应用CAD-RP技术设计并优化个体化支架修复下颌骨缺损

发布时间：2020-09-22 11:10

　　下颌骨缺损是颌面外科临床常见的疾病。缺损的原因常见于外伤、感染、肿瘤切除手术等,也可见于某些先天性畸形。理想的颌骨缺损重建不光要求恢复正常的面部外形,更需要恢复咬合功能。这便要求恢复骨性的牙槽嵴,以利植入种植体修复牙列。目前,临床上最常用的下颌骨缺损修复方法是骨移植,包括单纯游离骨移植和血管化骨瓣移植。不过这两种骨移植方法均完全依靠手术过程中术者对骨块进行手工塑形,耗费手术时间,且难以获得理想的形态修复。过去的十年中,一种工程制造的新技术——快速成形技术被引进到医学领域。快速成形技术善于精确制造复杂实体,能够制造出结构与形状精确匹配的颌面骨替代物,尤其对于临床上常规方法难以完成的复杂的面部缺损重建,具有重要意义。在颌面畸形与缺损的整复中,可针对不同个体,快速而准确地设计并制作出个体化的修复体。利用快速成形技术可以在术前完成修复体的设计制作,因而术中无需对修复体塑形,且精确的制作能使修复体快速准确就位,在获得良好的面部外形重建的同时,可以有效缩短手术时间[1]。如果能够将快速成形制造的修复体和骨移植结合相结合,则有望实现外形和功能兼得的仿生学修复。本研究通过一系列的实验,设计、应用并改进了快速成形植骨支架:利用计算机辅助设计与快速成形技术,制作个体化的骨移植托槽,用于松质骨移植恢复下颌骨的骨连续性,期望植骨成活后,作为牙种植体的骨性支持,最终修复咀嚼功能,从而实现功能修复。在动物实验和临床初步应用中发现快速成形植骨支架最主要的问题:应力屏蔽效应。并最终通过优化植骨托槽的设计方案,使之减少刚性,而使咬合应力能够传导到植骨块,从而有利于植骨的改建和代谢。本研究共分为五个实验。实验一:利用快速成形支架结合自体松质骨移植修复下颌骨缺损:动物实验研究本实验利用快速成形支架结合自体骨移植修复下颌骨节段性缺损,期望实现功能和形态兼顾的理想修复效果。并探讨应用核医学方法监测钛支架内部移植骨的转归情况。以10只杂种犬作为实验动物。通过螺旋CT采集犬头颅CT图像,建立CAD模型,在模型上制造一侧下颌骨4cm长的节段性缺损,并利用镜像对称重构缺损区域,设计完全匹配的个体化的植入支架,通过快速成形技术获得树脂模型,再铸造得到钛支架。然后手术制造下颌骨缺损,植入钛支架,并在支架内充填碎髂松质骨。术后2、4、8、12及24周进行核素骨显像检查,连续观察移植骨的核素分布情况,判断植骨是否成活。结果发现术后植骨区域较对侧正常下颌骨有明显的核素浓聚。核素计数比值半定量分析发现术后2周时,植骨区和对照侧核素计数比值最大,此后呈逐渐下降趋势。实验说明快速成形支架结合自体骨移植植入下颌骨缺损区后,植骨块能够成活。利用核素骨显像监测金属支架内移植骨成活的方法是可行的。实验二:利用快速成形技术精确重建下颌骨间断性缺损的临床研究本实验中,利用个体制造的钛支架结合自体髂松质骨移植,修复6例因为外伤或者肿瘤截除的下颌骨。个体制造的钛支架是应用RE/CAD/RP技术制造而得。通过螺旋CT扫描获得数字三维模型,在模型中,通过镜像对称方法,将正常侧下颌骨的镜像图像覆盖缺损区,以恢复良好的面部对称性。基于镜像图像设计骨移植支架,并通过快速成形制造出支架模型,模型包埋后利用和铸钛方法得到个体化的钛支架。利用该个体化的支架,结合自体髂骨移植,重建下颌骨缺损。在其中一例中,试行种植义齿,以恢复咬合。结果在6例患者中,利用快速成形技术制作的钛支架和各自的下颌骨残端精确匹配。使下颌骨重建手术很容易,而且节省时间,术后获得了满意的面部对称性。经过平均4年的随访,在5例未进行种植修复的患者中,均无严重并发症发生。而在随访病例复查X线片时发现,植骨槽内呈现低密度影,提示骨移植到植骨槽内,并没有完成骨改建形成良好的骨修复。而且在一例进行咬合重建的病例中,咬合重建只持续了一年,终因骨吸收和感染而告失败。实验说明,通过快速成形技术制作的个体化支架应用于下颌骨修复,能够获得满意的面部外形。快速成形技术为临床下颌骨重建提供非常实用的技术支持。然而,铸造的钛支架的刚性可能对支架内填充的移植骨块产生严重的应力遮挡,这可能导致植骨的废用性萎缩。因此,需要对支架做进一步的改进以利下颌骨的功能性重建。在进一步的研究中,我们致力于通过改变植骨支架的设计,而促进植骨的成活和改建。在改进支架设计过程中,我们主要从两个方面入手:1、减小支架的体积。对于外形而言,仅修复完好的颊面形态,即可满足医生和患者对面部外形的要求。现有的快速成形支架体积巨大,形成血供阻挡,不利于植骨的成活和改建,因而,在保证足够强度的基础上,设法减少植骨支架的体积和面积,理论上可以增进骨改建。因此我们考虑,仅通过RP技术设计植骨槽的颊面,通过贴附式植骨,将植骨块固定在修复体的舌侧。如此,植骨块只有颊侧存在金属支架对血运的阻挡,而舌侧仍然可以与周围软组织很好的接触,增强了血液供应并有利于肌肉的附着。2、通过结构优化设计,降低铸造钛支架的刚性,以期减少支架对内部游离植骨的应力屏蔽和血运阻挡等不利影响。通过改进植骨支架的曲面结构,使对于其中的植骨的应力屏蔽效应达到最小化。实验三:个体化快速成形钛重建板应用于下颌骨缺损的修复通过减小支架的面积,只保留托槽支架的颊侧面,结合块状自体髂松质骨块,修复下颌骨缺损。通过犬动物实验发现,固定在在颊面板支架舌侧的有软组织附着则有良好的骨块形成,植骨块的颊侧紧邻重建板,被重建板阻挡了血运,因而成骨不佳,发生骨吸收、纤维化,甚至于形成死骨。结果说明,应用颊面板形式的个体化重建板尚不能完全解决血运阻挡的问题,因为颊面板无法承载颗粒状植骨,只能以大块骨固定在颊面板上,而块状的植骨不利于血供的渗透,加上支架的阻挡,所以容易坏死。实验四:下颌骨植骨支架的优化设计通过三维有限元分析方法分析正常下颌骨的受力和应变分布。运用ANSYS软件对下颌修复体进行CAD建模和力学分析研究,在常规托槽型钛下颌植骨支架的基础上对下颌修复体体部进行柔性结构优化设计。引入骨应力重建理论作为理论依据,对骨移植托槽支架进行优化设计。以使支架能够在保证安全,不至于折断的条件下,更多的植骨能够处于有利于成骨的应变范围。通过综合比较一系列的柔性化设计,我们选择了一种体部开槽的弹簧状支架。实验五:柔性化快速成形下颌骨植骨支架应用于下颌骨缺损重建的动物实验研究进一步通过以杂种犬的动物实验,验证了实验四得出的柔性植骨支架对促进移植骨成骨的作用。以9只杂种犬作为实验动物,应用优化设计后的支架作为假体,修复犬下颌骨体部40mm长的节段性缺损。修复术后通过核医学方法检测支架内部填充游离自体移植骨的成活状态,取材后通过大体标本观察和三点弯曲试验,评价支架内植骨改建后的形态和强度。并和托槽型支架结果进行比较。术后核医学检测结果发现,柔性支架内部的自体移植骨具有更高的活性。取材后见实验组各个标本成骨良好,移植骨改建后不同程度地将支架包裹。有1例在术后1月左右发生支架折断,但取材后发现成骨良好,完全将支架包裹。实验说明经结构优化设计后的快速成形支架能够有效的降低钛支架对内部植骨的应力屏蔽及其它不利影响,相对常规孔槽状支架更有利于内部植骨的成活。
【学位单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：R782.4
【部分图文】：

示意图,平版印刷,立体光刻,工艺流程

第四军医大学博士学位论文层叠加"，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。[71]2.2 快速成形技术的分类：快速成形将数字模型转化为实物模型，目前，比较成熟的技术有以下几种：2.2.1 立体平版印刷（Stereolithography，SLA）又称立体光刻法。[72,73]通过计算机生成零件三维 CAD 模型,然后切片软件将三维 CAD 模型分层,得到各层面的轮廓信息,在计算机控制下按零件的各分层截面信息，紫外激光在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（<0.5 mm）产生光聚合反应而迅速固化，形成零件的一个薄层。每层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，在已固化的树脂表面再成形叠加一层新的液态树

张富强等[103]设计的下颌骨支架 CAD 模型Pechitt 等[104]采用快速成形技术为一例因鳞癌切除造成的半侧下颌骨缺损患者制作了个体化下颌骨钛支架 (Titanium-coated hollow-screwreconstruction plate, THORP)，以及用于覆盖义齿修复的桩核，修复了患者缺失的牙列和面部畸形。图 3，Pechitt 等[104]等设计的 THORP 钛支架

箭头,隐静脉,氯化钠注射液,双根

第四军医大学博士学位论文2) 实验动物采取左侧卧位，固定四肢及上下颌于手术台。3) 建立静脉通道：选择后肢跖背静脉或位于小腿后部的外侧隐静脉，缓慢静滴 250ml 0.9％氯化钠注射液＋青霉素 80 万 U＋维生素 C 1g。4) 口内消毒，行右侧下牙槽神经阻滞麻醉。5) 分离牙龈。.6) 利用电动砂片分冠，从双根牙的牙冠正中剖开，敲击挺松后逐个拔除。尽量保持牙根完整拔出。

【参考文献】