应用快速成型技术重建人工颅骨

3国家自然科学基金资助项目(30470480);上海市科委发展基金资助项目(0607H1294);上海市重点学科建设资助项目

(S30206)

△通信作者　Email :chendemin @https://www.360docs.net/doc/5e5396840.html,

应用快速成型技术重建人工颅骨

3

陈德敏

1,2△

,刘义荣

1,2

,刘俊

1,2

(1.上海交通大学医学院附属第九人民医院Π生物材料中心,上海市口腔医学重点实验室,上海200011;

2.上海倍尔康生物医学科技有限公司,上海201203)

摘要:应用C AD ΠC AM 技术和快速成型技术,建立个性化设计、制造人工颅骨的快速响应体系。通过螺

旋CT 扫描、C AD 三维重建成像、三种快速成型工艺,制成与患者颅骨缺损部位几何形态相同的个性化实体模型,应用翻模工艺和EH 复合型生物活性人工骨材料,制成患者骨修复治疗用颅骨。结果显示人工颅骨几何外形与骨缺损部位非常吻合,与健康侧对称,临床效果非常满意。三种快速成型工艺中,选择性激光烧结法工艺较适合于个性化实体模型制作。完成整个制作流程的最快时间为2d 。应用快速成型技术重建颅骨制作系统为颅骨缺损患者提供了一种可有效提高临床治疗效果和修复美学效果的新技术。

关键词:快速成型;三维重建;颅骨;生物活性人工骨;个性化中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:167226278(2009)0320215204

R econstruction of Skull U sing the R apid

Prototyping Preprocessing T echnologies

Chen Demin

1,2

,LIU Yirong

1,2

,LIU Jun

1,2

(1.Ninth People ’s Hospital ,Shanghai Jiao Tong Univer sity ,Shanghai 200011,China ;2.Shanghai BIOC Biomedical Science &Technology Company Limited ,Shanghai 201203)

Abstract :T o build up an agile manu facturing architecture of individualized skull plate based on the technologies of C AD ΠC AM and rapid prototyping.The patients with skull defect were scanned with CT and reconstructed C AD 3-dimentional cranium images.S imulated m odels which were similar to their own skulls were made by the three kind of machines of rapid prototyping preprocessing ,then skull plat were prepared with bioactive artificial bone materials according to the m odels by the technic of plaster cavity block.The Results indicated that the contour of reconstructed skull were very coincidence ,and symmetric with skull defect.The clinical results were satis factory.The Selected Laser S intering technic is fit for the manu facture of m odels of skull defect.The fastest time for accom plish the livelong process is tw o days.The agile manu facturing architecture of individualized C AD ΠC AM techniques for skull reconstruction used bioactive artificial bone materials can provide a new means to treatment skull defect ,im prove operation accuracy ,save time and rise beautiful outlook.

K ey w ords :Rapid prototyping ;3-dimentional reconstruction ;Skull ;Bioactive bone ;Individuation

1　引　言

快速成型技术(rapid prototy ping ,RP )是20世纪

80年代中期诞生的一种新技术,其综合了计算机辅助

设计(C AD )计算机辅助制造(C AM )技术、数据处理技术、数控技术、激光技术、精密机械驱动技术和材料科学等先进理念,将任何一个三维实体都视作为多个二维平面沿某一轴向叠加而成。RP 技术已在航空航

生物医学工程研究

Journal of Biomedical Engineering Research

2009,28(3):215～218

天、汽车设计、模具制造诸领域得到广泛应用。目前随着计算机三维重建技术的发展和相关处理软件的开发、完善,RP 技术在医学领域方面的应用成为研究热点,其中在脑颅骨创伤方面的应用如颅骨板的计算

机三维重建和个性化设计制造成为了现实[1-2]

,并且结合生物活性人工骨材料的应用,为复制出与患者颅骨缺损部位几何形态高度吻合、具有良好骨融合性的颅骨定制体提供了强有力的技术保障。另一方面便于医生的临床操作。RP 技术的应用不仅可有效缩短临床手术时间,而且可明显提高临床治疗效果和修复美学效果[3]

。这项工作必须整合几方面的资源和相关专业人员,建立一套快速有效的响应机制,包括数据文件传输、数据文件格式转换处理和颅骨定制体制作体系。我们将四年来的工作以及临床使用1000多例的体会报告如下。

2　材料和方法

2.1　制作流程

计算机三维设计重建、定制人工颅骨的流程见图1

。

图1　三维人工颅骨制作流程图

Fig 1　F low ch art of m anu facture for 3-dimentional skull

2.2　CT 数据采撷

需实施颅骨修补的患者通过螺旋CT 机行全头颅平扫,螺旋CT 机应选择4排管以上的,扫描时不需加强;螺旋扫描层厚要求≤5mm ,扫描范围由听眶线向上扫描至颅顶,缺损部需显露骨窗周边20mm 以上,并含对称侧;横断面数据重建层厚≤2.5mm ,要求重建层厚与重建间距(interval )完全相同(例:上海市第九人民医院采用通用公司16排螺旋CT 机平扫,扫描层厚取5mm ,重建层厚取1.25mm ,

重建间距取1.25mm ,效果满意)。重建数据不要压缩,其中定位篇与平篇须分别打包,存于不同文件夹,如两者无法分开,则舍弃定位篇;将数据用标准

DIC OM (digital imaging and communications in medicine )文件格式刻录进光盘或存入U 盘。2.3　模型的三维重建

采用MI MICS 、MedG raphics 等一类处理软件将DIC OM 图像文件自动读入,层间隔参数与扫描重建层

厚相同,通过对骨组织区域识别、提取和三维叠加,完成颅骨缺损几何模型的三维重建。重建好的数据经过转换输出为快速成型机可识别的ST L 格式文件。2.4　快速成型机制造

通过对ST L 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,通过黏结、光固化或烧结等工艺将模型材料逐层堆积,最终完成颅骨缺损模型实体。本研究采用了以下三种制造工艺:

(1)分层实体添加法(lam inated object m anu facturing ,LOM ),采用新加坡K I NEG RY 公司ZIPPY 21型快速成型机,以纸片为原料,通过激光烧蚀逐层黏结制成。

(2)立体光固化成型法(stereo lightgrapy apparatus ,S LA ),又称光敏液相固化法,采用西安交通大学研制的CPS250B 型快速成型机,以光敏固化树脂液为原料,通过紫外光照射逐层固化制成。

(3)选择性激光烧结法(selected laser sintering ,S LS ),采用北京隆源自动化成型有限公司生产的AFS -320型激光快速成型机,以HPS 工程塑料粉末为原料,通过激光照射逐层烧结制成。2.5　颅骨板翻制成型

将快速成型机制造完成的颅骨缺损模型实体翻制成石膏阴模,然后在石膏阴模腔中填入生物活性人工骨材料,待材料固化、脱模、修整后即可制得患者骨修补治疗所需要的人工颅骨。生物活性人工骨材料采用由上海第二医科大学研制、上海倍尔康生物医学科技有限公司生产的EH 复合人工骨(又称EH 复合型骨水泥,产品注册号:国食药监械(准)字2004第3460378)。此产品由粉剂(羟磷灰石颗粒)和塑型剂(E AM 医用树脂)两部分组成,粉剂和塑型剂按一定比例调和后,可在室温下20min 内固化。2.6　临床应用

对颅骨板作常规高压蒸汽灭菌后,使用缝合丝线或颅骨锁固定及配套的EH 复合型骨水泥对骨界面进行填塞固定。

3　结果与讨论

3.1　CT 数据处理

存储进光盘或U 盘的患者CT 数据文件的总容量大约在120兆左右,这包括了定位篇数据、平篇数

据和三维图像数据,其中定位篇数据和三维图像数据对快速成型机复制模型而言非必需。因此,如果采用异地网络数据传输途径,为了保证数据传输的

6

12 生物医学工程研究 第28卷

通畅和节约时间,往往可采取仅传输平篇数据的方法解决。平篇数据的容量大约在40兆～60兆左右,传输前可先通过WinZ ip 或WinRAR 压缩软件进行文件压缩。3.2　快速成型技术工艺快速成型技术自诞生以来,已经发展了数十种工艺,本研究尝试了其中的三种方法。图2、图3和图4分别对应LOM 法、S LA 法和S LS 法制造的颅骨缺损部位的实体模型。

这三种工艺方法有各自的特点。

图2　LOM 法制作的纸质实体模型

Fig 2Model m ade by the method of

LOM

图3　SLA 法制作的光固化树脂实体模型

Fig 3Model m ade by the method of

SLA

图4　SLS 法制作的工程塑料实体模型

Fig 4Model m ade by the method of SLS

LOM 法制成的模型表面精度较高,只须对轮廓

线进行切割,适合做大件和实体件。但是制作过程中需要人员看护,以防止纸卷扯断,且不适宜做薄壁原型,最终完成的蚀刻模型尚需人工剥离,产生的废料多,原料利用率低,而且在型腔内部残留的碎纸片

不易清除;成形件表面比较粗糙并有明显的台阶纹;成形件强度差,易吸湿膨胀、分层,不易长期保存。

S LA 法加工的产品有较高的精度和强度,表面质量高,适合做小件和精细件,成形件适宜携带和保存。但是系统成本高,其使用的光固化树脂价格昂贵,每千克达上万元,且原料不宜长时间存储;此外,在模型制造中需设计支撑。

S LS 法选材广泛,可烧结蜡粉、聚碳酸酯、工程塑料、陶瓷、金属粉末等多种材料,材料利用率高,制造成本低,造型速度较快,而且烧结时无需支撑。但成形件强度和精度不是很高。本研究所使用的烧结材料为工程塑料,原料成本约为160元Πkg 。

综合上述三种制作工艺,就性价比而言,我们认为S LS 法比较适合颅骨缺损的重建和个性化制造。3.3　生物活性人工骨材料图5系采用EH 复合人工骨材料翻制成型的颅骨板,其几何外形与骨缺损部位实体模型非常吻合,且与健康侧对称,很忠实地还原了患者缺损位颅骨的解剖形态

。

图5　经三维设计重建、制成的人工颅骨板

Fig 5　Artificial skull plat

目前世界范围用于颅骨缺损修复的材料主要有

羟磷灰石类生物活性陶瓷、钛金属板、高密度聚乙烯和硅橡胶等。但由于羟磷灰石类生物陶瓷脆性比较大,难塑型,因此,在临床上应用受到限制。而另几种材料由于存在临床操作使用方便之优点,因此较容易为医生接受。然而这些材料在生物学性能方面与羟磷灰石材料有很大差别,均为生物惰性材料,长期植入人体后与骨组织之间界面清晰,不能与骨组织产生骨性结合。此外,这些材料产品均为预制件,缺乏个性化设计,对如额颞部等几何形态比较复杂的部位应用时常常达不到满意的美学效果。

EH 复合人工骨材料的化学组成和物理特性与人体骨组织都特别相近。材质由羟磷灰石粉剂颗粒和E AM 医用树脂两部分组成。EH 复合人工骨固化后化学性能稳定,不溶于水,是热的良好绝缘体,抗

7

12第3期 陈德敏,等:应用快速成型技术重建人工颅骨

压强度、抗拉强度在皮质骨和松质骨之间,密度与人体骨组织相当,不影响CT 、MRI 成像。EH 复合人工骨在生物相容性方面仍然保持了羟磷灰石所具有的

良好骨结合性[4-6]

,同时具有室温下可自行固化、塑型容易等特点,因此特别适合于取模浇注制造,对任何复杂的形状都能胜任,在吻合性、圆弧度和固位模式方面均具有其独到的优点。3.4　临床效果

临床常见病例除了颅骨缺损之外,还有一些比较特殊的病种,如眉弓塌陷、带眼眶复合缺损等,复合人工骨材料更能发挥其长处,可任意截取和塑形(见图6);对有些颞部凹陷处部位,可通过增加厚度进行适当垫高,以弥补由于软组织缺失造成的术后表观塌陷,从而得到较佳的美学效果

。

图6　带眼眶复合缺损

Fig 6　Skull defect

采用计算机个性化设计重建、制造、修复的1000

多例颅骨缺损手术均一期愈合,无感染、排异等症状;个别修复前患癫痫的患者在颅骨缺损修复后病情得到改善;一些原来头部畸形状况严重的在缺损修复后外貌明显得到改观。无论是医生还是患者都对术后

美学效果感到满意[7-11]

,特别是对有些缺损部位非常大(近乎1Π2颅骨区域)的或两侧贯串缺损的病例更能体现此修复技术的优点(见图7)。经过1～3年的术后随访,

所有病例的手术效果均非常满意。

图7　颅骨两侧贯串缺损病例术前后对照

(a )术前外貌;(b )术前CT 片;(c )三维设计

重建的颅骨板复原效果;(d )术后外貌

Fig 7　The cross -refer of operation for restore of skull defect

(a )Before cranioplasty ;(b )Image of CT;

(c )3D reconstructed artificial bone ;(d )A fter cranioplasty

4　小结

国外从90年代起已有研究颅骨成型术的个性化

设计[12]

。近年来国内也开始有报道应用计算机三维

技术个性化设计颅骨板的个别案例[13-14]

,但应用的材料多为铸造钛金属,制作工艺较烦琐且加工时间长。而本制作系统采用的材料是与骨组织化学组成相近的生物活性材料,具有良好骨结合性,加上计算机数字化技术,因此,制成的人工颅骨的外观和理化性能与人体颅骨很相似,人工颅骨的几何外形可以与患者缺损颅骨部位大小一致,能与周围骨组织形成完美的嵌合衔接,达到良好的外观美学效果,并有利于两者之间的骨性结合。此外由于定制人工颅骨的制造周期短,最快的可在2d 内完成,因此不仅适合国内医院的推广使用,而且也适合未来国际市场的需求。

参考文献:

[1]W inder J ,C ooke RS ,G ray J ,et al.M edical rapid prototyping and 3D CT in the manu facture of custom made cranial titanium plates[J ].J M ed Eng T echnol ;1999,23(1):26-28.

[2]张如鸿,孙晓光,穆雄铮,等.PC 机三维颅颌面影像的建立和应用[J ].上海第二医科大学学报,2004,24(8):605-608.

[3]傅其伟,严隽琪,姚振强,等.快速成型技术及其在骨骼三维重构

中的应用[J ].上海交通大学学报,1998,32(5):111-114.

[4]刘义荣,顾国珍,薛淼,等.EH 型复合人工骨材料动物体内植入研

究[J ].口腔材料器械杂志,1995,4(3):104-106.

[5]崔岗,周岱,刘义荣,等.EH 型复合人工骨材料在颅骨修补中的应

用[J ].中国血液流变学杂志,2001,11(4):275-276.

[6]徐建军,丁华山,瞿鸿义,等.颅骨成型术三种不同材料的临床分

析[J ].中国临床神经外科杂志,2003,8(1):67-68.

[7]杨旭明,王伟东,吴晓明,等.计算机三维个体化设计EH 材料修

复额颞顶部颅骨缺损[J ].苏州大学医学杂志,2006,26(6):1066-1067.

[8]叶树铭,丁勇.计算机辅助个体化设计EH 复合材料型颅骨瓣在

颅骨修补术中的应用初探[J ].中国现代临床医学杂志,2007,6

(8):13-15.

[9]吴慧,肖波,朱志安,等.个体化预制EH 复合材料行颅骨修复效

果分析[J ].中国临床神经外科杂志,2007,12(5):285-287.

[10]杨贵平.计算机三维个体化设计修复外伤性额颞顶部颅骨缺损[J ].中国临床实用医学,2007,1(10):38-39.

[11]陈斌,王奕清,陈红春,等.数字化预制复合材料EH 修补颅骨缺

损17例分析[J ].临床和实验医学杂志,2008,7(1):107-108.

[12]Hieua LC ,Boheza E ,S lotena JV ,et al.Design and manu facturing of cranioplasty im plants by 3axis m illing[J ].T echnol Health Care ,2002,10:413-423.

[13]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.

[14]周敬安,赵亚群,颜绪涛,等.颅骨成形术中的计算机个性化辅助

设计6例报道[J ].中国康复理论与实践,2004,10(5):318-319.

(收稿日期:2009-07-10)

8

12 生物医学工程研究 第28卷