将3D打印技术应用到颅颌面战创伤救治中

初晓阳，邹 璇，邹敬才，于开涛

由于头面部位置暴露，是武器打击的主要部位，颅颌面部战创伤在战争中发生率极高，且涉及的解剖结构多且复杂，所以伤情多严重且复杂，是战伤减员的重要组成部分，严重影响部队的战斗力。如果对颅颌面部战创伤救治不及时或不恰当，可能会危害伤员生命，或对伤病员的面容、颌面部功能及后期生活质量都有较大影响。我国地方医院在颌面外科创伤的专科处置水平较高，但是在战场救助、院前救助和院内急救等方面仍较发达国家存在较大差距，对军事卫勤人员进行颅颌面部战创伤救治的教育培训是提升我军战场救治能力、卫勤保障能力的迫切需求。3D打印技术近年发展迅速，该技术首次应用始于20世纪80年代。在过去的10年中，随着3D打印技术关键专利的到期，3D打印机的成本和尺寸迅速下降，允许其在牙科和医疗领域中广泛应用[1]。在医疗领域中，3D打印技术可用于制作低成本的个性化假肢、生物相容性好的植入体及生物打印等[2-3]，在口腔科3D打印应用更加广泛，如口腔修复、口腔正畸、口腔颌面外科等，也较多用于口腔教学中，主要是为了了解正常解剖学或外科手术模拟[1，4]。笔者认为可以将模拟颅颌面部战创伤的3D打印模型作为该类战伤救治的教学模型。

1 颅颌面部战创伤的救治特点及目前教学现状

在现代战争中，由于颅颌面部缺乏有效的保护，成为武器攻击的主要目标之一，随着武器精准性的提高，颅颌面损伤在战创伤中的比例也逐渐增加。例如，在第一次世界大战中美国士兵颌面部战创伤占所有战伤的比例约为12%，第二次世界大战中约为15%[5]，而在1982—2005年的战争统计中，颌面部战创伤的比例高达40%[6]。

由于颅颌面部特殊且复杂的解剖结构，颅颌面部战创伤的救治处理不当不仅可能威胁伤病员的生命，也会影响愈合后的外形和功能。面部疤痕、骨折畸形、软组织缺损和面神经损伤等都会引起面部畸形和功能障碍，将严重影响伤病员的生活质量及导致严重的心理、社交障碍。但是，我军针对颅颌面部战创救治水平，如现场救助、院前救助和院内急救方面同发达国家尚有较大差距，针对这方面的教学也相对薄弱。根据顾晓明教授[7]报道，国内具有较高治疗水平的医院收治颌面创伤患者1/2以上是陈旧性的，遗留的骨折错位愈合、骨不连、感染、功能障碍和面部畸形等处理都非常棘手，造成这些情况的主要原因是颅颌面战创伤救治的教育和训练水平不高，亟需培养更多、更专业的颅颌面战创伤救治的外科医师。培养更专业的外科医师需要更多的实践，但是在培训阶段的医师接触的多是正常的、无损伤的标本组织，能够接触真实颅颌面部战创伤标本或病患机会较少，而3D打印技术就为解决这一问题提供了很好的途径，可以建立颅颌面部战创伤病患的CT扫描等数据库，全国共享，在医师培训时根据需要提取打印相关的颅颌面部创伤病患3D模型，供教学使用，更加真实直观。

2 3D打印制作颅颌面战伤模型的步骤

3D打印模型的数据可以通过计算机断层扫描[8]、磁共振成像[9]和超声影像[10]获得，使用的是医学数据成像和通信(data imaging and communications in medicine，DICOM)数据。对于颅面外伤，大部分的图像是由计算机断层扫描获得的（图1）。因此，颅面战创伤可以建立颅面损伤的DICOM档案库。对颅颌面战创伤DICOM数据使用分割和网格生成工具进行处理，并转换为标准的镶嵌语言(STL)文件进行打印。通过计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件程序，可以对颅颌面战创伤立体光刻（stereolithography，STL）文件进行修改。对打印的模型进行编号，以便日后追踪，在颅颌面战创伤救治培训中也可多次打印。也可以在原有的颅颌面战创伤STL文件上创建新的裂缝，模拟更加复杂多样的战创伤情况。然后将文件加载到打印机通信软件中，如Up Studio软件，与3D打印机进行通讯，定义打印设置和打印所需的支架（图2）。打印时可以设置模型质量和所需的打印时间，根据教学需要，设定按不同比例及层厚条件下进行打印。然后用3D打印机进行打印，较低成本的3D打印机为基于熔融沉积建模技术的快速原型机，使用丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)或聚乳酸(PLA)为原料，在降低打印成本的同时又保证了模型的精准度。打印出来的3D模型必须使用镊子清理多余部分，如打印支撑区域。由于3D打印模型模拟的是骨骼结构，如果需要模拟如颞下颌关节软骨部分时需要添加树脂结构，以便最大程度更精确的模拟牙齿咬合情况。

图1 CT检查扫描得到的颧骨骨折颅骨三维重建

图2 3D打印通信软件建模形成的3D打印前颅骨模型

图3 3D打印颧骨骨折颅骨模型正面及侧面观

图4 3D打印颧骨骨折颅骨模型45°及冠状观

利用1例面中部外伤伴颧骨骨折临床病例，利用3D打印方法打印出损伤模型（图3、4），可以清晰的看出骨折线及骨折后颧骨出现旋转的情况。并将其用于学生的教学当中，单纯的教课书描述及2D图片的展示很难让学生充分理解颧骨骨折可能出现的颧骨体骨折向内下移位、旋转、眶下缘向下、张口受限等临床表现，但是结合颧骨骨折的3D打印模型，学生均表示结合教科书及3D模型对颧骨骨折有了更加清楚的认识，希望以后可以有更多类型颌面部骨折的3D模型。

3 3D打印技术用于颅颌面战伤教学的优势

3.1 降低教育成本 现代战争中战伤救治工作有着不同于常规战争的鲜明特点：①伤员增多，时空分布复杂；②新概念武器的应用和核、化、生物武器导致致伤因素增多，伤类、伤型增多，伤情复杂；③野战条件下环境艰苦，机动性强；④准确把握伤类、伤部、伤因、伤势、伤情，及时采取有效的救治措施[11]。对新伤类、伤型，要求有专门的救治技术实施救治。面对新军事变革的需要，战伤救治工作仍然若干问题：①搜寻伤员不够现代化；②通气、止血、包扎、固定、后送等急救器材不配套；③信息化管理落后；④中青年外科医师缺乏实战经验，平时对战伤救治的培训不足，易犯许多不应犯的错误，如：不能及时发现气道堵塞；不能正确使用止血带；包扎伤口不牢靠而发生松脱；未作固定的情况下就进行搬运；清创切口小，深层坏死组织清除不彻底，甚至所有火器伤伤口均作早期缝合[12]。

以上这些因素都决定需要更加专业、训练有素的外科战伤救助医师，医师的培训需要加大教育资源的投入，外科专业人才的培养需要大量标本模型等，目前3D打印成本逐渐下降，可以降低外科人才培养成本。3D打印模型质量轻巧，所有模型都方便运输。

3.2 适应颅颌面战创伤教学的复杂性 颅颌面部战创伤救治的教学不仅包括战场急救，也包括伤员后送后创伤救治和新技术的快速和准确应用，及创伤愈合后畸形修复、缺损部位的赝复等。如颅颌面外科技术、显微外科技术、坚强内固定技术、正颌外科技术、复合组织瓣修复技术、植骨技术、牵张成骨技术、颌面种植赝复技术等。如此众多的复杂技术，可见颅颌面战创伤教学的复杂多样性，但是3D打印技术可以根据不同的教学需要，对DICOM数据做出调整改变，适应颅颌面战创伤教学内容，满足不同教学内容的需要。

3D打印用于颅颌面创伤教学最主要优点是为处理损伤部位异常的解剖结构提供了可能性。不同于仅有正常组织结构的尸体标本，通过对颅颌面损伤3D打印模型的触摸观察，可以提高医师对复杂的颅颌面损伤病理解剖的理解，对不同颌骨骨折类型的观察理解骨折可能的对咬合的影响。如对颧骨骨折3D打印模型的观察，可以发现患者颧骨骨折并伴有重要移位，由于颧弓和下颌骨喙突之间的冲突，会导致张口受限。再如下颌骨骨折3D打印模型，可以直观的观察到咬合的变化，骨折对侧的咬合早接触及骨折同侧的开牙合。这些都是正常解剖结构的组织标本不能展示的。

目前较多院校采用了模式教学（problem based learning，PBL）对提高本科生病的认知和临床思维能力有一定的帮助[13]。也有研究将PBL教学法运用在颅颌面救治教学中[14]，在教学过程中结合3D打印，学生可以直接参与到模型的设计、打印以及通过CAD软件自行对模型进行旋转观察，并进行实际的测量、评估，完成手术模拟，在此过程中建构新知和技能，增加学生主动学习兴趣，提高其自主解决问题能力。本研究认为也可以将PBL教学模式与3D打印技术相结合，运用到颅颌面部战创伤救治的教学中，并会进一步进行相关对比研究。

随着时代及新技术不断发展，我军针对战创伤救治的教学方法也应随之进步，3D打印技术用于颅颌面部战创伤救治教学不仅可以降低教学成本，也大大提高教学效率及水平，希望我军可以与时俱进，培养更多合格外科军医人才，满足我军平、战时“保健康、保打赢”的基本要求。