3D打印技術(shù)在髖臼骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用綜述

黃 暉 李尚政 韋奎丞

( 廣西醫(yī)科大學(xué)附屬民族醫(yī)院骨科 ， 廣西 南寧 530001 )

隨著新材料技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)也隨之獲得了蓬勃發(fā)展，且不斷成熟。當(dāng)前，3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域。該技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)，受到了醫(yī)療行業(yè)的青睞，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越加廣泛，在髖臼骨折手術(shù)治療中也得到了廣泛應(yīng)用。髖臼骨折發(fā)生率在近些年來呈現(xiàn)出逐年升高趨勢。由于骨盆髖臼結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且其形狀不規(guī)則，給治療增加了較大難度。3D打印技術(shù)主要是通過三維數(shù)字模型重建與電子計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，以逐層堆疊累積方式形成三維實(shí)體模型，從而髖臼骨折提供新的有效輔助治療途徑[1-2]。隨著數(shù)字骨科的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)使得髖臼骨折手術(shù)治療越加趨向與精細(xì)化與個(gè)性化[3]。本文就3D打印技術(shù)在髖臼骨折手術(shù)治療中的應(yīng)用及在臨床應(yīng)用中存在的問題及解決辦法綜述如下。

1 3D打印技術(shù)概述：3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代后期，但是，由于技術(shù)尚不夠成熟，且價(jià)格昂貴，并未得到推廣與普及[4]。最先是在牙科與頜面外科領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)，近些年來，在骨科手術(shù)治療過程中的引用越來越受到重視，尤其是髖臼骨折手術(shù)治療中。該技術(shù)是在術(shù)前結(jié)合病人CT三維重建的數(shù)據(jù)來制造1:1的3D實(shí)體模型，借此促進(jìn)醫(yī)患、醫(yī)生與家屬之間的溝通與交流，為他們提供視覺與觸覺上的體驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用前景。在髖臼骨折手術(shù)治療中的具體應(yīng)用一般有以下3個(gè)階段：(1)初級階段。通過三維實(shí)體模型，以便醫(yī)生了解患者骨折的類型、程度與每一塊骨折塊移位等情況，從而幫助醫(yī)生在術(shù)前評估、診斷，術(shù)中骨折復(fù)位提供有效的參考依據(jù)。(2)中級階段。給予患者個(gè)體化植入假體制作以及個(gè)性化地治療。通過該技術(shù)可以使假體設(shè)計(jì)與制作實(shí)現(xiàn)個(gè)體化，通過量身定做，達(dá)到和患者骨骼更為精確地匹配，加快恢復(fù)患者患肢功能。(3)高級階段。通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)人工組織與器官的打印。當(dāng)前，該技術(shù)還處于初級與中級階段的，同時(shí)，還存在很多有待解決的問題。

2 3D打印技術(shù)在髖臼骨折治療中的臨床應(yīng)用效果分析：在骨科手術(shù)當(dāng)中，往往需通過置入內(nèi)植物來幫助患者恢復(fù)其解剖結(jié)構(gòu)，這種傳統(tǒng)手術(shù)方法很容易出現(xiàn)手術(shù)部位和內(nèi)植物之間的形態(tài)擬合性比較差的問題，且在手術(shù)治療過程中可能會(huì)反復(fù)多次塑形或嘗試各種型號(hào)的內(nèi)植物，從而加重患者患部局部創(chuàng)傷，還會(huì)使手術(shù)時(shí)間延長[5]。而3D打印技術(shù)能在術(shù)前實(shí)現(xiàn)髖臼結(jié)構(gòu)的全景真實(shí)模擬，能為患者提供高精度的量身定做的手術(shù)方案以及植入體，縮短手術(shù)時(shí)間、提升手術(shù)效果。

2.1 術(shù)前規(guī)劃：髖臼骨折由于其形態(tài)不規(guī)則且解剖結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，周邊分布很多神經(jīng)血管，手術(shù)難度大，一旦手術(shù)處理不當(dāng)或疏忽，很可能會(huì)導(dǎo)致創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、骨盆畸形、神經(jīng)損傷與肢體短縮等情況。因此，很有必要進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃，制定個(gè)體化的規(guī)劃。對于髖臼骨折的治療，傳統(tǒng)手術(shù)方法通常是結(jié)合患者X線與CT影像來確定患者骨折類型、移位情況，并選擇適合的內(nèi)固定器械，通過手術(shù)實(shí)現(xiàn)骨折復(fù)位。Wu等[6]的研究通過3D打印技術(shù)制作了1例股骨內(nèi)髁復(fù)雜骨折、2例跟骨以及2例髖臼的骨骼模型，通過模擬手術(shù)，在手術(shù)之前，對螺釘?shù)能壍琅c尺寸進(jìn)行了明確，并將鋼板進(jìn)行預(yù)彎，大大縮短了手術(shù)時(shí)間，使操作精確度大大增加，在術(shù)后，經(jīng)過CT檢查與X線檢查顯示，發(fā)現(xiàn)患者骨折復(fù)位良好。邱宇辰等[7]通過回顧性分析方法，對10例復(fù)雜髖臼骨折患者與25例復(fù)雜髖臼骨折患者分別采取3D打印技術(shù)制定手術(shù)方案與常規(guī)手術(shù)治療，3D打印治療組通過術(shù)前規(guī)劃，選擇最佳手術(shù)方案，結(jié)果顯示，3D打印技術(shù)治療組的術(shù)中失血量、圍術(shù)期輸血量、手術(shù)時(shí)間與術(shù)中透視次數(shù)指標(biāo)均低于常規(guī)手術(shù)組(P<0.05)，臨床效果顯著。Upex等[8]的研究通過利用3D打印技術(shù)對髖臼骨折患者在術(shù)前進(jìn)行預(yù)彎鋼板，術(shù)中手術(shù)操作順利，在術(shù)中直接對骨折部位進(jìn)行復(fù)位并固定即可，置入的鋼板匹配良好，且該技術(shù)屬于微創(chuàng)手術(shù)，具有并發(fā)癥少、損傷小，且復(fù)位良好等優(yōu)勢。

2.2 術(shù)中簡化手術(shù)操作：3D打印技術(shù)不但能協(xié)助醫(yī)生對患者骨折復(fù)位前后情況進(jìn)行了解，而且還能通過骨折模型在手術(shù)之前就能完成精確預(yù)彎鋼板。而傳統(tǒng)手術(shù)往往需在手術(shù)過程中，在對患者情況進(jìn)行探查之后再進(jìn)行鋼板折彎操作，才能確定鋼板置入的位置等。傳統(tǒng)手術(shù)往往會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，且鋼板安放位置存在一定不確定性，折彎精確度較低。3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)術(shù)前預(yù)彎鋼板，簡化術(shù)中操作，減少軟組織剝離，縮短手術(shù)時(shí)間。通過數(shù)字化設(shè)計(jì)能明確螺釘方向與螺釘長度，并在3D模型上模擬手術(shù)，大大減少了術(shù)中明確螺釘方向與長度的時(shí)間，同時(shí)，減少術(shù)中多次透視步驟，降低射線照射量。聶喜增等[9]的研究通過常規(guī)術(shù)前檢查與手術(shù)(常規(guī)技術(shù)組)、3D打印技術(shù)治療(3D技術(shù)組)分別對68例與30例復(fù)雜骨盆及髖臼骨折患者進(jìn)行治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D技術(shù)組輸血量、出血量、手術(shù)時(shí)間均短于常規(guī)技術(shù)組(P<0.05)；3D技術(shù)組骨盆及髖臼骨折復(fù)位質(zhì)量：27例在0-1mm，3例在2-3mm，0例>3mm，復(fù)位率為90%(0-1mm)，而常規(guī)技術(shù)組35例在0-1mm，25例在2-3mm，8例>3mm，復(fù)位率為51.4%(0-1mm)，對比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，大大提升了內(nèi)固定物置入的準(zhǔn)確性與安全性，應(yīng)用效果顯著。曾參軍等[10]的研究明確提出了腹腔鏡輔助聯(lián)合3D打印技術(shù)治療髖臼骨折，能明顯減少術(shù)中透視時(shí)間以及透視量。也有研究通過3D打印技術(shù)來制作導(dǎo)向模板，正確引導(dǎo)螺釘，準(zhǔn)確固定患者的骶髂關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)治療，降低手術(shù)難度，也避免了因多次透視而導(dǎo)致的輻射危害，真正實(shí)現(xiàn)了髖臼骨折的個(gè)性化與精準(zhǔn)化[11]。也有研究通過分析髖臼后緣解剖數(shù)據(jù)，通過3D打印技術(shù)制定個(gè)性化的解剖型鋼板，用于治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)術(shù)后并沒有發(fā)現(xiàn)血管神經(jīng)損傷，能實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)臏?zhǔn)確置入，且沒有發(fā)現(xiàn)螺釘進(jìn)入患者關(guān)節(jié)腔情況[12]。

2.3 建立手術(shù)導(dǎo)向模板：髖臼骨折影像導(dǎo)航手術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在臨床治療當(dāng)中，但由于該手術(shù)方法所耗費(fèi)的材料較為昂貴，對技術(shù)要求較高，難以在臨床上進(jìn)行推廣[13]。近些年來，有研究著將逆向工程技術(shù)。數(shù)字化三維重建技術(shù)與快速成形技術(shù)相結(jié)合來進(jìn)行導(dǎo)航模板設(shè)計(jì)，從而有利于螺釘置入，縮短手術(shù)時(shí)間，并降低操作風(fēng)險(xiǎn)，這為現(xiàn)代化髖臼骨折治療提供了新的治療理念與輔助手段[14-15]。通過CT三維重建模型可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分析手術(shù)區(qū)結(jié)構(gòu)，并利用逆向工程技術(shù)對螺釘方向及長度等設(shè)計(jì)出導(dǎo)航模板模型，最后通過快速成形技術(shù)將模型制成實(shí)體。在髖臼骨折手術(shù)治療過程中使用導(dǎo)航模板導(dǎo)航，能準(zhǔn)確確定螺釘位置與方向，大大提升了手術(shù)操作的準(zhǔn)確性，使髖臼骨折內(nèi)固定術(shù)變得更加快速、便捷。陳鴻奮等[16]的研究通過將逆向工程、三維重建、現(xiàn)代影像學(xué)以及快速成形技術(shù)對螺釘導(dǎo)航模板進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)并制作，最終成功制成了髖臼后柱拉力螺釘進(jìn)釘導(dǎo)航模板，結(jié)果顯示，通過進(jìn)釘導(dǎo)航模板能準(zhǔn)確置入拉力螺釘。徐勇強(qiáng)等[17]的研究通過CT數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)拉力螺釘進(jìn)釘導(dǎo)向器，通過測量螺釘進(jìn)釘方向與進(jìn)釘點(diǎn)，為螺釘置釘導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)提供了重要的解剖學(xué)基礎(chǔ)，大大提升了螺釘置釘?shù)臏?zhǔn)確性與成功率，有效降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還能有效減輕手術(shù)損傷。

2.4 3D打印骨盆髖臼假體植入：針對髖臼骨折患者，通過假體重建幫助患者獲得良好的外觀以及滿意的功能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)早期活動(dòng)，這已成為當(dāng)前治療髖臼骨折后創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎或股骨頭壞死的一種有效方法。目前臨床上使用的常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的假體一般能滿足大多數(shù)患者的治療需求，但是，少數(shù)患者會(huì)由于骨折導(dǎo)致的嚴(yán)重畸形或嚴(yán)重骨缺損，不得不制定個(gè)體化植入物，且近些年來，這部分人的數(shù)量在不斷增加。有研究指出，將多種重建髖臼缺損的假體應(yīng)用在臨床上，治療效果顯著，但是，還是會(huì)存在脫位、松動(dòng)、感染等并發(fā)癥[18]。而通過3D打印髖臼假體技術(shù)能實(shí)現(xiàn)個(gè)體化設(shè)計(jì)并制作，醫(yī)生可以根據(jù)患者髖臼解剖結(jié)構(gòu)特性與其他特殊情況重建髖臼形態(tài)，滿足患者的治療需求，而且能較好解決以往假體不完全匹配等問題。Schwartz等[19]與Hughes等[20]的研究通過3D打印技術(shù)能根據(jù)患者實(shí)際情況制作出相應(yīng)形態(tài)的假體，實(shí)現(xiàn)截骨面與假體的精確配對，還能通過固定孔徑與孔隙率的表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)骨長入與融合，同時(shí)，能明顯減少術(shù)中出血量，縮短手術(shù)時(shí)間，降低術(shù)后并發(fā)癥，增加關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，提升手術(shù)操作的精確性與安全性。但是3D打印假體作為一種新技術(shù)、新產(chǎn)品，不管是規(guī)?；谱?，還是個(gè)體化制作，在國際上還未有嚴(yán)格的產(chǎn)品質(zhì)量控制與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以，臨床應(yīng)用過程中還是存在一定安全隱患。

3 3D打印技術(shù)在臨床推廣應(yīng)用中存在的問題及解決辦法：當(dāng)前，3D打印技術(shù)在臨床推廣應(yīng)用過程中上存在一些問題急需解決，有以下幾個(gè)方面：(1)打印機(jī)器設(shè)備與材料成本不低，且打印材料較昂貴，這在很大程度上限制了3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用。另外，對計(jì)算機(jī)軟件處理、編輯等操作具有更高要求，也對3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用造成了一定阻礙。(2)材料的選擇范圍受到較大限制。當(dāng)前，臨床研究中能用于3D打印材料的種類并不多，比較稀缺，且不同材料的模型經(jīng)消毒后會(huì)存在不同程度的變形，對模型的準(zhǔn)確性造成了較大影響[21]。再加上利用3D打印技術(shù)輔助治療髖臼骨折當(dāng)前還處于探索階段，并沒有廣泛推廣應(yīng)用。(3)利用3D打印技術(shù)打印模型需要一定時(shí)間。所謂的快速成型并不是說很快，是相對概念，是相對傳統(tǒng)個(gè)性化制作模型來說的。這樣一來，在急診手術(shù)之中是難以應(yīng)用的，或者當(dāng)手術(shù)計(jì)劃出現(xiàn)變更時(shí)，在術(shù)中也無法進(jìn)行設(shè)計(jì)并制作[22]。

面對上述存在的問題，骨科醫(yī)生應(yīng)積極尋找相應(yīng)的解決對策，如：(1)加快3D打印技術(shù)專門團(tuán)隊(duì)的培養(yǎng)，以解決各種問題，包括術(shù)前設(shè)計(jì)、制作等；(2)通過低溫等離子消毒方式來解決由于消毒而導(dǎo)致模型發(fā)生變形問題；(3)在手術(shù)之前，由高年資醫(yī)生組織病例探討研究會(huì)，通過交流商定規(guī)范、詳細(xì)且有效的手術(shù)方案，盡可能避免臨時(shí)變更手術(shù)方案的情況發(fā)生，同時(shí)，參與手術(shù)的團(tuán)隊(duì)成員必須熟練掌握各種髖臼骨折復(fù)位方法，以防在因一些特殊情況而無法進(jìn)行3D打印技術(shù)時(shí)，能通過傳統(tǒng)手術(shù)方法進(jìn)行治療，減少因突發(fā)狀況而導(dǎo)致無法完成手術(shù)的情況發(fā)生[23]。隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，現(xiàn)代影像技術(shù)精度的不斷提升，再加上新材料的不斷研究，相信3D打印技術(shù)在治療髖臼骨折上的應(yīng)用將更廣泛深入，打印髖臼模型能更好更為準(zhǔn)確地指導(dǎo)手術(shù)，更好地為患者服務(wù)。

結(jié)語：綜上所述，3D打印技術(shù)目前還處于起步階段，在臨床應(yīng)用過程中還存在很多困難，但是它的應(yīng)用前景還是非常光明的。3D打印技術(shù)具有自由成型的特點(diǎn)，尤其適用于較為復(fù)雜產(chǎn)品的成型，在復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的置入物制造等方面也具有明顯優(yōu)勢，能有效減少手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，提升手術(shù)的準(zhǔn)確性與成功率，還可較好解決傳統(tǒng)手術(shù)力學(xué)性能差且形狀不匹配等問題。筆者相信在不久的將來，3D打印技術(shù)會(huì)更全面更好地應(yīng)用于髖臼骨折治療等相關(guān)領(lǐng)域中，在臨床上得到更為廣泛的應(yīng)用。