3D打印技术结合虚拟复位在鼻-眶-筛粉碎性骨折整复中的应用研究
摘 要：目的 将3D打印技术应用在颌面部鼻-眶-筛粉碎性骨折整复手术中，探寻数字化外科在鼻-眶-筛复合骨折手术复位过程中的准确性及优势。方法 选取2017—2019年新疆医科大学第一附属医院收治的鼻-眶-筛粉碎性骨折患者17例。术前完成数据采集，根据DICOM软件数据进行患者头面部骨性解剖的3D虚拟重建，并同期完成虚拟复位，将虚拟复位后的模型在体外坚固内固定，置入钛板钛钉，在正式进行手术复位时以其作为手术复位的标准，指导手术。并通过术前与术后模型匹配，检验手术效果。结果 本组17例患者均顺利完成手术，术中结合术前虚拟复位标准进行了精准复位，与健侧数据进行对比，内眦间距、内眦鼻背矢状高度、鼻根指数、视觉模拟评分等检测数据均得到良好改善（P<0.05）。患者术后面部外形改善明显，复位效果较满意。结论 在3D打印技术支持下，通过术前采集测量、虚拟复位、术前预弯、术中指导等技术，极大地提高了鼻-眶-筛复合骨折术中复位的精准性。因本术式缩短了手术时间，故很大程度上减少了并发症的发生，值得临床开展应用。
关键词：鼻-眶-筛骨折 虚拟复位 粉碎性骨折 3D打印技术
鼻-眶-筛骨折（naso-orbital-ethmoid fracture,NOE）属于非常复杂的面中部骨折，因面部尤其是面中部解剖复杂，骨性标志较多，与颅底关系紧密，且骨缝众多，具有特殊性，故发生骨折后会有多种多样的临床表现；并且往往合并多种多样的并发症，常见并发症有创伤性鼻泪管阻塞、创伤性泪囊炎、颅内出血，严重的颅脑损伤可引起死亡，且极易漏诊或误诊[1]，故治疗难度大。目前国内外对于该疾病的研究重点主要涉及手术方式的选择、疾病的分类、术前术后的护理等方面[2],而目前比较流行的数字化外科理念也逐渐被手术医师所接受；在医学领域方面，该技术被用于器官再生、重建、精准外科操作等多个方面[3],起到了很好的效果,其中3D打印技术是近年来新兴的外科技术。自2017—2019年，新疆医科大学第一附属医院将3D打印技术(镜像、反求、虚拟复位等技术)应用到NOE整复中，并探讨其优势并评价其精准性。现报道如下。
1 资料与方法
1.1 一般资料
本组共17例患者。男性11例，女性6例；年龄28～56岁，平均34岁。均为鼻-眶-筛粉碎性骨折。单纯NOE骨折9例；合并颅面其他部位骨折8例，其中全面部骨折4例。临床表现为内眦间距增宽、鼻畸形、面中部塌陷，面部比例不协调等。15例眼球内陷和（或）下陷，9例眼球运动受限，5例伴复视，3例伤后出现脑脊液鼻漏，1例溢泪。
1.2 临床检查及数据测量
所有患者分别在术前，术后5、10、30 d接受临床检查及数据测量。
1.2.1 临床检查
面部外形改变（是否存在面形不对称、面中部塌陷及其程度）及肿胀程度；是否存在感染、脑脊液鼻漏、脑脊液耳漏；咬及开口度情况；双眼的视力及是否存在复视及眶下区麻木情况；了解眼球运动受限程度（主动收缩及被动拉伸试验）；是否存在鼻泪管溢泪、溢脓及泪道狭窄等。
1.2.2数据测量
内眦间距：患者与测量者对坐，平视前方；测量者以钢板直尺于两瞳孔水平线上测量内眦间的距离为双眼内侧眼角之间的连线[4]。内眦处鼻背矢状高度：患者取平卧位，测量者将钢板直尺垂直于内眦，测量内眦至鼻背最高处的距离为内眦处鼻背矢状高度。
1.3 术前准备及实施手术
1.3.1 打印模型A
将患者术前CT影像拷入Mimics 19.0软件中成像，打印1∶1头面部骨折模型A（图1a～c），分析A模型的一般情况（骨折部位、骨折类型、周围组织情况等），与患者及家属沟通病情时使用A模型。3D打印机由新疆澳博瑞盛有限公司提供。打印材料主要成分为生物降解塑料聚乳酸。
1.3.2虚拟复位并打印模型B
将A模型数据拷入Mimics 19.0软件中成像。在计算机虚拟状态下，参照正常人颌面部骨性标志，对A模型进行虚拟复位。打印虚拟复位后的1∶1头面部骨折模型B（图1d）。A模型打印后，需要进行模拟复位，因受材料因素限制，A模型无法进行移动、复位等操作，故该技术只能在Mimics 19.0软件中实现，这就是本研究中的一大亮点———虚拟复位。在计算机软件中我们可以重建出每一骨块，根据需要将骨折断端及移位的骨块移动到目标区域进行虚拟手术复位。复位后打印出B模型。该模型就是拟达到的最终手术治疗效果。其中涉及到眼眶、鼻骨骨折等对称性解剖组[5]，采用镜像反求技术将健侧数据反求到患侧。本组部分骨折病例为双侧发生，无法使用镜像技术，故将虚拟复位参数参照正常人解剖标志参数。此过程主要术者全程参与。
1.3.3 钛板塑形
术者在模型B上进行钛板钛钉预弯，坚固内固定，此过程中部分陈旧性骨折病例钛板无法完全匹配，需要进行局部微调，但最大模型误差（骨折断端移位程度）不超过2 mm。术前术者再次在B模型上进行演练（图1e），并将B模型作为术后拟达到的程度与患者进行详细沟通。将B模型及钛板钛钉消毒后备用。内固定钛板及钛钉由北京纳通科技集团有限公司生产。
1.3.4 指导手术操作
涉及到的手术切口包括全冠切口、耳颞切口、下睑缘切口、双侧上颌前庭沟切口、鼻根附加切口、原瘢痕切口等。术中将骨折断端充分显露并松解，保护周围重要血管、神经，松解嵌塞的肌肉及周围软组织，将预弯的钛板钛钉从B模型上取出，参照B模型的复位程度，将实际骨折断端进行复位，并将预弯的钛板钛钉置入术区，见图1f,g。观察实际复位情况与术前虚拟复位的匹配程度，并测量变形量。部分病例进行适当的微调，最后行坚固内固定。术后2～3 d复查上下颌骨三维CT，见图1h。观察复位情况，并对相关并发症进行对症及支持治疗。
1.3.5 匹配检验手术效果
患者术后2～3 d复查上下颌骨三维CT，并将数据拷入Mimics 19.0软件中成像，形成模型C。在该软件中将模型B与C进行重叠匹配，检验手术效果。
1.4 面部畸形自评
患者在术前、术后分别进行视觉模拟评分（visual analogue scale/score,VAS）。患者根据评分标准对自己面部畸形程度进行自评。1～4分为不满意，>4～7分为基本满意，>7～10分为非常满意。
1.5 统计学处理
由课题组成员收集数据，采用Epidata 3.1软件进行双录入数据。采用SPSS 20.0软件对数据进行统计学分析。测量数据的术前术后比较采用配对t检验、VAS自评结果比较采用秩和检验。检验水准取α=0.05,P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
本组17例患者均顺利完成手术，获随访6～9个月。所有患者的不适症状及阳性体征均得到明显改善（图1i）。2例患者术前预弯的钛板在术中进行了微调，未修减钛板。4例患者出现术后发热、感染，其中1例睑缘切口感染、2例鼻根附加切口感染、1例头皮冠状切口感染，通过彻底引流、抗炎对症治疗，出院前均得到控制。15例眼球内陷患者中，仍有2例患者未得到明显改善，其中1例眼球活动受限并伴有复视，术后3个月时无明显改善，术后6个月时复视消失，但眼球活动仍有轻度受限，患者基本满意；另1例眼球内陷患者未得到明显改善，但无复视情况，患者无再次手术意愿。3例脑脊液鼻漏患者，术后1个月症状消失。
图1 42岁女性，鼻-眶-筛粉碎性骨折a.术前正位b.模拟复位前c.3D打印A模型d.模拟复位后e.术前预弯f.术中g.术后匹配h.术后3 d i.术后6个月
统计学处理结果：⑴内眦间距、内眦鼻背矢状高度、鼻根指数术前与术后5、10、30 d相比，差异均有统计学意义（P<0.05），见表1。⑵VAS自评分术前与术后分别为（3.46±1.25）和（7.58±2.07）分，其差异具有统计学意义（P<0.05）。⑶Mimics 19.0软件中成像，模型B与C进行匹配重叠后，7处标记点移位分别为：右侧眼眶外侧1.99 mm，右侧眼眶下缘2.00 mm，右侧内眦（眶内侧）1.91 mm，鼻根点1.95 mm，左侧内眦（眶内侧）1.54 mm，左侧眼眶下缘1.97 mm，左侧眼眶外侧1.89 mm。最大移位均≤2.00 mm。结合患者自评分，该匹配效果有效。
表1 17例患者手术前后内眦间距、内眦鼻背矢状高度、鼻根指数比较
3 讨论
通过计算机辅助设计、虚拟复位等技术，本组所有患者内眦间距、内眦鼻背矢状高度及鼻根指数在术后都恢复至正常水平，极大地改善了患者的面部畸形和功能。因部分检测指标为软组织测量数据，面部外伤或手术创伤均可造成软组织肿胀，影响研究的精准性，为了避免误差，本组患者手术时机均在外伤后5～7 d，待面部软组织肿胀明显消退后再行术前数据采集及手术治疗，患者术后因手术创伤导致的面部软组织再次肿胀，故避开肿胀高峰期，在术后5、10、30 d再次进行数据采集，极大避免了肿胀到消退期间的数据偏倚。内眦间距、内眦鼻背矢状高度及鼻根指数均是颌面部NOE复位的检测指标,本研究检测数据结果与张益和安金刚[6]研究结果一致。
将3D打印技术运用到NOE整复中，有很大的优势。首先，打印出实体模型后，术者可以直观的了解患者骨折的部位和数量，明确骨折断端移位的距离及方向。在预演手术时，其还可以打印出手术区域周围重要的血管、神经、器官。对术者判断患者伤情、制定手术计划有很大的帮助。其次，在打印的模型上提前预演手术，通过虚拟复位，可以采取多种不同的手术方案，对实际手术起到指导性的作用。将预成型的钛板直接运用到手术中，无须重新进行钛板弯制。我们采用3D打印技术实施手术复位,能将手术时间缩短至1.5～2.0 h,既往传统手术所需的手术时间为2.0～3.0 h,极大地缩短了手术时间,减少了并发症的发生率。最后，涉及鼻骨粉碎性骨折,手术复位难度更大[7],而利用计算机镜像技术，根据健侧的正常骨性标志打印出患侧拟复位标准形态，打印出的模型力学性能与人体骨组织更为匹配[8]，并且面部外形得到良好的恢复。本组所有患者在置入术前预成形的钛板后，发现与骨面贴合，仅有2例行局部微调，但较传统手术方式的调整幅度均有减小。我们在术中导航匹配时，随机选取的坐标点，移位程度均小于2 mm。术后复查上下颌三维CT，采集数据后形成模型C，将模型B与C进行重叠匹配，可以侧面了解手术精准性的程度，也可以客观评价手术医师的诊疗水平，对提升医师手术技艺有很大的帮助，本组病例基本都能达到术前预计的复位效果，体现了3D打印技术带来的精准性。
近些年来，3D打印技术在外科领域得到了广泛应用[9-11]，主要使用镜像、反求功能指导手术。但本研究中也发现了一些不足及缺陷。本研究最大的亮点是虚拟复位，即是医师在计算机上虚拟完成，完全凭借手术医师个人意愿及临床经验。虽然我们的评价标准有健侧解剖标准，正常男性、女性头面部骨性标准，但是标准适用于所有人群就必然会忽略个性，尤其NOE是一种复杂的面中部骨折。鼻骨是由周围多处骨质拼接组成[12-14]，向内通向诸多窦腔；骨质在遭受外力打击后会出现各种各样的移位，不一定都具有一致性及对称性。如果临床医师过分的强调解剖复位或缺乏对术中软组织因素的考虑，可能会适得其反，加大手术难度，增加手术风险及并发症。而虚拟复位与现实复位仍然存在着差异，影像失真是无法规避的问题，虚拟复位时也不能完全模拟出实际情况。虚拟复位的效果无法在现实中得到完全实现，起主导作用的仍然是术者。3D打印技术不能代替手术医师，这就要求实施手术的医师具有高超的手术技术，在术中做出取舍，严格遵循骨折复位原则。因此，借助该辅助技术能更好地完成手术。利用3D打印技术虽然极大地提高了精准性，但仍有进步的空间。我们还可以应用术中导航系统辅助实施手术，在术中可以直观的看到骨折断端移位的距离，与虚拟复位后位置的差距，随时调整，这样能更加精准地完成手术，但因本研究硬件技术有限，未使用术中导航系统，有待于后续研究。
综上所述，3D打印技术给硬组织的外科手术带来强大的技术支撑。采用3D打印技术协助进行NOE整复,可以提高手术效率,缩短手术时间,减少手术并发症,值得推广及应用。
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