面中部骨折虛擬手術設計在大學生創新訓練計劃中的應用研究

戴妙軒 周佳 董又誠 丁家成 高沁航 林思遠 楊成帥 張詩雷

顱頜面創傷的發生日益增多[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和重點。面中部骨質較為薄弱，骨折會導致嚴重的顏面畸形和錯頜畸形，不恰當的診斷和治療會嚴重影響患者的預后效果。隨著數字化技術及精準醫學的不斷發展，虛擬手術規劃具有高度可預見性、直觀性和精確性等優勢[3-4]，已在口腔顱頜面外科領域中發揮著重要且廣泛的作用[5-7]。虛擬手術設計的精度對面部骨折診治，尤其是復雜面中部骨折，是極其重要的。

在頜面外科教學方面，虛擬手術設計也被證實有較好的作用。對于臨床經驗較少、專業技能還不夠成熟的住院醫師（或醫學生），虛擬手術設計提供了一種無創、安全、高效、可重復的練習方式，使他們能學習高難度的術式，熟悉手術的入路、切割、關鍵點[8]，為臨床實際操作做好充足的準備。對于缺乏臨床經驗的醫學生，虛擬手術設計能幫助他們更為直觀、立體地學習口腔頜面部解剖知識，并對頜面外科手術規劃及具體步驟能有一個整體的認識[9]，學生接受度高，且可以重復操作，有利于學生自主學習鉆研[10]。

為了培養創新型國家建設需要的創新型、應用型、復合型醫學人才，上海交通大學醫學院開展了大學生創新訓練計劃（以下簡稱“大創”），旨在通過強化創新實踐、導向“科研育人”。為了順應上海交通大學醫學院數字化建設發展的方向，本研究通過對醫學生進行面中部骨折虛擬手術設計訓練，探索虛擬手術設計訓練在大創中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

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

因為Zingg B 型完全性單發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突起處的骨折線較清晰，臨床診治以及虛擬手術設計簡單。因此，我們在臨床教學中選取單側Zingg B 型顴上頜復合體骨折為簡單面中部骨折的練習對象。

1.2 虛擬手術設計培訓

選取來自上海交通大學口腔醫學院2018 級本科生2 名及2019 級本科生2 名。首先由1 名醫師講授頜面部骨折基本理論知識、臨床診斷、治療程序、治療原則和手術路徑等。其次，該醫師現場講解CT 影像數據的處理及三維可視化原理，使用1 例單側Zingg B 型顴上頜復合體骨折患者的術前CT 數據，以DICOM 格式導入Simplant 虛擬手術軟件中，進行顱頜面骨的三維重建。最后，醫師示范骨折塊的分割復位原理及解剖標志點的選擇，在軟件中演示骨折塊的分割、定點測量、移動、旋轉以及模擬骨折復位手術，讓學生對治療程序、手術路徑等有一個詳細的了解。學生根據講解及示教內容，練習該Zingg B 型顴上頜復合體骨折病例的骨折塊分割復位，提出操作過程中遇到的問題，醫師引導學生分析討論、及時解答疑問并對學生的設計和操作進行點評反饋。

1.3 簡單面中部骨折的虛擬手術設計訓練及評估

從61 例單側Zingg B 型顴上頜復合體骨折病例中隨機抽取1 例為訓練后的測試病例，其余的60 例病例隨機平均分配給4 名學生，每人練習15 例病例的骨折塊分割復位。完成訓練后，4 名學生統一進行簡單面中部骨折的骨折塊分割復位測試，記錄所用時長，將復位結果導入Geomagic Studio 軟件中，與1 名設計經驗豐富醫師的手術設計方案進行對比擬合，使用偏差光譜分析功能評價學生虛擬手術設計方案的精確度。

1.4 復雜面中部骨折的虛擬手術設計訓練及評估

4 名學生每人練習5 例復雜面中部骨折虛擬手術設計，記錄虛擬手術設計所用時長。每個病例隨機抽取1 名學生的虛擬手術設計，采用Geomagic Studio 軟件將其與1 名設計經驗豐富醫師的手術設計方案進行光譜偏差分析，以評價學生的手術設計方案。

2 結果

在單側Zingg B 型顴上頜復合體骨折虛擬手術設計訓練中，4 名學生平均分割時間為22'54''，平均復位時間為20'05''；在復雜面中部骨折的虛擬手術設計訓練中，學生完成每例虛擬手術設計的平均分割時間為72 min，平均復位時間為33 min。

在簡單面中部骨折虛擬手術設計測試中，4 名學生的虛擬手術設計方案與醫師的手術設計方案的偏差分別為（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）。在復雜面中部骨折虛擬手術設計訓練中，5 例病例隨機抽取學生的虛擬手術設計方案與醫師的手術設計方案的偏差分別為（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）。學生與醫師的虛擬手術設計方案之間的偏差均小于0.5 mm，具有較高的一致性，說明通過虛擬手術設計訓練，醫學生能夠較好地掌握面中部骨折的理論知識及虛擬手術設計操作技能。

圖1 簡單面中部骨折虛擬手術設計測試結果及評估Fig.1 Results and evaluation of virtual surgical design for simple midfacial fractures

圖2 復雜面中部骨折虛擬手術設計訓練結果及評估Fig.2 Results and evaluation of virtual surgical design for complex midfacial fractures

3 討論

3.1 虛擬手術設計訓練在教學中的作用

虛擬手術設計訓練能大幅度提高學生的CT 影像讀片能力。本實驗中的學生尚未進入臨床實習階段，在訓練之前很少接觸CT 影像，對骨折線的認識仍停留于理論。通過15 例簡單面中部骨折和5 例復雜面中部骨折的虛擬手術設計訓練，學生能迅速識別頜面部骨塊，辨識骨折線，判斷骨折類型，將解剖和影像學知識融會貫通。

其次，虛擬手術設計訓練有助于學生掌握和強化口腔頜面部解剖知識。患者CT 數據的三維重建使學生能清晰、直觀地看到口腔頜面部的復雜解剖結構；骨折塊的分割復位訓練能反復加強學生對頜面部骨薄弱部位和骨折塊斷端解剖標志點的記憶。

此外，虛擬手術設計訓練能使醫學生對口腔頜面部骨折的手術規劃及具體步驟有一個整體的認識，使學生學會根據骨折類型選擇治療方式、了解手術路徑等。同時，數字化技術已在口腔顱頜面外科領域中發揮著重要且廣泛的作用，學生熟練掌握虛擬手術規劃軟件的操作，能為其未來的臨床工作打下堅實基礎。

3.2 虛擬手術設計訓練在面中部骨折診療中的作用

虛擬手術設計訓練在面中部骨折診療中能發揮積極作用。本研究結果顯示，通過訓練，學生能夠較熟練掌握虛擬手術設計軟件的使用。4 名學生在簡單與復雜面中部骨折測試中的虛擬手術設計，與醫師的手術設計方案的偏差均小于0.5 mm，具有較高的一致性。這說明虛擬手術設計訓練使學生對面中部骨折手術方案的設計能力顯著提升，從而能提高制定術前規劃方案的熟練度以及方案的可行性，為臨床實際操作提供更為合理的參考方案。

3.3 使用現有虛擬手術規劃軟件進行復雜面中部骨折手術設計的局限性

3.3.1 鏡像平面的選取

對于單側面部骨折的患者，臨床上常以患者自身面中線作為參考平面，用鏡像技術將健側鏡像至患側，因此鏡像平面的選取對于骨折塊的精確復位至關重要。根據實驗中學生使用虛擬手術規劃軟件的親身體驗，軟件中對稱平面的準確建立并非易事，尤其是在復雜面中部骨折的虛擬手術設計中。多數同學采用的方法是以經過鼻根點、前鼻棘點和枕骨大孔中點的正中矢狀面為對稱平面，然而復雜面中部骨折中鼻根點和前鼻棘點往往容易受累，造成解剖標志點的缺失，進而影響鏡像平面的選取。即使是鼻根點和前鼻棘點未受累的骨折，判斷標志點位置并在軟件中手動選擇標志點的過程也極易產生誤差，這將導致骨折塊復位的位置偏差。鏡像平面建立的不準確常會造成治療效果的不理想，導致一系列面部畸形及功能障礙，如眼球運動異常及復視等[11]。

目前，鏡像平面的確立并無統一標準，采用鏡像技術時確立對稱平面的方法也不盡相同。沈國芳等[12]以雞冠為標志點，通過確定雞冠的矢狀面來建立對稱平面，但此種方法要求患者雞冠的解剖位置正確且形態良好，因此部分面中部復雜骨折伴發顱腦外傷而損傷到雞冠的患者不能使用。Feng 等[13]在確立對稱平面時選取了3 個點，分別為左右髁突中心點及兩點連線的中點，并以過中點并與兩點連線垂直的平面為對稱平面。這種方法同樣存在著局限性，不適用于面中部復雜骨折合并髁突骨折或顳下頜關節移位的患者。葉蘭峰等[14]在上述兩種方法的基礎上，將鏡像后臨近的解剖結構進行數據配準，參考患側與健側的標志點進行微調，作為對稱平面確立的輔助手段。

3.3.2 缺乏解剖標志點和健側參考時復位困難

當患者為面中部復雜骨折時，要準確復位骨折塊則面臨更大的挑戰。對于雙側面中部骨折的患者，其骨折累及面中線致使鏡像功能無法使用，要考慮面部結構的協調性并參考剩余殘端骨骼的特征解剖標志點來模擬復位骨折塊。如果骨折累及雙側面中部的重要解剖標志點，虛擬手術設計時骨折復位無法參考健側鏡像進行虛擬重建，主要依靠醫師手法移動進行經驗性復位[15]。對于臨床經驗較少的醫學生，虛擬手術設計的難度因此大大提升。同時，解剖標志點的缺失還使骨折斷端的對齊復位變得困難。

在臨床上，面中部骨折的手術應以恢復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，恢復正常的咬合關系和面中部的寬度、高度和突度，矯正眼球運動與視力障礙[16]。顴骨的準確復位固定是眼眶重建和解決眼球內陷的關鍵，應至少保證3 點固位，尤其是顴額縫、眶下緣和顴牙槽嵴的三維復位[17]。當面中部復雜骨折累及顴骨時，顴牙槽突由于易發生粉碎性骨折，碎骨片較多，難以作為復位參考；而顴額突雖然相對較易復位，但當上頜竇前外側壁骨折時，顴上頜支柱對位困難，顴額縫及眶下緣對位并不足以恢復骨折塊的正常位置[11]。對于上述兩種復位較為棘手的情況，可通過建立包含不同地區與人種的顱頜面三維數據庫，選擇性地進行匹配與參考，以實現個體化頜面骨外形的重建[18]。

此外，大量臨床研究已經證實顱頜面并非絕對鏡像對稱。大量針對正常人群的研究顯示，顱頜面結構存在一定的非對稱率[19-20]。因此,在使用虛擬手術規劃軟件時，一味機械性地依賴于健側鏡像為參考，也許并不能達到理想的復位效果。

3.3.3 分割復位繁瑣且耗時長

在復雜面中部骨折虛擬手術設計訓練中，由于面中部復雜骨折累及骨塊多且不規則，學生分割骨折塊并復位的用時長，體現了復雜面中部骨折虛擬手術設計耗時長、訓練效率低的局限。同時，由于手動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對分割的精確程度產生直接影響。由于分割過程重復且繁瑣，訓練者容易產生消極心態并快速粗略勾畫骨折塊范圍，犧牲了分割的精細程度，最終影響分割復位的效果。

3.3.4 復位時骨折斷端重疊

在復位骨折塊時，需要將相鄰骨折塊的斷端拼接對齊，而由于虛擬手術設計軟件本身的局限性，難以避免兩個骨折塊斷端接合處出現重疊的情況，造成使用虛擬手術軟件設計的規劃方案的合理性下降，對實際臨床手術操作的參考價值大大降低。

3.4 虛擬手術設計訓練全新軟件開發的設想與前景

針對上述虛擬手術訓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規劃面中部骨折整復的虛擬手術軟件，希望該軟件能突破市面上現有虛擬手術軟件在面中部復雜骨折方面的局限性，借助骨折塊自動分割復位功能，自動化地對復雜骨創傷整復手術進行術前規劃，在保證治療效果的同時，大大縮短手術規劃的時間。同時，醫學生在使用這款軟件進行教學與訓練時，無需將時間花費在骨塊分割上，提高了訓練效率；自動化復位的模型也可與自己的設計及操作進行對比，在驗證精度后或許可作為評估的標準，使虛擬手術設計訓練能更好且更廣泛地應用于醫學生頜面部骨折教學之中。