第 1 章? 先進技術和工業(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)領域的現(xiàn)代技術整合。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)結束后的1960年開始"。數(shù)字革命以電子和信息技術在自動化生產(chǎn)中的應用為特點2,它發(fā)生在工業(yè)化放緩及技術進步加速發(fā)展的時代背景下。因此，由于機械力量減輕了對人類勞動力的需求，導致了第四次工業(yè)革命在第三次工業(yè)革命的基礎上出現(xiàn)。第四次工業(yè)革命包括計算機生成的產(chǎn)品設計和三維(three-dimensional,3D)打印技術，即通過將工作材料連續(xù)堆積成層來制造物體3.3。這個時代以融合技術為特征，模糊了物理、數(shù)字和生物等領域的邊界。 這一變革的核心是在計算機輔助設計(computer-aided design,CAD)和隨后的計算機輔助制造(computer-aided manufacturing,CAM)中發(fā)展起來的。隨著CAD/CAM的發(fā)展，機器人手術(導航手術)也隨之發(fā)展，從而形成了經(jīng)口機器人手術(transoral robotic surgery,TORS)。隨后，兩者被應用于再生牙醫(yī)學。這導致了生物打印和生物反應器領域的出現(xiàn)。本章包括這些新技術及其在口腔頜面外科中的應用的一般介紹。 CAD技術在牙科領域的應用已有近20年的歷史l?。在口腔頜面外科領域，CAD可用于虛擬手術設計(virtual surgical planning,VSP)?-8及手術導板和夾板的設計-1]。CAD技術在牙科和醫(yī)學教育中也有一個新的領域，稱為“虛擬學習”(virtual-based learning,VBL)。隨著CAD的發(fā)展，CAM技術也取得了顯著的進步，并在牙科的不同領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)的兩個主要分支。這些技術有效應對了因顱面骨骼復雜的三維解剖而導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)學計算機模型的進步的基礎上產(chǎn)生的，它可以在設計和分析之前對物體進行建模。為了對物體進行建模，必須使用3D掃描儀或3D成像系統(tǒng)對物體進行拍照。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操作3D對象。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，無論其顏色如何，對象都將被轉(zhuǎn)化為在三維空間中的坐標點，從而提供對象的空間拓撲信息。此后，STL格式文件在軟件中渲染以對其進行成型和評估。在口腔頜面外科領域，CAD也促使了VSP的出現(xiàn)，以及手術導板、夾板和植入物的設計。虛擬學習是另一種基于CAD技術的牙科教育新分支。 CAM系統(tǒng)是在第三次和第四次工業(yè)革命后產(chǎn)生的，它是軟件和計算機控制的機械設備相結合的產(chǎn)物，不需要任何人工干預，旨在提供一個完全自動化的制造過程4。CAM包括兩個子分支：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雜的組件。AM,也稱為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(sdlective laser sintering,SLS)/選擇性激光熔融(selective laser melting,SLM)等技術。相反，材料去除和加工、鉆孔和銑削實體塊的受控過程被歸類為減材制造(subtactivemamufacturing,SM)技術。 隨著CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展，機器人手術也得到了發(fā)展。促進這些手術的實施是CAD/CAM技術與醫(yī)學科學集成的眾多目標之一。機器人手術或?qū)Ш绞中g旨在采用微創(chuàng)方式進入不易進入的解剖區(qū)域，如口腔后部、口咽、喉部、下咽，甚至顱底1。與單純的機器人手術相比，VSP聯(lián)合機器人手術已被證明可以縮短手術時間并改善患者預后12。在TORS中，機器人被固定在口腔內(nèi)，而外科醫(yī)生在監(jiān)視器上查看手術視野。這種方法可以通過為所有學生和住院醫(yī)生提供更好的可視化的手術環(huán)境來達到教育目的。 今天，醫(yī)學已經(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)生的關注。現(xiàn)代基于組織工程的方法通常采用干細胞、生長因子、支架和生物反應器的組合，旨在啟動和支持宿主的再生能力叫。上述技術可用于制造這些產(chǎn)品。 先進技術的使用使再生牙科領域取得了巨大的進步，生物打印和生物反應器是這一領域最重要的兩個新技術應用。為了生產(chǎn)工程組織，必須對組織的微觀和宏觀環(huán)境進行研究和生物設計。這樣做的目的是模仿體外的生理和機械組織條 件3。生物反應器被用來在某種程度上模擬人體的生理和機械特性。生物反應器的設計有不同類型的系統(tǒng)，包括流體動力學剪切應力、直接機械應力和基于電磁場(electromagneticficld,EMF)的生物反應器P。 生物打印是指增材制造(additive manufacturing.AM)技術。在此項技術中，支架是由細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為生物打印墨水。常用的生物打印技術分為擠出法、激光法和噴墨打印。在口腔頜面外科領域應用現(xiàn)代技術的所有領域?qū)⒃谝韵抡鹿?jié)中進一步討論。CAD/CAM在口腔頜面外科領域的應用主要有骨重建手術、正頜手術、種植牙和經(jīng)口機器人手術(圖1-2)9-4。 重建程序旨在恢復缺損區(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、吸收不可預測，以及長期結果變化是傳統(tǒng)重建方法的主要缺點網(wǎng)。因此，基于CAD/CAM的方法在克服這些缺點方面獲得了越來越多的關注。在骨重建中，CAD/CAM可用于虛擬缺損設計，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性化植入物(patient-specific implants,PSI)區(qū)。在正頜手術中，CAD/CAM可以用于VSPI?。它還用于制造手術導向器，在時間維度上為手術軌跡的規(guī)劃與實施帶來了顯著益處"。在牙種植領域，CAD/CAM也被用于制作手術導板叫。導航手術也是在種植醫(yī)學中的應用之一。最后，在機器人手術中，經(jīng)口機器人(腭裂)手術主要是在咽后部的軟組織手術中進行的，如軟腭。 在口腔頜面外科的重建手術中，術前對腫瘤或缺損區(qū)域的完整性和三維形貌進行評估是重要步驟網(wǎng)。這允許醫(yī)生以一種放松和悠閑的心態(tài)對病例進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。這進一步有助于在腫瘤/缺損擴展細節(jié)等方面進行綜合評估，不僅可以在術前進行，甚至可以在會見患者和查看二維X線片之前進行在原型或模型設計中，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的愈合空間(圖1-3)。 一方面，骨種植可以實現(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)品來恢復骨的標準和解剖輪席。個性化產(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。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。在應用這些材料時，需要使用增材制造的選擇性激光燒結方法。 另一方面，為了實現(xiàn)功能性骨替代，種植體必須恢復切除組織的功能行為，包括咀嚼和頜骨運動。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)生并切實承受咀嚼力。而對于功能性骨置換，應用的材料必須能夠承受外力并提供適當?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。在過去，不銹鋼也曾被應用于制作骨假體，但由于金屬腐蝕和大量術后并發(fā)癥，導致螺釘松動和巨噬細胞引起的炎癥反應，其應用目前已大大減少1風縮。在CAD/CAM中使用鈦和鉭是由于它們的高熔點，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骨形成，以便利用宿主的再生能力來替換丟失的組織并恢復缺損區(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，旨在促進缺損部位的新骨形成。換言之，支架應該優(yōu)先模擬細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的天然特性，包括天然骨組織ECM的礦物質(zhì)和有機部分網(wǎng)。支架放置后會發(fā)生降解，6~18個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的復合物組成 。 綜上所述，CAD/CAM在骨重建手術中的另一類應用是通過保留一個受保護的愈合空間來實現(xiàn)原位骨再生。在CAD/CAM方法中，為了制作這個引導性或保護性的愈合空間，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)將進一步討論現(xiàn)代技術的各個應用領域，以及CADVCAM在口腔頜面外科領域的應用。