3D打印技術在骨盆骨折診療中應用進展

王德偉，趙英偉

骨盆骨折是臨床中較為常見的骨折類型， 占全身骨折的1%～3%[1]。改革開放以來我國經濟建設飛速發(fā)展，伴隨而來的交通事故、工業(yè)事故、高空墜落等高能量損傷也日益增多，導致各種復雜損傷發(fā)生率逐漸增加，骨盆骨折發(fā)生率也隨之增加。其病例中男性較多，通常發(fā)生在年輕人群，交通事故為最常見致傷原因[2-3]。骨盆與髖臼解剖結構復雜，臨床診斷治療工作也相對復雜，骨折時常合并嚴重休克、盆腔臟器損傷，具有較高的致殘率和病死率[4]，故人們對骨盆骨折的探索從未停止。經過Pennal、Judet、Letournel等醫(yī)生的努力，對骨盆與髖臼骨折的分型、手術入路的認識不斷深入，手術內固定治療水平也不斷增高，目前內固定已經成為不穩(wěn)定骨盆骨折的主要選擇；但內固定存在手術時間長、出血多、感染、神經血管損傷、固定失效等并發(fā)癥[5-6]。因此針對骨盆骨折內固定治療進行詳細的術前計劃是十分必要的。早在1979年Alberti[7]就提出了利用CT掃描信息來制作生理模型的構想，同年第一例聚乙烯材料制作的骨盆模型就應用于骨科手術[8]。時至2014年鄧愛文等[9]首次應用3D打印技術腹腔鏡輔助下內固定術治療髖臼骨折。

隨著科學技術不斷進步，3D打印等技術已逐漸應用于醫(yī)學，尤其在骨科、矯形外科領域[10-11]。3D打印(three-dimensional printing)即一種利用塑料、 金屬、 陶瓷或其他材料參照三維立體圖像逐層堆積從而制造三維立體對象的方法[12]。在醫(yī)學領域3D打印技術可以根據CT或核磁共振掃描的立體容積影像制作模型,運用專用的后處理運算法則并根據影像數據庫可構建立體空間模型，之后連接特殊專用打印機將實物按照掃描處理的圖像打印出來并粘合成型[13]。

3D打印技術可以通過實現對骨盆結構的全景真實模擬來為臨床醫(yī)生的診斷和治療提供幫助[14]。學者們已經總結歸納了3D打印技術的一般原理、材料屬性，闡述了在骨科領域應用現狀、優(yōu)勢[15-17]，本文著重針對該技術在骨盆骨折診療現階段應用進展及相關爭議問題進行闡述。

1 公認優(yōu)勢

目前骨盆骨折診療中，3D打印技術應用得到廣泛認可,優(yōu)勢主要為以下三點。

1.1術前計劃模擬手術 臨床醫(yī)生術前應用3D打印技術復制骨折模型并進行模擬手術可縮短手術時間、提高手術精確度，被視為一種操作相對簡單、實用性強的臨床工具。 法國學者Upex等[18]在髖臼骨折病例中術前進行3D打印骨折模型并進行術前鋼板預彎，術中無需再次折彎鋼板直接復位固定骨折并獲得解剖復位堅強固定。而且3D打印技術可輔助進行骨盆骨折的微創(chuàng)手術治療，具有損傷小、并發(fā)癥少、復位良好等優(yōu)勢[19-20]；尤其適用于需要術中截骨矯正陳舊性骨盆骨折畸形的術前設計[21]。同時3D打印骨盆骨折模型有助于外科醫(yī)生對髖臼骨折準確分型，利于術中精確復位，而遠期髖關節(jié)良好功能主要依靠于術中的復位情況，其較常規(guī)放射學檢查具備明顯優(yōu)勢。3D打印模型有助于醫(yī)生更好地理解復雜解剖結構、骨折病理情況，從而獲得良好術后效果、改善患者生活質量[22]。

1.2結合術中導航技術制作個體化植入物或接骨板 3D打印技術導航模板有助于在接骨板及螺釘固定成人骨盆定位點的準確位置,結合導航模板及術前預彎固定物可以準確有效固定髖臼骨折[23-24]。

1.3利于臨床教學與外科培訓 外科醫(yī)生通過直接觀察3D打印模型不僅可明確診斷進行規(guī)范分型，而且提高了對復雜骨折認識， 有利于年輕醫(yī)生成長[15，25]。利用3D打印技術制作的骨折模型有助于醫(yī)學生更好地理解骨盆復雜的解剖關系，將復雜的結構更為直觀、全面的呈現給醫(yī)學生，可以提高培訓質量、改善學習曲線，3D打印模型成為一種對外科教學、臨床培訓很有意義的工具[26]，另外可以提高骨折患者術后滿意程度，還是一種幫助醫(yī)患溝通的有效工具[27]。

2 最新進展

最近學者們在骨盆骨折診療研究領域結合3D打印技術做了許多深入研究，為3D打印技術更好地服務臨床工作拓展了視野，大致總結為以下兩方面。

2.1術前制定手術計劃相關的研究 3D打印技術應用于術前計劃、模擬手術已具備明顯優(yōu)勢，Bagaria和Chaudhary[28]通過多中心、大樣本研究證明3D打印技術用于術前可提供比傳統(tǒng)影像學更真實的信息、細節(jié)，縮短了手術時間、提高手術精確度，建議作為常規(guī)流程用于術前。學者也通過觀察骨盆骨折術后療效評估了3D打印技術的可行性，驗證3D打印技術可以較好地評估骨盆骨折修復前情況并制定出合理的術前計劃，認為3D打印技術可作為骨盆骨折術前常規(guī)項目[29]。多位學者們報道了常規(guī)利用3D打印技術針對骨盆髖臼骨折進行術前設計、模擬手術、預彎鋼板等操作，可使手術更為精確、縮短手術時間并提高了復雜高難手術的成功率[30-31]。

2.2改進個性化內固定物相關研究 由于骨盆及髖臼解剖結構的復雜性及骨盆骨折手術入路選擇的個體化，對于個性化、精確的內固定物制作難度較其他類型骨折明顯增加，學者們結合3D打印、計算機導航等技術逐步解決了細節(jié)問題。麥奇光等[32]通過3D打印技術制作個性化髖臼翼形接骨板治療復雜髖臼骨折，對復雜骨折進行解剖復位并得到堅強固定，真正實現復雜髖臼骨折精準化、個性化。楊光等[33]使用3D打印技術設計個性化骨科導向模板可將手術方案轉移至實際手術中，可正確引導螺釘，實現微創(chuàng)準確固定骶髂關節(jié)，降低骨盆手術難度，并且避免了反復透視的輻射危害。

3 存在問題

盡管3D打印技術應用于骨盆骨折具備上述諸多優(yōu)勢，為臨床醫(yī)師提供了更為直觀的模型，利于疾病的診斷，便于分型、歸類，術前模擬手術使得操作過程更為簡便，術中結合導航模板、利用個體化內固定物使得手術操作更為精細、復位固定等更為準確 、有效，尤其是在陳舊骨盆骨折手術治療中[34]。但該技術仍存在許多爭議與問題需要學者與臨床工作者們繼續(xù)探究。具體存在5個問題。

3.13D打印技術可信度、有效性、實用性有待進一步驗證。盡管已有學者報道3D打印技術成功應用于骨科領域，無論國內與國外研究報道仍以個案居多，其臨床實用性、優(yōu)勢需進一步驗證[35-36]。骨盆骨折采用的臨床經典手術入路例如髂腹股溝入路、Kocher-Langenbeck入路等，可能由于新技術的應用興起從而影響臨床手術入路的選擇、傳統(tǒng)觀點可能受到質疑[20]?，F階段相關文獻報道以小樣本、短期隨訪為主，尚缺乏多中心、大樣本、長期隨訪的臨床研究，有待進一步研究驗證其有效性、可信度。

3.2針對打印材料的探索有待深入。骨盆骨折術中常需要無菌接觸3D打印模型模板進行參考，存在感染風險；而感染問題是骨科醫(yī)生一直關注的首要并發(fā)癥之一，骨科術后的感染往往是災難性的，預示著治療時間延長以及更高的治療費用[37]。3D打印制作的高分子材料模型在高溫消毒下存在形變可能影響手術效果。低溫等離子消毒技術可能降低感染風險，但需進一步驗證[38]。

3.33D導航模板的制作需更加細化。需要綜合考慮到諸多因素(解剖變異、軟組織形態(tài)、微創(chuàng)理念、手術入路選擇等)引起模型與實際差異性問題，還需考慮到選擇更合理的材料降低感染概率、降低誤差。生物3D打印技術悄然而至，給傳統(tǒng)復位、固定、康復鍛煉等理念帶來挑戰(zhàn)[39]。

3.4普及性工作進行困難。結合上述原因而且3D打印技術相關產品價格昂貴、設備材料的特殊性、制作周期、資金、理念等因素制約，核心軟件材料大多依靠進口，其在臨床基層單位尚未得以廣泛開展，個體化內固定物的應用成本更高，應用起來更加困難；由于制作術前模型、導航模板制作周期的影響，患者住院時間延長、增加住院費用，急診手術無法采用，也未得到患者廣泛接受，臨床普及工作任重而道遠。

3.5缺少相應規(guī)范的臨床診療指南。3D打印技術應用于骨盆骨折領域方興未艾，處于探索階段，目前雖取得初期成果，但術前導航模板制作標準尚未統(tǒng)一，個體化內固定物制作流程及標準也不盡相同，尚未形成相應規(guī)范的臨床指南。

4 展望

在骨盆骨折修復中因為其可以針對不同病例進行個性化術前設計、模擬手術，明顯縮短手術時間，使骨盆骨折手術已經做到了個性化、微創(chuàng)化、低輻射危害，3D打印技術已被建議作為常規(guī)檢查項目[40]。其遠期效果需進一步得到驗證；大樣本、多中心、隨機對照試驗有待進一步深入進行。針對骨盆骨折治療結合導航技術制作術前的導航模板明顯縮短了手術時間，更進一步降低了輻射危害，為患者康復提供了必要條件[33]。但為使得內固定解剖植入位置更為理想化、個體化并提高手術的精準程度，3D打印技術將與導航定位技術應用緊密結合，相關研究將更為深入。

目前機器人手術應用技術已經進入骨科領域，在外科手術機器人輔助下醫(yī)生可完成經皮螺釘固定骨盆骨折、髖臼骨折，具有置入準確性高、輻射小、安全有效等優(yōu)點[41]。在TiRobot機器人輔助下國內醫(yī)生可經皮固定骨盆后環(huán)，為微創(chuàng)固定不穩(wěn)定骨盆骨折提供了新思路，達到國際領先水平，這一優(yōu)勢需要繼續(xù)保持；如控制成本、逐漸普及等問題值得思考，為實現骨盆外科治療更為人性化、智能化、個體化，相關研究需繼續(xù)進行；為進一步提高骨盆骨折手術精確性、縮短手術時間、微創(chuàng)化，3D打印技術輔助下的機器人手術治療骨盆骨折可能成為一種趨勢[42-43]。隨著生物3D打印技術研究的不斷深入，諸多難題會逐一解決，骨盆骨折等復雜創(chuàng)傷的診療會更為快捷、有效。

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