計算機虛擬設計與3D打印技術在兒童下頜骨骨折治療中的應用

呂德馨，單培芬，李 良，林思思，聶 鑫

1.溫州醫科大學附屬口腔醫院,浙江 溫州 325000；2.溫州醫科大學3D數字醫療研究與轉化中心,浙江 溫州 325000

交通事故、暴力打擊、運動損傷、意外跌傷是目前導致兒童頜面部骨折的主要病因，由于兒童期間頜骨處于生長發育期，受到暴力打擊后骨折斷端常會發生明顯移位[1-2]。與成年人骨折治療比較，兒童頜骨骨折的治療面臨諸多挑戰。首先兒童處于替牙期，頜骨內有眾多恒牙胚，而且骨皮質較薄，損傷常累及恒牙牙胚，導致萌出障礙；其次兒童乳牙列的牙冠較短，牙根吸收而致乳牙松動，難以實現頜間結扎固定；頜骨內有眾多恒牙胚，采用內固定時容易損傷牙胚。根據文獻報道，骨折線上的恒牙胚存在45%概率出現發育異常。此外，手術過程中的解剖復位也可能導致牙胚的繼發損傷[3-4]。由于兒童骨折復位具有更高的精確要求，傳統的手術模式下專科醫師即便制訂了詳細的手術計劃，仍難以達到令人滿意的治療效果，導致兒童頜面部骨折的診斷和處理策略一直存在爭議和挑戰，尤其是骨折處理過程中的牙胚保護策略成為手術的焦點[5]。如何實現手術的精準化，對牙胚發育、損傷情況及術后效果進行預測評估，并制定切實可行的保護策略，目前尚無文獻報道。而近年來將數字化技術應用于手術設計和實施已成為研究熱點。其中數字虛擬設計和3D打印技術的臨床應用已體現出顯著優勢，該技術使外科醫師能夠改進術前規劃，通過該技術進行精細化建模，實現術前的數字化三維設計、虛擬仿真、3D打印和手術預演。在整個診療過程中，3D打印可以提供詳實的手術指導[6-8]。但針對兒童骨折中如何保障頜骨與牙胚正常發育這一臨床問題，目前臨床和醫學研究尚無規范標準及效果評估模式。本研究回顧性分析2018年1月—2020年1月溫州醫科大學附屬口腔醫院收治的下頜骨骨折兒童患者33例，以期為兒童頜骨骨折的手術治療提供更多的選擇模式。

臨床資料

1 一般資料

納入標準：(1)年齡2～13歲,替牙期；(2)出現咬合紊亂，影響開口咀嚼功能；(3)下頜骨骨折斷端有明顯錯位；(4)骨折線累及牙胚，無法采用常規固定方式。排除標準：(1)陳舊性骨折；(2)合并頜面部以外骨折或創傷，需優先處理；(3)病歷資料及影像學資料不完整，無法實施虛擬設計；(4)優先非手術治療或不愿實施手術。

本組下頜骨骨折兒童患者33例，男性20例，女性13例；年齡2～12歲，平均6.9歲。因本技術需要一定的額外經濟支出，按照患者自愿原則分為3D組(18例)和常規組(15例)。3D組通過計算機虛擬設計與3D打印制備頜骨損傷模型、術后復位模型及咬合導板，按預定位置行下頜骨骨折固位；常規組采用小型內固定器械實現骨折堅固內固定。兩組患者同時采用牙間結扎進行加強。3D組男性11例，女性7例；年齡2～12歲，平均6.7歲；單發骨折13例，多發骨折5例；摔傷6例，道路交通傷5例，高處墜落傷4例，運動傷2例，其他1例。常規組男性9例，女性6例；年齡3～11歲，平均7.1歲；單發骨折12例，多發骨折3例；摔傷7例，道路交通傷6例，高處墜落傷2例。所有手術由同一專業組手術醫師實施，患者均通過薄層CT三維重建影像學資料判斷骨折損傷移位程度，并制訂手術方案。患者術前進行常規檢查，完善臨床資料，行血常規、心電圖、血凝常規等生化檢驗，排除手術禁忌證。本研究獲筆者醫院醫學倫理委員會批準(wydw2019-0224)，患者及家屬均簽署知情同意書。

2 術前虛擬設計與3D打印

3D組行薄層CT數據，層厚為 0.625mm，掃描基準面平行于眶耳平面，垂直于水平面。掃描范圍為顱頂至舌骨水平; 數據輸出格式為 Dicom。以Dicom格式導入Mimics 21.0軟件(比利時 Mate．rialise公司)，精確分割骨折處并重建三維模型。在軟件中對牙胚進行三維重建，模擬骨折復位，分析頜骨中牙胚情況并標識固位區域，設計牙胚體表投影及手術警示區，根據相關信息選擇合適的固位器械。將數據轉換為STL數據，轉換好的數據導入3D打印機打印模型，精度為0.1mm，材質為PC-ISO材料，同時標記患者相關信息(圖1)。

圖1 計算機虛擬設計明確牙胚狀況。a.骨折后牙胚三維重建；b.計算機模擬復位后牙胚重建；c.牙胚在頜骨體表投影

根據影像學資料獲取患者咬合狀態，通過虛擬設計模擬骨折復位后咬合情況的改變，設計下頜咬合導板，導板應具有一定深度以確保復位后能輔助固位。術前將導板在模型試戴進行驗證，對于移位明顯患者可設計為上下頜咬合導板(圖2)。

圖2 3D打印導板設計與手術實施。a.手術區域設計；b.咬合導板制備；c.模型應用與鈦板預制

3 手術方法

3D組：根據患者骨折具體情況，決定需要顯露的范圍并選擇合適入路。在骨折模型上模擬骨折復位過程，再次確定所需的內固定材料，并對鈦板提前進行預成型。術中對預成型鈦板根據患者實際情況進行微調，以實現穩定貼合。手術以恢復骨折斷端的連續性，安裝咬合導板檢測是否與虛擬設計咬合狀態一致作為復位固定標準，鈦板植入后反復沖洗傷口，關閉縫合切口，根據患兒情況口內可采用鋼絲固位，2周后拆除。

常規組：根據手術醫師經驗進行術區暴露、骨折復位、術中鈦板塑型及骨折固定。手術以恢復骨折斷端的連續性，咬合關系基本正常作為復位固定標準，根據患兒情況口內可采用鋼絲固位，2周后拆除。

4 觀察指標

比較兩組患者手術時間以及出血量情況；手術時間從切開皮膚開始計時，到縫合完畢結束，出血量為手術總出血量。住院期間觀察患者有無發熱、出血、感染及過敏癥狀。同時采用視覺模擬評分(VAS)評估患者術后疼痛程度，得分越高疼痛程度越重。所有患者出院時進行滿意度調查，總分為10分，9～10分為完全滿意，6～8分為基本滿意，<6分為不滿意。術后1周觀察顏面部腫脹(采用骨折腫脹程度分級評分法進行評價腫脹程度。0度：肢體無腫脹， 與正常肢體無異常改變；1度：腫脹肢體較正常一側皮膚腫脹，皮紋仍存在；2度：腫脹肢體較正常肢體的皮膚腫脹，皮紋消失；3度：肢體腫脹部位皮紋消失，且出現散在分布的張力性水皰。腫脹程度超過1度者記為術后腫脹發生)，同時拆除結扎鋼絲。

術后3、6個月隨訪，評價方法采用問診與臨床檢查相結合的方法，內容包括患兒面容恢復、咬合關系及牙齒萌出情況的評定。其中術后6個月進行影像學評價并拆除鈦板，術后12～24個月進行電話隨訪，內容包括頜面部發育情況及有無嚴重并發癥。

5 統計學分析

結 果

3D組術中總出血量少于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05)；3D組平均手術時間顯著少于常規組(P<0.05)。見表1。

表1 兩組患者手術時間及出血量情況比較

術后不良事件發生率主要表現為術后腫脹和疼痛，腫脹與手術時間及手術困難程度相關；疼痛考慮為患兒的應激反應，經對癥處理后有所緩解，對兩組發生情況分別采用卡方檢驗，兩組間差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 兩組患者術后不良反應情況比較[n(%)]

3D組患者完全滿意72.2%(13/18)，基本滿意27.8%(5/18)；常規組完全滿意53.3%(8/15)，基本滿意40.0%(6/15)，不滿意為6.7%(1/15)。患者滿意度3D組顯著高于對照組，P<0.05。見表3。

表3 兩組患者術后滿意度比較

部分患者術后腫脹明顯導致顏面不對稱，術后3～6個月復查均未發現明顯的面容畸形。3D組出現輕度咬合關系紊亂4例，術后隨訪均有所改善。常規組出現輕度咬合關系紊亂6例，術后隨訪5例有所改善，1例由于創傷較重伴有牙胚萌出異常導致其后牙咬合關系輕度錯亂。術后12～24個月定期隨訪兩組患者均無明顯并發癥。

術后各出現局部炎癥反應5例，表現為骨折部位局部牙齦紅腫或牙齦增生。3D組術區切口發紅、瘢痕增生1例，后期整形外科給予瘢痕切除術。3D組牙胚發育情況顯示萌出時間延遲3例，但無停滯現象；常規組出現遲萌6例，影像學檢查為恒牙胚萌出停滯形成埋藏牙2例，恒牙胚被固位釘限制導致無法萌出 1例。典型病例見圖3。

圖3 患者女性，5歲，“高處墜落致全身多處傷3d”入院，診斷為“下頜骨骨折”。頜面部三維CT示下頜骨自中線向左下方折斷，右側骨折段向內側移位，33恒牙胚位于骨折線上。行計算機虛擬設計，標記恒牙胚在頜骨內位置，對骨折斷端進行計算機復位，按復位情況設計咬合導板，標記牙胚的體表投影并明確手術禁忌區，設計鈦板放置最佳位置，術中暴露骨折斷端，可見牙胚暴露。按設計復位并行鈦板內固位，通過咬合導板進行微調，骨折斷端兩側乳牙行鋼絲固位，2周后拆除，術后定期隨訪，可見牙胚正常發育，6個月后拆除鈦板，未見明顯異常。a.術前患者骨折移位情況；b.術后患者固位情況；c.術后患者骨折愈合情況;d.骨折后牙胚損傷情況；e、f.隨訪牙胚萌出情況(水平位和矢狀位)

討 論

兒童頜面部骨折的治療與成人頜面部骨折的治療有原則性區別，不能簡單地按照成人骨折的治療原則處理。近年來，對兒童頜面部骨折臨床治療方法的選擇更趨向于專業化、個性化，在治愈骨折的同時把治療對兒童的發育及功能的影響減至最低[9-10]。尤其是近年來計算機虛擬設計與三維打印技術的普及，對兒童頜面部骨折臨床治療方法的選擇提供了更多機會。3D打印是一種三維立體模型技術，在醫學領域3D打印迅猛發展，廣泛應用在醫學的不同領域，如骨科的腫瘤切除、骨盆骨折、脊柱畸形及損傷、肢體畸形、骨缺損和假肢制作、頜面外科的頭顱整形和下頜骨修復[11-13]。筆者團隊研究進一步拓展3D打印的應用范疇，研究結果證明該技術在兒童頜骨骨折手術中的應用優勢，通過3D打印技術可以直觀反映其三維立體結構。通過計算機虛擬設計，分析出臨床病例中傷情，通過3D打印對骨折進行術前設計模型，能夠輔助內固定鈦板及螺釘準確置入，縮短手術時間，幫助醫師制定術前規劃，內固定選擇等有重要意義。

兒童頜面部骨折是口腔頜面外科最為常見的損傷，兒童活潑好動，自控性差，極易造成跌傷和墜落傷。此外，兒童安全防范意識差，以道路交通傷多見。兒童正處于快速生長發育期，其生長發育過程中的頜骨骨質、乳牙列、混合牙列及恒牙胚的存在以及面部美觀與咬合關系有其一定的特殊性[14]。既往依據患者創傷部位的X線片與CT影像等二維圖像作為手術依據，醫師完全靠三維空間想象力來確定牙胚位于頜骨的位置。常規3D打印對頜骨骨折的診療具有一定的幫助，但無法了解牙胚的具體位置和損傷情況[15]。本文針對兒童下頜骨骨折如何保障牙胚正常發育的關鍵問題，有針對性地設計并優化個性化治療策略，在保障骨折臨床治愈的同時確保牙胚能夠正常發育。在保護策略上，筆者團隊也不斷改進和優化，主要通過以下步驟來實現：(1)通過術前模型和計算機虛擬設計精確了解兒童替牙期牙胚的發育情況與損傷程度；(2) 通過計算機虛擬設計標記牙胚體表投影模式，通過區域劃分模式優化手術方案，明確內固定器械放置及禁忌區域，避免術中牙胚損傷；(3)通過咬合導板的設計模擬術前患兒咬合情況，規避因替牙期無法實施頜間牽引的缺陷；(4)針對替牙期植入物空間受限的問題，采用乳牙牙間鋼絲結扎模式進一步確保手術質量。研究結果表明通過以上措施可以全面了解患者的牙胚發育情況，可以有效避免兒童骨折術后并發癥，提高手術質量。本組術后隨訪顯示3D組僅4例因嚴重骨折影響牙胚發育患者，與常規組差異有統計學意義。

本研究結果顯示3D組與常規組比較主要有以下區別：(1)3D組術中總出血量少于對照組，但差異無統計學意義(P>0.5)；3D組平均總手術時長顯著短于常規組(P<0.05)。與成年人相比，手術時間上除正常操作外，骨折復位時間和鈦板放置時間上有明顯的優化。通過模擬手術可以對內固定材料進行預成型，對于移位嚴重的患者通過虛擬設計無需反復嘗試，而且精確度也明顯提高，術后療效明顯高于常規組，這與前期的研究基本一致[16-17]。結果中筆者發現手術時長減少能一定程度減少患兒術中的總出血量，但單位時間內出血量并無明顯改變，這與既往研究有所區別[18]。(2)患者滿意度有較大提升，滿意度不僅涉及手術療效，也體現醫師與患者是否能有效溝通。虛擬設計和3D打印模型不僅可以進行術前計劃，并開展模型手術，提高手術的精確度，而且可以讓患者及家屬深入了解自身病情和治療過程，讓患者直觀地觀察仿真模型，能夠清楚了解整個手術過程，提高患者的配合程度，更好地處理醫患關系[19]。在術后反應中，主要表現為疼痛和腫脹，其中疼痛位居首位，術后疼痛管理應作為骨折術后的診療重點；在腫脹方面，雖然相關例數無明顯差異，但在腫脹程度上3D組優于常規組。(3)咬合關系的恢復上，常規組出現輕度咬合紊亂6例，但隨著頜骨的改建，大部分得到改善，其與成年人有所區別。因此對于兒童性骨折，不僅要注重解剖復位，更要考慮手術實施中如何最大可能地保存牙胚，這也是是否手術的主要爭議點[20-21]。常規模式無法了解牙胚的損傷情況，需要多次對位才能實施解剖復位，加大了骨折斷端和牙胚的損傷程度。此外，醫源性牙胚損傷也應引起注意，本研究中有1例出現鈦釘導致牙胚損傷。筆者團隊的研究表明通過一系列牙胚保護策略，可以有效避免骨折斷端牙胚的損傷。

綜上，替牙期兒童頜骨改建能力較強，醫師不僅要關注骨折斷端的解剖復位，更應關注頜骨損傷及手術實施對牙齒萌出的影響。同時筆者團隊研究也顯示計算機虛擬技術除了幫助醫師了解患兒牙胚發育情況，還可作為手術對牙胚影響的預測，便于醫患溝通和交流，提高患者滿意度。3D打印技術的應用能夠引導骨折段精確復位，避免反復拼對骨折段對恒牙胚造成的醫源性損傷，并避免內固定及鈦釘導致恒牙胚的繼發損傷，使得骨折修復達到良好解剖復位。此外，通過一系列保護策略在提高手術效果的同時更能保證患者的后期牙胚的正常萌出，值得臨床推廣。不足之處是筆者團隊研究缺乏長期隨訪以明確患兒下頜骨與牙齒發育的影響，需要在后期研究中進行深入探索。此外，術前準備時間較長，虛擬設計和3D打印也需要設計者與手術實施者反復溝通才能達到理想效果。同時在研究中也發現，兒童骨折的自愈和改建能力較強，即便術中不太滿意的患兒，通過后期的恒牙萌出和頜骨發育也能獲得較滿意的療效，因此對于骨折移位大或不合作的患兒，仍應當選擇非手術治療或簡單復位固定。