面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)在大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃中的應(yīng)用研究

戴妙軒 周佳 董又誠(chéng) 丁家成 高沁航 林思遠(yuǎn) 楊成帥 張?jiān)娎?/p>

顱頜面創(chuàng)傷的發(fā)生日益增多[1]，面中部骨折約占頜面部骨折的40%以上[2]，是頜面部骨折治療中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。面中部骨質(zhì)較為薄弱，骨折會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的顏面畸形和錯(cuò)頜畸形，不恰當(dāng)?shù)脑\斷和治療會(huì)嚴(yán)重影響患者的預(yù)后效果。隨著數(shù)字化技術(shù)及精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，虛擬手術(shù)規(guī)劃具有高度可預(yù)見性、直觀性和精確性等優(yōu)勢(shì)[3-4]，已在口腔顱頜面外科領(lǐng)域中發(fā)揮著重要且廣泛的作用[5-7]。虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)的精度對(duì)面部骨折診治，尤其是復(fù)雜面中部骨折，是極其重要的。

在頜面外科教學(xué)方面，虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)也被證實(shí)有較好的作用。對(duì)于臨床經(jīng)驗(yàn)較少、專業(yè)技能還不夠成熟的住院醫(yī)師（或醫(yī)學(xué)生），虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)提供了一種無(wú)創(chuàng)、安全、高效、可重復(fù)的練習(xí)方式，使他們能學(xué)習(xí)高難度的術(shù)式，熟悉手術(shù)的入路、切割、關(guān)鍵點(diǎn)[8]，為臨床實(shí)際操作做好充足的準(zhǔn)備。對(duì)于缺乏臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)學(xué)生，虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)能幫助他們更為直觀、立體地學(xué)習(xí)口腔頜面部解剖知識(shí)，并對(duì)頜面外科手術(shù)規(guī)劃及具體步驟能有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)[9]，學(xué)生接受度高，且可以重復(fù)操作，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)鉆研[10]。

為了培養(yǎng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)需要的創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型醫(yī)學(xué)人才，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院開展了大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱“大創(chuàng)”），旨在通過(guò)強(qiáng)化創(chuàng)新實(shí)踐、導(dǎo)向“科研育人”。為了順應(yīng)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院數(shù)字化建設(shè)發(fā)展的方向，本研究通過(guò)對(duì)醫(yī)學(xué)生進(jìn)行面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練，探索虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練在大創(chuàng)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2020 年6 月至2021 年5 月，選取上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科面中部骨折患者66 例（單側(cè)Zingg B 型顴上頜復(fù)合體骨折病例61 例及復(fù)雜面中部骨折病例5例），其中男39 例，女27 例，年齡21～70 歲，平均年齡41.97歲。

因?yàn)閆ingg B 型完全性單發(fā)顴骨骨折移位較明顯，CT 影像上額突、顳突、上頜突和眶下緣四個(gè)突起處的骨折線較清晰，臨床診治以及虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。因此，我們?cè)谂R床教學(xué)中選取單側(cè)Zingg B 型顴上頜復(fù)合體骨折為簡(jiǎn)單面中部骨折的練習(xí)對(duì)象。

1.2 虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)培訓(xùn)

選取來(lái)自上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院2018 級(jí)本科生2 名及2019 級(jí)本科生2 名。首先由1 名醫(yī)師講授頜面部骨折基本理論知識(shí)、臨床診斷、治療程序、治療原則和手術(shù)路徑等。其次，該醫(yī)師現(xiàn)場(chǎng)講解CT 影像數(shù)據(jù)的處理及三維可視化原理，使用1 例單側(cè)Zingg B 型顴上頜復(fù)合體骨折患者的術(shù)前CT 數(shù)據(jù)，以DICOM 格式導(dǎo)入Simplant 虛擬手術(shù)軟件中，進(jìn)行顱頜面骨的三維重建。最后，醫(yī)師示范骨折塊的分割復(fù)位原理及解剖標(biāo)志點(diǎn)的選擇，在軟件中演示骨折塊的分割、定點(diǎn)測(cè)量、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)以及模擬骨折復(fù)位手術(shù)，讓學(xué)生對(duì)治療程序、手術(shù)路徑等有一個(gè)詳細(xì)的了解。學(xué)生根據(jù)講解及示教內(nèi)容，練習(xí)該Zingg B 型顴上頜復(fù)合體骨折病例的骨折塊分割復(fù)位，提出操作過(guò)程中遇到的問(wèn)題，醫(yī)師引導(dǎo)學(xué)生分析討論、及時(shí)解答疑問(wèn)并對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)和操作進(jìn)行點(diǎn)評(píng)反饋。

1.3 簡(jiǎn)單面中部骨折的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練及評(píng)估

從61 例單側(cè)Zingg B 型顴上頜復(fù)合體骨折病例中隨機(jī)抽取1 例為訓(xùn)練后的測(cè)試病例，其余的60 例病例隨機(jī)平均分配給4 名學(xué)生，每人練習(xí)15 例病例的骨折塊分割復(fù)位。完成訓(xùn)練后，4 名學(xué)生統(tǒng)一進(jìn)行簡(jiǎn)單面中部骨折的骨折塊分割復(fù)位測(cè)試，記錄所用時(shí)長(zhǎng)，將復(fù)位結(jié)果導(dǎo)入Geomagic Studio 軟件中，與1 名設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富醫(yī)師的手術(shù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比擬合，使用偏差光譜分析功能評(píng)價(jià)學(xué)生虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)方案的精確度。

1.4 復(fù)雜面中部骨折的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練及評(píng)估

4 名學(xué)生每人練習(xí)5 例復(fù)雜面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)，記錄虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)所用時(shí)長(zhǎng)。每個(gè)病例隨機(jī)抽取1 名學(xué)生的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)，采用Geomagic Studio 軟件將其與1 名設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富醫(yī)師的手術(shù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行光譜偏差分析，以評(píng)價(jià)學(xué)生的手術(shù)設(shè)計(jì)方案。

2 結(jié)果

在單側(cè)Zingg B 型顴上頜復(fù)合體骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練中，4 名學(xué)生平均分割時(shí)間為22'54''，平均復(fù)位時(shí)間為20'05''；在復(fù)雜面中部骨折的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練中，學(xué)生完成每例虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)的平均分割時(shí)間為72 min，平均復(fù)位時(shí)間為33 min。

在簡(jiǎn)單面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)試中，4 名學(xué)生的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)方案與醫(yī)師的手術(shù)設(shè)計(jì)方案的偏差分別為（0.240 8±0.037 5）mm、（0.157 5±0.022 3）mm、（0.378 2±0.055 1）mm和（0.133 7±0.018 7）mm（圖1）。在復(fù)雜面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練中，5 例病例隨機(jī)抽取學(xué)生的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)方案與醫(yī)師的手術(shù)設(shè)計(jì)方案的偏差分別為（0.240 3±0.033 5）mm、（0.238 8±0.028 0）mm、（0.209 1±0.046 9）mm、（0.473 3±0.068 5）mm 和（0.140 8±0.019 9）mm（圖2）。學(xué)生與醫(yī)師的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)方案之間的偏差均小于0.5 mm，具有較高的一致性，說(shuō)明通過(guò)虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練，醫(yī)學(xué)生能夠較好地掌握面中部骨折的理論知識(shí)及虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)操作技能。

圖1 簡(jiǎn)單面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果及評(píng)估Fig.1 Results and evaluation of virtual surgical design for simple midfacial fractures

圖2 復(fù)雜面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練結(jié)果及評(píng)估Fig.2 Results and evaluation of virtual surgical design for complex midfacial fractures

3 討論

3.1 虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練在教學(xué)中的作用

虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練能大幅度提高學(xué)生的CT 影像讀片能力。本實(shí)驗(yàn)中的學(xué)生尚未進(jìn)入臨床實(shí)習(xí)階段，在訓(xùn)練之前很少接觸CT 影像，對(duì)骨折線的認(rèn)識(shí)仍停留于理論。通過(guò)15 例簡(jiǎn)單面中部骨折和5 例復(fù)雜面中部骨折的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練，學(xué)生能迅速識(shí)別頜面部骨塊，辨識(shí)骨折線，判斷骨折類型，將解剖和影像學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通。

其次，虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練有助于學(xué)生掌握和強(qiáng)化口腔頜面部解剖知識(shí)?；颊逤T 數(shù)據(jù)的三維重建使學(xué)生能清晰、直觀地看到口腔頜面部的復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)；骨折塊的分割復(fù)位訓(xùn)練能反復(fù)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)頜面部骨薄弱部位和骨折塊斷端解剖標(biāo)志點(diǎn)的記憶。

此外，虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練能使醫(yī)學(xué)生對(duì)口腔頜面部骨折的手術(shù)規(guī)劃及具體步驟有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)骨折類型選擇治療方式、了解手術(shù)路徑等。同時(shí)，數(shù)字化技術(shù)已在口腔顱頜面外科領(lǐng)域中發(fā)揮著重要且廣泛的作用，學(xué)生熟練掌握虛擬手術(shù)規(guī)劃軟件的操作，能為其未來(lái)的臨床工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練在面中部骨折診療中的作用

虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練在面中部骨折診療中能發(fā)揮積極作用。本研究結(jié)果顯示，通過(guò)訓(xùn)練，學(xué)生能夠較熟練掌握虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)軟件的使用。4 名學(xué)生在簡(jiǎn)單與復(fù)雜面中部骨折測(cè)試中的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)，與醫(yī)師的手術(shù)設(shè)計(jì)方案的偏差均小于0.5 mm，具有較高的一致性。這說(shuō)明虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練使學(xué)生對(duì)面中部骨折手術(shù)方案的設(shè)計(jì)能力顯著提升，從而能提高制定術(shù)前規(guī)劃方案的熟練度以及方案的可行性，為臨床實(shí)際操作提供更為合理的參考方案。

3.3 使用現(xiàn)有虛擬手術(shù)規(guī)劃軟件進(jìn)行復(fù)雜面中部骨折手術(shù)設(shè)計(jì)的局限性

3.3.1 鏡像平面的選取

對(duì)于單側(cè)面部骨折的患者，臨床上常以患者自身面中線作為參考平面，用鏡像技術(shù)將健側(cè)鏡像至患側(cè)，因此鏡像平面的選取對(duì)于骨折塊的精確復(fù)位至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生使用虛擬手術(shù)規(guī)劃軟件的親身體驗(yàn)，軟件中對(duì)稱平面的準(zhǔn)確建立并非易事，尤其是在復(fù)雜面中部骨折的虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)中。多數(shù)同學(xué)采用的方法是以經(jīng)過(guò)鼻根點(diǎn)、前鼻棘點(diǎn)和枕骨大孔中點(diǎn)的正中矢狀面為對(duì)稱平面，然而復(fù)雜面中部骨折中鼻根點(diǎn)和前鼻棘點(diǎn)往往容易受累，造成解剖標(biāo)志點(diǎn)的缺失，進(jìn)而影響鏡像平面的選取。即使是鼻根點(diǎn)和前鼻棘點(diǎn)未受累的骨折，判斷標(biāo)志點(diǎn)位置并在軟件中手動(dòng)選擇標(biāo)志點(diǎn)的過(guò)程也極易產(chǎn)生誤差，這將導(dǎo)致骨折塊復(fù)位的位置偏差。鏡像平面建立的不準(zhǔn)確常會(huì)造成治療效果的不理想，導(dǎo)致一系列面部畸形及功能障礙，如眼球運(yùn)動(dòng)異常及復(fù)視等[11]。

目前，鏡像平面的確立并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，采用鏡像技術(shù)時(shí)確立對(duì)稱平面的方法也不盡相同。沈國(guó)芳等[12]以雞冠為標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)確定雞冠的矢狀面來(lái)建立對(duì)稱平面，但此種方法要求患者雞冠的解剖位置正確且形態(tài)良好，因此部分面中部復(fù)雜骨折伴發(fā)顱腦外傷而損傷到雞冠的患者不能使用。Feng 等[13]在確立對(duì)稱平面時(shí)選取了3 個(gè)點(diǎn)，分別為左右髁突中心點(diǎn)及兩點(diǎn)連線的中點(diǎn)，并以過(guò)中點(diǎn)并與兩點(diǎn)連線垂直的平面為對(duì)稱平面。這種方法同樣存在著局限性，不適用于面中部復(fù)雜骨折合并髁突骨折或顳下頜關(guān)節(jié)移位的患者。葉蘭峰等[14]在上述兩種方法的基礎(chǔ)上，將鏡像后臨近的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，參考患側(cè)與健側(cè)的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)，作為對(duì)稱平面確立的輔助手段。

3.3.2 缺乏解剖標(biāo)志點(diǎn)和健側(cè)參考時(shí)復(fù)位困難

當(dāng)患者為面中部復(fù)雜骨折時(shí)，要準(zhǔn)確復(fù)位骨折塊則面臨更大的挑戰(zhàn)。對(duì)于雙側(cè)面中部骨折的患者，其骨折累及面中線致使鏡像功能無(wú)法使用，要考慮面部結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性并參考剩余殘端骨骼的特征解剖標(biāo)志點(diǎn)來(lái)模擬復(fù)位骨折塊。如果骨折累及雙側(cè)面中部的重要解剖標(biāo)志點(diǎn)，虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)骨折復(fù)位無(wú)法參考健側(cè)鏡像進(jìn)行虛擬重建，主要依靠醫(yī)師手法移動(dòng)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性復(fù)位[15]。對(duì)于臨床經(jīng)驗(yàn)較少的醫(yī)學(xué)生，虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)的難度因此大大提升。同時(shí)，解剖標(biāo)志點(diǎn)的缺失還使骨折斷端的對(duì)齊復(fù)位變得困難。

在臨床上，面中部骨折的手術(shù)應(yīng)以恢復(fù)3 大支柱（翼上頜支柱、顴上頜支柱、翼上頜支柱）、顴骨突度、眶上弓、眶下弓、顴弓、鼻骨弓、上頜槽弓位置為目的，恢復(fù)正常的咬合關(guān)系和面中部的寬度、高度和突度，矯正眼球運(yùn)動(dòng)與視力障礙[16]。顴骨的準(zhǔn)確復(fù)位固定是眼眶重建和解決眼球內(nèi)陷的關(guān)鍵，應(yīng)至少保證3 點(diǎn)固位，尤其是顴額縫、眶下緣和顴牙槽嵴的三維復(fù)位[17]。當(dāng)面中部復(fù)雜骨折累及顴骨時(shí)，顴牙槽突由于易發(fā)生粉碎性骨折，碎骨片較多，難以作為復(fù)位參考；而顴額突雖然相對(duì)較易復(fù)位，但當(dāng)上頜竇前外側(cè)壁骨折時(shí)，顴上頜支柱對(duì)位困難，顴額縫及眶下緣對(duì)位并不足以恢復(fù)骨折塊的正常位置[11]。對(duì)于上述兩種復(fù)位較為棘手的情況，可通過(guò)建立包含不同地區(qū)與人種的顱頜面三維數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇性地進(jìn)行匹配與參考，以實(shí)現(xiàn)個(gè)體化頜面骨外形的重建[18]。

此外，大量臨床研究已經(jīng)證實(shí)顱頜面并非絕對(duì)鏡像對(duì)稱。大量針對(duì)正常人群的研究顯示，顱頜面結(jié)構(gòu)存在一定的非對(duì)稱率[19-20]。因此,在使用虛擬手術(shù)規(guī)劃軟件時(shí)，一味機(jī)械性地依賴于健側(cè)鏡像為參考，也許并不能達(dá)到理想的復(fù)位效果。

3.3.3 分割復(fù)位繁瑣且耗時(shí)長(zhǎng)

在復(fù)雜面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練中，由于面中部復(fù)雜骨折累及骨塊多且不規(guī)則，學(xué)生分割骨折塊并復(fù)位的用時(shí)長(zhǎng)，體現(xiàn)了復(fù)雜面中部骨折虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)耗時(shí)長(zhǎng)、訓(xùn)練效率低的局限。同時(shí)，由于手動(dòng)分割骨折塊需要在每層CT 影像上用圓形工具擦除或勾畫出骨折塊范圍，不同直徑的圓形工具會(huì)對(duì)分割的精確程度產(chǎn)生直接影響。由于分割過(guò)程重復(fù)且繁瑣，訓(xùn)練者容易產(chǎn)生消極心態(tài)并快速粗略勾畫骨折塊范圍，犧牲了分割的精細(xì)程度，最終影響分割復(fù)位的效果。

3.3.4 復(fù)位時(shí)骨折斷端重疊

在復(fù)位骨折塊時(shí)，需要將相鄰骨折塊的斷端拼接對(duì)齊，而由于虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)軟件本身的局限性，難以避免兩個(gè)骨折塊斷端接合處出現(xiàn)重疊的情況，造成使用虛擬手術(shù)軟件設(shè)計(jì)的規(guī)劃方案的合理性下降，對(duì)實(shí)際臨床手術(shù)操作的參考價(jià)值大大降低。

3.4 虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練全新軟件開發(fā)的設(shè)想與前景

針對(duì)上述虛擬手術(shù)訓(xùn)練在面中部骨折診療中的局限性，我們期望今后能有一款自動(dòng)規(guī)劃面中部骨折整復(fù)的虛擬手術(shù)軟件，希望該軟件能突破市面上現(xiàn)有虛擬手術(shù)軟件在面中部復(fù)雜骨折方面的局限性，借助骨折塊自動(dòng)分割復(fù)位功能，自動(dòng)化地對(duì)復(fù)雜骨創(chuàng)傷整復(fù)手術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，在保證治療效果的同時(shí)，大大縮短手術(shù)規(guī)劃的時(shí)間。同時(shí)，醫(yī)學(xué)生在使用這款軟件進(jìn)行教學(xué)與訓(xùn)練時(shí)，無(wú)需將時(shí)間花費(fèi)在骨塊分割上，提高了訓(xùn)練效率；自動(dòng)化復(fù)位的模型也可與自己的設(shè)計(jì)及操作進(jìn)行對(duì)比，在驗(yàn)證精度后或許可作為評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，使虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)訓(xùn)練能更好且更廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)生頜面部骨折教學(xué)之中。