3D打印技術(shù)在頜面部多發(fā)骨折術(shù)前預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

丁琳琳，柴鑒深，楊茂進(jìn)，何海濤，杜文俊

3D打印技術(shù)在頜面部多發(fā)骨折術(shù)前預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

丁琳琳，柴鑒深，楊茂進(jìn)，何海濤，杜文俊

【摘要】目的評(píng)價(jià)3D打印技術(shù)對(duì)頜面部多發(fā)骨折術(shù)前預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和臨床應(yīng)用價(jià)值。方法2014年6月~2015年3月收治的8名頜面部多發(fā)骨折患者，其中男性5例，女性3例； 年齡25~58歲，平均43歲。術(shù)前行頜面部三維重建CT，將數(shù)據(jù)輸入3D打印機(jī)，制成與患者頜面部1∶1的快速成型模型，在模型上模擬骨折手術(shù)及骨折固定材料預(yù)成型，并在實(shí)際手術(shù)中對(duì)比模型與真實(shí)骨折狀況的符合程度。結(jié)果3D打印模型可以準(zhǔn)確復(fù)制面部骨折狀況，所有患者實(shí)際骨折情況與術(shù)前預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)，手術(shù)時(shí)間明顯縮短，術(shù)后面部外形、咀嚼功能恢復(fù)良好。結(jié)論3D打印技術(shù)具有較高精確性，利用其進(jìn)行骨折術(shù)前預(yù)測(cè)，可以提高手術(shù)準(zhǔn)確性，縮短手術(shù)時(shí)間，并達(dá)到良好的修復(fù)效果。

【關(guān)鍵詞】頜面部骨折； 成型打印技術(shù)； 預(yù)成型； 預(yù)測(cè)

作者單位： 400042 重慶，第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所頜面外科

近年來，頜面部多發(fā)骨折的發(fā)生率呈明顯上升趨勢(shì)，常見的病因?yàn)榈缆方煌▊⒏咛帀嬄鋫?。其造成患者咬合錯(cuò)亂和面部畸形，對(duì)患者的咀嚼功能和美觀造成嚴(yán)重的影響。而由于面部諸骨具有外形不規(guī)則的解剖特點(diǎn)，多發(fā)骨折精確復(fù)位的難度較大，特別是全面部骨折，涉及上下頜骨區(qū)、顴眶區(qū)、鼻眶篩區(qū)和(或)額區(qū),其治療仍是口腔頜面部創(chuàng)傷治療的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)[1]，加上因美觀需要面部手術(shù)需采用非骨折區(qū)的隱蔽切口入路，因此術(shù)前對(duì)骨折的具體部位、數(shù)量及移位情況的判斷和預(yù)測(cè)顯得尤為重要。以往傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法是用CT三維成像照片直接判斷，估計(jì)需手術(shù)復(fù)位及內(nèi)固定部位，其準(zhǔn)確性不高，主要靠經(jīng)驗(yàn)。也有利用計(jì)算機(jī)軟件在虛擬的頭顱模型上進(jìn)行骨折調(diào)整，但缺乏精確性和直觀性。而3D打印技術(shù)提供了更為理想的預(yù)測(cè)方法。筆者將患者術(shù)前頜面部三維重建CT數(shù)據(jù)輸入3D打印機(jī)，打印出與患者頜骨1∶1的模型，并在該模型上分析骨折狀況、模擬骨折手術(shù)及骨折斷端固定材料預(yù)成型，并在術(shù)中與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，旨在探討該方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，從而為其臨床應(yīng)用的推廣提供進(jìn)一步的科學(xué)依據(jù)。

臨床資料

1　一般資料

2014年6月~2015年3月，筆者收治8例頜面部多發(fā)骨折患者，男性5例，女性3例； 年齡25~58歲，平均43歲。致傷原因： 道路交通傷5例，高處墜落傷2例，面部擊打傷1例。其中Lefort Ⅰ型骨折1例，Lefort Ⅱ型骨折1例，眶顴區(qū)陳舊性骨折3例，下頜骨骨折2例，上頜骨陳舊性骨折1例。

2　材料

內(nèi)固定鈦板及鈦釘為西安中邦生產(chǎn)。3D打印機(jī)為美國(guó)3D Systems公司的3D Sytems打印機(jī)，由百脈科技有限公司提供。打印材料為生物降解塑料聚乳酸(PLA)。

3　術(shù)前預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)

以1例眶顴區(qū)陳舊性骨折為例。患者為摔傷，傷后1個(gè)月就診，行頜面部三維重建CT，將該三維重建CT數(shù)據(jù)輸入3D打印機(jī)，采用堆砌技術(shù)打印，歷時(shí)4h。獲得1∶1面顱骨模型。在模型上分析骨折情況，記錄在模型上可以觀察的骨折數(shù)量； 與正常側(cè)對(duì)比，測(cè)量明顯錯(cuò)位部位斷端的最大移位距離；模擬復(fù)位，固定材料預(yù)成型，模擬內(nèi)固定安裝。

3.1骨折數(shù)量3D打印模型上所記錄的骨折數(shù)量與三維CT所顯示的骨折部位的骨折情況基本一致，但無明顯移位、錯(cuò)位的骨折在模型上顯示不太明顯，需結(jié)合CT照片共同確認(rèn)(圖1)。

3.2斷端情況從該患者3D模型上看，該患者右側(cè)眶外緣、眶下緣有明顯錯(cuò)位，眶下緣處移位距離較大，且可直觀觀察到右側(cè)顴骨體向下移位并略向內(nèi)旋。在眶下緣骨折斷端有明顯移位，分別測(cè)量三維CT及3D模型上的最大移位距離，數(shù)據(jù)差別不超過1mm(圖2)。

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圖1患者術(shù)前三維重建CT及3D打印模型，該患者3D模型顯示的右側(cè)眶顴區(qū)骨折(眶外緣、眶下緣及右側(cè)顴弓)與三維CT顯示的骨折情況一致，但右側(cè)顴弓處骨折斷端移位、塌陷不明顯，需結(jié)合三維重建CT共同確認(rèn)。a.三維CT正面觀； b.3D模型正面觀； c.三維CT側(cè)面觀； d.3D模型側(cè)面觀

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圖2a.三維重建CT上測(cè)得眶下緣骨折斷端位移距離，約為10.82mm; b.3D打印模型上測(cè)得眶下緣斷端位移距離，約為11.77mm; c.根據(jù)3D模型判斷所需固定骨折斷端部位，模擬復(fù)位后，用鈦板在3D模型上預(yù)成型，術(shù)中使用時(shí)僅略微調(diào)整

3.3鈦板塑形在非陳舊性骨折病例中，大部分根據(jù)塑形板塑形的鈦板可以直接較好地與骨面匹配，無需再調(diào)整； 在陳舊性骨折病例中，鈦板完全匹配的情況較少，多需要重新進(jìn)行調(diào)整。

3.4手術(shù)切口右側(cè)顳部發(fā)髻內(nèi)切口及右側(cè)眶下緣切口。術(shù)中顯露骨折部位后，觀察到局部骨折情況與預(yù)測(cè)模型一致，骨折數(shù)量、斷端移位程度較為匹配。故手術(shù)過程中按預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)沿原骨折線松解右側(cè)顴額縫、顴弓、眶下緣，重新對(duì)位后，根據(jù)塑形板形態(tài)略微調(diào)整鈦板，并于預(yù)測(cè)位置進(jìn)行安裝，觀察鈦板貼合，適當(dāng)調(diào)整行堅(jiān)固內(nèi)固定。分別使用2塊6孔鈦板、12顆鈦釘固定顴額縫及顴弓，用1塊4孔鈦板、4顆鈦釘固定眶下緣。因患者傷后出現(xiàn)復(fù)視，遂用1塊眶底板墊入眶內(nèi)，2顆鈦釘固定。

結(jié)果

術(shù)中觀察到骨折數(shù)量、斷端移位情況與術(shù)前在3D模型上預(yù)測(cè)較為一致。在術(shù)中測(cè)得患者眶下緣骨折斷端位移距離約為10mm，與在3D模型上測(cè)得的位移距離較為符合。術(shù)中實(shí)際觀察到患者右側(cè)顴弓有明顯裂紋并輕度塌陷，但在3D模型上顯示不太明顯，故對(duì)于錯(cuò)位不明顯的斷端，仍需根據(jù)術(shù)中探查后決定。使用3D打印模型后，對(duì)于在術(shù)前判斷骨折具體部位、需要固定的數(shù)量及鈦板數(shù)量的準(zhǔn)備上更充分，且患者的手術(shù)時(shí)間較以前同類型手術(shù)時(shí)間平均縮短近1h，患者的面部外形輪廓較好，咬合關(guān)系恢復(fù)良好，患者對(duì)術(shù)后的面部外形及功能均表示滿意。術(shù)后3個(gè)月行頜面部三維重建檢查，骨折對(duì)位、愈合良好(圖3)。

圖3　術(shù)后3個(gè)月復(fù)查頜面部三維重建

討論

1　3D打印技術(shù)

3D打印，即快速成型技術(shù)[2]的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)已被應(yīng)用于器官模型的制造與手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細(xì)胞或組織打印等方面[3]。

2　3D打印技術(shù)應(yīng)用于頜面部骨折

個(gè)性化醫(yī)療是臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向之一。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得外科醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行“量體裁衣”的個(gè)性化治療成為可能。

2.1個(gè)性化模型頜骨形態(tài)不規(guī)則，一旦發(fā)生頜面部骨折，手術(shù)治療最重要的是恢復(fù)患者的咬合功能，其次是患者的面部外形，但傳統(tǒng)的影像資料只能看到頜骨的二維結(jié)構(gòu)，3D打印能將二維的、平面的影像資料轉(zhuǎn)化為三維、立體的實(shí)物模型，特別是頜面部多發(fā)骨折，使醫(yī)生可以在直視下在該模型上對(duì)手術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)并模擬手術(shù)。

2.2術(shù)前預(yù)測(cè)及模擬手術(shù)利用3D打印技術(shù)打印出針對(duì)患者的個(gè)性化模型后，手術(shù)醫(yī)生將可以采取完全不同于以往的手術(shù)操作方式。以往對(duì)復(fù)雜的全面部陳舊性骨折，在術(shù)前主要依靠傳統(tǒng)的影像資料，根據(jù)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)來判斷骨折的部位、數(shù)量以及移位情況等，模擬手術(shù)則通常是在醫(yī)生的想象中完成。3D打印出實(shí)物模型后，醫(yī)生可以直視骨折的部位和數(shù)量、判斷骨折斷端移位的方向以及測(cè)量移位的多少，并可在模型上模擬手術(shù)，嘗試多種手術(shù)方案，在術(shù)前進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)，對(duì)實(shí)際手術(shù)起到指導(dǎo)性的作用。同時(shí)模擬手術(shù)可對(duì)術(shù)中固定材料進(jìn)行預(yù)成型，以縮短手術(shù)時(shí)間。該組病例中，4例非陳舊性骨折中，術(shù)前預(yù)成型的固定材料與骨面貼合，無需調(diào)整，另4例陳舊性骨折中，均有不同程度的調(diào)整，但較傳統(tǒng)手術(shù)方式的調(diào)整幅度均有減小。

2.3個(gè)性化植入物伴有頜骨缺失或缺損的骨折，常規(guī)方法通常是取患者自身的骨，如髂骨，在術(shù)中根據(jù)缺失或缺損面積的大小修整好骨的形態(tài)后植入、固定。金屬3D打印技術(shù)的出現(xiàn)給硬組織外科植入物設(shè)計(jì)和制造提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐[4]，它可以利用計(jì)算機(jī)鏡像技術(shù)，根據(jù)患者健側(cè)的正常頜骨形態(tài)打印出患者患側(cè)頜骨在正常時(shí)的形態(tài)，從而根據(jù)缺失或缺損部位打印出相應(yīng)的實(shí)體模型，并且這種實(shí)體模型較以往常規(guī)的傳統(tǒng)模型，質(zhì)量較輕，力學(xué)性能可能與人體骨組織更為匹配[5]，達(dá)到良好的外形的恢復(fù)。2012 年，比利時(shí) Hasselt 大學(xué)就利用金屬3D打印技術(shù)將鈦粉熔解后，打印出下頜骨，為1例83歲患者成功實(shí)施人工下頜骨置換術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)良好，語(yǔ)言及吞咽功能均無明顯改變[6]。該例手術(shù)的成功表明3D打印技術(shù)在修復(fù)頜骨的缺損或缺失上可以得到很好的應(yīng)用，免去患者從自身取骨的創(chuàng)傷。

正如王成燾[7]所說： 一場(chǎng)由3D打印引起的醫(yī)學(xué)革命已然開始，相比于工業(yè)更迷戀于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的狀態(tài)，醫(yī)學(xué)界對(duì)于3D打印技術(shù)有一種先天的親切。特別是對(duì)于頜面部骨折患者來說，在面部外形及功能需同時(shí)兼顧的情況下，3D打印能夠精準(zhǔn)恢復(fù)患者的面部外形，在術(shù)前可做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，使術(shù)前準(zhǔn)備更充分，縮短了手術(shù)時(shí)間，顛覆了傳統(tǒng)的手術(shù)方式，減小了患者手術(shù)創(chuàng)傷，值得推廣及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[6] Nickels L.World’s first patient-specific jaw implants[J].Metal Powder Report，2012，67(2)：12-14.

[7] 王成燾.醫(yī)學(xué)的3D打印革命[J].中國(guó)經(jīng)濟(jì)和信息化，2013，(13)：48-49.

(本文編輯： 黃小英)

·論著·

Application of three dimensional printing technique in preoperative

prediction of multiple maxillofacial fractures

DINGLin-lin，CHAIJian-shen，YANGMao-jin，HEHai-tao,DUWen-jun

(Department of Maxillofacial Surgery,Institute of Surgery Research,Daping Hospital,

Third Military Medical University,Chongqing400042,China)

【Abstract】ObjectiveTo evaluate the preoperative prediction accuracy and clinical application value of three dimensional(3D) printing technology in the management of multiple maxillofacial fractures. MethodsEight patients with multiple maxillofacial fractures in our hospital from Jun.2014 to Mar.2015 were chosen to undergo CT scanning with maxillofacial 3D reconstruction before operation. The data was input to 3D printer to yield rapid prototyping model with the same size of patients’maxillofacial regions. Simulations of fracture surgery and pre-forming of fracture fixation materials were conducted on the model to compare the consistency of model with the data obtained from real fracture operations. Results3D printing models can accurately replicate the facial fractures. The actual fracture conditions of all patients were corresponding to preoperative prediction with operation time shortened significantly and good recovery of facial appearance and masticatory function. ConclusionWith high precision,3D printing technique can be applied to the preoperative prediction of multiple maxillofacial fractures in order to improve the surgical accuracy,shorten the surgical time and achieve effective rehabilitation.

【Key words】maxillofacial fractures; prototyping technology; pre-forming; prediction

收稿日期：( 2015-05-05； 修回日期： 2015-07-01)

通訊作者：柴鑒深，E-mail：Chaijianshen@163.com

【中圖分類號(hào)】R 782.4

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【DOI】10.3969/j.issn.1009-4237.2015.05.002

文章編號(hào)：1009-4237(2015)05-0389-04