数字化模型制备个性化钛网修复眼眶骨折的应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.14.005

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (14): 2158-2162.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.14.005

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数字化模型制备个性化钛网修复眼眶骨折的应用

孙黎波¹，兰玉燕²，张力¹，周航宇¹

¹西南医科大学附属口腔医院口腔颌面外科，四川省泸州市 646000；²西南医科大学口颌面修复重建和再生实验室，四川省泸州市 646000

收稿日期:2016-12-18 出版日期:2017-05-18 发布日期:2017-06-10
通讯作者: 兰玉燕，硕士，主治医师，西南医科大学口颌面修复重建和再生实验室，四川省泸州市 646000
作者简介:孙黎波，男，1979 年生，蒙古族，2009年泸州医学院毕业，硕士，主治医师，主要从事口腔颌面外科创伤修复研究。
基金资助:
四川省教育厅资助项目(15ZB0167)；西南医科大学教育改革资助项目(JG2015056)

Application of an individualized titanium mesh based on digital model in the repair of orbital fracture

Sun Li-bo¹, Lan Yu-yan², Zhang Li¹, Zhou Hang-yu¹

¹ Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Hospital of Stomatology, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China; ²Orofacial Reconstruction and Regeneration Laboratory, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China

Received:2016-12-18 Online:2017-05-18 Published:2017-06-10
Contact: Lan Yu-yan, Master, Attending physician, Orofacial Reconstruction and Regeneration Laboratory, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
About author:Sun Li-bo, Master, Attending physician, Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Hospital of Stomatology, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
Supported by:
the Funding Project of Sichuan Provincial Education Department, No. 15ZB0167; the Funding Project for Education Reform in the Southwest Medical University, No. JG2015056

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
眼眶骨折：累及眶缘和眶腔骨壁的骨折。单纯眼眶骨折并不多见，仅占面部骨折的4%-15%，易与颌面部其他骨骼合并骨折，颧骨、额骨、鼻骨和上颌骨Le Fort Ⅲ骨折均累及眼眶，甚至导致眼球损伤。
3D打印技术：又称增材制造，属于快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科发展起来的尖端技术。

背景：应用3D打印制作数字化模型可以提高眼眶骨折修复的精确性，有较好的临床应用前景。
目的：在数字化模型上制作个性化钛网重建眼眶骨折，评价其治疗效果。
方法：选取西南医科大学附属口腔医院2014年1月至2015年10月期间收治的眼眶骨折患者12例，术前行眼眶水平位、冠状位、矢状位CT扫描及三维重建，以CT数据为基础，应用3D打印技术制作数字化模型，在其上制作个性化钛网，术中植入钛网行眼眶重建。术后复查眼眶CT，观察钛网植入位置和眼功能。
结果与结论：①术后CT显示12例患者植入的个性化钛网均能够精确重建骨折的眼眶，所有患者未出现感染和钛网松动、脱出、排斥现象；②以健眼为对照，11例眼球内陷得到完全矫正，1例欠矫治；③9例有复视症状的患者，8例复视症状消失，1例复视症状减轻；④7例有眼球运动受限的患者，术后均恢复正常；⑤结果表明，个性化预成形钛网在解剖上可以精确地重建眼眶骨折，取得了良好的临床效果。

ORCID: 0000-0001-8250-9393(孙黎波)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 钛网, 3D打印技术, 内固定, 眼眶骨折, 数字化骨科

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional printing to prepare a digital model can improve the accuracy of orbital fracture repair, and has a good clinical prospect.
OBJECTIVE: To evaluate the effect of individualized titanium mesh based on the digital model in the reconstruction of orbital fracture.
METHODS: Twelve cases of orbital fracture were admitted at the Hospital of Stomatology, Southwest Medical University from January 2014 to October 2015. CT scanning in axial, coronal, sagittal planes and three-dimensional reconstruction were performed routinely in all cases preoperatively. Digital model was designed by 3D printing technology according to the CT data. Individualized titanium mesh was shaped based on the digital model and used to repair orbital fracture. The accuracy of the reconstructed orbit was assessed based on the postoperative CT scan.
RESULTS AND CONCLUSION: Postoperative CT scans showed that the implanted individualized titanium meshes were capable of accurately reconstructing the fractured orbit in all the 12 patients, and there was no infection, and titanium mesh loosening, prolapse, and rejection. With healthy eyes as controls, 11 cases of eyeball retraction were corrected completely, and only 1 case was still under correction. Diplopia symptoms disappeared in the 8 of 9 cases, and relieved in the 1 of 9 cases. Seven cases of eye movement limitation recovered postoperatively. To conclude, the individualized titanium mesh has great accuracy to repair orbital fractures in patients without serious complications, which has achieved good clinical outcomes in the orbital reconstruction.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Internal Fixators, Orbital Fractures, Imaging, Three-Dimensional, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

孙黎波，兰玉燕，张力，周航宇. 数字化模型制备个性化钛网修复眼眶骨折的应用[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(14): 2158-2162.

Sun Li-bo, Lan Yu-yan, Zhang Li, Zhou Hang-yu. Application of an individualized titanium mesh based on digital model in the repair of orbital fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(14): 2158-2162.

图/表（结果） 2

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引言

随着工业及交通的发展，外伤患者逐年增加，眼眶损伤占颌面部损伤的40%，眼眶骨折特别是复合性眼眶骨折患者明显增多。眼眶骨折不但影响患者视力，而且会导致颌面部畸形，影响患者生活质量，给患者的学习、工作和生活带来极大的痛苦和困难。眼眶解剖结构的复杂性给手术治疗带来了很大的困难，目前主要依据CT影像诊断眼眶骨折，眼眶水平位CT可以显示眶内壁、眶外侧壁骨折，矢状位CT可以显示眶底骨折，冠状位CT可以显示眼眶变形，三维重建能够立体显示眼眶的解剖结构以及骨折和畸形缺损的形状和大小，术前CT的应用，对于临床选择治疗方案及预后评估具有重要意义^[1-2]。但是传统治疗方案需要医生根据临床经验对CT影像进行分析，具有一定的主观性，很难精确修复眼眶骨折。随着近年来数字化技术广泛应用于医疗领域，为眼眶骨折的精确化修复带来了很多便利^[3]。目前通过3D打印技术进行手术方案的制定已经成为一种发展趋势，在口腔颌面外科领域已应用于下颌骨肿瘤的切除和重建^[4-5]。基于CT数据的3D打印技术制备眼眶数字化模型，能够准确显示眼眶解剖结构，术前对钛网进行一次性精确修剪，制备个性化钛网，可减少术中进入眼眶的尝试比对次数，并显著缩短手术时间，简化手术过程，作者对12例眼眶骨折患者术前行眼眶水平位、冠状位、矢状位CT扫描及三维重建，以CT数据为基础，应用3D打印技术制备眼眶数字化模型，在其上制备个性化预成形钛网，观察个性化钛网在眼眶骨折整复手术中的应用价值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计 3D打印术前模拟及病例分析。

1.2 时间及地点于2014年1月至2015年10月在西南医科大学附属口腔医院完成。

1.3 对象西南医科大学附属口腔医院2014年1月至2015年10月期间因外伤收治的眼眶骨折患者12例12眼，其中男8例，女4例；年龄21-57岁；交车祸伤8例，暴力伤3例，高处坠落伤1例。骨折发生位置：眶下壁骨折6例，眶内侧壁骨折4例，眶下壁和眶内侧壁复合骨折1例，眶外下壁骨折并发上颌骨、颧骨颧弓骨折1例。

纳入标准：①伤后距手术时间2周；②经眼眶水平位、冠状位、矢状位及三维CT扫描发现有眶壁缺损；③伤后患者出现复视、眼球运动受限、眼球内陷。

排除标准：有心、脑、肺等功能障碍，不能耐受手术者。

1.4 材料钛网、钛钉(medicon)，256排螺旋CT (PHILIPS)，3D打印机(Makerbot Replicator 2X，美国)。

1.5 方法

1.5.1 数字化模型制备所有患者术前行眼眶水平位、冠状位、矢状位CT扫描及三维重建，采用1.000 mm层厚，扫描范围从颅顶至下颌骨下缘，扫描条件为工作电压 120 kV，电流150.00 mAs，分辨率512像素×512像素；扫描后的数据通过DICOM接口从CT主机传到影像工作站，然后以DICOM格式将其刻成光盘；通过计算机将CT图像中眼眶及颅颌面骨断层数据进行三维重建，利用镜像和反求技术，以健侧眼眶为模板对患侧眼眶形态进行重塑，将重塑后的眼眶模型数据转化为STL文件格式，传送至3D打印机，打印出眼眶数字化模型。

1.5.2 个性化钛网制备在数字化模型上，对植入的钛网进行修剪塑形，制备个性化钛网，修剪钛网使其大小超出骨折区域1.0-2.0 mm，行高温高压消毒后备用。

1.5.3 修复方法在切皮前0.5-2.0 h给予患者应用抗菌药物，若手术时间超过3 h，术中追加一次剂量。眶下壁骨折选用睑缘下切口，眶内侧壁骨折选用内眦旁切口，眶下壁和眶内侧壁复合骨折采用内眦旁和睑缘下联合切口。在下睑缘睫毛下2.0-3.0 mm做横切口，切开皮肤、皮下组织，在适当位置切开眼轮匝肌，避免切开眶隔，防止眶脂肪疝出，向下直达眶下缘骨壁，然后横行切开骨膜，沿骨面剥离，显露眶下缘及眶下壁骨折区，以骨膜剥离器小心将下直肌、眶内容物从骨折嵌顿处解脱出来，使其还纳到眶内。术中进行牵拉试验检查，直至眼球运动不受限^[6]，剥离并保护好眶下神经。术中视骨折情况行内眦旁切口，尽量不使内眦韧带失去骨附着，沿眶内侧壁向后显露筛区骨折，分离时勿损伤泪囊，在骨折复位过程中，将嵌入缺损内的眶内容物还纳至眶内，植入个性化钛网覆盖眼眶塌陷区，用钛钉将钛网固定，防止移位。术区创面充分止血，分层关闭创口。术后平卧休息，并依据患者全身情况应用抗生素、糖皮质激素及止血药，术区常规消毒换药，术后3-5 d后开始进行眼球运动训练。

1.6 主要观察指标治疗后7 d拆除术区缝线，复查眼眶CT及三维重建，检查钛网植入位置，并进行眼球运动功能的训练，患者出院后嘱定期随访3个月，观察患者视力、视野、眼球动度及有无复视以判断手术效果。疗效评价标准：治愈：眼球内陷完全矫治，眼球运动正常，复视症状消失，钛网与眼眶骨折缺损区精确吻合；改善：眼球内陷欠矫治，眼球运动轻度受限，复视症状减轻，钛网与眼眶骨折缺损区相对吻合；无效：眼球内陷无改善，眼球运动受限，复视症状无改善，钛网与眼眶骨折缺损区不吻合。

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讨论

3.1 眼眶骨折的特点眼眶容纳眼球，对眼球起保护作用，眼球周边填充有脂肪、软组织等眶间组织，球外包绕有内外直肌、上下直肌及斜肌等。眼眶位于鼻之两侧，容纳并保护眼球及附属结构，眼眶为一四面锥体形的骨腔，可分为尖、底及上、下、内、外四壁。眶尖经视神经孔与颅中窝相通，眶底宽大，由向前突出的眶缘构成，眶上壁由额骨眶板及蝶骨小翼构成，眶下壁由上颌骨体眶面及颧骨眶面构成，眶内壁由筛骨纸板及泪骨构成，眶外侧壁由颧骨眶面及蝶骨大翼眶面构成。眶缘坚实，眶下壁、眶内侧壁和眶尖薄弱，当大于眼眶的钝性物体打击眼眶软组织和眶缘时，眶内压力急剧增高，眶内容物连同眼球向下、向内及向后移位，造成眶下壁、眶内侧壁和眶尖粉碎性骨折。眼眶骨折的急性期主要表现为眶内出血、眶周瘀斑、眶周水肿、眼眶疼痛。后期可出现一系列的临床症状，主要表现为眼球内陷、外伤性复视和眼球运动受限。因此，恢复眶壁骨缺损，解除眼外肌嵌顿，恢复眼眶容积和眼球动度，改善眼球内陷和外伤性复视是眶壁骨折修复重建的主要目的。但是由于眼眶各个眶壁解剖结构复杂，手术矫治效果很难保证，尤其是眶内壁、靠近眶尖部的骨折及眶内下壁骨折达到完全解剖复位一直是个难题^[7]。

3.2 钛网在眼眶骨折中的应用眼眶骨折的手术程序：首先探查眶壁，解除软组织嵌顿，然后复位并固定眶缘，最后重建眶壁。眶缘处的骨折在复位后，进行微型接骨板内固定，对于眶内侧壁、眶下壁粉碎性骨折，解除软组织嵌顿后，常常伴有骨质缺损，此时需植入修复材料覆盖在骨缺损区，修复骨缺损，重建眶壁。目前有多种材料可以用于眶壁重建，包括自体骨、异体骨、羟基磷灰石复合体、多孔聚乙烯高分子合成材料和钛金属材料等，理想的修复材料应具有化学惰性、生物相容性、无致敏性和无致癌性。但是每种修复材料在临床应用中都有不同的并发症^[8-9]。无论应用哪种修复材料，修复和重建眼眶形态是解决眼球内陷和复视的基本条件。近年来，钛网应用于眼眶重建逐渐得到普及，钛网更易于塑型成眼眶形态^[10-11]。在临床上应用钛网具有如下优点：有良好的抗磁性、可塑性，植入后不变形，具有良好的韧性及支撑力、不易移位、理化性质极为稳定、排斥反应低、不易滋生细菌诱发干扰、组织相容性好^[12]。然而，钛网也有其自身的缺点，由于其边缘锐利，钛网在插入的过程中易造成医源性损伤，如损伤眶尖部组织、眶下神经或韧带，造成眶下神经麻木等并发症，并且对于大范围眶壁缺损，钛网修复后钛金属暴露于上颌窦或筛窦内，后期可能出现感染以及排斥反应，导致手术失败。

既往眼眶骨折修复采用的钛网通常为平面形态，需要更多的术中修剪和弯制，手术过程中精确重建原眶壁的解剖结构难度大，难以精确修复，同时延长手术时间。目前，钛网的设计由平面化向三维化转变，使钛网更加适合复杂的眼眶三维形态，AO工业化三维预成型钛网已逐渐应用于眼眶骨折眶壁重建，三维预成型钛网是根据一般群体CT扫描数据来设计的，这样它接近于人类眼眶的平均形态解剖，可以比较精确地修复眶壁骨折，但是工业化的三维预成型钛网毕竟不是个体化制作，无法与骨折边缘密切对合，以及与眶壁弯曲弧度精确吻合。目前的三维预成型钛网仍然只是个体化治疗的折衷方案，在不久的将来眼眶数字化模型与三维预成型钛网的结合，有可能成为眼眶骨折修复的标准模式^[13]。

3.3 数字化模型对眼眶骨折的指导意义眼眶眶壁骨质菲薄且形态不规则，使缺损的修复精确性较差，因钛网需依据骨壁缺损的形态进行修复，难以达到较为满意的临床修复效果，并且术中容易损伤眶内重要结构，出现视力障碍、眼球运动受限等并发症，传统治疗方式是临床医师在术前对CT影像分析以及术中对骨折区域形态观察，依据个人临床经验塑形钛网，术者在术中反复比对、修剪及塑形，很难精确修复眶壁骨折及缺损，并且对于骨折缺损大，跨域不在同一平面的眶下壁和眶内侧壁复合骨折，术中塑形钛网难度更大，难以达到恢复骨性眶腔的解剖外形。

3D打印又称增材制造，属于快速成型技术的一种，以数字模型文件为基础，依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科发展起来的尖端技术，主要通过计算机辅助设计软件或逆向工程重建三维模型，然后对模型进行分层设计，在3D打印机上实现“打印”叠加，最终整体成形^[14-15]。研究表明，3D打印技术可提高产品的精确性，其精度可控制±200 μm，适合于复杂物品的成型^[16]。3D打印技术制造的个性化医用内植物能实现个性化匹配，满足患者对功能和美学的要求，同时具有定位准确、连接稳定、强度高等优点^[17]。对外伤性眼眶缺损患者，通过计算机辅助技术制定手术方案，在恢复眼眶容积、维持和纠正眼球位置的同时精确重建眶壁解剖外形，可实现眶缺损个体化的重建，提高眶畸形整复效果^[18-19]。通过3D打印技术可以制作精确及可视化的眼眶数字化实体模型，重现患者受伤后眼眶骨折的部位及畸形的程度，手术医生对患者眼眶畸形情况进行直观而准确地观察，可以在实体模型上对钛网进行精确的修剪塑形，制备个性化钛网，植入个性化钛网覆盖眼眶塌陷区，用钛钉将钛网固定，与传统治疗方式相比，因术中无需再次塑形钛网，可避免直接在患者眶内塑形而需反复多次进出眶内的情形，减少了填充材料在空气中的暴露时间，降低了术后感染的可能性，降低术中的出血量，缩短手术时间，提高修复的精确性，降低手术风险，有较高的临床应用价值^[20]。此研究中术后CT显示12例患者钛网与眼眶骨折缺损区精确吻合，患者的复视、眼球运动受限、眼球内陷症状得到明显改善，术后未出现感染症状。

数字化模型应用于眼眶骨折眶壁重建，可精确恢复眼眶的解剖形态和容积，消除眼球内陷^[21-25]。但是，数字化实体模型的制作需要一定的费用，对于相对贫困的患者会产生一定的经济压力^[26]。虽然个性化钛网较传统方法重建眼眶有很多优势，但也存在一些问题，目前在临床中，有些患者入院时已超过最佳手术时间，此时眶内组织出现瘢痕形成、萎缩等变化，即使采用数字化模型，仍然会影响治疗效果。文中纳入的12例患者，虽然术后CT显示钛网与眼眶骨折缺损区精确吻合，但仍有1例患者术后出现眼球内陷欠矫治的情况，考虑为嵌顿的眶内组织出现萎缩的可能。因此，在眶壁骨折精确解剖复位的同时，还要考虑眼眶软组织的萎缩、机化情况，同时补偿减少的眶内容物容积，眼眶容积的精确测量对于眼眶骨折的重建有重要的意义^[27-29]。临床常选用生物相容性好的Medpor作为填充材料来补偿眶内容物容积，Medpor特殊的孔型结构(孔的容积占整个材料的50%)，能够允许周围纤维血管组织长入，从而能增强抗感染性和稳定性，同时还有易塑形、不易变形、耐压和良好的生物相容性等优点。在临床应用中并取得了较好的效果^[30-32]。但是如何进行补偿，补偿量为多少，这将是医生面对的一个新的课题。

综上所述，基于医学影像数据的数字化外科技术逐渐运用于眼眶骨折整复治疗中，眼眶外科的技术和手段也再日益更新，3D打印技术的快速发展，个体化钛网在眼眶重建中也逐渐得到应用，可以显著提高了眼眶手术的精确性及可靠性。为恢复眼眶骨性容积、修复眶骨折提供了一个更精确的、个性化治疗方法。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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