)，對骨移植托槽支架進行優(yōu)化設(shè)計。以使支架能夠在保證安全，不至于折斷的條件下，更多的植骨能夠處于有利于成骨的應(yīng)變范圍。通過綜合比較一系列的柔性化設(shè)計，我們選擇了一種體部開槽的彈簧狀支架。
　　

13、實驗五:柔性化快速成形下頜骨植骨支架應(yīng)用于下頜骨缺損重建的動物實驗研究
　　進一步通過以雜種犬的動物實驗，驗證了實驗四得出的柔性植骨支架對促進移植骨成骨的作用。以9只雜種犬作為實驗動物，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計后的支架作為假體，修復(fù)犬下頜骨體部40mm長的節(jié)段性缺損。修復(fù)術(shù)后通過核醫(yī)學(xué)方法檢測支架內(nèi)部填充游離自體移植骨的成活狀態(tài)，取材后通過大體標(biāo)本觀察和三點彎曲試驗，評價支架內(nèi)植骨改建后的形態(tài)和強度。并和托槽型支架結(jié)果進行比較。術(shù)后核醫(yī)學(xué)檢測