數字化技術在頜骨缺損重建手術教學中的應用*

劉華蔚 畢文婷 李永鋒 張安東 胡 敏

頜骨是頜面部主要的骨性支架，頜骨缺損多見于外傷、腫瘤、骨髓炎及先天因素。頜骨缺損不僅影響患者的外形與美觀，還會導致吞咽、咀嚼及言語等功能障礙，影響患者的生活質量，導致沉重的精神壓力和心理負擔[1]。因此，如何修復頜骨缺損，恢復口腔功能及改善面部外形是口腔頜面外科的重要課題。

隨著功能性重建和個性化修復概念的提出，人們對頜骨缺損重建手術的修復效果提出了更高的要求，數字化技術的應用使頜骨缺損的個性化重建和精確重建成為可能[2]。這不僅降低了頜骨重建手術的學習難度，更提高了手術的精確度，更好的恢復了患者的面型及咬合關系。然而，目前口腔頜面外科的教學仍以傳統的教師講授為主，學生對于口腔頜面部的各組織結構間的解剖關系、移植骨和頜骨缺損部位的對應關系等難以深刻理解。數字化三維手術模擬結合3D打印技術應用于口腔頜面外科教學，有助于深化學生對于骨移植過程中組織結構關系，建立三維立體的形象思維，提升學習效率和教學質量[3]。

1.頜骨缺損重建三維手術模擬及3D打印模型的制備

1.1 病例資料 選擇在解放軍總醫院口腔外科完成手術的下頜骨腫瘤患者作為研究病例。選擇2例患者做典型病例，其中1例采用游離髂骨移植修復，1例采用血管化腓骨移植修復，采集患者術前螺旋CT數據及大體圖像，術中及術后CT數據及圖像。

1.2 數字化三維手術設計與模擬 對患者進行CT(Somatom Emotion 16，Siemens)螺旋掃描(層厚2mm，螺距1.5mm)，經三維軟件圖像處理后，獲得顱骨及供區骨骼的三維影像，將術前CT數據以DICOM格式導入Mimics10.0軟件中，分別重建出頜骨及供區骨骼的三維解剖模型(圖1)。根據患者病變范圍設計下頜骨切除范圍，在重建好的頜骨模型上行模擬手術切除病變頜骨。通過鏡像技術，利用健側的下頜骨鏡像至患側，恢復被破壞的下頜骨外形，為下頜骨的重建提供依據。將患者供區數據導入Mimics10.0軟件中，根據下頜骨缺損的位置及范圍，以鏡像后的頜骨為修復重建依據，將供區移植骨進行精確設計及分割，調整其長度與角度，使其在三維位置上盡量恢復頜骨缺損區的外形及功能，并將供區骨遷移至下頜骨缺損處，進行精確匹配及調整。

1.3 3D打印模板的設計及制備 根據術前在數字化軟件中的虛擬設計方案，可同步設計下頜骨截骨導板、腓骨/髂骨截骨導板、塑形導板、就位導板等手術導板。根據腫瘤范圍設計截骨范圍，制作截骨導板，截骨導板的設計應充分考慮術中術野暴露的充分性、導板就位在實際應用中可重復性、導板對周圍組織無妨礙等因素。腓骨截骨導板應考慮血管蒂的方向、腓骨三維方向的擺放、固定鈦板位置的預留等；髂骨截骨導板應考慮術中所能切取髂骨的位置、髂骨與下頜骨形態的匹配、髂嵴頂的位置等因素。根據最終修復形態設計就位導板，就位導板應與截骨導板具有良好的位置重復。使用快速成型技術(Rapid Prototyping)將STL格式文件導入驅動計算機采用3D打印機打印出仿真的樹脂頭顱模型及頜骨修復后模型及術中截骨導板、就位導板(圖1)。

圖1 下頜骨數字化三維手術模擬設計及模型打印

2.方法

選取專科醫師培訓基地的年輕醫師20名，進行頜骨缺損重建手術的教學及操作培訓。隨機將20名學生分為A、B組(n=10)。A組：采用常規幻燈演示進行教學；B組：數字化三維手術模擬結合3D打印模型教學。

教學效果評價：(1)課后發放測驗題，共25道選擇題(50分)，包含頜骨解剖及頜骨疾病相關知識點，當場收回。(2)從臨床數據庫中調取一例頜骨腫瘤患者病例，要求根據臨床病史及影像學資料做出初步診斷，并總結頜骨病變的特點，做出鑒別診斷，陳述治療原則，根據患者病情制定最后的治療方案，并描述手術過程及術中術后注意事項。由2名高級職稱老師進行打分(50分)。

3.結果

應用SPSS12.0統計軟件進行兩組學生考試分數的數據分析，計量資料采用t檢驗，檢驗水準α=0.05。統計顯示，A組學生的考試分數(84.4±6.08)高于B組(73.1±4.28)(P＜0.05)。證明數字化三維手術模擬結合3D打印技術應用于頜骨缺損重建手術教學效果良好，高于傳統教學。

4.討論

口腔頜面外科手術因手術部位血運豐富、臨近呼吸道及頸部重要血管神經，手術出血多，易損傷周圍的重要解剖結構，可能出現嚴重的并發癥，甚至危及患者生命安全[4]。因此，年輕醫師在進行臨床實際操作前，應盡可能地掌握頜面部解剖結構特點及各種手術操作技能，熟悉手術操作流程及要點。頜骨缺損的病因常見于腫瘤、放射性骨髓炎、慢性骨髓炎及外傷，目前臨床上最常用的修復方法為自體骨移植，常見的取骨區域為肋骨、髂骨、腓骨等。因髂骨及腓骨骨量可滿足下頜骨移植修復的需要，且移植后均有條件術后行種植義齒修復，恢復患者咬合關系及咀嚼功能，因此，髂骨及腓骨移植是目前臨床上主流的下頜骨缺損修復的自體骨移植方法[5，6]。

頜骨缺損修復一直以來都是相對抽象化的教學內容，如果單從課本上學習，掌握起來非常困難。從臨床角度而言，手術過程術區暴露有限、視野狹小、解剖結構復雜，不利于觀摩學習，在一定程度上加大了學習難度。傳統教學模式多以圖片、文字以及手術視頻等方式為主，但教學效果并不理想，學生對整個手術過程缺乏直觀性，無法形成立體印象，因此學生學習效率較低且無法對各知識點充分理解。對于頜面部較為復雜、精確度要求較高并且手術風險較大的頜骨移植修復手術，所需要的培訓周期相對更長。

數字化虛擬手術是利用計算機技術將各種醫學影像數據導入計算機中，建立一個數字化三維模型，在虛擬環境中進行手術設計與模擬操作。利用該技術教學，可以使學生更直觀的認識手術過程，熟悉手術流程及解剖結構，完成技能訓練，為臨床實際手術操作打下堅實的基礎[7-10]。劉冰等[11]在頜骨缺損重建臨床教學中引入快速原型技術，發現能使學生較好地理解和掌握教學內容，提高了解決實際問題的能力。蔡卜磊等[12]采用數字化三維手術設計與模擬系統在正頜外科教學中應用，發現其能提高學生對正頜手術的認識，是一種更加有效的教學方式。

3D打印技術是快速成型技術的一種，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粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。頜骨3D打印是將設計好的STL格式文件導入計算機，3D打印頜骨模型及導板。通過對模型的觀察，受訓醫師可加深印象，更直觀的觀察手術截骨植骨的過程，對手術方案及植骨塊三維方向的擺放有更清晰的認識，進一步加深對該手術方式及過程的理解。彭歆等[13]利用數字化技術輔助游離髂骨瓣/腓骨瓣修復下頜骨缺損，術后顯示髁狀突位置、下頜骨形態、義齒修復及患者外形滿意度均明顯高于對照組，顯示其臨床應用的優勢。陳鵬等[14]利用3D打印技術在頜骨缺損修復教學中應用，發現能使學生能更好的理解和掌握內容，提高解決問題的能力。

數字化三維手術設計與模擬培訓具有可重復性，受訓醫師可在虛擬模型上進行反復的截骨移動嘗試，確定最終的手術方案。在三維空間可加深對頜骨手術切除及腓骨/髂骨移植修復的理解。通過在3D打印模型上進行模型外科教學，可以使受訓醫師對頜骨缺損重建具有更直觀的認識，加深對頜骨解剖形態的理解及咬合重建重要性的認識，具有較高的手術教學意義。本組醫師通過數字化三維手術模擬結合3D打印技術教學培訓，教學效果明顯好于對照組，特別是在臨床病例分析環節，該組學生對頜骨缺損重建手術過程及術中注意事項的理解明顯優于對照組，顯示出該教學方法的明顯優勢。

總之，本研究發現，將數字化技術應用到頜骨缺損教學中是一種很好的嘗試，在將來的教學中值得推廣應用。但是數字化技術也有其不足之處，學習過程中必須使用專業的電腦軟件；3D打印需要專業設備與材料，雖為即刻成型技術卻仍需制作周期，資金與時間投入較多；目前技術及材料所限尚無法實現軟組織的特性。此外，數字化模擬手術中復位骨塊以及定點測量也存在一定誤差，必須要有一定手1術經驗的教師進行現場指導，這些問題都有待于進一步的研究解決。