前言颅颌面骨骼的修复因其解剖结构复杂,又毗邻众多重要组织,且由于颅颌面部是个人身份识别的重要标志,有着不可或缺的社交功能,对于个体生活质量有着巨大的影响,颅颌面骨骼的修复对精度有着极高的要求。颅颌面骨骼修复的目标是要同时恢复其美观和功能,这就需要精准的术前设计和术中虚拟设计方案的转化应用。颅颌面骨骼修复的金标准是自体骨移植。然而,由于自体骨移植后骨骼供区的不适、供区取骨加术中雕刻导致手术时间过长,术后感染风险颇高、且无法用于修复过大的骨骼缺损等原因,自体骨移植的应用受到了颇多限制。因此人工骨材料的研究在颅颌面修复领域愈发得到关注。新一代的人工骨材料为可塑性医用树脂和羟基磷灰石(epoxide acrylate maleic andhydroxyapatite,EH)微粒,该材料具有良好的生物相容性、炎性反应小、允许宿主组织长入且吸收量有限;但缺点是材质较脆,术中难以塑形。自20世纪90年代以来,快速成型技术和计算机辅助技术的快速发展,使得它已然成为医疗领域的新宠。过去的十年中,三维打印技术(一种快速成型技术)被广泛应用于定制个性化的手术工具、导向装置和内植物等。快速成型技术(rapid prototyping,RP)是基于离散、堆积原理,通过计算机自动化逐层叠加成型,对结构复杂的物理模型进行快速制作的综合技术,其最显著特点是能在很短时间内制造出各种复杂实物的原型,特别是其中的光固化立体造型(stereolithography,SL)技术,具有精度高、粗糙度低的特点,已成为快速成型的主流技术,其术前预先订制的特点也解决了新一代人工骨材料术中难以塑形的问题。由于技术和材料学的迅猛进步,三维打印技术在颅颌面骨骼修复领域也得到了较多的临床应用。下颌骨骨性畸形是一类常见的颅颌面畸形,可由先天性或获得性疾病引起,包括感染、创伤和肿瘤切除等。因其特殊性,不仅影响患者的生理功能,还极大程度地影响其心理健康。Valentini等提出颅颌面部手术的修复应同时符合功能学和美学要求,即恢复面部畸形的同时,恢复咀嚼、吞咽、言语等功能。自体骨移植虽是下颌骨修复的金标准,但由于上述种种不足,目前逐渐倾向于用人工骨完成下颌骨修复手术。但以往通用的制式内植物普遍外形较差,且难以较好恢复骨骼功能。三维打印技术的成熟使得个性化内植物的临床应用成为了可能,在极大缩短手术时间的同时,提高了修复的精确性,进一步提高了修复效果。随着医学影像技术的发展,影像引导手术(即术中导航)已成为临床精细手术必不可少的辅助技术之一,目前已有成品商业系统如Brain LAB术中导航系统等。该项技术最早应用于神经外科领域,后来随着计算机处理水平和CT成像技术的提升,逐渐扩展到耳鼻咽喉科、骨科、颅颌面外科等。眶颧颌复合体(zygomatic-orbital-maxillary complex,ZOM)骨折是常见的颅面部损伤之一,容易造成面部不对称、眼球内陷/突眼、复视和张口受限等,极大地影响美观和日常生活。但由于其骨性结构的不规则,精准复位的手术难度较大,而复位的偏差通常会影响面部容貌,甚至功能。以往术者多应用术中导航技术以求精确复位,而临床实践中发现通过三维打印技术制作个性化导航模板,可同样较为精确地实现骨折复位。基于上述介绍,本文第一部分研究计算机辅助下三维打印人工骨内植物在下颌骨缺损修复中的临床应用价值,第二部分研究与经典影像引导技术(Brain LAB)相比,计算机辅助下三维打印个性化导航模板指导单侧眶颧颌复合体骨折复位的准确性。旨在探究计算机辅助下三维打印技术在颅颌面手术中临床应用的价值和精确性。第一部分基于三维打印技术的人工骨修复下颌骨不对称畸形中的应用背景下颌骨是颅面部重要的组成部分,除正常的咀嚼等功能外,对维持面部外观具有重要作用。临床多种疾病可造成下颌骨不对称畸形,包括:下颌角截骨整形术后继发下颌骨不对称的患者,以及未经治疗的成人半面短小患者。其通常不涉及下颌骨张口、咀嚼等功能障碍,多数以内植物填充改善不对称畸形即可。但制式的内植物通常外形较差,不能满足患者的美观需求。自体骨移植一直是下颌骨修复的金标准,但供区取骨及术中雕刻导致整体手术时间颇长,相应的手术并发症发生率也较高。计算机辅助技术和三维打印技术的愈发成熟,结合新型人工骨材料的问世,使得下颌骨内植物的个性化设计与制备成为了可能。在计算机辅助下,术前根据患者三维CT数据,通过逆向工程软件基于镜像原理,以健侧图像为基础进行数据处理和操作,设计个性化的下颌骨填充假体,使得三维重塑的下颌骨足以恢复面部轮廓和对称性;再利用快速成型技术将患者头颅模型及虚拟的下颌骨缺损骨块图像打印成实物模型,翻制人工骨。采用的新型人工骨材料为可塑性医用树脂和羟基磷灰石(epoxide acrylate maleic and hydroxyapatite,EH)微粒,该材料具有良好的生物相容性、炎性反应小、允许宿主组织长入且吸收量有限;但缺点是材质较脆,术中难以塑形。目前计算机辅助设计和三维打印技术制作个性化假体,在颅颌面的各项修复手术中均得到了广泛的应用。目的评估计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)技术制备人工骨修复不影响功能的下颌骨不对称畸形患者的临床应用价值,并测量基于计算机辅助三维打印人工骨修复下颌骨不对称畸形的精确度。方法2013年7月至2016年8月,上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科颅颌面专科共收治72名下颌骨不对称畸形,其中成人半面短小患者34人、下颌骨截骨术后不对称畸形患者22人、正颌手术后下颌骨不对称畸形患者16人,均进行了基于计算机辅助的三维打印人工骨下颌骨不对称修复手术。这72例患者均满足单侧充填人工骨且无颞颌关节功能性障碍、无咬合功能性障碍的入选标准,并于术后6月按时随访。术前所有患者均拍摄了1mm层厚的全头颅三维CT,将其DICOM数据导入mimics 18.0软件,通过镜像反求法得到相较于健侧,患侧下颌骨缺损的部分,并以STL文件格式导出,后通过三维打印技术,应用可塑性医用树脂和羟基磷灰石微粒按一定比例混合而成的复合人工骨作为打印材料,制备个性化的人工骨,经高温高压消毒后,于全麻手术下植入。在术后即刻(术后5天)及术后半年随访时分别复查了CT以作评估。为了评估手术效果,我们对这些患者术前及术后6个月随访的三维CT数据进行了测量,比较了累及人工骨覆盖区域的代表性解剖标志点(下颌升支顶点Ar、下颌角点Go、下颌升支拐弯点C、喙突投影点D、下颌角外侧点Golat、下颌角最下点Goinf、尖牙处下颌下缘点MLP3、第二磨牙处下颌下缘点MLP7、下颌升支后缘与下颌咬合平面的交点Rf)到正中矢状面(由蝶鞍点Se、鼻根点N、枕骨大孔前缘点Op定义的平面)的距离,并引入不对称率Q,Q=(G-K)/G*100%(其中G为左右两测量值中的较大值,K为较小值,医学美容学上一般定义Q≤10%为左右基本对称,Q>10%为存在不对称畸形),采用配对t检验统计学差异;主观上,我们收集了患者术后的满意度自评分,从0-5分,以0分为非常不满意,5分为非常满意。与此同时,为了评估该修复手术的精确性,我们将术后6个月随访的三维CT与术前虚拟设计的三维CT基于健侧进行配准,并选择了累及人工骨覆盖区域的代表性解剖标志点下颌升支顶点(Ar),升支转弯点(C),下颌角点(Go),喙突投影点(D),颏前点(Pog),颏下点(Me)中选三个解剖标志点进行测量比较,以误差小于2mm认为精确,达到预期复位目标。结果本部分研究共72例患者,年龄16岁到55岁(平均年龄26.01岁),女患者48例,男患者24例,左侧33例,右侧39例。通过计算机辅助下个性化定制人工骨植入术,患者两侧对称性得到显著提升,不对称度Q值由13.57%±8.73%降至9.01%±8.18%(P<0.001),患者满意度普遍较高(平均满意度自评分=4.78)。术前设计及术后三维CT解剖标志点的平均距离误差为1.43±0.12mm,与术前设计基本一致。同时,术前预制模型有效缩短了手术时间,平均手术时间为2.15±0.27h,且无患者发生严重并发症。结论利用CAD/CAM技术制备个性化人工骨植入物进行下颌骨不对称畸形的修复手术,不仅大大缩短了手术时间,减少了并发症,且手术精确度高,术后对称性良好,患者满意度高,为临床医生提供了一种新的选择。但本研究患者随访时间较短,人工骨的长期稳定性及其对周围骨组织的影响尚需进一步随访观察。第二部分三维打印导板结合导航仪辅助对眶颧复合体骨折复位的临床效果评估背景全球范围内,颅颌面骨折的发生率居高不下,且常伴有其他严重损伤,严重影响面部容貌和功能,从而影响生活质量。眶颧复合体(zygomatic-orbital-maxillary complex,ZOM)骨折是一种较为常见的颅颌面骨折,该区域的骨折不仅易引起面部容貌的受损,如颧骨塌陷、颧弓内陷等,还易引起张口受限、复视等功能障碍。由于面部解剖复杂,众多重要的解剖结构交错复杂,如眼眶不仅容纳了眼球、血管、神经等组织,还与周围毗邻结构关系密切,相关疾病可相互影响,眶颧复合体骨折的复位精确度要求较高,且因为其骨性结构不规则,精准复位的手术难度较大。而由于颜面部是个人身份识别的基础,患者均较为重视自我的外貌,进一步提高了对复位精准性的要求。以往术者多采用影像引导手术(即术中导航),如成品商业系统Brain LAB术中导航系统等,作为眶颧颌复合体复杂骨折精准复位的辅助手段。Brain LAB术中导航系统的精确性固然得到了术者的普遍认可,但在其实际应用中,由于其基于探针指示的三维坐标点进行检测,一次只能对单个点进行测量,但骨块的三维移动位置的准确度依赖至少需要三个点,很难保证多点的准确性,同时整个复位过程需要耗时良久,且存在手术区域和导航屏幕的视野切换,给术者带来不便。且若患者因为骨折或其他原因,存在软组织肿胀程度与拍摄术前CT时不相一致的情况,在基于表面扫描配准的过程中,不可避免地会产生配准误差,对术前CT的拍摄时机和要求较高。随着三维打印技术的发展,我们在临床实践中发现通过三维打印技术制作个性化模板结合导航技术,可同样较为精确地实现骨折复位,且其设计直接针对手术区域骨折部分的三维曲面,导航前无需有创固定,也无需在术中进行配准,导航过程中无需进行视野切换,基于三维曲面提示复位情况,显得更为快速、方便与直观。目前尚无三维打印模板结合导航技术与经典导航技术(Brain LAB)在眶颧复合体骨折复位方面的精确性的比较研究。目的采用前瞻性研究方法,在眶颧复合性骨折复位手术中,进行前期小样本临床实验,比较三维打印模板结合导航辅助技术与经典导航辅助技术的手术效果差异。方法样本量:收集2015年9月至2017年2月间,上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科颅颌面专科共收治入院的眶颧复合体骨折患者,共入组20例患者。入选标准:术前,术后拍摄了1mm层厚的全头颅三维CT;以单侧骨折;新鲜骨折;未行其他手术治疗;无严重基础疾患或手术禁忌;患者行知情同意的。排除标准:陈旧性骨折,复杂性骨折,合并其他并发症,未行知情同意的。退出标准:患者失访,出现严重并发症甚至死亡的。对照方式及分组方法:采用随机数字表法将这些患者随机分为A、B两组,A组:采用3D打印导航模板(以下简称“导板”)结合导航仪辅助技术进行骨折复位。B组:单纯使用导航仪(Brain LAB,Feldkirchen,Germany)进行骨折复位。盲法及遮罩:本研究中的测量和临床功能评估均为第三方医生在不知道患者分组的情况下完成,尽可能减少主观偏移。所有测量均在不同时间由两名医生进行测定后取平均值,以减少其测量偏倚。干预措施:个性化的三维打印导板。所有患者均在术前拍摄了1mm层厚的全头颅三维CT,将其DICOM数据导入mimics 18.0软件,运用合理切割加镜像功能得到相应的骨折复位方案。A组术前通过Mimics中的Primitives功能将术前设计的STL文件导入3-matics中,切割出含骨折断端的导板区域,然后偏移曲面约2mm厚度,即形成了导航模板的STL文件。后将STL文件导出到快速成型机中,即可得到个性化的三维打印导航模板,经高温高压消毒后,即可于全麻手术中应用。根据导板的指示位置进行骨折断端的复位,再用导航仪进行检验,精度符合要求时行内固定。B组将术前设计的STL文件导入Brain LAB系统中,并与术前CT图像进行配准。术中待病人麻醉后,安置定位球,后通过面部扫描将患者的实时状况与其术前CT进行配准,术中通过指示探针判断骨折断端的复位情况,是否与术前导入的手术设计方案相一致,直至完成复位内固定。终点事件:以术后即刻(术后5天)为主要终点事件、术后6个月为次要终点事件。评价指标:眶颧复合体未复位体积百分比为主要评价指标,对两种骨折复位辅助手段的效果进行评估。术后利用Mimics 18.0软件,通过健侧的骨性标志点(乳突、眶上孔、眶下孔、外耳道点等)将术前设计与术后即刻(术后5天)的CT数据进行配准(Point registration),并通过骨性标志点之间的距离评估配准精度。再通过布尔(Boolen)算法,通过Intersect功能,求出术前设计与术后CT的重叠体积,再利用minus功能,用术后CT减去重叠体积,得到minus 3D Object。最后通过Split功能,去除零星小片段(可认为是不完美配准导致的固有误差),保留最大的体积块,即为未重叠部分的体积。由未重叠部分的体积除以术后整体体积(整个头颅除下颌骨区域),即得未复位的百分比。次要评价指标:1.骨折断端6个标定点术前术后的空间平均误差;2.复视情况(分别对术前复视和术后6个月复视的严重程度进行评估,0分为正常,1,2,3分分别代表轻、中、重度复视);3.开口受限程度(分别对术前和术后半年的开口度进行评估,以小于自身两指为开口受限,大于两指为正常);4.手术时间;5.患者术后满意度;6.术后并发症(如血肿、感染、移位、睑外翻、睑内翻等)的发生率。数据管理与统计方法:主要评价指标使用成组t检验进行统计分析。次要评价指标中,骨折断端6个标定点术前术后的空间平均误差使用成组t检验进行统计分析,其余使用Fisher确切概率法进行检验。结果本研究A(三维打印导板辅助导航技术组)、B(经典导航技术组)两组分别入选了10例单侧眶颧复合体骨折患者,其中A组平均年龄39.2岁(年龄范围20-56岁),B组平均年龄33.7岁(年龄范围16-58岁)。术前A、B两组患者年龄方面无差异,临床功能受损评估如复视情况(P=0.542)和开口受限程度(P=0.615)也均无统计学差异。所有病例经骨折复位后均取得了良好疗效,与B组(经典导航技术组)相比,A组(三维打印导板辅助导航技术组)在骨折复位中取得了更为良好的复位精度:眶颧复合性(ZOM)骨折未复位体积百分比:A组:0.35%±0.06%,B组:0.42%±0.05%,二者具有统计学差异(P<0.001);6个骨折断端统计分析:Point1 A组:1.47±0.36mm B组:1.72±0.24mm(P=0.091),Point2 A组:1.53±0.21mm B组:1.59±0.33mm(P=0.589),Point3 A组:1.15±0.82mm B组:1.49±0.21mm(P=0.001),Point4 A组:1.16±0.45mm B组:1.71±0.37mm(P=0.008),Point5 A组:1.23±0.26mm B组:1.63±0.22mm(P=0.002),Point6 A组:1.60±0.28mm B组:1.51±0.31mm(P=0.492)。A组平均手术时长180.70±9.33分钟,B组平均手术时长214.10±17.23分钟,二者具有统计学差异(P<0.001)。且相较于B组,A组中三维打印导板的设计与应用直接针对手术区域骨折部分的三维曲面,复位引导更为直观,骨折复位更为快速,有效缩短了手术时间。所有患者术后均无严重并发症发生,且受损功能得到改善,两组间无统计学差异(复视改善情况P=0.276;开口度改善情况P=0.317)。结论与经典导航技术相比,三维打印导航模板结合导航仪指导复位更为准确、耗时短。但本研究涉及的样本例数较小,可能存在抽样误差,三维打印导航模板在眶颧复合体骨折复位中临床应用的准确性和术后效果需要扩大样本量进一步证实。全文结论通过本研究,我们初步探究了计算机辅助下三维打印技术在颅颌面外科手术中应用的精确性,一则发现该技术可更方便快捷地进行下颌骨不对称畸形的修复,不仅大大缩短了手术时间,减少了并发症,且手术精确度高,术后对称性良好,患者满意度高,为临床医生提供了一种新的选择。二则发现该技术在指导眶颧复合体骨折复位的应用上,耗时短、复位更为准确。本研究中,我们还提出了“未重叠体积”这一概念,以定量评估术后实际效果与术前设计方案的符合程度,该概念较之以往常用的解剖标志点之间的误差更为全面,值得在以后此类的研究中推广。第一部分基于三维打印技术的人工骨修复下颌骨不对称畸形中的应用背景下颌骨缺损可能由先天性异常、创伤和肿瘤等引起,在影响美观的同时,还会导致言语、吞咽和咀嚼等功能受损。目的评估计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)技术的临床应用价值,并评估人工骨修复下颌骨缺损的精确度。方法2013年7月至2016年8月,上海交通大学医学院附属第九人民医院颅颌面外科采用计算机辅助三维打印技术,为72位下颌骨不对称畸形患者进行了手术。为了评估手术效果,客观上,我们对这些患者术前及术后6个月随访的三维CT数据进行了测量,比较了三个代表性解剖标志点到正中矢状面的距离,并引入不对称性指标Q;主观上,我们收集了患者的满意度自评。与此同时,为了评估该修复手术的精确性,我们将术后6个月随访的三维CT与术前虚拟设计的三维CT进行配准,并选择了三个解剖标志点进行测量比较。结果患者两侧对称性得到显著提升,不对称度Q值由13.57%±8.73%降至9.01%±8.18%(P<0.001),患者满意度普遍较高(满意度评分=4.78,5分为非常满意)。术前设计及术后三维CT解剖标志点的平均距离误差为1.43±0.12mm,与术前设计基本一致。同时,预制模型有效缩短了手术时间,平均手术时间为2.15±0.27h,且无患者发生严重并发症。结论在下颌骨不对称畸形修复手术中,利用CAD/CAM技术制备个性化人工骨植入物是一项值得推广的技术,其手术效果显著,患者满意度高;手术精确度高,手术时间短,并发症少。第二部分三维打印导板辅助导航仪对眶颧复合体骨折复位的临床效果评估背景世界范围内,颅颌面骨折的发生率居高不下,且常伴有其他严重损伤,包括气道、脊柱和四肢的损伤,导致发病率和死亡率进一步增加。其中,眶颧复合体骨折是常见的面部损伤之一,严重影响面部容貌和功能,从而影响生活质量。目的采用前瞻性随机分组的方法,研究三维打印导板结合导航辅助技术与经典导航辅助技术在眶-颧-上颌复杂性骨折复位方面的应用效果。方法共20例单侧眶-颧-上颌骨复合体骨折患者,采用随机数字表法随机分为A、B两组,分别使用3D打印导板结合导航仪辅助技术和传统导航辅助技术进行骨折复位。所有患者均在术前进行1mm CT扫描,通过Dicom数据生成数字化骨模型,进行虚拟骨折复位。术后五日复查CT,通过Mimics软件,对术后数字模型及术前虚拟化手术设计数字模型进行配准,并在配准后的图像上进行测量,以评估手术复位效果。主要指标眶颧复合性骨折未复位体积百分比,次要指标如手术复位时间,患者术后外观满意度,骨折断端6个标定点术前术后的空间误差,复视,开口度以及术后并发症。实验结果使用成组t检验和Fisher确切概率法进行检验。结果本研究A(三维打印导板辅助导航技术组)、B(经典导航技术组)两组分别入选了10例单侧眶-颧-上颌骨复合体骨折患者,所有病例经骨折复位后均取得了良好疗效。A组在骨折复位中取得了更为良好的复位精度(P<0.001),骨折复位更为快速,有效缩短了手术时间。术后所有患者均无严重并发症发生,且受损功能得到改善,两组间无统计学差异。结论三维打印导板的设计与应用直接针对手术区域骨折部分的三维曲面,复位引导更为直观,骨折复位更为快速.三维打印导板结合导航辅助技术指导眶颧复合性骨折复位准确度高、手术时间短,更为安全及便捷。