面中部骨折虚拟手术设计在大学生创新训练计划中的应用研究

戴妙轩 周佳 董又诚 丁家成 高沁航 林思远 杨成帅 张诗雷

颅颌面创伤的发生日益增多[1]，面中部骨折约占颌面部骨折的40%以上[2]，是颌面部骨折治疗中的难点和重点。面中部骨质较为薄弱，骨折会导致严重的颜面畸形和错颌畸形，不恰当的诊断和治疗会严重影响患者的预后效果。随着数字化技术及精准医学的不断发展，虚拟手术规划具有高度可预见性、直观性和精确性等优势[3-4]，已在口腔颅颌面外科领域中发挥着重要且广泛的作用[5-7]。虚拟手术设计的精度对面部骨折诊治，尤其是复杂面中部骨折，是极其重要的。

在颌面外科教学方面，虚拟手术设计也被证实有较好的作用。对于临床经验较少、专业技能还不够成熟的住院医师（或医学生），虚拟手术设计提供了一种无创、安全、高效、可重复的练习方式，使他们能学习高难度的术式，熟悉手术的入路、切割、关键点[8]，为临床实际操作做好充足的准备。对于缺乏临床经验的医学生，虚拟手术设计能帮助他们更为直观、立体地学习口腔颌面部解剖知识，并对颌面外科手术规划及具体步骤能有一个整体的认识[9]，学生接受度高，且可以重复操作，有利于学生自主学习钻研[10]。

为了培养创新型国家建设需要的创新型、应用型、复合型医学人才，上海交通大学医学院开展了大学生创新训练计划（以下简称“大创”），旨在通过强化创新实践、导向“科研育人”。为了顺应上海交通大学医学院数字化建设发展的方向，本研究通过对医学生进行面中部骨折虚拟手术设计训练，探索虚拟手术设计训练在大创中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2020 年6 月至2021 年5 月，选取上海交通大学附属第九人民医院口腔颅颌面科面中部骨折患者66 例（单侧Zingg B 型颧上颌复合体骨折病例61 例及复杂面中部骨折病例5例），其中男39 例，女27 例，年龄21～70 岁，平均年龄41.97岁。

因为Zingg B 型完全性单发颧骨骨折移位较明显，CT 影像上额突、颞突、上颌突和眶下缘四个突起处的骨折线较清晰，临床诊治以及虚拟手术设计简单。因此，我们在临床教学中选取单侧Zingg B 型颧上颌复合体骨折为简单面中部骨折的练习对象。

1.2 虚拟手术设计培训

选取来自上海交通大学口腔医学院2018 级本科生2 名及2019 级本科生2 名。首先由1 名医师讲授颌面部骨折基本理论知识、临床诊断、治疗程序、治疗原则和手术路径等。其次，该医师现场讲解CT 影像数据的处理及三维可视化原理，使用1 例单侧Zingg B 型颧上颌复合体骨折患者的术前CT 数据，以DICOM 格式导入Simplant 虚拟手术软件中，进行颅颌面骨的三维重建。最后，医师示范骨折块的分割复位原理及解剖标志点的选择，在软件中演示骨折块的分割、定点测量、移动、旋转以及模拟骨折复位手术，让学生对治疗程序、手术路径等有一个详细的了解。学生根据讲解及示教内容，练习该Zingg B 型颧上颌复合体骨折病例的骨折块分割复位，提出操作过程中遇到的问题，医师引导学生分析讨论、及时解答疑问并对学生的设计和操作进行点评反馈。

1.3 简单面中部骨折的虚拟手术设计训练及评估

从61 例单侧Zingg B 型颧上颌复合体骨折病例中随机抽取1 例为训练后的测试病例，其余的60 例病例随机平均分配给4 名学生，每人练习15 例病例的骨折块分割复位。完成训练后，4 名学生统一进行简单面中部骨折的骨折块分割复位测试，记录所用时长，将复位结果导入Geomagic Studio 软件中，与1 名设计经验丰富医师的手术设计方案进行对比拟合，使用偏差光谱分析功能评价学生虚拟手术设计方案的精确度。

1.4 复杂面中部骨折的虚拟手术设计训练及评估

4 名学生每人练习5 例复杂面中部骨折虚拟手术设计，记录虚拟手术设计所用时长。每个病例随机抽取1 名学生的虚拟手术设计，采用Geomagic Studio 软件将其与1 名设计经验丰富医师的手术设计方案进行光谱偏差分析，以评价学生的手术设计方案。

2 结果

在单侧Zingg B 型颧上颌复合体骨折虚拟手术设计训练中，4 名学生平均分割时间为22'54''，平均复位时间为20'05''；在复杂面中部骨折的虚拟手术设计训练中，学生完成每例虚拟手术设计的平均分割时间为72 min，平均复位时间为33 min。

在简单面中部骨折虚拟手术设计测试中，4 名学生的虚拟手术设计方案与医师的手术设计方案的偏差分别为（0.240 8±0.037 5）mm、（0.157 5±0.022 3）mm、（0.378 2±0.055 1）mm和（0.133 7±0.018 7）mm（图1）。在复杂面中部骨折虚拟手术设计训练中，5 例病例随机抽取学生的虚拟手术设计方案与医师的手术设计方案的偏差分别为（0.240 3±0.033 5）mm、（0.238 8±0.028 0）mm、（0.209 1±0.046 9）mm、（0.473 3±0.068 5）mm 和（0.140 8±0.019 9）mm（图2）。学生与医师的虚拟手术设计方案之间的偏差均小于0.5 mm，具有较高的一致性，说明通过虚拟手术设计训练，医学生能够较好地掌握面中部骨折的理论知识及虚拟手术设计操作技能。

图1 简单面中部骨折虚拟手术设计测试结果及评估Fig.1 Results and evaluation of virtual surgical design for simple midfacial fractures

图2 复杂面中部骨折虚拟手术设计训练结果及评估Fig.2 Results and evaluation of virtual surgical design for complex midfacial fractures

3 讨论

3.1 虚拟手术设计训练在教学中的作用

虚拟手术设计训练能大幅度提高学生的CT 影像读片能力。本实验中的学生尚未进入临床实习阶段，在训练之前很少接触CT 影像，对骨折线的认识仍停留于理论。通过15 例简单面中部骨折和5 例复杂面中部骨折的虚拟手术设计训练，学生能迅速识别颌面部骨块，辨识骨折线，判断骨折类型，将解剖和影像学知识融会贯通。

其次，虚拟手术设计训练有助于学生掌握和强化口腔颌面部解剖知识。患者CT 数据的三维重建使学生能清晰、直观地看到口腔颌面部的复杂解剖结构；骨折块的分割复位训练能反复加强学生对颌面部骨薄弱部位和骨折块断端解剖标志点的记忆。

此外，虚拟手术设计训练能使医学生对口腔颌面部骨折的手术规划及具体步骤有一个整体的认识，使学生学会根据骨折类型选择治疗方式、了解手术路径等。同时，数字化技术已在口腔颅颌面外科领域中发挥着重要且广泛的作用，学生熟练掌握虚拟手术规划软件的操作，能为其未来的临床工作打下坚实基础。

3.2 虚拟手术设计训练在面中部骨折诊疗中的作用

虚拟手术设计训练在面中部骨折诊疗中能发挥积极作用。本研究结果显示，通过训练，学生能够较熟练掌握虚拟手术设计软件的使用。4 名学生在简单与复杂面中部骨折测试中的虚拟手术设计，与医师的手术设计方案的偏差均小于0.5 mm，具有较高的一致性。这说明虚拟手术设计训练使学生对面中部骨折手术方案的设计能力显著提升，从而能提高制定术前规划方案的熟练度以及方案的可行性，为临床实际操作提供更为合理的参考方案。

3.3 使用现有虚拟手术规划软件进行复杂面中部骨折手术设计的局限性

3.3.1 镜像平面的选取

对于单侧面部骨折的患者，临床上常以患者自身面中线作为参考平面，用镜像技术将健侧镜像至患侧，因此镜像平面的选取对于骨折块的精确复位至关重要。根据实验中学生使用虚拟手术规划软件的亲身体验，软件中对称平面的准确建立并非易事，尤其是在复杂面中部骨折的虚拟手术设计中。多数同学采用的方法是以经过鼻根点、前鼻棘点和枕骨大孔中点的正中矢状面为对称平面，然而复杂面中部骨折中鼻根点和前鼻棘点往往容易受累，造成解剖标志点的缺失，进而影响镜像平面的选取。即使是鼻根点和前鼻棘点未受累的骨折，判断标志点位置并在软件中手动选择标志点的过程也极易产生误差，这将导致骨折块复位的位置偏差。镜像平面建立的不准确常会造成治疗效果的不理想，导致一系列面部畸形及功能障碍，如眼球运动异常及复视等[11]。

目前，镜像平面的确立并无统一标准，采用镜像技术时确立对称平面的方法也不尽相同。沈国芳等[12]以鸡冠为标志点，通过确定鸡冠的矢状面来建立对称平面，但此种方法要求患者鸡冠的解剖位置正确且形态良好，因此部分面中部复杂骨折伴发颅脑外伤而损伤到鸡冠的患者不能使用。Feng 等[13]在确立对称平面时选取了3 个点，分别为左右髁突中心点及两点连线的中点，并以过中点并与两点连线垂直的平面为对称平面。这种方法同样存在着局限性，不适用于面中部复杂骨折合并髁突骨折或颞下颌关节移位的患者。叶兰峰等[14]在上述两种方法的基础上，将镜像后临近的解剖结构进行数据配准，参考患侧与健侧的标志点进行微调，作为对称平面确立的辅助手段。

3.3.2 缺乏解剖标志点和健侧参考时复位困难

当患者为面中部复杂骨折时，要准确复位骨折块则面临更大的挑战。对于双侧面中部骨折的患者，其骨折累及面中线致使镜像功能无法使用，要考虑面部结构的协调性并参考剩余残端骨骼的特征解剖标志点来模拟复位骨折块。如果骨折累及双侧面中部的重要解剖标志点，虚拟手术设计时骨折复位无法参考健侧镜像进行虚拟重建，主要依靠医师手法移动进行经验性复位[15]。对于临床经验较少的医学生，虚拟手术设计的难度因此大大提升。同时，解剖标志点的缺失还使骨折断端的对齐复位变得困难。

在临床上，面中部骨折的手术应以恢复3 大支柱（翼上颌支柱、颧上颌支柱、翼上颌支柱）、颧骨突度、眶上弓、眶下弓、颧弓、鼻骨弓、上颌槽弓位置为目的，恢复正常的咬合关系和面中部的宽度、高度和突度，矫正眼球运动与视力障碍[16]。颧骨的准确复位固定是眼眶重建和解决眼球内陷的关键，应至少保证3 点固位，尤其是颧额缝、眶下缘和颧牙槽嵴的三维复位[17]。当面中部复杂骨折累及颧骨时，颧牙槽突由于易发生粉碎性骨折，碎骨片较多，难以作为复位参考；而颧额突虽然相对较易复位，但当上颌窦前外侧壁骨折时，颧上颌支柱对位困难，颧额缝及眶下缘对位并不足以恢复骨折块的正常位置[11]。对于上述两种复位较为棘手的情况，可通过建立包含不同地区与人种的颅颌面三维数据库，选择性地进行匹配与参考，以实现个体化颌面骨外形的重建[18]。

此外，大量临床研究已经证实颅颌面并非绝对镜像对称。大量针对正常人群的研究显示，颅颌面结构存在一定的非对称率[19-20]。因此,在使用虚拟手术规划软件时，一味机械性地依赖于健侧镜像为参考，也许并不能达到理想的复位效果。

3.3.3 分割复位繁琐且耗时长

在复杂面中部骨折虚拟手术设计训练中，由于面中部复杂骨折累及骨块多且不规则，学生分割骨折块并复位的用时长，体现了复杂面中部骨折虚拟手术设计耗时长、训练效率低的局限。同时，由于手动分割骨折块需要在每层CT 影像上用圆形工具擦除或勾画出骨折块范围，不同直径的圆形工具会对分割的精确程度产生直接影响。由于分割过程重复且繁琐，训练者容易产生消极心态并快速粗略勾画骨折块范围，牺牲了分割的精细程度，最终影响分割复位的效果。

3.3.4 复位时骨折断端重叠

在复位骨折块时，需要将相邻骨折块的断端拼接对齐，而由于虚拟手术设计软件本身的局限性，难以避免两个骨折块断端接合处出现重叠的情况，造成使用虚拟手术软件设计的规划方案的合理性下降，对实际临床手术操作的参考价值大大降低。

3.4 虚拟手术设计训练全新软件开发的设想与前景

针对上述虚拟手术训练在面中部骨折诊疗中的局限性，我们期望今后能有一款自动规划面中部骨折整复的虚拟手术软件，希望该软件能突破市面上现有虚拟手术软件在面中部复杂骨折方面的局限性，借助骨折块自动分割复位功能，自动化地对复杂骨创伤整复手术进行术前规划，在保证治疗效果的同时，大大缩短手术规划的时间。同时，医学生在使用这款软件进行教学与训练时，无需将时间花费在骨块分割上，提高了训练效率；自动化复位的模型也可与自己的设计及操作进行对比，在验证精度后或许可作为评估的标准，使虚拟手术设计训练能更好且更广泛地应用于医学生颌面部骨折教学之中。