3D打印技術在頜面部多發骨折術前預測中的應用

丁琳琳，柴鑒深，楊茂進，何海濤，杜文俊

3D打印技術在頜面部多發骨折術前預測中的應用

丁琳琳，柴鑒深，楊茂進，何海濤，杜文俊

【摘要】目的評價3D打印技術對頜面部多發骨折術前預測的準確性和臨床應用價值。方法2014年6月~2015年3月收治的8名頜面部多發骨折患者，其中男性5例，女性3例； 年齡25~58歲，平均43歲。術前行頜面部三維重建CT，將數據輸入3D打印機，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及骨折固定材料預成型，并在實際手術中對比模型與真實骨折狀況的符合程度。結果3D打印模型可以準確復制面部骨折狀況，所有患者實際骨折情況與術前預測對應，手術時間明顯縮短，術后面部外形、咀嚼功能恢復良好。結論3D打印技術具有較高精確性，利用其進行骨折術前預測，可以提高手術準確性，縮短手術時間，并達到良好的修復效果。

【關鍵詞】頜面部骨折； 成型打印技術； 預成型； 預測

作者單位： 400042 重慶，第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所頜面外科

近年來，頜面部多發骨折的發生率呈明顯上升趨勢，常見的病因為道路交通傷、高處墜落傷等。其造成患者咬合錯亂和面部畸形，對患者的咀嚼功能和美觀造成嚴重的影響。而由于面部諸骨具有外形不規則的解剖特點，多發骨折精確復位的難度較大，特別是全面部骨折，涉及上下頜骨區、顴眶區、鼻眶篩區和(或)額區,其治療仍是口腔頜面部創傷治療的難點和挑戰[1]，加上因美觀需要面部手術需采用非骨折區的隱蔽切口入路，因此術前對骨折的具體部位、數量及移位情況的判斷和預測顯得尤為重要。以往傳統的預測方法是用CT三維成像照片直接判斷，估計需手術復位及內固定部位，其準確性不高，主要靠經驗。也有利用計算機軟件在虛擬的頭顱模型上進行骨折調整，但缺乏精確性和直觀性。而3D打印技術提供了更為理想的預測方法。筆者將患者術前頜面部三維重建CT數據輸入3D打印機，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、模擬骨折手術及骨折斷端固定材料預成型，并在術中與實際情況進行對比，旨在探討該方法的預測準確性，從而為其臨床應用的推廣提供進一步的科學依據。

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

內固定鈦板及鈦釘為西安中邦生產。3D打印機為美國3D Systems公司的3D Sytems打印機，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　術前預測及設計

以1例眶顴區陳舊性骨折為例。患者為摔傷，傷后1個月就診，行頜面部三維重建CT，將該三維重建CT數據輸入3D打印機，采用堆砌技術打印，歷時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量； 與正常側對比，測量明顯錯位部位斷端的最大移位距離；模擬復位，固定材料預成型，模擬內固定安裝。

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

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

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

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圖2a.三維重建CT上測得眶下緣骨折斷端位移距離，約為10.82mm; b.3D打印模型上測得眶下緣斷端位移距離，約為11.77mm; c.根據3D模型判斷所需固定骨折斷端部位，模擬復位后，用鈦板在3D模型上預成型，術中使用時僅略微調整

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

3.4手術切口右側顳部發髻內切口及右側眶下緣切口。術中顯露骨折部位后，觀察到局部骨折情況與預測模型一致，骨折數量、斷端移位程度較為匹配。故手術過程中按預測設計沿原骨折線松解右側顴額縫、顴弓、眶下緣，重新對位后，根據塑形板形態略微調整鈦板，并于預測位置進行安裝，觀察鈦板貼合，適當調整行堅固內固定。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。因患者傷后出現復視，遂用1塊眶底板墊入眶內，2顆鈦釘固定。

結果

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

圖3　術后3個月復查頜面部三維重建

討論

1　3D打印技術

3D打印，即快速成型技術[2]的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運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造物體的技術。在生物醫學領域，3D 打印技術已被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造，以及細胞或組織打印等方面[3]。

2　3D打印技術應用于頜面部骨折

個性化醫療是臨床醫學的發展方向之一。3D打印技術的出現使得外科醫生對患者進行“量體裁衣”的個性化治療成為可能。

2.1個性化模型頜骨形態不規則，一旦發生頜面部骨折，手術治療最重要的是恢復患者的咬合功能，其次是患者的面部外形，但傳統的影像資料只能看到頜骨的二維結構，3D打印能將二維的、平面的影像資料轉化為三維、立體的實物模型，特別是頜面部多發骨折，使醫生可以在直視下在該模型上對手術方案進行設計并模擬手術。

2.2術前預測及模擬手術利用3D打印技術打印出針對患者的個性化模型后，手術醫生將可以采取完全不同于以往的手術操作方式。以往對復雜的全面部陳舊性骨折，在術前主要依靠傳統的影像資料，根據醫生的臨床經驗來判斷骨折的部位、數量以及移位情況等，模擬手術則通常是在醫生的想象中完成。3D打印出實物模型后，醫生可以直視骨折的部位和數量、判斷骨折斷端移位的方向以及測量移位的多少，并可在模型上模擬手術，嘗試多種手術方案，在術前進行精確的預測，對實際手術起到指導性的作用。同時模擬手術可對術中固定材料進行預成型，以縮短手術時間。該組病例中，4例非陳舊性骨折中，術前預成型的固定材料與骨面貼合，無需調整，另4例陳舊性骨折中，均有不同程度的調整，但較傳統手術方式的調整幅度均有減小。

2.3個性化植入物伴有頜骨缺失或缺損的骨折，常規方法通常是取患者自身的骨，如髂骨，在術中根據缺失或缺損面積的大小修整好骨的形態后植入、固定。金屬3D打印技術的出現給硬組織外科植入物設計和制造提供了強大的技術支撐[4]，它可以利用計算機鏡像技術，根據患者健側的正常頜骨形態打印出患者患側頜骨在正常時的形態，從而根據缺失或缺損部位打印出相應的實體模型，并且這種實體模型較以往常規的傳統模型，質量較輕，力學性能可能與人體骨組織更為匹配[5]，達到良好的外形的恢復。2012 年，比利時 Hasselt 大學就利用金屬3D打印技術將鈦粉熔解后，打印出下頜骨，為1例83歲患者成功實施人工下頜骨置換術，術后患者恢復良好，語言及吞咽功能均無明顯改變[6]。該例手術的成功表明3D打印技術在修復頜骨的缺損或缺失上可以得到很好的應用，免去患者從自身取骨的創傷。

正如王成燾[7]所說： 一場由3D打印引起的醫學革命已然開始，相比于工業更迷戀于傳統生產方式的狀態，醫學界對于3D打印技術有一種先天的親切。特別是對于頜面部骨折患者來說，在面部外形及功能需同時兼顧的情況下，3D打印能夠精準恢復患者的面部外形，在術前可做出準確的預測，使術前準備更充分，縮短了手術時間，顛覆了傳統的手術方式，減小了患者手術創傷，值得推廣及應用。

參考文獻：

[1] 譚穎徽，王建華，張綱，等.全面部骨折手術治療的臨床研究[J].創傷外科雜志,2006，8(5)：402.

[2] Rengier F，Mehndiratta A，von Tengg-Kobligk H，et al.3D printing based on imaging data: review of medical applications [J].lnt J Comput Assist Radiol Surg，2010，5(4)：335-341.

[3] 余丹，劉建華，朱慧勇，等.3D打印技術在頜面骨缺損修復重建的應用[J].中國修復重建外科雜志,2014，28(3)：292.

[4] 胡敏，譚新穎，鄢榮曾，等.3D打印技術在口腔頜面外科領域中的應用進展[J].中國實用口腔科雜志,2014，7(6)：337.

[5] Hong SB，Eliaz N，Leisk GG，et al.A new Ti-5Ag alloy for customized prostheses by three-dimensional printing (3DP)[J].J Dent Res，2001，80(3)：860-863.

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

[7] 王成燾.醫學的3D打印革命[J].中國經濟和信息化，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】R 782.4

【文獻標識碼】A

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

文章編號：1009-4237(2015)05-0389-04