3D 打印截骨導(dǎo)板在截骨矯形中的應(yīng)用研究

張 成，陳樹濤，高武長

（淄博市第七人民醫(yī)院足踝外科，山東淄博255000）

0 引言

3D 打印技術(shù)又稱為添加制造或快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用黏合材料，通過逐層打印的方式來創(chuàng)建實(shí)體的技術(shù)。3D 打印技術(shù)包括激光或電子束燒結(jié)熔化技術(shù)、熱熔擠壓沉積制造技術(shù)和光聚合式成型技術(shù)等[1]。19 世紀(jì)80年代，3D打印技術(shù)開始應(yīng)用于基于CT 掃描數(shù)據(jù)的實(shí)物模型打印[2]。2012年，蘇格蘭科學(xué)家Faulkner Jones 等應(yīng)用3D 打印技術(shù)打印出人造肝臟組織，標(biāo)志著3D 打印技術(shù)首次進(jìn)入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[3]。從最初的3D 打印模型到應(yīng)用于臨床手術(shù)操作的3D 打印導(dǎo)板、3D 打印假體等內(nèi)植入物，3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用范圍越來越廣。對于截骨矯形手術(shù)，尤其是多平面、多層次的復(fù)雜截骨矯形，如何提高截骨精確性、減少對患者機(jī)體造成的創(chuàng)傷、更加快速安全地完成手術(shù)操作給臨床骨科醫(yī)生帶來很大的挑戰(zhàn)。3D 打印截骨導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)為截骨矯形提供了一種新的手術(shù)操作方式，具有很大的應(yīng)用發(fā)展前景。以下將綜述3D 打印截骨導(dǎo)板在截骨矯形中的應(yīng)用，旨在探討其臨床應(yīng)用效果。

1 3D 打印截骨導(dǎo)板的制備

3D 打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板的制備首先是要獲取患者的CT 掃描圖像，將圖像信息導(dǎo)入Mimics 軟件中進(jìn)行三維重建，通過鏡像技術(shù)將健側(cè)的圖像與畸形側(cè)的圖像進(jìn)行疊加，明確畸形的位置和畸形程度。隨后，在畸形愈合區(qū)域設(shè)置虛擬切割平面，旋轉(zhuǎn)移動切割下的骨塊讓其與健側(cè)相匹配，設(shè)計(jì)出個(gè)性化的3D 打印截骨導(dǎo)板，利用3D 打印機(jī)打印出導(dǎo)板實(shí)物。利用3D 打印模型和3D 打印截骨導(dǎo)板可以實(shí)現(xiàn)術(shù)前的截骨規(guī)劃設(shè)計(jì)，保證截骨矯形手術(shù)的精確性，達(dá)到理想的截骨狀態(tài)。

2 3D 打印截骨導(dǎo)板在截骨矯形中的應(yīng)用研究

2.1 3D 打印截骨導(dǎo)板在橈骨截骨矯形中的應(yīng)用

橈骨遠(yuǎn)端的畸形愈合是橈骨遠(yuǎn)端骨折常見的并發(fā)癥，在5%的橈骨遠(yuǎn)端骨折中會出現(xiàn)，83%的橈骨遠(yuǎn)端骨折會存在疼痛、無力、關(guān)節(jié)功能受損等癥狀[4]。這些有癥狀的橈骨遠(yuǎn)端畸形愈合往往需要截骨矯形手術(shù)來恢復(fù)腕關(guān)節(jié)的解剖關(guān)系。橈骨畸形截骨矯形傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)是以2D 的2 張正側(cè)位X 射線平片為依據(jù)的，但該方法不能用于復(fù)雜畸形的評估處理，尤其是旋轉(zhuǎn)畸形。3D 打印截骨導(dǎo)板的出現(xiàn)為臨床解決這一問題提供了嶄新的思路。

De Muinck Keizer 等[4]指出，傳統(tǒng)的截骨矯形僅僅只能使40%的患者矯正的角度（掌傾角和尺偏角）達(dá)到5°和尺骨變異改善達(dá)到2 mm。Honigmann 等[5]的研究中提到，在3D 打印截骨導(dǎo)板輔助下的橈骨遠(yuǎn)端掌側(cè)楔形截骨矯形術(shù)的平均手術(shù)時(shí)間為60 min，不使用3D 打印導(dǎo)板的手術(shù)平均時(shí)間為90 min。Storelli等[6]還將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于兒童前臂骨折的畸形愈合，研究表明該技術(shù)在兒童前臂畸形截骨矯形中的初步臨床效果是不錯的，在前臂旋轉(zhuǎn)功能上可以改善25°，所有患兒的前臂旋轉(zhuǎn)都大于120°，較以前有了明顯的改善，并且提高了下尺橈關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。陳亮等[7]基于設(shè)計(jì)的3D 打印個(gè)性化導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)了前臂的旋轉(zhuǎn)畸形矯正，前臂未出現(xiàn)短縮，且未行透視，在直視下手術(shù)，具體手術(shù)操作過程如圖1 所示。利用3D 打印技術(shù)可以很好地應(yīng)對橈骨復(fù)雜畸形的截骨矯形，可以優(yōu)化截骨矯形術(shù)后的效果。

圖1 3D 打印個(gè)性化導(dǎo)航模塊用于微創(chuàng)錐形截骨治療橈骨上段旋轉(zhuǎn)畸形[6]

2.2 3D 打印截骨導(dǎo)板在下頜骨截骨矯形中的應(yīng)用

下頜前突畸形是常見頜面畸形，約占各類牙、頜面畸形患者的35%[8]。下頜骨不僅具有咬合、咀嚼等功能，還會影響面部輪廓及美觀，所以人們除了關(guān)注術(shù)后功能外，還把更多的關(guān)注點(diǎn)放在外形美觀上。成功的下頜骨截骨手術(shù)不僅可以使臉型和下頜角的形態(tài)得到改善，而且不會影響正?？谇簧砉δ躘2，9]。Stoker 等率先將3D 打印模型應(yīng)用于顱頜面手術(shù)的術(shù)前模擬，首次將3D 打印技術(shù)與顱頜面外科領(lǐng)域相結(jié)合[7]。Xiao 等[9]使用3D 打印截骨導(dǎo)板輔助進(jìn)行下頜骨截骨的所有患者術(shù)后恢復(fù)平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的感染、面部麻痹、骨壞死或骨骼移位的情況，下頜角的角度從（110.3±11.1）°提高到（121.3±2.9）°，下頜骨寬度從（117.5±6.8）mm 減少為（111.9±4.2）mm。張超等[10]指出截骨導(dǎo)板輔助下的下頜角截骨術(shù)所有患者術(shù)后效果均與術(shù)前設(shè)計(jì)的效果一致，顯著改善了面部的對稱性，雙側(cè)下頜骨形態(tài)對稱，且術(shù)中未出現(xiàn)骨折、大出血、感染等并發(fā)癥。何錦泉等[11]對12例患者采用3D 打印截骨導(dǎo)板進(jìn)行截骨，術(shù)中導(dǎo)板輕松置入，未出現(xiàn)破碎、變性等問題，截骨手術(shù)順利完成，截骨導(dǎo)板具體的設(shè)計(jì)過程如圖2 所示。楊運(yùn)強(qiáng)等[12]將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與3D 打印截骨導(dǎo)板技術(shù)應(yīng)用于下頜角截骨成形術(shù)，16 例方臉患者對于術(shù)后面型滿意，且高年資與低年資醫(yī)師術(shù)后效果無差異。與傳統(tǒng)的下頜骨截骨術(shù)相比，使用3D 打印截骨導(dǎo)板可以提高手術(shù)術(shù)前設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，方便醫(yī)師間及醫(yī)患間的交流和溝通，從而提高外科手術(shù)的質(zhì)量和可靠性[13]。

圖2 下頜骨3D 打印截骨導(dǎo)板的設(shè)計(jì)定位[9]

2.3 3D 打印截骨導(dǎo)板在脛骨截骨矯形中的應(yīng)用

對于外科醫(yī)生來說，如何在減少軟組織切除和骨質(zhì)破壞情況下進(jìn)行有效準(zhǔn)確的截骨和恢復(fù)塌陷平臺的高度具有一定挑戰(zhàn)性[14]。當(dāng)需要對脛骨多個(gè)平面進(jìn)行截骨矯形時(shí)傳統(tǒng)儀器設(shè)備的使用是受限的[15]。選擇合適的截骨平面是成功實(shí)現(xiàn)高位楔形脛骨截骨術(shù)必不可少的，如果截骨平面太低，可能會造成血供的減少，增加骨不連的風(fēng)險(xiǎn)；如果截骨平面太高，可能會增加關(guān)節(jié)內(nèi)過度截骨的風(fēng)險(xiǎn)并且會改變伸膝的肌肉結(jié)構(gòu)[16]。在3D 打印截骨導(dǎo)板輔助下可以對截骨平面進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的定位。

Yang 等[14]報(bào)道了7 例接受3D 打印截骨導(dǎo)板輔助脛骨截骨的患者，門診隨訪了12～18 個(gè)月（平均14.4 個(gè)月），臨床效果令人滿意。Pérez-Ma?anes 等[16]指出，使用3D 打印截骨導(dǎo)板進(jìn)行脛骨高位楔形截骨可以縮短手術(shù)時(shí)間（至少31 min），減少透視次數(shù)（至少6.9 次），同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度軸向的校正。Kwun 等[17]進(jìn)行的3D 打印截骨導(dǎo)板輔助下的豬腿脛骨高位截骨獲得了一個(gè)較好的效果，截骨術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)的楔形角度為（11.5±3.2）°，截骨后的實(shí)際角度為（11.4±3.3）°，截骨術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)的脛后傾斜角為（11.2±2.2）°，截骨后的實(shí)際角度為（11.4±2.5）°，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均無顯著的差異（P 值分別為0.854 和0.429）。顧建民等[18]報(bào)道的13 例患者在隨訪12～32 個(gè)月后發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)活動度在94～126°范圍內(nèi)，截骨愈合，無感染、移位等并發(fā)癥發(fā)生。截骨矯形往往受主刀醫(yī)師個(gè)人主觀因素影響，易造成術(shù)中判斷失誤，而個(gè)性化設(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準(zhǔn)確度[19-20]。將3D 打印截骨導(dǎo)板應(yīng)用于脛骨截骨矯形可以有效地提高手術(shù)治療效果。

2.4 3D 打印截骨導(dǎo)板在髖臼截骨矯形中的應(yīng)用

髖臼發(fā)育不良是導(dǎo)致青壯年髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的常見原因，40%～50%的髖臼發(fā)育不良患者將在50歲前發(fā)展為髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎，而伴有髖關(guān)節(jié)不穩(wěn)或脫位的患者幾乎全部發(fā)展為髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎[21-22]。1988年瑞士的Ganz 等提出的Bernese 髖臼周圍截骨術(shù)是目前最常用的髖臼周圍截骨術(shù)[21]。周游等[21]利用3D 打印截骨導(dǎo)板輔助Bernese 髖臼周圍截骨成功治療了26 例髖臼發(fā)育不良的患者，平均手術(shù)時(shí)間為3.2 h，平均出血量為1 630 ml，無神經(jīng)損傷出現(xiàn)。王憶茗等[3]使用3D 打印技術(shù)輔助髖臼周圍截骨術(shù)治療了12例髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良患者，術(shù)前股骨頭中心點(diǎn)垂線與髖臼外側(cè)邊緣夾角平均為（11.1±1.4）°，術(shù)后平均增加到（29.3±1.2）°。徐文南等[23]指出，3D 打印輔助髖臼旋轉(zhuǎn)截骨術(shù)術(shù)后外側(cè)中心邊緣角以及髖臼覆蓋率更符合正常髖關(guān)節(jié)的影像學(xué)數(shù)據(jù)。使用3D 打印截骨導(dǎo)板輔助髖臼截骨矯形是一種精確、安全、快捷解決手術(shù)難點(diǎn)的有效方法。

2.5 3D 打印截骨導(dǎo)板在全膝關(guān)節(jié)置換截骨矯形中的應(yīng)用

人工全膝置換術(shù)是治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的方法之一，對于提高臨床療效、減少術(shù)后并發(fā)癥、降低翻修率具有重要意義[24]。全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)和目標(biāo)在于恢復(fù)下肢正常的力線、獲得良好的軟組織平衡[25]。吳東迎等[26]指出，在人工膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，3D 打印截骨導(dǎo)板組與常規(guī)組在手術(shù)時(shí)間和出血量上差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，3D 打印截骨導(dǎo)板組手術(shù)時(shí)間更短、出血更少。劉奕寧等[27]對15 例患者采用3D 打印截骨導(dǎo)板輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)（觀察組），對15 例患者進(jìn)行常規(guī)手術(shù)操作（對照組），術(shù)后2 周觀察組膝關(guān)節(jié)活動度、膝關(guān)節(jié)功能美國特種外科醫(yī)院（hospital for special surgery，HSS）評分及股骨與脛骨機(jī)械軸夾角評分均好于對照組。3D 打印截骨導(dǎo)板輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)能夠較準(zhǔn)確地指導(dǎo)術(shù)中截骨，其術(shù)后膝關(guān)節(jié)活動功能良好。

2.6 3D 打印截骨導(dǎo)板在足踝部畸形矯正中的應(yīng)用

踝關(guān)節(jié)內(nèi)骨折畸形愈合易發(fā)展為創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎，截骨矯形可以恢復(fù)力線，減輕疼痛，改善功能。3D 打印技術(shù)最早應(yīng)用于足踝外科是在1997年Jastifer 等利用3D 打印技術(shù)對跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折情況進(jìn)行了分析[28]。董謝平等[29]采用3D 打印接力截骨導(dǎo)板輔助治療了14 例嚴(yán)重踝關(guān)節(jié)內(nèi)骨折畸形愈合患者，隨訪28.6個(gè)月，視覺模擬評分（visual analogue scale，VAS）、美國矯形足踝協(xié)會（American Orthopedic Foot and Ankle Society，AOFAS）踝-后足評分、SF-36 評分以及背伸、跖屈活動度均較術(shù)前明顯改善。黃雯潔等[30]對6 例患者進(jìn)行了術(shù)前數(shù)字化截骨導(dǎo)板設(shè)計(jì)，使用3D打印截骨導(dǎo)板患者術(shù)后X 射線片復(fù)查截骨關(guān)節(jié)面對合及螺釘位置良好。3D 打印截骨導(dǎo)板應(yīng)用于足踝部畸形矯正可以在較小的暴露和操作空間下實(shí)現(xiàn)良好的踝關(guān)節(jié)面匹配，截骨和置入螺釘位置更精確、安全、有效。

3 展望

骨腫瘤切除術(shù)中為了確定骨腫瘤的邊緣需要較高的外科手術(shù)精確度。因此，截骨的平面需要最大限度地保留腫瘤周圍軟組織，最大限度地減少腫瘤切除的風(fēng)險(xiǎn)。使用3D 打印截骨導(dǎo)板技術(shù)可以進(jìn)行精確的術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)，避免影響患者的生命安全[31]。但3D 打印截骨導(dǎo)板技術(shù)還存在一定的不足，如：打印截骨導(dǎo)板所需材料有限，導(dǎo)板打印所需時(shí)間較長，3D打印截骨導(dǎo)板設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)曲線較長，有時(shí)導(dǎo)板會出現(xiàn)不服帖的情況，3D 打印截骨導(dǎo)板的精確度還有待進(jìn)一步提高。為了實(shí)現(xiàn)3D 打印截骨導(dǎo)板更好地應(yīng)用于截骨矯形，需要不斷提高截骨導(dǎo)板設(shè)計(jì)的精度，促進(jìn)醫(yī)工相結(jié)合，聯(lián)合多學(xué)科參與進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)的相互交流，開發(fā)出更加方便、簡捷的圖像處理軟件。只有不斷創(chuàng)新與改進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)3D 打印截骨導(dǎo)板技術(shù)在臨床上的廣泛應(yīng)用和推廣。

4 結(jié)語

對于復(fù)雜的多平面截骨，使用傳統(tǒng)的截骨手術(shù)方式對于術(shù)者技術(shù)要求相當(dāng)高，截骨的難度大，截骨失敗不僅會影響外形美觀，更重要的是可能會損傷患者相應(yīng)的功能。此外，由于個(gè)體差異的不同，也會使截骨的難度增加，3D 打印個(gè)性化導(dǎo)板輔助下的截骨會簡化手術(shù)流程，減少截骨的復(fù)雜程度。與傳統(tǒng)的截骨手術(shù)方法相比，3D 打印截骨導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)具有截骨平面定位準(zhǔn)確、截骨精準(zhǔn)、手術(shù)時(shí)間短、術(shù)中出血少、術(shù)中X 射線透視少、術(shù)后并發(fā)癥少、改善患者功能效果好、患者滿意度高等優(yōu)點(diǎn)。綜上，3D 打印截骨導(dǎo)板輔助下的截骨矯形術(shù)的臨床療效是值得肯定的。3D 打印截骨導(dǎo)板技術(shù)為骨科截骨矯形提供了新思路，隨著3D 打印截骨導(dǎo)板技術(shù)的不斷成熟，其在臨床的應(yīng)用會越來越廣泛。