第 1 章? 先進(jìn)技術(shù)和工業(yè)革命的出現(xiàn) The Emergence of Advance Technologies and Industrial Revolutions Hanieh Nokhbatolfoghahaei Arash Khojasteh 著 工業(yè)革命深刻影響了口腔頜面外科(oral andmaxillofacial surgery,OMFS)領(lǐng)域的現(xiàn)代技術(shù)整合。繼兩次工業(yè)革命之后，第三次工業(yè)革命，即“數(shù)字革命”,在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后的1960年開(kāi)始"。數(shù)字革命以電子和信息技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用為特點(diǎn)2,它發(fā)生在工業(yè)化放緩及技術(shù)進(jìn)步加速發(fā)展的時(shí)代背景下。因此，由于機(jī)械力量減輕了對(duì)人類(lèi)勞動(dòng)力的需求，導(dǎo)致了第四次工業(yè)革命在第三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上出現(xiàn)。第四次工業(yè)革命包括計(jì)算機(jī)生成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和三維(three-dimensional,3D)打印技術(shù)，即通過(guò)將工作材料連續(xù)堆積成層來(lái)制造物體3.3。這個(gè)時(shí)代以融合技術(shù)為特征，模糊了物理、數(shù)字和生物等領(lǐng)域的邊界。 這一變革的核心是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer-aided design,CAD)和隨后的計(jì)算機(jī)輔助制造(computer-aided manufacturing,CAM)中發(fā)展起來(lái)的。隨著CAD/CAM的發(fā)展，機(jī)器人手術(shù)(導(dǎo)航手術(shù))也隨之發(fā)展，從而形成了經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)(transoral robotic surgery,TORS)。隨后，兩者被應(yīng)用于再生牙醫(yī)學(xué)。這導(dǎo)致了生物打印和生物反應(yīng)器領(lǐng)域的出現(xiàn)。本章包括這些新技術(shù)及其在口腔頜面外科中的應(yīng)用的一般介紹。 CAD技術(shù)在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用已有近20年的歷史l?。在口腔頜面外科領(lǐng)域，CAD可用于虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)(virtual surgical planning,VSP)?-8及手術(shù)導(dǎo)板和夾板的設(shè)計(jì)-1]。CAD技術(shù)在牙科和醫(yī)學(xué)教育中也有一個(gè)新的領(lǐng)域，稱(chēng)為“虛擬學(xué)習(xí)”(virtual-based learning,VBL)。隨著CAD的發(fā)展，CAM技術(shù)也取得了顯著的進(jìn)步，并在牙科的不同領(lǐng)域得到了很好的整合。增材制造(additive manufacturing,AM)和減材制造(subtractive manufacturing,SM)是CAM系統(tǒng)的兩個(gè)主要分支。這些技術(shù)有效應(yīng)對(duì)了因顱面骨骼復(fù)雜的三維解剖而導(dǎo)致的外科重建和矯正中的諸多挑戰(zhàn)12(圖1-1)。 CAD系統(tǒng)是在第三次工業(yè)革命和醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)模型的進(jìn)步的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它可以在設(shè)計(jì)和分析之前對(duì)物體進(jìn)行建模。為了對(duì)物體進(jìn)行建模，必須使用3D掃描儀或3D成像系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行拍照。如今，市面上已有許多用于3D建模、整形和成像的口內(nèi)和口外掃描儀。除了3D建模，還需要額外的軟件來(lái)操作3D對(duì)象。為了讓軟件能夠操作被記錄的物體，數(shù)據(jù)必須被轉(zhuǎn)換成STL文件格式。在這種格式中，無(wú)論其顏色如何，對(duì)象都將被轉(zhuǎn)化為在三維空間中的坐標(biāo)點(diǎn)，從而提供對(duì)象的空間拓?fù)湫畔�。此后，STL格式文件在軟件中渲染以對(duì)其進(jìn)行成型和評(píng)估。在口腔頜面外科領(lǐng)域，CAD也促使了VSP的出現(xiàn)，以及手術(shù)導(dǎo)板、夾板和植入物的設(shè)計(jì)。虛擬學(xué)習(xí)是另一種基于CAD技術(shù)的牙科教育新分支。 CAM系統(tǒng)是在第三次和第四次工業(yè)革命后產(chǎn)生的，它是軟件和計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械設(shè)備相結(jié)合的產(chǎn)物，不需要任何人工干預(yù)，旨在提供一個(gè)完全自動(dòng)化的制造過(guò)程4。CAM包括兩個(gè)子分支：AM和SM1。AM被定義為工作材料的可量化逐層沉積，以直接獲得基于CAD的三維物體71。在這種情況下，CAD/CAM得益于靈活選擇材料制造幾何復(fù)雜的組件。AM,也稱(chēng)為3D打印，包括噴墨打印(inkjet printing)、立體光固化(stereolithogaphy,SLA)/數(shù)字光處理(digitallight procssing.DLP)、熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)和選擇性激光燒結(jié)(sdlective laser sintering,SLS)/選擇性激光熔融(selective laser melting,SLM)等技術(shù)。相反，材料去除和加工、鉆孔和銑削實(shí)體塊的受控過(guò)程被歸類(lèi)為減材制造(subtactivemamufacturing,SM)技術(shù)。 隨著CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展，機(jī)器人手術(shù)也得到了發(fā)展。促進(jìn)這些手術(shù)的實(shí)施是CAD/CAM技術(shù)與醫(yī)學(xué)科學(xué)集成的眾多目標(biāo)之一。機(jī)器人手術(shù)或?qū)Ш绞中g(shù)旨在采用微創(chuàng)方式進(jìn)入不易進(jìn)入的解剖區(qū)域，如口腔后部、口咽、喉部、下咽，甚至顱底1。與單純的機(jī)器人手術(shù)相比，VSP聯(lián)合機(jī)器人手術(shù)已被證明可以縮短手術(shù)時(shí)間并改善患者預(yù)后12。在TORS中，機(jī)器人被固定在口腔內(nèi)，而外科醫(yī)生在監(jiān)視器上查看手術(shù)視野。這種方法可以通過(guò)為所有學(xué)生和住院醫(yī)生提供更好的可視化的手術(shù)環(huán)境來(lái)達(dá)到教育目的。 今天，醫(yī)學(xué)已經(jīng)從替代療法向再生療法發(fā)展。因此，組織工程產(chǎn)品得到了許多研究者和臨床醫(yī)生的關(guān)注�，F(xiàn)代基于組織工程的方法通常采用干細(xì)胞、生長(zhǎng)因子、支架和生物反應(yīng)器的組合，旨在啟動(dòng)和支持宿主的再生能力叫。上述技術(shù)可用于制造這些產(chǎn)品。 先進(jìn)技術(shù)的使用使再生牙科領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，生物打印和生物反應(yīng)器是這一領(lǐng)域最重要的兩個(gè)新技術(shù)應(yīng)用。為了生產(chǎn)工程組織，必須對(duì)組織的微觀和宏觀環(huán)境進(jìn)行研究和生物設(shè)計(jì)。這樣做的目的是模仿體外的生理和機(jī)械組織條 件3。生物反應(yīng)器被用來(lái)在某種程度上模擬人體的生理和機(jī)械特性。生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)有不同類(lèi)型的系統(tǒng)，包括流體動(dòng)力學(xué)剪切應(yīng)力、直接機(jī)械應(yīng)力和基于電磁場(chǎng)(electromagneticficld,EMF)的生物反應(yīng)器P。 生物打印是指增材制造(additive manufacturing.AM)技術(shù)。在此項(xiàng)技術(shù)中，支架是由細(xì)胞和生物相容性材料的混合物以逐層方式制造的，這種材料被形象地稱(chēng)為生物打印墨水。常用的生物打印技術(shù)分為擠出法、激光法和噴墨打印。在口腔頜面外科領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)的所有領(lǐng)域?qū)⒃谝韵抡鹿?jié)中進(jìn)一步討論。CAD/CAM在口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用主要有骨重建手術(shù)、正頜手術(shù)、種植牙和經(jīng)口機(jī)器人手術(shù)(圖1-2)9-4。 重建程序旨在恢復(fù)缺損區(qū)域的形態(tài)和功能。供體病變、供體組織有限、受體與供體組織特征不兼容、吸收不可預(yù)測(cè)，以及長(zhǎng)期結(jié)果變化是傳統(tǒng)重建方法的主要缺點(diǎn)網(wǎng)。因此，基于CAD/CAM的方法在克服這些缺點(diǎn)方面獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。在骨重建中，CAD/CAM可用于虛擬缺損設(shè)計(jì)，即VSP?.。CAD/CAM還可以用于原型制作或創(chuàng)建缺損模型，這涉及全面的缺損建模和術(shù)前可視化。值得注意的是，CAD/CAM可以在很大程度上有助于制造患者個(gè)性化植入物(patient-specific implants,PSI)區(qū)。在正頜手術(shù)中，CAD/CAM可以用于VSPI?。它還用于制造手術(shù)導(dǎo)向器，在時(shí)間維度上為手術(shù)軌跡的規(guī)劃與實(shí)施帶來(lái)了顯著益處"。在牙種植領(lǐng)域，CAD/CAM也被用于制作手術(shù)導(dǎo)板叫。導(dǎo)航手術(shù)也是在種植醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用之一。最后，在機(jī)器人手術(shù)中，經(jīng)口機(jī)器人(腭裂)手術(shù)主要是在咽后部的軟組織手術(shù)中進(jìn)行的，如軟腭。 在口腔頜面外科的重建手術(shù)中，術(shù)前對(duì)腫瘤或缺損區(qū)域的完整性和三維形貌進(jìn)行評(píng)估是重要步驟網(wǎng)。這允許醫(yī)生以一種放松和悠閑的心態(tài)對(duì)病例進(jìn)行深入而全面的分析。在原型制作中，所述缺陷模型或腫瘤模型可由多聚物組成，以模擬頜骨。這進(jìn)一步有助于在腫瘤/缺損擴(kuò)展細(xì)節(jié)等方面進(jìn)行綜合評(píng)估，不僅可以在術(shù)前進(jìn)行，甚至可以在會(huì)見(jiàn)患者和查看二維X線(xiàn)片之前進(jìn)行在原型或模型設(shè)計(jì)中，可以使用溫度較低的可固化聚合物。例如，F(xiàn)DM系統(tǒng)非常適合于制造CAD模型“。因此，骨重建和骨移植中的CAD/CAM可以幫助制造患者特異度的骨種植體，并為原位骨再生保留受保護(hù)的愈合空間(圖1-3)。 一方面，骨種植可以實(shí)現(xiàn)骨輪席、功能性骨置換、功能性骨再生(fimctional bone regeneration,FBR)等功能。骨輪廓是指使用特定患者的產(chǎn)品來(lái)恢復(fù)骨的標(biāo)準(zhǔn)和解剖輪席。個(gè)性化產(chǎn)品植入具有非特異度咀嚼作用的區(qū)域，不易發(fā)生頜骨移動(dòng)或功能或承重事件網(wǎng)。在骨塑形中需要假體，這意味著植入的物質(zhì)將保持在原位。在該領(lǐng)域中主要使用諸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物剛。在這種情況下，可以使用FDM打印機(jī)。高密度聚乙烯(high-density polycthylenes,HDPE),如聚四氟乙烯(polytetafluorocthylkne,PTFE)或聚醚醚酮(polyether ether ketone,PEEK),用于制造骨塑形假體及下頜或臉頰假體。在應(yīng)用這些材料時(shí)，需要使用增材制造的選擇性激光燒結(jié)方法。 另一方面，為了實(shí)現(xiàn)功能性骨替代，種植體必須恢復(fù)切除組織的功能行為，包括咀嚼和頜骨運(yùn)動(dòng)。在功能性骨置換中，切除的區(qū)域由假體替代，該假體不僅能發(fā)揮功能，而且還可以產(chǎn)生并切實(shí)承受咀嚼力。而對(duì)于功能性骨置換，應(yīng)用的材料必須能夠承受外力并提供適當(dāng)?shù)妮喞�。目前，用于制造功能性骨置換假體的最常用材料是骨中的鈦和脊柱區(qū)域中的鉭1.94。在過(guò)去，不銹鋼也曾被應(yīng)用于制作骨假體，但由于金屬腐蝕和大量術(shù)后并發(fā)癥，導(dǎo)致螺釘松動(dòng)和巨噬細(xì)胞引起的炎癥反應(yīng)，其應(yīng)用目前已大大減少1風(fēng)縮。在CAD/CAM中使用鈦和鉭是由于它們的高熔點(diǎn)，使它們可用于增材制造方法，如選擇性激光熔融。 在功能性骨再生中，制造三維支架。植入的支架傾向于誘導(dǎo)骨形成，以便利用宿主的再生能力來(lái)替換丟失的組織并恢復(fù)缺損區(qū)域的形態(tài)和功能。組織工程支架已被用于提供空間支持，旨在促進(jìn)缺損部位的新骨形成。換言之，支架應(yīng)該優(yōu)先模擬細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的天然特性，包括天然骨組織ECM的礦物質(zhì)和有機(jī)部分網(wǎng)。支架放置后會(huì)發(fā)生降解，6~18個(gè)月后用正常解剖特征的天然骨組織替換支架。在功能性骨再生中，需要在較低溫度下形成與骨相似的材料。為了模擬電解加工，研究人員廣泛采用天然材料與合成材料作為基材。明膠、膠原蛋白、殼聚糖和纖維蛋白等天然聚合物或水凝膠通常用于FDM法重建仿骨支架 綢。以合成形式存在的有機(jī)支架通常包括甲基丙烯酸酯化明膠gdatin and methacrylate,GelMA)、聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和海藻酸鹽的混合物，也主要通過(guò)FDM方法制備 叫。骨樣礦物組織主要由磷酸三鈣(tricalcium phosphate,TCP)、羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA)或聚合物沿著與TCP或HA的復(fù)合物組成 。 綜上所述，CAD/CAM在骨重建手術(shù)中的另一類(lèi)應(yīng)用是通過(guò)保留一個(gè)受保護(hù)的愈合空間來(lái)實(shí)現(xiàn)原位骨再生。在CAD/CAM方法中，為了制作這個(gè)引導(dǎo)性或保護(hù)性的愈合空間，膜材料通常采用鈦，而首選的方法是選擇性激光熔融(SLM)?。以下章節(jié)將進(jìn)一步討論現(xiàn)代技術(shù)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，以及CADVCAM在口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用。