3D打印在足踝外科的應(yīng)用

崔建強(qiáng)，徐 林

(濱州醫(yī)學(xué)院煙臺(tái)附屬醫(yī)院足踝外科，山東 煙臺(tái) 264000)

近年來(lái)隨著數(shù)字化技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，數(shù)字化醫(yī)學(xué)應(yīng)時(shí)而生并迅猛發(fā)展，使精準(zhǔn)化、個(gè)體化的術(shù)前模擬成為可能。尤其是隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，更使得術(shù)前操作實(shí)現(xiàn)了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變。3D打印技術(shù)，又名快速成型技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)將二維圖像轉(zhuǎn)化成三維模型，運(yùn)用光敏樹脂、鈦金屬等可黏合材料將三維模型轉(zhuǎn)化為可視化模型[1]。本文對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展與原理及其在足踝外科領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀作一綜述，以期為該技術(shù)更好地應(yīng)用于足踝外科領(lǐng)域提供參考。

1 3D打印技術(shù)的發(fā)展及原理

1.1 發(fā)展 3D打印技術(shù)源于20世紀(jì)80年代后期，該技術(shù)實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的最新快速成型裝置。早在1984年，美國(guó)Charles Hull教授便提出了將數(shù)字資料打印成三維立體模型的概念，并在2年后成立了第一家3D打印公司并研發(fā)了世界首臺(tái)3D光敏打印機(jī)。1998年國(guó)內(nèi)傅仕偉等[2]發(fā)表了一篇關(guān)于快速成型技術(shù)在骨骼三維重建的文章后，3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)骨科迅猛發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從科研到應(yīng)用質(zhì)的改變。3D打印應(yīng)用于足踝外科時(shí)間較晚，但應(yīng)用前景廣泛[3]。國(guó)內(nèi)首次報(bào)道3D打印應(yīng)用于足踝外科來(lái)自秦曉東教授，其將3D打印模型首次應(yīng)用于一位先天性馬蹄內(nèi)翻足的患者[4]。

1.2 原理 (1)數(shù)據(jù)采集：二維圖像的收集是決定3D打印模型質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。目前，3D打印影像學(xué)資料主要來(lái)自CT、超聲、MRI等[5]；數(shù)據(jù)輸出一般為DICOM格式。(2)數(shù)據(jù)處理：將得到的DICOM數(shù)據(jù)格式用三維處理軟件(例如：mimics)處理成三維模型[6]，得到三維模型的 STL(surface tessellation language)格式，并將其輸送到3D打印機(jī)。(3)模型打?。?D打印機(jī)根據(jù)STL格式的數(shù)據(jù)將原材料通過(guò)連續(xù)堆積的方式打印出三維模型。實(shí)體的線與線、面與面之間都與原始數(shù)據(jù)截面一一對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打印。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用

2.1.1 術(shù)前模擬及內(nèi)固定物的預(yù)處理 對(duì)于復(fù)雜手術(shù)而言，充分的術(shù)前評(píng)估及分型是決定手術(shù)方案的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的影像學(xué)資料很難直觀了解骨折具體情況，3D打印技術(shù)可以克服這一弊端，并且可以精確地打印三維模型。該模型可幫助醫(yī)師作出更準(zhǔn)確的診斷，制訂更詳細(xì)的手術(shù)方案，并可在模型上進(jìn)行演練、操作，指導(dǎo)術(shù)者開展個(gè)體化手術(shù)。李巖等[7]通過(guò)對(duì)比30例3D組與對(duì)照組Pilon骨折的患者發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用3D打印技術(shù)治療Pilon骨折，可直觀地明確骨折類型，從而充分進(jìn)行術(shù)前準(zhǔn)備，包括手術(shù)切口設(shè)計(jì)、復(fù)位計(jì)劃、內(nèi)固定物的選擇等，這可大大減少手術(shù)時(shí)間和切口感染等，提高固定的效果及骨折復(fù)位質(zhì)量，減少操作者和患者的醫(yī)源性輻射，促進(jìn)患者功能恢復(fù)。趙為公等[8]通過(guò)對(duì)比64例3D打印組與對(duì)照組的復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折發(fā)現(xiàn)，3D組手術(shù)時(shí)間、住院時(shí)間、術(shù)后恢復(fù)時(shí)間均短于對(duì)照組，說(shuō)明采用3D打印技術(shù)重建后，可大大縮短住院和手術(shù)時(shí)間，減少術(shù)后恢復(fù)時(shí)間，減輕患者的身體痛苦，降低醫(yī)療支出。原因在于通過(guò)3D打印重建模型技術(shù)能清楚地觀察跖跗關(guān)節(jié)移位程度、位置關(guān)系及骨折情況，參考3D立體模型能夠更準(zhǔn)地確定切口位置及定位位置和距離，減少術(shù)中失誤，提高手術(shù)質(zhì)量。章瑩等[9]通過(guò)在快速成型機(jī)上制作出踝關(guān)節(jié)三踝骨折模型，在骨折模型上進(jìn)行預(yù)復(fù)位、鋼板預(yù)彎、螺釘位置及長(zhǎng)度的測(cè)量。按預(yù)術(shù)前模擬進(jìn)行實(shí)際手術(shù)，手術(shù)時(shí)間明顯縮短，術(shù)后療效更可觀。該研究還指出利用患者3D模型可直觀地觀察骨折線及骨折移位情況、關(guān)節(jié)面損傷狀況、骨折塊大小及隱匿的撕脫骨折塊，利于最佳手術(shù)方案的選擇。這樣既可縮短手術(shù)時(shí)間，又可減少術(shù)中骨折的剝離范圍，明顯提高手術(shù)質(zhì)量，減少術(shù)后感染，有利于骨折術(shù)后恢復(fù)。楊晶[10]通過(guò)在跟骨模型上進(jìn)行內(nèi)固定物的預(yù)處理，術(shù)中操作時(shí)間明顯縮短，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率降低。陳雁西等[11]將精確量化的“數(shù)字骨科解剖學(xué)”技術(shù)與跟骨結(jié)節(jié)骨贅相結(jié)合，證實(shí)跟骨結(jié)節(jié)骨贅基底部的高度、方向等指標(biāo)與跟痛癥的嚴(yán)重程度無(wú)關(guān)。王懷斌等[12]制作3D跟骨骨折模型，使跟骨立體、直觀地呈現(xiàn)在眼前，術(shù)者在模型上標(biāo)記術(shù)中可能用到的復(fù)位點(diǎn)，明確內(nèi)植物的位置并進(jìn)行預(yù)彎，確定螺釘?shù)拈L(zhǎng)度及進(jìn)針位置。應(yīng)用此技術(shù)可以提高內(nèi)固定的固定強(qiáng)度，降低放射性損傷的影響。

2.1.2 截骨矯形及導(dǎo)板 金丹等[13]研究顯示：3D打印技術(shù)可精確地測(cè)量跟骨畸形愈合后跟骨的高度、寬度、長(zhǎng)度、Bohler角、Gissane角及載距突與跟骨水平面的夾角(載距突前傾角)，并完成了跟骨畸形愈合病例的三維模型打印。李濤等[14]通過(guò)數(shù)字化技術(shù)重建了1例復(fù)雜馬蹄內(nèi)翻足虛擬模型，與傳統(tǒng)的影像學(xué)資料相比，該模型可以從多層面、多角度進(jìn)行馬蹄足畸形的觀察并進(jìn)行術(shù)前模擬操作，充分展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在復(fù)雜馬蹄內(nèi)翻足畸形治療中的優(yōu)勢(shì)。王晨等[15]通過(guò)數(shù)字化模擬技術(shù)成功建立踝穴、下脛腓聯(lián)合、踝穴內(nèi)距骨三維模型，并自動(dòng)計(jì)算各模型體積。通過(guò)踝穴及踝穴內(nèi)距骨體積相減，得到踝關(guān)節(jié)間隙體積。比較組間及組內(nèi)不同旋轉(zhuǎn)度數(shù)時(shí)各模型體積的變化，從而得到各病理模型對(duì)踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響。金丹等[16]通過(guò)三維軟件設(shè)計(jì)出下脛腓聯(lián)合固定導(dǎo)板，利用模板上預(yù)先設(shè)計(jì)的導(dǎo)向孔進(jìn)行定位。所制備的導(dǎo)向模板可與腓骨緊密貼合，在模型上可以預(yù)先設(shè)計(jì)螺釘?shù)奈恢眉伴L(zhǎng)度，防止螺釘位置及長(zhǎng)度的偏移。結(jié)果顯示下脛腓聯(lián)合螺釘可精確植入，且操作簡(jiǎn)單、精確性高、醫(yī)源性輻射少。

2.2 國(guó)外主要應(yīng)用

2.2.1 足背皮瓣設(shè)計(jì) Chae等[17]提出了一個(gè)可再現(xiàn)的方法產(chǎn)生3D打印“反向模型”，以此代表皮膚傷口缺陷，用于皮瓣設(shè)計(jì)和收獲。該研究通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層血管造影(CTA)掃描皮瓣供區(qū)(左前臂)，受區(qū)部位(右踝)及正常的左踝。把雙側(cè)踝關(guān)節(jié)的CTA的2D數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件分別進(jìn)行三維重建，將作為“控制”的左腳踝的3D圖像與受區(qū)右踝部位的圖像進(jìn)行疊加，創(chuàng)建一個(gè)“反向圖像”的缺陷，并使用3D打印機(jī)打印。得到所需皮瓣的大小，用于精確選擇供區(qū)皮瓣的大小，前臂橈側(cè)游離皮瓣因此計(jì)劃和執(zhí)行有效，無(wú)并發(fā)癥。該案例是3D打印在軟組織打印中的首次報(bào)道。

2.2.2 復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前模擬 對(duì)于夏科足，由于缺乏解剖一致性，其后期治療是足踝外科一個(gè)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。而通過(guò)術(shù)前設(shè)計(jì)足的物理模型，使術(shù)中結(jié)果變?yōu)榭深A(yù)測(cè)性。目前對(duì)于夏科足的治療多使用關(guān)節(jié)內(nèi)固定加外固定的方法， Giovinco等[18]通過(guò)在3D模型上模擬要切除的骨頭的角度，利用消減布爾運(yùn)算從解剖骨骼幾何切層進(jìn)行不同的截骨和關(guān)節(jié)切除模擬。通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)操作虛擬移動(dòng)碎片來(lái)改變位置和對(duì)齊方式，以及評(píng)定為“最適合”的并置和解剖結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。通過(guò)在術(shù)前模擬切除的角度及大小，建立術(shù)后理想的模型，在此基礎(chǔ)上調(diào)整好伊里扎洛夫支架各個(gè)針的位置，送去消毒備用，術(shù)中根據(jù)在模型上計(jì)算好的位置進(jìn)行畫線及切除。局限性：該報(bào)告中所描述的方法缺乏模擬軟組織與印刷骨模型。另一個(gè)限制是需要采購(gòu)一些硬件和軟件元素，兩者結(jié)合使用，往往需要一定時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)。Chung等[19]通過(guò)3D打印跟骨模型解決小切口放置鋼板的不便，也避免了大切口所引起的皮瓣壞死。該方法適用于SandersⅢ型以下、損傷在3周以內(nèi)、對(duì)側(cè)跟骨完好無(wú)損者。采集數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)掃描雙側(cè)跟骨，跟骨模式轉(zhuǎn)換及打印大概需要3.5 h。通過(guò)3D模型，明確鋼板需要放置的位置，對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)彎，從不同角度檢查跟骨板的貼合性，并在C臂透視下觀察鋼板的位置，3D模型可以消毒完后進(jìn)行術(shù)中使用，該文也提到了3D打印早在1997就應(yīng)用于評(píng)價(jià)跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折[20]。3D模型更有助于患者及初級(jí)醫(yī)師了解骨折情況，并且可對(duì)鋼釘及鋼板進(jìn)行預(yù)處理。不利之處是它可能要花費(fèi)一定的時(shí)間和金錢，這種新技術(shù)對(duì)SandersⅡ型骨折，尤其是多節(jié)段前突骨折或存在散落側(cè)壁的患者是有效的。Bagariaa等[21]在跟骨骨折中運(yùn)用3D打印等比例模型，通過(guò)模型確定骨折復(fù)位順序、內(nèi)置物的選擇及預(yù)塑形、螺釘長(zhǎng)度及置入角度，制定了個(gè)體化治療方案，有利于手術(shù)的順利開展。Hsu等[22]通過(guò)打印3D模型模擬Z型截骨的位置，充分計(jì)算內(nèi)旋及下移位置，極大地提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性。

3 小 結(jié)

與傳統(tǒng)手術(shù)方法相比，3D打印技術(shù)可快速地為患者量體裁衣，制造個(gè)體化的內(nèi)植物，可明顯縮短手術(shù)時(shí)間，降低術(shù)中及術(shù)后并發(fā)癥。其次，該技術(shù)有利于醫(yī)患交流，幫助手術(shù)醫(yī)師進(jìn)行充分的術(shù)前評(píng)估及分型，減少低年資醫(yī)生學(xué)習(xí)時(shí)間。然而由于當(dāng)前3D打印技術(shù)操作復(fù)雜，操作者必須熟練掌握相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件及相關(guān)醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)，阻礙了技術(shù)的普及與發(fā)展；骨折塊的分割與重建(尤其是粉碎性骨折)無(wú)法做到與實(shí)際骨折完全一致；由于軟組織的影響，術(shù)前模擬與實(shí)際操作存在一定差距，實(shí)際手術(shù)往往無(wú)法達(dá)到術(shù)前模擬復(fù)位的效果。我們應(yīng)該權(quán)衡利弊，充分探索該技術(shù)的價(jià)值，使3D打印技術(shù)更好地應(yīng)用于足踝外科領(lǐng)域。

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