3D打印技術(shù)在脛骨畸形矯形手術(shù)中的應(yīng)用

劉欣偉，于海龍，韓天宇，曹志強(qiáng)，柳云恩，周大鵬，侯明曉

脛骨作為人體的重要骨骼，具有重要的生理功能。脛骨畸形常見于脛骨骨折術(shù)后畸形愈合，由于脛骨力線發(fā)生移位，人體難以正常負(fù)重、行走，久之會(huì)發(fā)生踝、膝繼發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎，嚴(yán)重影響患者生存質(zhì)量［1］。以往矯形手術(shù)術(shù)者靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行術(shù)前粗測，術(shù)中邊截骨矯形邊調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不準(zhǔn)確［2-3］。隨著3D打印技術(shù)的興起，通過該技術(shù)制作個(gè)體化導(dǎo)板，能夠?qū)喂沁M(jìn)行數(shù)字化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并于手術(shù)中進(jìn)行精確還原，提高了矯形效果，縮短了手術(shù)時(shí)間［4］。沈陽軍區(qū)總醫(yī)院骨科2014年8月—2015年8月通過3D打印手術(shù)導(dǎo)板完成了8例脛骨畸形矯形手術(shù)，療效滿意，現(xiàn)報(bào)告如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇擬采用3D打印手術(shù)導(dǎo)板行脛骨畸形矯形手術(shù)的8例為觀察組，均為男性;年齡21～39歲，平均29歲;病程9～23個(gè)月，平均15個(gè)月;脛骨近1/3畸形1例，脛骨遠(yuǎn)1/3畸形7例。納入標(biāo)準(zhǔn):①脛骨畸形患者，年齡、性別、體重不限;②術(shù)前行3D-CT重建病骨，確定術(shù)區(qū)存在安置導(dǎo)板空間;③簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn):①病骨合并感染;②術(shù)中顯露截骨區(qū)但難以安置導(dǎo)板;③患者不同意使用3D打印導(dǎo)板。隨機(jī)選取8例既往未采用手術(shù)導(dǎo)板進(jìn)行截骨矯形的病例為對照組，兩組基線資料基本一致，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。

1.2 方法

1.2.1 手術(shù)導(dǎo)板制作:術(shù)前常規(guī)行雙側(cè)肢體3D-CT檢查，掃描層厚0．625 mm，將數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)出并存儲(chǔ)。通過Mimics10．0軟件將DICOM格式的文件提取后對病骨進(jìn)行三維建模后通過Magics15．0軟件進(jìn)行后處理;通過逆向工程技術(shù)求得反向模型后確保計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的導(dǎo)板能夠準(zhǔn)確帖服于骨面。將骨和導(dǎo)板生成的STL文件導(dǎo)入3D打印機(jī)中并執(zhí)行3D打印。本研究中使用的打印材料均為ABS樹脂。打印完成后將導(dǎo)板與骨模型再次適配確認(rèn)無誤后，導(dǎo)板送手術(shù)室消毒備用。

1.2.2 術(shù)中應(yīng)用:觀察組均采用全麻，手術(shù)為同一組醫(yī)師完成。麻醉成功后，常規(guī)消毒、鋪無菌手術(shù)單，取脛骨前方直切口，逐層切開皮膚、皮下組織、筋膜，鈍性分離肌肉后顯露病骨骨面，將導(dǎo)板貼合與病骨表面，打入克氏針固定導(dǎo)板，術(shù)中透視確認(rèn)標(biāo)記區(qū)域無誤后，以擺鋸沿導(dǎo)板設(shè)計(jì)好的截骨槽進(jìn)行截骨，截骨后將兩側(cè)骨端進(jìn)行解剖復(fù)位并以克氏針臨時(shí)固定，再次透視確認(rèn)脛骨對位對線好，骨端復(fù)位滿意后，以脛骨遠(yuǎn)端鎖定加壓鋼板行最終固定。術(shù)畢，逐層縫合關(guān)閉切口，無菌敷料包扎。

1.3 觀察指標(biāo) 記錄觀察組各導(dǎo)板的制作時(shí)間，觀察比較兩組手術(shù)時(shí)間、術(shù)中X線“C”型臂機(jī)透視次數(shù)即醫(yī)患術(shù)中X線暴露頻次。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 15．0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(x±s)表示，組間比較采用t檢驗(yàn)，α=0．05為檢驗(yàn)水準(zhǔn)。

2 結(jié)果

觀察組均成功設(shè)計(jì)制作了手術(shù)導(dǎo)板并進(jìn)行了應(yīng)用，導(dǎo)板制作時(shí)間為(16．5±3．5)h，術(shù)區(qū)骨面均能夠與導(dǎo)板準(zhǔn)確帖服并引導(dǎo)擺鋸截骨成功，矯形后脛骨對位對線均恢復(fù)正常，導(dǎo)板在應(yīng)用過程中未出現(xiàn)變形、斷裂。觀察組手術(shù)時(shí)間為(121．6±22．5)min，較對照組［(182．3 ±33．6)min］明顯縮短(t=9．87，P ＜0．05);術(shù)中透視次數(shù)為(6．0 ±1．5)次，較對照組［(18．0 ±5．5)次］明顯減少(t=15.82，P＜0．05)。觀察組均獲隨訪，時(shí)間為1～16個(gè)月，平均4．5個(gè)月，截骨端均順利愈合，無感染發(fā)生，對位對線未出現(xiàn)再次移位。典型病例圖片見圖1。

圖1 男，22歲。車禍致右脛骨遠(yuǎn)端骨折畸形愈合。A、B．術(shù)前3D-CT可見骨折畸形愈合，對位對線不良;C．術(shù)前3D打印病骨和手術(shù)導(dǎo)板并進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃模擬;D．術(shù)中依據(jù)導(dǎo)板進(jìn)行精確截骨;E、F．術(shù)中X線“C”型臂機(jī)透視可見截骨后矯形效果良好，病骨遠(yuǎn)近端對位對線好，鋼板固定位置佳

3 討論

3D打印技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域已應(yīng)用近30年，其前身是集成激光快速成型技術(shù)、高分子材料、三維CT技術(shù)于一體的一種現(xiàn)代化工業(yè)制造技術(shù)［5］。在計(jì)算機(jī)掃描的前提下，通過對零件幾何信息的數(shù)字化處理，在計(jì)算機(jī)中對零件進(jìn)行符合設(shè)計(jì)要求的再次精細(xì)加工，逐層堆積即可得到三維重建模型，該模型通過3D打印機(jī)將一定的可打印材料注入后，即可制作出實(shí)體模型［6-8］。激光快速成型技術(shù)早已引起了醫(yī)療界學(xué)者們的注意，但由于工藝、操作、設(shè)備等諸方面的限制，并未推廣。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，3D打印技術(shù)近年來在各個(gè)領(lǐng)域廣泛興起，在醫(yī)用材料領(lǐng)域特別是硬組織領(lǐng)域更是得到了長足發(fā)展，由于人體組織的不規(guī)則性，人與人之間存在個(gè)體化差異，該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)施亦給患者、醫(yī)生帶來了巨大的幫助［9］。

在骨科領(lǐng)域，由于骨骼的不規(guī)則特點(diǎn)，骨骼畸形的矯正一直是醫(yī)生面臨的一大難題，以往對于此類問題，只能憑借高年資醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，通過術(shù)前反復(fù)比對，術(shù)中多次透視確認(rèn)進(jìn)行截骨矯形，由于醫(yī)生之間經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平存在差異，臨床效果不盡相同，以至于3D打印技術(shù)開展之前沒有一種方法能夠簡單、快捷、精確地指導(dǎo)截骨矯形的實(shí)施。3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制備的骨模型與骨等大，導(dǎo)板與骨精確匹配，醫(yī)生能夠在術(shù)前即在打印出的病骨上通過導(dǎo)板完成截骨模擬，術(shù)中在患者病骨上再次實(shí)施［10-11］。與傳統(tǒng)手術(shù)相比，這種個(gè)體化設(shè)計(jì)－預(yù)演手術(shù)－精確實(shí)施的模式大大提高了截骨的精確度，縮短了手術(shù)時(shí)間，減少了手術(shù)創(chuàng)傷，縮短了醫(yī)生的學(xué)習(xí)曲線。國內(nèi)杜浩等［12］術(shù)前3D打印快速制備6例股骨頭壞死病例的骨模型，通過手術(shù)預(yù)演對手術(shù)成功起到了關(guān)鍵作用。丁煥文等［13］采用3D打印技術(shù)為106例患者制作骨關(guān)節(jié)模型，進(jìn)行手術(shù)設(shè)計(jì)、預(yù)演、術(shù)中精確實(shí)施，認(rèn)為該技術(shù)能夠大大縮短手術(shù)時(shí)間、減少出血、方便醫(yī)生更好地了解患病組織的解剖結(jié)構(gòu)。于乃春等［14］在脊柱外科領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)對病椎進(jìn)行重建，術(shù)前制作個(gè)體化導(dǎo)板，術(shù)中能夠完成椎弓根螺釘?shù)木_置釘，大大節(jié)約了手術(shù)時(shí)間，減少了對患者的二次損傷。本研究結(jié)果顯示，對8例脛骨畸形患者通過3D打印技術(shù)成功設(shè)計(jì)制作了病骨和手術(shù)導(dǎo)板并進(jìn)行了應(yīng)用，矯形后脛骨對位對線均恢復(fù)正常，與對照組比較，手術(shù)時(shí)間明顯縮短、術(shù)中X線暴露頻次明顯減少，對患者和醫(yī)生的醫(yī)源性損傷大大降低，臨床療效滿意。

綜上所述，3D打印技術(shù)作為一種新興技術(shù)在骨科矯形領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景，該技術(shù)具有能夠?qū)崿F(xiàn)術(shù)前個(gè)體化設(shè)計(jì)、進(jìn)行手術(shù)預(yù)演、縮短手術(shù)時(shí)間、減少醫(yī)源性損傷、提高手術(shù)效率等優(yōu)點(diǎn)，給患者、醫(yī)生帶來了巨大的幫助。值得一提的是，目前3D打印產(chǎn)品均無法作為植入物使用，若在今后的研究中，能夠研發(fā)出一種可植入的3D打印產(chǎn)品如個(gè)體化骨缺損填充物、3D打印個(gè)體化關(guān)節(jié)置換假體等，將進(jìn)一步推動(dòng)臨床骨科的發(fā)展。

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