個性化設計3D打印鼻前庭支撐器用于鼻前庭區狹窄治療的臨床研究

汪濤,陳東,徐洲,王鐘穎,王珮華,于洋

(上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院 1.耳鼻咽喉頭頸外科; 2.3D打印中心,上海 200011)

頭面部外傷中鼻部外傷的發生率較高,其中開放性鼻部外傷累及到鼻前庭或者靠近鼻瓣區的內襯皮膚黏膜時,因其部位的隱蔽性,通常會忽略對前鼻腔該部位裂傷的有效縫合或者填塞處理,導致愈合后期鼻前庭區域局部瘢痕性狹窄,出現了嚴重的鼻塞不適并明顯影響其生活,因此解除鼻前庭區域瘢痕性狹窄是恢復鼻通氣功能的關鍵[1];其次局部瘢痕的收縮和牽拉作用導致前鼻孔區域變形,也經常困擾著患者的美容問題,故外傷性前鼻孔狹窄的治療原則應當使前鼻孔形態和功能上予以恢復和重建。由于前鼻孔形態和鼻前庭區域的結構特征個性化差異明顯,手術和現有的局部支撐擴張治療能夠使鼻腔通氣功能得到較好恢復,但在局部鼻孔形態外觀改善方面往往不甚理想。近年來3D打印技術的應用帶來了醫學領域的變革:利用3D打印的材料做軟骨支架,構造血管化的骨組織[2-3];實現細胞和組織的打印[4-5];有助于口腔正頜外科手術療效評估和提高手術成功率[6-7],3D打印的鈦網精準修復局部缺損的顱骨,3D打印結合自體軟骨顆粒進行小耳畸形的再造[8]。3D打印技術在臨床醫學中的廣泛應用,使得運用3D打印個性化設計的鼻前庭擴張器來實現術后的局部擴張支撐達到局部形態和功能的完全恢復成為可能。

故該臨床研究運用個性化設計3D打印鼻前庭器和常規支撐擴張方法,針對單側外傷性鼻前庭區狹窄的患者術后予以支撐擴張治療,并分別從主觀評價指標、客觀的局部形態結構參數和數值模擬鼻腔氣流動力學參數等方面,來分析個性化設計3D打印鼻前庭器支撐擴張與常規支撐擴張對鼻前庭區狹窄治療后在鼻腔通氣功能和前鼻孔形態上恢復療效的評價。

1 資料與方法

1.1 研究對象

研究對象為2019年10月—2022年3月臨床上診斷為單側鼻前庭區狹窄的患者73例,年齡10～70歲,男41例,女32例,隨機分為對照組(35例)和試驗組(38例)。所有研究對象均符合臨床研究入選標準,并按照臨床研究設計的隨機分組方案進行隨機分組,入院后均在全麻下行鼻前庭瘢痕切除和局部皮瓣轉移術。對照組患者術后使用常規醫用硅膠管或者鼻膜矯正器支撐擴張治療,試驗組患者術后使用個性化設計3D打印鼻前庭器支撐擴張治療,隨訪時間6個月。

入選標準:單側鼻前庭區狹窄伴有該側鼻腔通氣障礙,需要手術治療的患者,術前鼻腔鼻竇薄層CT顯示狹窄部位位于鼻前庭區(鼻瓣區至前鼻孔)。排除標準:雙側狹窄的患者,先天性外鼻畸形,近期有鼻腔鼻竇急性炎癥性疾病控制不好的患者。該臨床研究經由院倫理委員會審批同意實施(倫理號:SH9H-2020-T229-1),所有加入該研究的患者均簽署臨床研究知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 圖像采集和視覺模擬評分(visual analogue scale, VAS) 所有入組患者分別在術前和手術支撐擴張后6個月復查:①前鼻孔局部正側位拍照,采集前鼻孔形態圖像信息;②患者主觀評判鼻塞嚴重程度用VAS計量,以0～10分表示自覺鼻塞癥狀的嚴重程度,0分代表無任何鼻塞不適,10分最為嚴重;③患者自覺雙側鼻孔對稱性滿意度用VAS計量,以0～10分表示患者自覺雙側鼻孔對稱性的滿意程度,0分代表非常不滿意,10分最為滿意。

1.2.2 個性化設計及3D打印鼻前庭支撐器 參照“鼻前庭支撐器”(專利號:ZL 2019 2 1781604.9)設計流程,依據患者術前的鼻腔鼻竇CT數據,以非狹窄側鼻前庭數據鏡像處理并設計出術后狹窄側的鼻前庭支撐器的數字三維模型,打印介質選擇硬度和抗張強度良好、能耐高低溫,并且無生物毒性,組織接觸相容性良好的光敏樹脂材料,由我院3D打印中心專業技術人員在2個工作日內完成鼻前庭支撐器的打印,以方便患者在術后抽取鼻腔填塞物的同時開始后續的局部支撐擴張治療(圖1)。

圖1 個性化設計3D打印鼻前庭支撐器的設計、數字三維模型和打印的實物(a～c)以及患者佩戴后效果(d、e)

1.2.3 鼻腔氣道三維數值模型的構建、網格劃分和優化 研究對象分別于術前和支撐擴張治療后6個月復診時分別行2次鼻腔鼻竇CT薄層掃描。采用GE公司64排螺旋CT Light Speed Ultra進行掃描?；颊咴诎察o的室溫條件下取仰臥位,平靜吸氣末屏氣掃描,掃描范圍頸部及全頭顱。每例患者的鼻腔DICOM數據,在Mimics Research 19.0中完成鼻腔氣道三維重建,去除對鼻腔氣流影響很小的鼻竇腔部分[9-10],構建后的三維模型在后處理軟件中進行網格劃分和優化處理,生成鼻腔氣道的三維數值模型。

1.2.4 數值模擬 運用流體力學分析軟件ANSYS Fluent 16進行氣流模擬計算,計算區域為前鼻孔入口至鼻咽部出口的整個鼻腔氣道,流體為不可壓縮定常流動的空氣(ρ=1.225 kg/m3,動力黏性系數μ=1.789 4×10-5kg/m·s),鼻腔壁處設為無滑移邊界,鼻腔黏膜溫度(壁面溫度)設為32 ℃(305 K),并有熱量交換。模擬平靜呼吸狀態,設入口處壓強為1個標準大氣壓,默認值為0 Pa(鼻腔內部壓強均為負值),溫度設置為20℃(293 K),相對濕度為30%(質量分數0.005 18 g/L);鼻咽部出口為速度出口,設置為250 mL/s 恒定流量,溫度設為32 ℃(305 K),相對濕度為100%(質量分數0.037 5 g/L)。數值模擬采用層流模式進行計算[9],使用不可壓縮黏性體的Navier-Stokes方程和連續方程,獲得平靜吸氣時整個鼻腔的氣流數據。數值模擬計算中,我們將鼻阻力(NR)定義為單位流量(Q)所需要的壓強差(ΔP),即NR=ΔP/Q;鼻腔加溫效率(nasal warming efficiency,NWE)和鼻腔加濕效率(nasal humidification efficiency,NHE)可作為評價鼻內氣流溫濕度調節功能的參數,NWE(%) =100% ×(T鼻腔特定部位-T前鼻孔)/(T鼻腔壁面-T前鼻孔),其中T為各鼻腔部位溫度,NHE(%)=100%×(H鼻腔特定部位-H前鼻孔)/(H鼻腔壁面-H前鼻孔),其中H為各部位相對濕度,其中在單側(正常側或狹窄側)和總鼻腔參數中的鼻腔特定部位分別為該側鼻中隔骨性段后緣和鼻咽部出口部位。

1.2.5 統計學方法 運用GraphPad Prism 8.0.2進行數據統計分析和繪圖。手術前和支撐器擴張后的鼻塞嚴重程度和雙側鼻孔對稱性滿意度的VAS評分、鼻孔形態幾何參數、數值模擬計算有關的鼻阻力、鼻腔溫度與濕度調節功能等參數在試驗組和對照組兩組間的比較采用t檢驗,其中組內使用配對樣本t檢驗,組間使用非配對樣本t檢驗,P<0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 主觀鼻塞嚴重程度和雙側鼻孔對稱性滿意度的VAS評分的比較

術后支撐擴張治療后的6個月隨訪,試驗組和對照組前鼻孔狹窄患者術前和支撐擴張治療后鼻塞嚴重程度和鼻孔對稱性滿意度的VAS見表1。結果顯示,兩組患者鼻塞主觀感覺VAS均較術前有明顯改善,但兩組的評分在支撐擴張治療后并無明顯差異(P>0.05);兩組患者在擴張治療后雙側鼻孔對稱性滿意度評分均較手術前明顯改善,且支撐擴張治療后試驗組的評分高于對照組(P<0.05),見圖2。

表1 患者主觀療效VAS結果

圖2 兩組患者主觀鼻塞嚴重程度(A)和雙側鼻孔對稱性滿意度(B)VAS比較

2.2 鼻孔形態相關參數的比較

試驗組和對照組的患者術后使用不同的支撐擴張治療效果如圖3所示。鼻孔形態不規則并且個性化明顯,該研究中我們選取狹窄側鼻孔部位的長軸和短軸的長度分別與正常側鼻孔部位的長軸和短軸長度的比值,并用其比值與1的差值的絕對值大小(Δ長軸比值和Δ短軸比值)來作為治療后狹窄側鼻孔形態恢復程度的評價指標,表示為Δ長軸比值=|(L狹窄側鼻孔長軸/L正常側鼻孔長軸)-1|,Δ短軸比值=|(L狹窄側鼻孔短軸/L正常側鼻孔短軸)-1|,其中L為鼻孔部位的長軸或短軸的長度,結果見表2。在對照組和試驗組支撐擴張治療后的Δ長軸比值和Δ短軸比值均較手術前明顯減小,差異具有統計學意義(P<0.05),說明支撐擴張治療均可以達到使鼻孔局部形態得到一定程度恢復的目的,另外統計數據顯示支撐擴張治療后的試驗組Δ長軸比值和Δ短軸比值的值均小于對照組,其差異具有統計學意義(P<0.05),說明試驗組中所使用的個性化設計3D打印的鼻前庭支撐器支撐擴張治療比對照組中使用的擴張治療在恢復鼻孔形態上更加優秀。

表2 鼻孔和鼻前庭區形態學參數比較

圖3 試驗組(A)和對照組(B)患者術后使用不同支撐擴張治療效果的比較

2.3 術前和支撐擴張治療后鼻瓣區截面積的比較

對照組和試驗組患者術前CT示瘢痕性狹窄部位均位于鼻腔最為狹窄的鼻瓣區域,支撐擴張治療后的對照組和試驗組鼻瓣區截面積均較手術前明顯增加,差異具有統計學意義(P<0.05), 其中支撐擴張治療后的對照組鼻瓣區截面積均值大于試驗組(P<0.05)。見表2和圖4。

圖4 兩組患者術前和支撐擴張治療后鼻瓣區截面積的比較 圖5 兩組患者術前和支撐擴張治療后狹窄側鼻腔(A)和總鼻腔鼻(B)阻力的比較

2.4 鼻阻力和鼻腔冠狀截面上平均速度的比較

如表3和圖5顯示,支撐擴張治療后兩組患者狹窄側的鼻阻力均分別明顯低于手術前 (P<0.05),且支撐擴張治療后的試驗組比對照組有更小的狹窄側鼻腔阻力值(P<0.05); 數據顯示在對總鼻腔阻力的影響方面,支撐擴張治療后的兩組患者總鼻腔阻力均較術前有明顯降低(P<0.05),但支撐擴張治療后兩組之間的總鼻腔阻力比較差異并不明顯(P>0.05),說明不同的支撐擴張治療均可達到解除局部狹窄和降低狹窄側鼻阻力的目的,并且使用個性化設計3D打印鼻前庭支撐器治療對恢復單側鼻阻力的療效更佳,但在總鼻腔阻力的恢復方面相比對照組的療效并無差別。

表3 鼻腔鼻阻力比較

隨著支撐擴張治療后鼻瓣區的恢復,流經狹窄側鼻腔的氣流流速增加,結果顯示(表3)在試驗組和對照組支撐擴張治療后的狹窄側鼻腔下鼻甲前、中、后不同部位冠狀截面上的平均流速均較手術前明顯增加(P<0.05),而兩組間并無明顯差別(P>0.05)。

2.5 鼻腔氣流溫度和濕度調節

正常鼻腔對流經的氣流有加溫和加濕作用,氣流流經整個鼻腔的溫度和濕度的分布狀態如圖6所示。表4中數據顯示,支撐擴張治療后兩組患者的NWE均較手術前有明顯減小(P<0.05),在支撐擴張治療后的狹窄側鼻腔和總NWE,對照組和試驗組比較均無明顯差異(P>0.05); 比較術前和支撐擴張治療后的總NHE,顯示在對照組和試驗組中差異均無統計學意義(P>0.05);在使用不同的方式支撐治療后,兩組之間的總NHE無明顯差異(P>0.05)。結果說明手術后局部有效的支撐擴張治療均會對總鼻腔氣流的加溫作用有一定程度影響,但對氣流加濕的影響作用有限,比較常規支撐擴張和個性化設計3D打印的鼻前庭支撐器擴張對鼻腔氣流的溫濕度調節作用的優劣方面并無明顯差異。

表4 鼻腔氣流調節功能參數比較

圖6 鼻腔內氣流溫度分布(a)和鼻腔內氣流濕度分布(b)

3 討論

隨著鼻面部外傷的逐年增多,外傷后的前鼻孔狹窄的患者就醫需求逐漸增加,通過手術切除局部狹窄區的瘢痕的確可以短期內緩解患者通氣障礙,但是如果沒有術后長期的前鼻孔擴張,同樣會在短時間內出現瘢痕增生,并發生再次狹窄,導致手術失敗。而目前臨床上僅能選用簡易的圓柱形硅膠管或者類圓錐形的鼻膜矯正器來作為術后的局部支撐擴張使用,但通過對治療患者的長期隨訪觀察發現,鼻前庭部位形態結構出現不可逆的變形,鼻瓣區結構消失,而導致鼻孔形態上的不美觀。鑒于鼻前庭形態結構不規則并個性化特征明顯,計算機輔助設計結合3D打印可為解決該臨床問題提供幫助。前期的臨床試驗中我們完成了個性化設計3D打印的鼻前庭支撐器制作,并用于單側前鼻孔狹窄患者的術后局部支撐擴張治療,取得滿意的恢復療效。該研究結果也證實,通過對38例單側前鼻孔狹窄的患者術后使用個性化設計3D打印的鼻前庭支撐器擴張治療與35例患者單側前鼻孔狹窄的患者術后使用常規硅膠管或鼻膜矯正器支撐擴張治療的比較,支撐擴張治療后的患者主觀鼻塞感受和前鼻孔對稱性滿意度均有明顯改善。雖然3D打印的鼻前庭支撐器和常規支撐擴張治療在改善鼻腔通氣效果方面差異并不明顯,但使用3D打印的鼻前庭支撐器治療后的試驗組患者對于前鼻孔對稱性滿意度評分明顯高于使用常規硅膠管或鼻膜矯正器組。對于個性化特征明顯的鼻孔形態的客觀評價,我們選取狹窄側鼻孔部位的長軸和短軸的長度分別與正常側鼻孔部位的長軸和短軸長度的比值,并用其比值與1的差值的絕對值大小(即Δ長軸比值和Δ短軸比值)來作為支撐擴張治療后狹窄側鼻孔形態恢復程度的評價指標,結果顯示3D打印的鼻前庭支撐器治療后的試驗組其結果均低于對照組,說明運用3D打印的鼻前庭支撐器在術后的擴張治療中不僅能達到鼻腔通氣功能的恢復,同時在前鼻孔形態的恢復上要優于常規方式。

數值模擬方法在分析鼻腔阻力、可視化下模擬鼻腔加溫加濕調節,客觀評價療效恢復等方面比常規鼻聲反射測量方法有更大優勢。數值模擬模型能夠準確反映出鼻腔氣流的狀況,其結論與臨床檢查測量結果相一致[11]。有學者[12]曾使用數值模擬方法來研究和評估功能性內鏡鼻竇手術對鼻腔內氣流的影響以及手術的療效,證實數值模擬方法用于鼻內氣流的研究可行且可靠。數值模擬的準確性與分析模型的精度相關,高分辨率CT數據保證了局部細微結構的分辨率,建模過程中對鼻腔通氣道模型適當的鼻竇簡化和足夠精細的模型網格體數量均能夠準確體現鼻腔的氣流流動狀態[13];文獻證實[14]在平靜呼吸下鼻腔內部流動按照穩態計算的合理可行。并且該研究有關鼻腔氣流壓強、溫度、濕度的變化特征與目前相關文獻報道的結論相一致[15-16]。

73例前鼻孔狹窄患者術前CT顯示狹窄部位均位于前鼻孔入口至鼻域的鼻前庭區域,鼻瓣區為鼻腔最為狹窄的區域,對于進入鼻腔的氣流有限流和調節作用[17],結果顯示對照組和試驗組患者支撐擴張后的鼻瓣區截面積都有不同程度的增大,鼻前庭區域狹窄的狀態得以改善,但使用常規硅膠管或者鼻膜矯正器擴張的對照組治療后的平均鼻瓣區截面積明顯大于試驗組,考慮其原因為正常鼻瓣區非圓形截面,個性化設計的3D打印鼻前庭支撐器參照患者正常側鼻前庭結構制作,其支撐和擴張時更加貼合正常的鼻前庭區域,而常規類圓柱形硅膠管擴張后的鼻前庭區域正常結構改變,故而導致更大的鼻瓣區截面。鼻腔前端最狹窄的鼻瓣區是產生鼻阻力的主要部位,隨著支撐擴張治療后鼻瓣區截面積的增大,兩組患者的狹窄側鼻阻力和總鼻腔阻力均明顯下降,長期有效的支撐擴張不僅防止局部瘢痕再狹窄,同時使鼻腔阻力下降,改善鼻腔的通氣功能,雖然兩組患者在使用不同的支撐器治療后在降低總鼻腔阻力上沒有明顯差別,但可以發現個性化設計的3D打印鼻前庭支撐器在改善狹窄側單側的鼻阻力上要優于使用常規硅膠管,個性化設計的3D打印鼻前庭支撐器在對鼻瓣區大小和形態上的恢復趨于正常,比單純擴大鼻瓣區截面積,在改善狹窄側鼻腔阻力的效能方面會更高,因此我們認為鼻瓣區的大小和形態對單側鼻腔鼻阻力均有不同程度的影響,而使用個性化設計的3D打印鼻前庭支撐器作為術后的支撐擴張治療可以達到更好的效果。

鼻內流經氣流溫濕度的變化取決于鼻黏膜表面與流經氣流的溫度和濕度傳遞作用。有學者提出[18-19]將鼻腔加熱效率作為評價鼻內氣流調節功能的參數,在氣流流速較高的區域,氣流與鼻黏膜的接觸時間增加,導致熱傳遞作用增強,氣流溫度升高。該研究結果也同樣顯示,兩組患者在接受支撐擴張治療后的狹窄側NWE和NHE均較術前下降,分析其原因可能為支撐治療后流經狹窄側鼻腔的氣流流速增加而導致,數據顯示術前狹窄側鼻腔下鼻甲前、中、后不同冠狀截面上的平均速度均分別低于支撐治療后,同時疊加不同程度的氣流渦流現象,氣流與鼻黏膜接觸時間延長,從而導致鼻黏膜與流經氣流的熱量和濕度交換增加,故而出現術前流經鼻腔氣流的溫度和濕度增加程度要高于支撐治療后的現象,而當鼻前庭支撐器治療后隨著鼻瓣區結構的恢復,流經狹窄側鼻腔的氣流流速增加,氣流與鼻黏膜表面接觸時間相對縮短,從而使得NWE和NHE出現下降的情況。另外我們發現對照組和試驗組患者在支撐擴張治療后NWE和NHE并未因為使用不同的支撐擴張方式而有明顯差別,其原因可能在于不同的支撐擴張方式帶來的鼻前庭區域的形態結構變化會對溫度和濕度的交換有一定程度的影響,但該效應相比整個氣流與鼻黏膜有效接觸對溫度和濕度交換的調節作用要小。由此我們得出,將個性化設計3D打印鼻前庭支撐器和常規硅膠管用于鼻前庭區狹窄手術后的支撐擴張治療,均可達到改善鼻腔氣流的溫濕度調節作用,但兩者之間并無明顯差別。

4 結論

研究證實,相比于常規的支撐擴張方法3D打印鼻前庭支撐器用于前鼻孔狹窄患者的術后支撐擴張治療更能體現個性化治療的優勢并讓患者獲得更為滿意的療效,治療后前鼻孔外形、鼻腔正常的通氣功能和鼻腔氣流的溫濕度調節作用均有較好的恢復,符合局部形態和功能完全恢復的治療原則;個性化設計3D打印的鼻前庭支撐器可作為臨床上鼻前庭局部支撐擴張治療的補充,用于有局部支撐擴張需求的患者,注重個性化形態和功能的恢復,能讓更多患者受益,其臨床應用前景較好。