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此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除 分类号：密级：编号：U D C：学 位 论 文三维 CAD颌骨模型在下颌骨肿瘤术前设计中的应用Three dimensional CAD mandibular model applied in mandibular tumor preoperative design 程旭指导教师姓名申请学位级别提交论文日期王银龙硕士教授安徽医科大学口腔医学院专业名称论文答辩日期口腔医学硕士2014-03-192014-05-15学位授予单位和日期安徽医科大学2014年 6月答辩委员会主席周诺教授江宏兵教授评阅人叶金海副教授2014年 5月 安徽医科大学ANHUI MEDICAL UNIVERSITY 硕士学位论文论文题目：三维 CAD颌骨模型在下颌骨肿瘤术前设计中的应用Three dimensional CAD mandibular model applied in mandibular tumor preoperative design 作者姓名程旭指导教师王银龙教授学科、专业研究方向口腔医学硕士口腔颌面外科2012年 10月至 2014年 3月论文工作时间2014年 5月 学位论文独创性声明本人所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作机取得的研究成果。据我所知，除了中文特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了说明并表示谢意。学位论文作者签名: _日期：_学位论文使用授权声明本人完全了解安徽医科大学有关保留、使用学位论文的规定：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。愿意将本人的学位论文提交中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库中全文发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入 CNKI中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播。保密的学位论文在解密后适用本规定。学位论文作者签名：日期：导师签名：日期： 目录英文缩略词表. 1中文摘要. 2英文摘要. 41.前言. 62.材料与方法. 112.1材料. 112.1.1病例资料 . 112.1.2计算机系统 . 122.1.3仪器及设备 . 122.1.4实验材料. 132.2.5软件 . 132.2.6药品及试剂 . 132.2.方法 . 132.2.1数据的采集 . 132.2.2图像的获取及下颌骨数字模型的建立. 162.2.3下颌骨缺损区数据的设计 . 142.2.4初模型及终模型的制作 . 142.2.4.1制作材料 . 142.2.4.2初模型的制作 . 142.2.4.3终模型的制作 . 152.2.5术前设计 . 152.2.5.1设计截骨线 . 152.2.5.2移植材料的术前弯制 . 152.2.5.3引导版的制作 . 162.2.6手术过程. 16 2.2.6.1全麻术前准备. 162.2.6.2手术过程. 163结果. 173.13.2术后功能及外形效果 . 17与以往传统术式的比较.183.3典型病例. 194讨论. 205.结论. 22参考文献. 22附图. 27附录 29致谢 30综述. 31 安徽医科大学硕士学位论文英文缩略词表英文缩写CAD英文全称中文全称Computer Aided DesignComputer Aided ManufacturingComputed TomographyCentral Processing Unit计算机辅助设计计算机辅助制造计算机 X射线断层扫中央处理器CAMCTCPUDODistraction osteogenesis牵张成骨DICOMMIMICSDigital imaging and communications in medicine三维模型文件格式Materialises interactive medical image control交互式的医学影像控system制系统Magnetic Resonance ImagingMRIPVCRP磁共振成像Polyvinyl chloride polymerRapid Prototyping聚氯乙烯快速成形Stereo LithographyThree Dimensions三维模型文件格式三维STL3D1 安徽医科大学硕士学位论文三维 CAD颌骨模型在下颌骨肿瘤术前设计中的应用中文摘要研究背景随着科学技术的发展，计算机技术在我们生活中的应用层出不穷。在医学方面，利用计算机技术进行疾病的诊断、手术的模拟及疾病的治疗早已屡见不鲜。自 2001年起，我国部分医院口腔颌面外科病例开始利用快速原型（RapidPrototyping，简称 RP）技术指导手术操作，均取得满意效果 1-2。口腔颌面外科常见病中，如下颌骨肿瘤，肿瘤范围较大，或为恶性肿瘤，术后常导致下颌骨的节段性缺失、下颌骨连续性中断等，这将严重影响着患者的面部容貌及行使正常的口腔功能。目前下颌骨缺损重建多采用各种游离或血管化移植骨块结合重建钛板固定。术中，术者以患者健侧下颌骨外形为参照，凭着个人的经验对钛板进行弯制，但耗时耗力，且容易造成面型不对称、钛板外露、钛板折断、影响美观等并发症。通过计算机技术可以很好解决以上问题。目的探讨三维CAD颌骨模型在下颌骨肿瘤术前设计及下颌骨缺损个性化重建中的应用特点及临床效果。方法选取 10例单侧下颌骨肿瘤患者，其中男性患者 6例，女性患者 4例，年龄在17-68岁之间，平均年龄41.5岁。术前所有患者均行颌面部三维螺旋 CT扫描，利用CT扫描数据，通过计算机软件重建患者下颌骨，并保存重建数据。利用患者下颌骨重建数据通过快速原型技术制作患者下颌骨实体模型，参照下颌骨模型设计手术截骨线并在模型上预弯重建钛板等术前准备，手术按术前设计方案施行，切除下颌骨肿瘤并就位钛板。结果三维 CAD颌骨模型与患者颌骨大小、形状、结构等十分接近，可以显示病变侵蚀范围，利用三维 CAD颌骨模型行术前设计，手术过程顺利，大大缩短了手术时间，术后效果满意。2 安徽医科大学硕士学位论文结论三维 CAD颌骨模型可用于下颌骨肿瘤等术前设计，具有精度高、简便快捷等特点，具有可靠的应用价值。关键词三维影像重建计算机辅助设计快速原型技术下颌骨肿瘤3 安徽医科大学硕士学位论文Three dimensional CAD mandibular model applied in mandibular tumor preoperative designAbstract Background With the development of science and technology, computer technologyapplications has become very common in our life.In medicine, the use of computertechnology to the diagnosis of the disease, treatment and surgery simulation alreadycommonplace.Since 2001, in our country, some cases of oral and maxillofacial surgeryhospital began to guide operation using the rapid prototyping technology, has achievedsatisfactoryeffect. Common in oral and maxillofacial surgery, as the jaw tumors, largertumors range, or malignancy, surgery often leads to lack of segmental mandible, mandibular discontinuity, etc., which would seriously affect the patients face looks, normal oral function and exercise. Currently more than mandibular defect reconstruction usinga variety of free or vascularized bone graft combined with reconstruction plate fixation. During the surgery, the surgeon to the patient contralateral mandible shape as a reference, personal experience with titanium plate bending, but it is time-consuming, and prone to cause surface asymmetry, exposed titanium, titanium break, impact appearance and other complications. The above problem can be solved by computer technology.Objective To explore the application features and clinical effects of preoperativedesign and individualized reconstruction of mandible with the three-dimensional CADmodel of mandibular.Methods 10 patients with unilateral mandibular tumor, male 6 cases, female 4 cases,aged 17-68, the average age of 41.5 years. All patients were scanned with 3D-CT beforeoperation .Solid models and mirror models were made with rapid prototypingtechnology. According to the models, an osteotomy line was designed and4 安徽医科大学硕士学位论文individualized reconstructed Ti-palate pre-curved. After the resection of tumor, theindividualized reconstructed Ti-palate was fixed in place to reconstruct the mandible.Results 3D models is very close to the mandible of the patients, and it can display the lesion area of damage on the model, it determine osteotomy line andindividualized reconstructed Ti-palate pre-curved, according to the preoperativedesign procedure, the procedure smoothly, shorten the operation time, postoperative effect is satisfactory.Conclusions the three-dimensional CAD model of mandibular can be used for oralmaxillofacial deformities and jaw bone defect such as preoperative design, it has thecharacteristics of high precision, simpleand quick. It has reliable application value inmandibular tumor preoperative design.Keywords Three-dimensional image / Computer-aided design technology / Rapid prototyping technology / Mandibular tumor5 安徽医科大学硕士学位论文三维CAD颌骨模型在下颌骨肿瘤术前设计中的应用1.前言下颌骨是颌面部唯一能活动的骨组织，它位于面部下 1/3，是构成人面下部的重要组成部分，参与了人类的咀嚼、言语、咬合等口腔功能 3。由于下颌骨肿瘤、炎症、外伤等原因，可造成患者下颌骨节段性缺损，术后出现很多并发症，如面部不对称、咀嚼吞咽障碍、语言功能障碍及颞下颌关节疾病等等。面部畸形及无法正常交流等症状将带给患者巨大的社会压力,严重影响患者生存质量。因此下颌骨缺损的修复治疗长久以来一直都是口腔颌面外科研究的热点 2。下颌骨缺损的修复重建不仅要恢复患者下颌骨连续性及患者正常的面部外形，而且应恢复患者正常行使口腔功能，如咀嚼功能。目前，临床上对于下颌骨缺损常采用骨移植修复，并应用锁定接骨板固定骨断段，以达到恢复颌骨连续性的目的。以往我院行该类手术，术者凭着丰富的临床经验，依照健侧颌骨外形曲度，利用专业的钛板弯制器械在术中弯制锁定接骨板后固定，但是此方法耗时耗力，浪费了宝贵的手术时间，更增加了手术风险难度。如何能够缩短手术时间，且能够精确弯制成型钛板呢？是否可以术前就能够弯制好锁定接骨板呢？为此，本次研究将计算机辅助设计（ Computed AidedDesign，简称 CAD）技术、快速原型（Rapid Prototyping，简称 RP）技术、颌面部三维影像技术等新型技术相结合，基于患者三维 CT数据进行计算机三维重建，将三维数据输入 3D打印机内并制作术前所需的颌骨实体模型4。通过该模型，不仅可以直观的反映下颌骨病变情况，而且术前还可以通过应用该模型结合患者相关影像学检查制定出详细的手术计划与方案、在模型上预弯制锁定接骨板等等。可以将手术模拟计划更加真实、准确，缩短了手术时间，同时也减小了手术风险5。6 安徽医科大学硕士学位论文文献回顾由于颌骨肿瘤、颌骨骨折、颌骨先天畸形等原因造成颌骨缺损。颌骨缺损导致的并发症很多。如患者面部不对称，使其容貌异于常人而影响其生活、工作，进一步导致其可能得心理疾病；患者牙列缺失缺损，咬合错乱，影响患者正常发音交流、咀嚼饮食等功能，使患者生活质量下降。考虑到人类下颌骨结构十分复杂且不规则，因此，为颌骨缺损患者整复治疗是一项很有挑战的任务，当然，也是我们口腔颌面外科医生不可推卸的责任5-6。一，快速原型技术快速原型（RP）技术是上世纪八十年代末期发展起来的一种新型制作技术，其发展迅速，早已广泛的应用在家电制造业、汽车制造业、玩具制作、航空、军事、医疗、电影制作等领域。它将 CAD技术、激光加工技术、新型材料技术及数控技术等集中于一体，通过该技术制作复杂的实体模型。该技术具有快速性、精确性及擅长制作复杂形状实体的特点7。快速成型（RP）制作技术是依据制作材料逐层堆积的原理，其制作过程不需要任何模具、刀具等，直接根据设计的数据，快速准确的制作出所需要的模型。所以，该技术在工程制作业的应用可以明显的缩短了新产品设计的时间，并大大的降低了制作的成本。目前，随着医学数据处理软件的快速发展，快速原型（RP）技术已经广泛应用于口腔种植科、创伤外科、口腔颌面外科等医学领域。该技术所独具的特点使其可以精确的制作颌骨模型，因此，该技术在颌骨疾病诊断、治疗上具有深远的意义。快速原型技术据有以下优点及特征 7：制作快速性，快速原型技术最大的优点即制作过程快，经模型设计后到完成模型制作一般只需要几个至几十个小时，生产周期特别短，能够大大节约制作时间。制作成本低，无论所制作的产品如何复杂，通过快速原型技术均可大大的降低制作费用与成本，故该技术非常适合新产品的研制和制作商少量零件的生产。快速原型技术制作模型所需要的材料7 安徽医科大学硕士学位论文类型不受限制，很多材料均可利用，例如各种树脂类、塑料类、复合材料类等均可使用参与制作。快速原型技术可以制作出各种形状的物品，因其生产原理的特殊性，其生产过程不需要传统制作业的工具，而且该技术制作过程不受所要制作模型复杂结构的影响，故该技术可实现模型的自由制作（Free Form Fabrication）。快速原型技术独特的制作方式使其不需要传统制作业的制作工夹具，该技术采用非接触的方式，就能够实现制作出达到标准模型及原型的快速、准确制作。快速原型技术是一门集合了多种学科、理论、概念的先进制作技术，其整个制作过程完全自动化、数字化等，其制作出的模型与计算机重建的模型完全一致，且重建数据修改简单，可以随时修改数据，使得制作过程更加随意性，可以制作任意形状的物品。实现了制作与设计的一体化。利用快速原型技术制作模型的过程基本无噪音、振动及加工废料，节省了很多生产原料及加工成本。二，颌面部三维影像技术当前，随着现代科学技术的发展，医学三维影像技术也发展迅猛。通过三维重建影像技术，医生可以对患者颌面部骨折、颌面部骨肿瘤、颌面部骨发育畸形等疾病病情得到充分的了解；并帮助临床医生对该疾病行正确的诊断。术前通过三维影像检查，术前临床医生可以利用该检查进行手术的设计及手术的模拟。如颌骨囊肿的病人，临床医生通过三维影像技术检查可以清晰的看到囊肿的边缘是否光滑、四周骨质是否有吸收影等等。并可以术前初步设计手术方法，如为较大的囊肿或恶性质囊肿可以术前在模型上设计截骨线大致位置，及截骨后的修复等问题。目前，三维 CT是研究颌面部复杂解剖外形及疾病的很好的方法，该技术通过相关计算机软件对 CT扫描的断层图像行重建而产生三维图像。随着该技术的发展，三维 CT图像的分辨率越来越高，扫描的速度越来越快，扫描的层厚也越来越薄，三维的图像也逐渐变的清晰准确。三维影像技术已经成为临床上颅颌面外科疾病诊断必不可少的辅助检查8-9几类。颅颌面外科常用的三维影像技术包括以下8 安徽医科大学硕士学位论文1.三维头影测量基于 X线投射原理，三维头影测量过程需要 X线投射仪器及计算机。首先通过行头颅后前位及侧位的扫描后，通过人工描绘出其中特定的解剖标记点，输入计算机内即可产生大致的三维图像。该方法简单，但往往误差较大。2三维CT三维 CT技术是目前应用最为广泛的成像技术，由于人类头颅颌面面解剖复杂，该方法可以很好的重建患者三维图像。其原理主要是通过利用计算机对扫描的每个断层进行三维重建，从而实现了复杂结构的三维重建。随着科学技术的发展，三维 CT扫描的速度越来越快，扫描层厚也越来越薄，三维 CT图像也越来越清晰准确。3计算机辅助三维模型制作技术该方法利用三维重建技术、计算机软件处理技术及快速原型技术制作实体模型，首先利用三维CT或MRI扫描所需结构并保存数据，计算机软件通过该数据在电脑内重建所需数据，最后利用快速原型机根据数据制作出所需模型。三，下颌骨修复方法的现状下颌骨是颌面部重要的解剖结构，它构成了人面下1/3部分，是人类口腔系统的重要组成部分，同时也是人发音、咀嚼、吞咽等口腔功能的基础。各种疾病造成的下颌骨缺损均会导致患者不同程度的功能障碍。所以在修复下颌骨缺损时，其修复的原则及方法与全身其他骨骼修复有很大的不同10-11下颌骨缺损修复的基本要求12：1.要求恢复下颌骨的连续性及完整性，恢复患者正常的面部形态。2.下颌骨功能的恢复，或者为手术后功能恢复提供好的条件，如牙列的恢复等等。3.恢复正常的颞下颌关节。4.凡是应用移植材料，材料应具备良好的生物相容性及其硬度和弹性模量应与骨组织相匹配。必要的时候应可以取出植入材料。5.手术操作简单。9 安徽医科大学硕士学位论文6.手术创伤程度应缩至最小。7手术费用合理。非血管化游离骨移植下颌骨修复非血管化游离骨移植的被认为是目前修复小段骨缺损最好的方法13-15。它具有手术简单，无排斥反应等优点。但同时它血运差，抗感染能力较弱，愈合周期长，后期骨吸收明显等缺点。因此，其成活对受骨区要求较高。必须要有以下几点要求16-17：骨缺损区要有足够量的软组织。游离骨离体时间要短。游离移植骨与骨缺损区要有很好的接触匹配。游离骨与余留颌骨间要有牢固的内固定力。预防术区感染。预防口外相通。术后通畅的引流。如严格按照以上手术适应症，非血管化骨移植的成功率会很高。血管化游离骨移植下颌骨修复血管化游离骨移植修复下颌骨缺损在颌骨缺损修复重建逐渐占主导地位18，此种修复方法解决了血运不足所导致的各种并发症，可以使下颌骨修复成功率提高到9019之一20-22。目前，血管化游离骨肌皮瓣移植修复下颌骨缺损被认为是最佳方法。其移植的骨组织具有独立的血供，抗感染能力强，骨愈合能力强，且术后骨吸收少。其主要问题在于需要血管吻合，所以手术时间较长，对术者技术要求较高。血管吻合失败也是所要承担的风险。牵张成骨技术牵张成骨23（Distraction steogenesis，DO）技术由张力骨再生和压力骨接合两种生物力学效应组成。通过外科手术截断所要牵张的骨质，在骨断端两测持续施加牵张力，骨两断段以一定的速率向相反方向移动时，骨间隙内逐渐发生骨的再生、钙化及改建过程23。牵张成骨技术在颌骨重建具有以下优点24-25手术过程简单，风险比较小，且不需要供区手术。牵张成骨骨质好，而且其形状及大小可受控制，可满足术后种植修复的要求。由于牵张成骨的同时可伴随软组织的牵引，故不需要对周围软组织缺失及软组织瘢痕等作特殊处理。考虑到其独有的优点，牵张成骨技术在口腔颌面外科、整形外科等领域迅速发展成研究的热点话题。10 安徽医科大学硕士学位论文骨组织工程下颌骨修复组织工程化骨修复下颌骨缺损，为目前较为前沿的研究课题。该技术研究热点主要是种子细胞培养、工程支架材料制作及生长因子的选择，该技术主要通过骨引导及骨诱导形成新骨，从而对下颌骨缺损进行重建与修复，目前该技术被当作是最有前景的骨缺损修复重建方式之一26。该技术利用组织工程学方法、原理及技术，首先组建移植体，后在移植体上培养附载具有成骨活性的细胞，具有诱导细胞生长、分化因子、支持细胞黏附、增殖、迁移，且该生物材料可以生物降解。但是对于大面积下颌骨缺损的修复，目前暂没有一种可行的组织工程产品可以使用27-28。且由于下颌骨自身形态及功能的特殊性，下颌骨缺损的功能修复一直是待解决的问题。近年来，研究最多的种子细胞是骨髓基质干细胞（BMSC）。该细胞获取容易，来源充足，且没有免疫排斥反应，具有多方向分化的潜能。该细胞目前已成为骨组织工程研究中最好的种子细胞来源。骨组织工程技术的各种优点使它在颌骨缺损修复上显示出很好的研究前景29。以上各种下颌骨修复的方法均存在各式各样的不足之处，而且每个患者缺损类型不同，不能每个患者都做到个性化修复。只能根据医生的经验，大致达到接近正常的修复水平，且恢复口腔功能的功能性修复难度大，重建手术中对移植骨的塑形及比对拼接，浪费了大量的时间跟精力，术后效果常不满意。2.材料与方法2.1材料2.1.1病例资料2012-12月至 2014-03月，收集选取 10例来自我院口腔颌面外科住院患者，男6例，女 4例，年龄 17-68岁，平均年龄 41.5岁。术前活组织检查诊断分别为：成釉细胞瘤4例；角化囊性瘤3例；骨化纤维瘤 1例；牙龈癌 1例；中央型颌骨鳞癌1例。临床资料见表1。术前告知患者及其家属实验的详细过程、实验的优缺点、手术的风险等等。以上 10位患者及其家属同意配合实验要求、接受手术治11 安徽医科大学硕士学位论文疗并签署手术知情同意书。10位患者下颌骨病变截除术后将遗留大块骨缺损，下颌骨缺损范围涉及体部、下颌角及升支，或一侧下颌骨完全缺损（含髁状突），但均为未超过颏部中线的缺损。术前测量患者张口度为 2.0-4.0cm，牙列基本完整，面型基本对称，但患侧面下 1/3处表现不同程度的肿胀，患者对目前面型不满意，希望根治疾病，并期望术后达到面部双侧对称。表1 10例下颌骨肿瘤患者临床资料Tab 1 The clinical data of 10 patients with mandibular tumor病例性别年龄/岁疾病类型缺损范围角化囊性瘤右侧第一磨牙至下颌升支1男17成釉细胞瘤成釉细胞瘤成釉细胞瘤角化囊性瘤骨化纤维瘤成釉细胞瘤左侧第一磨牙至下颌角右侧第二磨牙至髁状突右侧第一磨牙至髁状突左侧颏孔区至下颌升支前2/3右侧第一磨牙至下颌角左侧颏孔区至下颌角右侧尖牙至下颌角2女男女男女男男男女252735444649515368345678角化囊性瘤牙龈癌左侧颏孔区至髁状突910颌骨中央型癌右侧前牙区至右髁状突2.1.2计算机系统 CPU：Intel酷睿 i5 3230M；处理器