應(yīng)用CAD-RP技術(shù)設(shè)計(jì)并優(yōu)化個(gè)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(jiàn)的疾病。缺損的原因常見(jiàn)于外傷、感染、腫瘤切除手術(shù)等，也可見(jiàn)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(guò)這兩種骨移植方法均完全依靠手術(shù)過(guò)程中術(shù)者對(duì)骨塊進(jìn)行手工塑形，耗費(fèi)手術(shù)時(shí)間，且難以獲得理想的形態(tài)修復(fù)。過(guò)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(jìn)到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。快速成形技術(shù)善于精確制造復(fù)雜實(shí)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(duì)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(duì)不同個(gè)體，快速而準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)并制作出個(gè)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(jì)制作，因而術(shù)中無(wú)需對(duì)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(shí)，可以有效縮短手術(shù)時(shí)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(shí)現(xiàn)外形和功能兼得的仿生學(xué)修復(fù)。
　　本研究通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)、應(yīng)用并改進(jìn)了快速成形植骨支架：利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與快速成形技術(shù)，制作個(gè)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(shí)現(xiàn)功能修復(fù)。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(wèn)題：應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。并最終通過(guò)優(yōu)化植骨托槽的設(shè)計(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)。
　　實(shí)驗(yàn)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究
　　本實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)鈦支架內(nèi)部移植骨的轉(zhuǎn)歸情況。以10只雜種犬作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。通過(guò)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(zhǎng)的節(jié)段性缺損，并利用鏡像對(duì)稱重構(gòu)缺損區(qū)域，設(shè)計(jì)完全匹配的個(gè)體化的植入支架，通過(guò)快速成形技術(shù)獲得樹(shù)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(jìn)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(duì)側(cè)正常下頜骨有明顯的核素濃聚。核素計(jì)數(shù)比值半定量分析發(fā)現(xiàn)術(shù)后2周時(shí)，植骨區(qū)和對(duì)照側(cè)核素計(jì)數(shù)比值最大，此后呈逐漸下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(cè)金屬支架內(nèi)移植骨成活的方法是可行的。
　　實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，利用個(gè)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?yàn)橥鈧蛘吣[瘤截除的下頜骨。個(gè)體制造的鈦支架是應(yīng)用RE/CAD/RP技術(shù)制造而得。通過(guò)螺旋CT掃描獲得數(shù)字三維模型，在模型中，通過(guò)鏡像對(duì)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(duì)稱性?；阽R像圖像設(shè)計(jì)骨移植支架，并通過(guò)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(gè)體化的鈦支架。利用該個(gè)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(shí)間，術(shù)后獲得了滿意的面部對(duì)稱性。經(jīng)過(guò)平均4年的隨訪，在5例未進(jìn)行種植修復(fù)的患者中，均無(wú)嚴(yán)重并發(fā)癥發(fā)生。而在隨訪病例復(fù)

8、查X線片時(shí)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(méi)有完成骨改建形成良好的骨修復(fù)。而且在一例進(jìn)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(shí)驗(yàn)說(shuō)明，通過(guò)快速成形技術(shù)制作的個(gè)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?？焖俪尚渭夹g(shù)為臨床下頜骨重建提供非常實(shí)用的技術(shù)支持。然而，鑄造的鈦支架的剛性可能對(duì)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(duì)支架做進(jìn)一步的改進(jìn)以

9、利下頜骨的功能性重建。
　　在進(jìn)一步的研究中，我們致力于通過(guò)改變植骨支架的設(shè)計(jì)，而促進(jìn)植骨的成活和改建。在改進(jìn)支架設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們主要從兩個(gè)方面入手：1、減小支架的體積。對(duì)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(duì)面部外形的要求。現(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(qiáng)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(jìn)骨改建。因此我們考慮，僅通過(guò)RP技術(shù)設(shè)計(jì)植骨槽的頰面

10、，通過(guò)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(duì)血運(yùn)的阻擋，而舌側(cè)仍然可以與周圍軟組織很好的接觸，增強(qiáng)了血液供應(yīng)并有利于肌肉的附著。2、通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低鑄造鈦支架的剛性，以期減少支架對(duì)內(nèi)部游離植骨的應(yīng)力屏蔽和血運(yùn)阻擋等不利影響。通過(guò)改進(jìn)植骨支架的曲面結(jié)構(gòu)，使對(duì)于其中的植骨的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)達(dá)到最小化。
　　實(shí)驗(yàn)三:個(gè)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(guò)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(guò)犬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(yùn)，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(shuō)明，應(yīng)用頰面板形式的個(gè)體化重建板尚不能完全解決血運(yùn)阻擋的問(wèn)題，因?yàn)轭a面板無(wú)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(shí)驗(yàn)四:下頜骨植

12、骨支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　通過(guò)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(yùn)用ANSYS軟件對(duì)下頜修復(fù)體進(jìn)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(duì)下頜修復(fù)體體部進(jìn)行柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。引入骨應(yīng)力重建理論作為理論依據(jù)，對(duì)骨移植托槽支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(guò)綜合比較一系列的柔性化設(shè)計(jì)，我們選擇了一種體部開(kāi)槽的彈簧狀支架。
　　

13、實(shí)驗(yàn)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究
　　進(jìn)一步通過(guò)以雜種犬的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)四得出的柔性植骨支架對(duì)促進(jìn)移植骨成骨的作用。以9只雜種犬作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支架作為假體，修復(fù)犬下頜骨體部40mm長(zhǎng)的節(jié)段性缺損。修復(fù)術(shù)后通過(guò)核醫(yī)學(xué)方法檢測(cè)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(guò)大體標(biāo)本觀察和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，評(píng)價(jià)支架內(nèi)植骨改建后的形態(tài)和強(qiáng)度。并和托槽型支架結(jié)果進(jìn)行比較。術(shù)后核醫(yī)學(xué)檢測(cè)