3D打印數(shù)字化技術(shù)輔助治療髖臼骨折的應(yīng)用進(jìn)展

陸儉軍　何錦威

摘要：髖臼骨折是一種關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，常累及負(fù)重關(guān)節(jié)面，并發(fā)癥多，需手術(shù)治療。髖臼的復(fù)雜性決定了其手術(shù)難度大。隨著對(duì)髖臼骨折損傷的深入研究以及計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)器械的發(fā)展，髖臼骨折的手術(shù)策略也不斷向最優(yōu)化、精準(zhǔn)化方面發(fā)展。其中3D打印數(shù)字化技術(shù)在術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬等個(gè)性化過(guò)程優(yōu)化了內(nèi)固定植入方案，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化手術(shù)，取得了較好的效果。解剖復(fù)位、堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定及術(shù)后早期功能鍛煉是髖臼骨折治療的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：髖臼骨折；3D打??；個(gè)性化

中圖分類(lèi)號(hào)：R445.3；R681.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-2409（2016）05-0146-05

隨著社會(huì)快速發(fā)展，高能量創(chuàng)傷致髖臼骨折發(fā)病率明顯上升，髖臼骨折占全身骨折的3%～8%。髖臼骨折常伴顱腦損傷、腹部損傷等并發(fā)癥，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量，致殘率及病死率高。髖臼骨折治療是創(chuàng)傷骨科領(lǐng)域的一個(gè)難題，其難度在于髖臼骨折有較多的近、遠(yuǎn)期并發(fā)癥。髖臼骨折是關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，復(fù)位要求達(dá)到解剖復(fù)位，內(nèi)固定力學(xué)性能要求高。內(nèi)固定作為治療髖臼骨折的主要手段，其質(zhì)量直接關(guān)系治療療效和預(yù)后。傳統(tǒng)方案是術(shù)前進(jìn)行X線(xiàn)照片及CT掃描，提供二維圖像供手術(shù)醫(yī)生了解病情并構(gòu)建手術(shù)計(jì)劃參考。手術(shù)計(jì)劃只能憑醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)和想象能力，無(wú)法將手術(shù)全貌與成員組交流。近20多年來(lái)，“數(shù)字醫(yī)學(xué)”概念的提出及在醫(yī)療領(lǐng)域的初步應(yīng)用，信息科學(xué)目前在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)方面嶄露頭角。在外科領(lǐng)域，“數(shù)字醫(yī)學(xué)”對(duì)外科手術(shù)產(chǎn)生了重要變革。通過(guò)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立解剖的人體結(jié)構(gòu)模型、用于評(píng)估治療效果的模型、用于術(shù)式評(píng)估的人路模型、用于手術(shù)練習(xí)的現(xiàn)場(chǎng)模型等。在數(shù)字化技術(shù)的指導(dǎo)下，數(shù)字化醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成手術(shù)前的數(shù)字化規(guī)劃，使得手術(shù)更加精準(zhǔn)及個(gè)體化。如何將數(shù)字化設(shè)計(jì)的術(shù)前規(guī)劃方案精準(zhǔn)再現(xiàn)是一個(gè)難題，而3D打印技術(shù)在數(shù)字醫(yī)學(xué)輔助下可以在髖臼骨折手術(shù)術(shù)前規(guī)劃、精準(zhǔn)實(shí)施手術(shù)之間搭起橋梁。然而，現(xiàn)有的數(shù)字化技術(shù)和3D打印技術(shù)在髖臼骨折的內(nèi)固定治療中仍存在一些局限，有待進(jìn)一步完善。筆者就3D打印數(shù)字化技術(shù)在髖臼骨折內(nèi)固定治療中的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

1 3D打印數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)的比較

1.1術(shù)前優(yōu)化設(shè)計(jì)

髖臼骨折的傳統(tǒng)手術(shù)方法是依據(jù)X線(xiàn)及CT橫斷面影像判斷髖臼骨折的移位情況，并進(jìn)行骨折類(lèi)型分類(lèi)，選定合適內(nèi)固定器械及相對(duì)應(yīng)的手術(shù)入路，然后完成手術(shù)。而數(shù)字化技術(shù)及3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)髖臼骨折的治療起到劃時(shí)代的作用。3D打印技術(shù)又稱(chēng)“快速成型技術(shù)”，是一種與傳統(tǒng)“減材制造”技術(shù)相反、在三維數(shù)字模型的基礎(chǔ)上采用逐層制造方式將材料堆積起來(lái)的新型“增材制造”技術(shù)。1986年，Chuck Hull發(fā)明了光固化立體印刷技術(shù)（SLA），并產(chǎn)生第一臺(tái)3D打印機(jī)，1989年Deckard發(fā)明選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），1992年Crump發(fā)明熔融沉積成型技術(shù)（FDM），1993年Sachs發(fā)明了3D噴印技術(shù)（3DP）等，3D打印在醫(yī)學(xué)中最先應(yīng)用于牙科及頜面外科，近年來(lái)在骨科中的應(yīng)用也日益得到重視。Wu等用3D打印技術(shù)制作了2例髖臼、1例跟骨和1例股骨內(nèi)髁（Hoffa骨折）復(fù)雜骨折的骨骼模型，在模型上模擬手術(shù)，術(shù)前將鋼板預(yù)彎，并明確螺釘?shù)能壍篮统叽?，使手術(shù)時(shí)間縮短，且增加了手術(shù)操作的精確度，術(shù)后X線(xiàn)片及CT檢查顯示骨折復(fù)位良好。Dai等采用3D打印技術(shù)為10例嚴(yán)重骨盆損傷需行半骨盆切除置換術(shù)的患者制備了骨盆模型，數(shù)字化設(shè)計(jì)手術(shù)方案，確定切除范圍，設(shè)計(jì)并植入個(gè)體化假體，術(shù)中操作順利，假體匹配良好，術(shù)后X線(xiàn)片示假體位置良好。Chen等利用該技術(shù)進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，使手術(shù)時(shí)間明顯縮短。Hurson等將3D技術(shù)應(yīng)用于20例髖臼骨折患者，認(rèn)為該技術(shù)可使醫(yī)生對(duì)骨折類(lèi)型更加清晰，有利于培訓(xùn)年輕醫(yī)生。曾參軍等將3D打印髖臼骨折仿真模型，體外模擬手術(shù)可使手術(shù)更加精準(zhǔn)、安全、完美。

傳統(tǒng)的手術(shù)設(shè)計(jì)對(duì)于復(fù)雜類(lèi)型的髖臼骨折，CT提供的有限信息在手術(shù)設(shè)計(jì)方面作用有限，不能做出準(zhǔn)確的方案。影像科提供的圖像局限于幾個(gè)截面的三維圖像，骨科醫(yī)生不能按照自己需要任意角度、方向觀察骨折情況，這影響了骨科醫(yī)生對(duì)骨折情況的全面了解和制定詳細(xì)的術(shù)前計(jì)劃。數(shù)字化設(shè)計(jì)則具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，診斷明確、通用性高，可重復(fù)和共享手術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程。術(shù)前運(yùn)用Mimics軟件利用髖臼骨折CT數(shù)據(jù)三維重建骨盆、股骨近端三維模型，運(yùn)用三維編輯分離單一骨折塊并去掉股骨頭，能更加清晰地顯示關(guān)節(jié)內(nèi)的骨折塊以及其方向和移位情況。在Mimics 3D界面，還能對(duì)三維模型進(jìn)行任意方向和角度觀察，從而能讓臨床醫(yī)生更加細(xì)致、全面地了解患者的骨折情況，為確定髖臼骨折的治療方案提供參考。

在內(nèi)固定術(shù)前模擬演練手術(shù)操作步驟方面，數(shù)字化技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)虛擬復(fù)位對(duì)每個(gè)單一骨折塊進(jìn)行移位以恢復(fù)其解剖結(jié)構(gòu)，運(yùn)用復(fù)位骨折模型可以對(duì)鋼板植入位置和植入螺釘方向和長(zhǎng)度進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，為體外模擬內(nèi)固定植入提供參考。陳宣煌等提出利用多平面三維測(cè)量設(shè)計(jì)髖臼骨折內(nèi)固定植入物，能夠精準(zhǔn)定好重建鋼板植入位置。宋軍等應(yīng)用三維重建技術(shù)虛擬模擬手術(shù)確定重建鋼板位置并測(cè)量螺釘方向，對(duì)手術(shù)有一定幫助。

1.2 3D打印數(shù)字化技術(shù)可簡(jiǎn)化手術(shù)操作

3D打印骨折模型不僅能幫助醫(yī)生了解骨折復(fù)位前、后情況，而且利用模型術(shù)前精確預(yù)彎鋼板。在傳統(tǒng)手術(shù)中，折彎鋼板往往需要根據(jù)術(shù)中探查情況，決定鋼板的安放位置，再借助鋁板貼合骨面折彎出預(yù)彎雛形，然后依照鋁板折彎鋼板。這不僅在手術(shù)中消耗了大量時(shí)間，而且鋁板折彎精確度低，位置也存在不確定性。而數(shù)字化設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印技術(shù)能在術(shù)前折彎好鋼板，提前折彎的鋼板位置唯一、精確度高，術(shù)中操作簡(jiǎn)化，縮短了手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)中軟組織的剝離。

利用數(shù)字化設(shè)計(jì)確定螺釘方向和長(zhǎng)度并在3D實(shí)物模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，省去了在術(shù)中測(cè)量螺釘長(zhǎng)度的時(shí)間。避免術(shù)中多次透視的煩瑣步驟，降低醫(yī)生和患者的射線(xiàn)照射量，同時(shí)也減少了手術(shù)時(shí)間。張國(guó)棟等提出的基于多平面三維測(cè)量應(yīng)用于髖臼骨折數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)三維切割的方式實(shí)現(xiàn)虛擬骨折快速?gòu)?fù)位，并預(yù)設(shè)重建鋼板的植入位置，通過(guò)3D打印可以選擇重建鋼板進(jìn)行預(yù)彎以適應(yīng)復(fù)雜骨面。曾參軍等提出3D打印與腹腔鏡輔助的髖臼骨折手術(shù)可以顯著減少透視時(shí)間和透視量。

1.3建立手術(shù)導(dǎo)向模板

骨盆和髖臼骨折的影像導(dǎo)航手術(shù)已被很多骨科醫(yī)生所采用，但是導(dǎo)航系統(tǒng)耗材昂貴，且需要一定的技術(shù)，臨床推廣有一定難度。近年來(lái)，有學(xué)者將數(shù)字化三維重建技術(shù)、逆向工程技術(shù)和快速成形技術(shù)結(jié)合起來(lái)研究并設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)便的導(dǎo)航模板，輔助拉力螺釘置入，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了手術(shù)時(shí)間，為現(xiàn)代化骨科提供了新的輔助手段和治療理念。CT三維重建模型可以對(duì)手術(shù)區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化分析，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用逆向工程技術(shù)針對(duì)螺釘進(jìn)釘通道設(shè)計(jì)出導(dǎo)航模板模型，并利用快速成形技術(shù)將導(dǎo)航模板模型生成實(shí)體。術(shù)中應(yīng)用導(dǎo)航模板進(jìn)行導(dǎo)航，為準(zhǔn)確進(jìn)釘提供了確實(shí)的位置和方向，不僅提高了準(zhǔn)確性，而且使內(nèi)固定操作變得更加快捷、簡(jiǎn)便。陳鴻奮等將現(xiàn)代影像學(xué)、計(jì)算機(jī)三維重建、逆向工程技術(shù)及快速成形技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)制作出髖臼后柱拉力螺釘進(jìn)釘導(dǎo)航模板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)該導(dǎo)航模板可以準(zhǔn)確地輔助拉力螺釘?shù)闹萌恕Ｐ煊聫?qiáng)等進(jìn)行了髖臼后柱骨折順行拉力螺釘置釘導(dǎo)向器的研究，通過(guò)CT數(shù)字化技術(shù)對(duì)髖臼后柱骨折順行拉力螺釘進(jìn)釘點(diǎn)和進(jìn)釘方向的測(cè)量，為導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)提供了解剖學(xué)基礎(chǔ)，有助于提高髖臼后柱骨折順行拉力螺釘置釘?shù)某晒β屎蜏?zhǔn)確性，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和減輕手術(shù)損傷。佟礦等設(shè)計(jì)的骶髂關(guān)節(jié)骨折固定手術(shù)導(dǎo)向模板為骶髂關(guān)節(jié)拉力螺釘?shù)捻樌萌胩峁┝肆己玫膸椭?/p>

2 3D打印數(shù)字化技術(shù)在髖臼骨折治療中存在的問(wèn)題

3D打印技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，應(yīng)用于治療髖臼骨折目前仍存在以下問(wèn)題：①基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題：機(jī)器設(shè)備、材料的成本不低，對(duì)計(jì)算機(jī)軟件處理圖形編輯操作要求較高，一定程度上阻礙了3D打印技術(shù)的推廣使用。②打印模型需要時(shí)間：3D打印技術(shù)被稱(chēng)為“快速成型”，但是這里所說(shuō)的“快速”是相對(duì)傳統(tǒng)個(gè)性化制作而言，無(wú)法用于急診手術(shù)。當(dāng)手術(shù)計(jì)劃改變時(shí)，也無(wú)法在術(shù)中進(jìn)行設(shè)計(jì)。③材料的選擇范圍受限制，目前可以用于3D打印的材料種類(lèi)不多，不同材料打印的模型經(jīng)過(guò)消毒之后變形程度不同，影響模型的準(zhǔn)確性；3D打印技術(shù)輔助治療髖臼骨折目前尚在學(xué)習(xí)和探索階段，未廣泛推廣使用。骨科醫(yī)生尋找相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略彌補(bǔ)該技術(shù)的不足，應(yīng)對(duì)措施如下：①培養(yǎng)一個(gè)團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)從事術(shù)前設(shè)計(jì)以及3D打印可以解決軟件操作復(fù)雜的問(wèn)題。②術(shù)前由高年資的醫(yī)生組織病例討論制定詳細(xì)的、規(guī)范的手術(shù)方案，盡量減少臨時(shí)改變手術(shù)方案的情況；手術(shù)團(tuán)隊(duì)必須掌握各種髖臼骨折切開(kāi)復(fù)位的方法，避免在無(wú)法行3D技術(shù)時(shí)應(yīng)用傳統(tǒng)方法完成治療。③低溫等離子消毒可以避免消毒造成模型變形的問(wèn)題。

隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印必將在骨折治療中普遍應(yīng)用。3D打印的設(shè)備及材料的價(jià)格也會(huì)隨之降低，打印精度更高、打印時(shí)間更快速。隨著3D材料可選范圍的擴(kuò)大，打印模型質(zhì)量也會(huì)更好，為臨床提供更多便利。3D打印數(shù)字化技術(shù)輔助治療髖臼骨折，通過(guò)CT掃描、骨折模型重建、虛擬骨折復(fù)位、3D打印、鋼板手術(shù)前預(yù)彎、內(nèi)固定植入演練等一系列步驟，完成髖臼骨折數(shù)字化內(nèi)固定植入物設(shè)計(jì)完整方案。運(yùn)用3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)為髖臼骨折制定個(gè)性化、最優(yōu)化的手術(shù)方案具有直觀、準(zhǔn)確、可重復(fù)、通用性的優(yōu)點(diǎn)。手術(shù)達(dá)到個(gè)性化、精準(zhǔn)化、最優(yōu)化，手術(shù)時(shí)間短，創(chuàng)傷小，康復(fù)快，并發(fā)癥少，療效滿(mǎn)意，具有廣闊發(fā)展前景。