《眼科新进展》  2017年7期 662-666   出版日期：2017-07-05   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R

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眼眶爆裂性骨折修复手术模拟的眼眶3D打印模型和外科种植体模型的研究


    眼眶爆裂性骨折是在眶周受到钝性打击后形成的特殊类型骨折，其特点是眶壁发生骨折而眶缘完好，常累及眼眶内壁和下壁，以眼球凹陷和复视为主要临床表现^［1］。眼眶爆裂性骨折在临床上较为常见，手术修复眶壁骨折的目的是使疝出的软组织复位，改善眼球运动功能，重建眶壁结构和恢复眶腔容积^［2］。目前国内外眼眶骨折修复手术中使用的修复材料主要包括自体骨、异体骨和各种人工材料等，其中人工材料主要有高密度多孔聚乙烯、羟基磷灰石和钛金属等不可吸收材料^［3］。临床上应用较多的是高密度多孔聚乙烯材料，由于它具有纤维血管易长入、抗感染、高强度、耐压、抗疲劳、不吸收、不变性、无软组织反应及生物相容性好等优点，被广泛地应用于眼眶和颅颌重建手术中^［4］。近年来随着眼眶骨折修复手术的发展，如何做好术前规划防止手术并发症的发生，如何准确确定适宜大小的高密度多孔聚乙烯材料，如何缩短年轻眼眶外科手术医师培训周期，都已成为眼眶爆裂性骨折修复手术研究中关注的热点。本研究应用3D打印技术制作3D眼眶爆裂性骨折模型以及软件设计的外科种植体来模拟患者眼眶解剖结构和眼眶骨折手术修复过程，探讨3D打印技术在眼眶骨折修复手术临床和教学研究中的应用价值。
1　资料与方法
1.1　一般资料　选取2016年11月至2017年2月在山东文登整骨医院眼科确诊的10例（10眼）眼眶下壁爆裂性骨折患者，其中男5例（5眼），女5例（5眼）；年龄为32～56岁，平均41.2岁。全部入选患者均为钝器或拳击伤所致的左眼眶下壁爆裂性骨折。病程为伤后20 d~3个月，平均1.3个月。全部患者根据性别分为两组，男性组5人（5眼），女性组5人（5眼）。研究设备：CT扫描仪（美国GE公司Prospeed F Ⅱ 双排螺旋CT机）；检查条件：层厚/层距 2 mm，准直器8.00 mm×1.25 mm，螺距0.75 mm，管电压120 kV，管电流160 mA，图像视野：200 mm，速度：0.75 s/360°，矩阵512×512。3D打印机（美国3D Systems公司，Object 500）最小打印厚度为0.03 mm。打印材料为聚氨酯树脂。三维重建软件为Mimics V 15.0软件（比利时 Materialise 公司），软件由医师自学操作。
1.2　CT扫描采集数据和3D打印眼眶骨折模型的建立　每例患者均签署知情同意书后常规进行眼眶CT扫描检查，横轴位扫描：患者仰卧，双眼放松、轻闭。以下眶耳线为基线，无间隔快速扫描，扫描范围包括眶上、下缘外10 mm，扫描30层。冠状位扫描：患者仰卧，头部居中、后仰，以十字光束为准，矢状面与床面垂直，调节扫描架使扫描线与下眶耳线垂直。从颧额突连线前4 mm处开始扫描，连续至眶尖部，扫描28层。将CT扫描检查得到的DICOM格式数据导入Mimics V 15.0软件进行患者眼眶三维重建（图1）。研究人员利用Mimics软件在制作好的眼眶三维图像中设计出适宜植入患者眼眶下壁的模拟高分子多孔聚乙烯材料的外科种植体（图1中粉红色部分）。
1.3　3D打印眼眶骨折模型　调试好3D打印机准备打印。将眼眶三维重建模型的STL格式数据导入3D打印机中，3D打印机利用聚氨酯树脂材料进行快速一体打印。
1.4　验证3D打印眼眶骨折模型精确度和模拟骨折修复手术操作　利用Mimics软件自带的测量工具分别测量两组患者眼眶CT图像眶宽（眶内缘点与眶外缘点之间的距离）、眶高（眶上缘点与眶下缘点之间的距离）、眶内距（两眶内缘点之间的距离）、眶外距（两眶外缘点之间的距离）、眶深（眶内、外缘点连线的中点到视神经孔外缘的距离）、眶内壁长（眶内缘点到视神经孔内缘的距离）、眶外壁长（眶外缘点到视神经孔外缘的距离）、眶上壁长（眶上缘点到视神经孔上缘的距离）、眶下壁长（眶下缘点到视神经孔下缘的距离；图2）。利用直尺和20分度游标卡尺分别测量两组3D打印的眼眶爆裂性骨折模型对应的骨性径线数据。比较两者之间的误差值，计算出平均误差值。比较眼眶CT检查图像、Mimics软件三维重建图像和3D打印眼眶爆裂性骨折模型的骨性标记、解剖细节，判读3D打印模型的仿真程度。由高年资眼眶外科医师利用3D打印的眼眶爆裂性骨折模型和软件设计并打印出的模拟高分子多孔聚乙烯材料的外科种植体演示手术过程，进行操作示范。




1.5　统计学方法　使用SPSS 19.0统计软件进行数据分析。3D打印眼眶爆裂性骨折模型眶骨径线测量值与眼眶CT测量的径线数值分别进行配对t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。
2　结果
2.1　3D打印的眼眶爆裂性骨折模型和外科种植体模型　利用Mimics软件将患者眼眶CT检查数据转换获得的DICOM格式数据进行分组、提取后传输到数据处理工作站，并通过软件生成3D文件格式进行三维重建，生成的患者眼眶三维数字模型STL文件通过软件转化传输到3D打印机，3D打印机连续打印出等比例的眼眶爆裂性骨折模型（图3）。利用Mimics软件在制作好的眼眶三维重建图像中设计出适宜大小的外科种植体模型，通过软件转化传输到3D打印机并连续打印出模拟多孔聚乙烯外科种植体材料模型（图4）。



2.2　利用3D打印眼眶爆裂性骨折模型进行术前规划、模拟手术操作和教学培训　3D打印的眼眶爆裂性骨折模型准确清楚地反映了患者眼眶解剖结构和骨折范围。医师可以根据直观的眼眶爆裂性骨折模型制定手术计划，并通过模拟操作验证3D打印的外科种植体模型的准确性。不同性别的两组患者眼眶CT检查骨性径线测量值和两组3D打印的眼眶爆裂性骨折模型对应的骨性径线测量值见表1和表2，由表1和表2可见：5例男性患者眶宽的平均差值为0.018 mm，眶高的平均差值为0.018 mm，眶内距的平均差值为0.018 mm，眶外距的平均差值为0.018 mm，眶深的平均差值为0.016 mm，眶内壁长的平均差值为0.168 mm，眶外壁长的平均差值为0.01 mm，眶上壁长的平均差值为0.004 mm，眶下壁长的平均差值为-0.034 mm；3D打印的男性患者眼眶爆裂性骨折模型大小与患者眼眶大小差异均无统计学意义（均为P＞0.05）。5例女性患者眶宽的平均差值为-0.022 mm，眶高的平均差值为-0.004 mm，眶内距的平均差值为0.218 mm，眶外距的平均差值为0.01 mm，眶深的平均差值为0.032 mm，眶内壁长的平均差值0.022 mm，眶外壁长的平均差值为-0.004 mm，眶上壁长的平均差值为0.022 mm，眶下壁长的平均差值为0.034 mm；3D打印的女性患者眼眶爆裂性骨折模型大小与患者眼眶大小差异均无统计学意义（均为P＞0.05）。高年资眼眶外科医师在模拟手术室手术环境下向住院医师示范眼眶骨折修复手术操作，3D打印的眼眶爆裂性骨折模型可成功用于模拟手术操作和教学示范。





3　讨论
    3D打印技术自问世以来，给制造业带来了革命性的变革，受到了全社会的广泛关注。3D打印技术，又称增材制造技术，是在计算机辅助设计下，通过3D打印机将材料分层打印出来，然后叠加形成完整三维物体的一种累积制造技术^［5］。随着这项技术的发展，其在多个医学领域展现出了广阔的应用前景。3D 打印技术最早在骨科和脊柱外科开始应用。2011年，BAGARIA等^［6］报道了3D打印技术在骨科领域的新应用，研究者通过3D打印技术制作了髋臼、跟骨和股骨内踝（Hoffa骨折）模型，利用这种模型手术医师可以在术前充分了解骨骼解剖结构，在术前进行充分的模拟操作，明确钢板和螺钉的位置尺寸，对骨折实现解剖复位。这必将大大缩短手术时间，减少术中麻醉剂用量，减少术中出血量，提高手术精确度。在上颈椎部进行椎弓根钉固定治疗是一个高难度、高风险的过程，螺钉很难精确迅速地进行安放，安放不当可能会造成严重的脊髓或椎动脉损伤。GUO等^［7］为上颈椎椎弓根钉固定手术设计了一种个体化的3D打印导航模板。通过对照研究发现利用这种模板大大缩短了安装每个螺钉的操作时间，利用3D打印的导航模板进行操作安全高效，大大提高了手术成功率。CHAE等^［8］在对目前3D打印技术应用于整形外科手术的现状进行总结时，敏锐地发现并指出目前制约着3D打印材料大范围应用于临床手术治疗的限制条件仍然是其经济成本问题。经济因素制约了临床医学与制造业的合作研发，因此有必要设计研发廉价且优质的3D打印材料以供临床研究和手术治疗的需要。
    由于眼眶解剖复杂、空间狭小、内有眼球和视神经等重要组织结构、眼眶手术时眶深部暴露困难、眼眶骨折后正常解剖位点难以辨认等原因使得眼眶骨折修复手术难度大、风险高、并发症多。目前它是颅颌面外科领域中最复杂和危险的手术之一。眼眶骨折修复手术术中并发症较多，主要有眼心反射、视力损伤和视力丧失、眼外肌损伤、大量出血、眶下神经损伤、面神经损伤及泪道引流系统损伤等^［9］。3D打印技术在多学科的应用和经验积累使得其在眼眶复杂整形修复手术的术前规划和手术教学中的应用成为可能，这必将大大降低眼眶骨折修复手术并发症发生的风险。国外研究者SCAWN等^［10］利用3D打印技术制作了一种廉价且可定制的眼眶模型，该模型可以用于眼眶手术教学以及眼眶手术医师的术前模拟操作。CALLAHAN等^［11］报道了3D打印技术制作预成型多孔聚乙烯种植体和预成型钛网应用于5例因眼眶肿瘤或眶骨骨折导致眶骨缺失的复杂Ⅱ期眼眶修复手术，所有患者都取得了良好的修复效果，证明这是一种廉价且适用于多种复杂眼眶整复手术的新技术。HERFORD等^［12］也报道了利用3D打印技术设计制作复杂眼眶骨折模型和外科种植体材料应用于1例眼眶外伤患者的Ⅱ期整复手术，并用3D打印模型提前进行了术前虚拟手术设计规划。术后眼眶CT检查证明该眼眶外伤患者获得了完整的眼眶和上颌窦重建，取得了良好的手术效果。目前国内有关这方面的研究尚少，3D打印眼眶爆裂性骨折模型尚在探索阶段，对3D打印眼眶爆裂性骨折模型与眼眶CT扫描数据的比较研究更为少见。
    3D打印眼眶爆裂性骨折模型为眼眶外科精准医疗提供了可能。精准医疗是基于现代最新医学科学研究手段，实施更为广泛、更为精确数据指导下的个体化医疗，它是传统个体化医疗的全面提升和发展^［13］。通过本组病例研究证明，我们所制作的3D打印眼眶爆裂性骨折模型能够非常真实地还原患者体内眼眶骨折程度，眼眶外科医师可以在术前利用打印好的患者眼眶模型了解眼眶解剖细节，选择最佳的手术入路、适宜大小的多孔聚乙烯外科种植体材料，甚至能够在术前模拟手术操作过程。这项技术充分展现了计算机辅助设计、快速成型技术等现代技术的价值，较之以往手术医师仅凭术前影像学检查结果、术中所见和临床经验来判断如何裁剪、塑形外科植入物的传统方法，能够提高眼眶骨折整复手术精度^［14］。在术前向患者告知病情时，手术医师可以更全面、直观地向患者及家属展示眼眶骨折程度，讲解手术详情，使患者充分了解手术风险和可能的并发症。从而促进医患关系的提升。手术医师可以在手术时摆好患者体位，参照打印好的眼眶爆裂性骨折模型进行操作，从而完全替代传统眼眶骨折修复手术中参照眼眶CT进行手术的过程。由于手术医师能够预先较好地完成手术设计，手术过程中又对解剖结构和需要进行植入的外科植入材料形状有充分的预先判断，必将大大缩短手术时间。因此，3D打印技术在眼眶骨折修复手术方面具有良好的应用前景，必将为这类眼眶外科手术带了质的变革。