计算机辅助设计快速成型三维头颅模型在颧上颌骨骨折畸形治疗中的应用

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[摘 要 ]目的：探讨计算机辅助设计快速成型三维头颅模型在陈旧性颧骨颧弓骨折畸形治疗中的应用价值.方法：针对2例颧-眶-上颌骨骨折患者,将CT扫描信息,输入三维图像重建工作站并进行三维重建,采用激光快速自动成形机进行模型成型,然后通过三维重建软件及模型进行复位,根据复位的结果指引手术.结果：三维重建模型可精确反映相应颧骨骨标志点的移位情况,根据模型设计进行手术,可准确地达到预定的复位效果. 结论：针对颧-眶-上颌骨骨折采用计算机辅助设计快速成型三维头颅模型进行术前模拟手术,可前瞻性了解手术效果,具有非常实用的价值.

[关 键 词 ]影像,三维；模型；快速成型；颧骨骨折

[中图分类号]R782.2 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2009）01-0040-03

Treatment of zygomatico-maxillary fracture with 3-dimensional skull model and rapid prototyping technique

LI Wei-zhong1, ZHANG Mei-chao2, QI Xiang-dong3, LI Shao-ping1, ZHANG Lei-tao1, HUANG Yu1

（1. Department of Stomatology, Nanfang Hospital, Nanfang Medical University, Guangzhou 510515,Guangdong, China；2. Biomechanics Laboratory, Southern Medical University；3. Department of Plastic Surgery,General Hospital of Guangzhou Military Command)

Abstract:ObjectiveTo explore application of three-dimensional puter-aided design rapid prototyping technique in treatment of zygomatico-maxillary fracture. Methods CT scanning information of two patients with zygomatico-maxillary fracture was imputed into the three-dimensional image workstations to form a three-dimensional reconstruction image. A skull model was made using rapid prototyping technique to guide the surgery in skull model through the three-dimensional reconstruction software. The semi-coronal incision was taken for reduction and fixation of zygomatico-maxillary fracture. Results Three-dimensional reconstruction in the model can accurately reflect the changes of corresponding marks of zygoma. Based on model designs, the target reset can be accurately achieved. Conclusions The CAD and RP technique was a relatively useful tool that can assist surgeons with reconstruction of the maxillofacial skeleton, especially in repairs of plicated zygomatico-maxillary fracture.

Key words: imaging；three-dimensional；model, rapid prototyping, zygomatic fractures

由于受到术野、面部器官、神经等的限制,眶、颧、上颌骨及颧弓骨折错位愈合导致的畸形的矫正,历来是临床处理的难题.近年来,由于三维螺旋 CT 重建技术的应用,以及将 CT 扫描信息的进行计算机处理,通过快速成型技术（rapid prototyping,RP）重建三维头颅模型,并通过三维头颅模型模拟手术,为复杂的眶、颧、上颌骨及颧弓骨折的矫正治疗,提供了前瞻性研究的手段[1-2].

本研究,通过上述技术,对眶、颧、上颌骨及颧弓骨折进行术前模拟设计、分析,为手术治疗,提供了非常有用的参考依据.

1材料和方法

1.1 CT 扫描：采用GE Light speed 16排螺旋CT机,对患者行自颅顶至上颌骨部分水平位薄层扫描,层厚1.25 mm,共计136层横断面图像,以Di格式输出至三维图像重建工作站.

1.2 三维重建及模型成型：以Di格式导入三维重建软件Mimics10.0（Simpleware 公司）,定义好三维坐标顺序后,利用区域增长功能从原始Di文件中分割出骨性重建部分,并根据需要选择模型自眶上缘上5cm致咬合平面,去掉后方颈椎部分和下颌骨髁突和冠突部分,定义好待重建部分后,对选择部分进行计算机三维重建.模型成型采用AFS激光快速自动成形机(AFS Laser Rapid Prototyping),其主要由机械主体部分、光学系统及控制系统三部分组成,所用材料为精铸粉.将工作室升温,保持在精铸粉粉末的熔点以下,送料后,激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结,使粉末溶化继而形成一层固体轮廓,多层烧结,形成三维原型,经清粉、烘烤、浸蜡制成模型.

1.3 手术方案的设计与模拟：根据Mimics10.0软件计算的截骨部位及需要复位的程度,在仿真三维头颅模型进行术方案的设计、手术模拟及最终效果评估.

1.4 典型病例

1.4.1 病例1,某男,36 岁.患者入院前因车祸导致左侧颧骨、颧弓、眶外侧壁、鼻骨及上颌骨多发骨折,致右侧颧面部塌陷,张口度1.5cm,咬合关系正常（图1～5）.

1.4.2 病例2,某男,21 岁.患者入院2年前因车祸导致鼻骨、左侧上颌骨、颧骨、颧弓及眶外侧壁粉碎性骨折,当地医院救治后因骨折端错位愈合导致左侧颧面部塌陷,颧弓高拱畸形,张口度正常,咬合关系正常.

两患者入院后进行三维螺旋CT扫描,将CT扫描信息输入三维图像重建工作站,通过三维重建软件进行三维重建,根据 Mimics10.0软件模拟设计的方案,在仿真三维头颅模型上进行截骨及复位固定.并通过 AFS 激光快速自动成型机复制仿真三维头颅模型,根据仿真三维头颅模型上进行截骨及复位固定的设计,在仿真三维头颅模型进行截骨及钛板固定,并且判断术中能够达到的修复效果及存在的不足（图6～10）.

手术方法：头皮半冠状切口径路,在发际后2～3cm处,自头顶中部至耳屏前画线.在帽状腱膜下层分离头皮瓣,自颞肌浅面向眶外侧、颧骨和颧弓剥离,彻底显露眶外侧缘、眶下缘以及骨折后错位愈合的颧上颌突、颧突和颧弓.其中患者2同时眶下睑缘下作长约2cm的切口暴露错位愈合的颧颌缝,然后按照头颅模型切开复位的部位,采用微动力系统,将颧额缝、颧颌缝锯开,颧骨构成眶外侧壁的部分,在眶外侧缘、眶下缘内侧大约1cm的眶外侧壁,由内向外锯开,将颧骨完全游离松动,将颧弓按照设计,分割成三段,按照模型成型颧弓,再次与头颅模型比较后,小钛板（OsteoMed,USA）固定.

2结果

2患者均术后10天拆线,伤口愈合良好,患侧颧面部塌陷畸形较术前明显改善,张口度及咬颌关系未因手术影响（图11～15）.

术后2周至1月复诊,行螺旋CT机检查,将CT扫描信息输入三维图像重建工作站,通过三维重建软件进行三维重建,通过三维重建图像显示,患者颧骨、颧弓骨折塌陷畸形较术前明显改善.

3讨论

复杂的眶、颧、上颌骨及颧弓骨折错位愈合造成的颧面部畸形的整复及修复较为困难.目前针对这类骨折的整复主要采用头皮冠状切口及眶下睑缘附加切口进行复位及钛板固定术,这种切口可以充分暴露眶外侧、颧骨及颧弓,对于尚未完全骨性愈合的患者,可以达到解剖复位.但对于完全骨性愈合的骨折,由于不易辨别错位愈合的部位以及操作上的限制,再加上眶内容的影响,手术复位的效果、颧部外形的改善往往不满意.随着计算机辅助设计（puter aided design,CAD）/计算机辅助制造(puter aided manufacture,CAM)、数控技术、激光技术及材料科学的进步,RP技术在临床骨创伤及修复重建领域的应用,为眶、颧、上颌骨及颧弓骨折的整复及治疗提供了前瞻性手术设计及整复效果评估的手段[3-5].

CAD/CAM软件通过CT数据库进行术前的模拟操作,将患者的创伤部位及骨标志点的移位程度等进行数字化处理,并通过与健侧骨骼镜像比较,计算创伤骨骼移位及需要复位的数据,通过计算机上模拟骨切开和骨复位,为临床医师提供了理想的治疗指导.由于颌面部骨折,特别是多发骨折错位愈合后,相邻器官如眼、鼻等制约了复位手术,CAD/CAM模拟的手术效果与临床实际操作有一定差距.但CT技术与RP技术结合进行三维头颅模型的制作及模型手术复位,为虚拟手术到临床操作起到了非常适应的桥梁作用.通过头颅模型,可以前瞻性的确定理想手术效果与实际操作中的差距,并且将手术后的效果通过头颅模型与患者进行沟通.同时,由于象陈旧性错位愈合的颧骨、颧弓、眶周多发骨折,骨折线不明显,完全达到解剖复位困难较大,通过CAD/CAM软件及在头颅模型上确定锯骨的部位及复位方向,然后在手术过程中,完全按照模型进行操作,达到与头颅模型模拟一致的手术效果.

本文报告的病例,在手术前,先在三维头颅模型上进行模拟复位,根据模拟手术的效果,前瞻性的了解术后效果及可能存在的不足,对手术治疗顺利的开展及与患者相互沟通、减少误解,具有非常大的帮助

[参考文献]

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[4]Metzger MC, Hohlweg-Majert B, Schn R, et al. Verification of clinical precision after puter-aided reconstruction in craniomaxillofacial surgery[J]. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod,2007,104(4):e1-10.

[5]曹川,李世荣,毕胜,等．应用快速原型技术辅助矫正下颌骨不对称畸形[J].中国美容医学,2008,17(4):507-510.

[收稿日期]2008-10-15 [修回日期]2008-12-11

编辑/张惠娟