3D打印技術(shù)在骨科康復中的應(yīng)用

梁澤宇，鄧羽平，黃文華，2，3

1.南方醫(yī)科大學基礎(chǔ)醫(yī)學院人體解剖學國家重點學科/廣東省醫(yī)學生物力學重點實驗室/廣東省醫(yī)學3D 打印應(yīng)用轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510515；2.南方醫(yī)科大學第三附屬醫(yī)院/廣東省醫(yī)學3D打印應(yīng)用轉(zhuǎn)化創(chuàng)新平臺，廣東廣州510630；3.廣東醫(yī)科大學附屬醫(yī)院骨科，廣東湛江524001

前言

近年來，3D打印技術(shù)的興起歸因于其在技術(shù)和工藝方面的突破，以及低成本打印機的出現(xiàn)。目前3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括牙科、解剖模型、醫(yī)療器械、組織工程支架和組織模型等［1‐2］。研究工作也在生物合成打印和混合人體組織，包括皮膚、軟骨和骨骼等方面進行。在康復醫(yī)學領(lǐng)域，3D打印技術(shù)能為制造矯形器、假肢義肢和輔助器具過程中遇到的常見問題提供獨特的解決方案。3D打印統(tǒng)稱為增材制造（AM），其定義為：使用打印頭、噴嘴或其他打印機技術(shù)通過沉積材料的物體來制造物體。該過程也被歸類為計算機輔助制造（CAM）的一種，這是在制造過程中使用計算機軟件控制機械的總稱，所有3D技術(shù)都具有類似概念。計算機輔助設(shè)計（CAD）通常使用3D掃描創(chuàng)建對象的虛擬3D模型，然后將模型“切片”為離散的2D層，其中幾何圖形變?yōu)閿?shù)字代碼，打印機使用該數(shù)字代碼逐層“構(gòu)建”對象［1,3］。根據(jù)技術(shù)不同，可能需要進行后處理以去除支撐材料，改善表面光潔度或固化未熔融的材料。如今，個人打印機正以低廉的價格得到越來越廣泛的使用，從而使個性化設(shè)計和制造3D打印器具成為現(xiàn)實。本文探討3D打印技術(shù)在當前骨科康復中的應(yīng)用，為康復醫(yī)學、康復治療學等人員建立有關(guān)3D打印技術(shù)及其應(yīng)用知識的基礎(chǔ)，并且討論3D打印技術(shù)在骨科康復中應(yīng)用的潛在價值。

1 矯形器

1.1 上肢矯形器

Abreu de Souza等［4］為1例24歲男性左側(cè)橈骨遠端骨折患者設(shè)計了一個3D打印的定制矯形器，用于45 d左右的制動期康復。這個矯形器質(zhì)量只有53 g，制造時間45 min。矯形器的優(yōu)點包括低成本、方便的制造工藝、輕便的設(shè)計、易于清洗、個性化定制，并有良好的適配性。Yoo等［5］針對脊髓損傷患者設(shè)計了一種由肌電圖信號控制的新型3D打印手部矯形器，大多數(shù)受試者在穿戴此設(shè)備后可以拿起和放下物體，使頸段脊髓損傷患者具備足夠的握力從而恢復部分手部功能，提高了患者的日常生活活動能力。Mohammadi等［6］也開發(fā)了一種模塊化、可定制、輕便的柔軟外骨骼手套，適用于外傷導致的脊髓損傷患者和肌肉萎縮癥導致的上肢癱瘓患者。此裝置由3D打印的柔性手套和驅(qū)動、控制單元組成，可以完成對不同直徑和形狀的圓柱形物體、直徑較小的球形物體的抓握，還可以拿起信用卡和鑰匙。手套的握力和運動范圍可以滿足日常生活活動的要求，并且作為一個總質(zhì)量為330 g的便攜式設(shè)備，也適合患者在日常生活中佩戴。錘狀指是指遠端指間關(guān)節(jié)因伸肌腱機制中斷而產(chǎn)生的屈曲畸形，包括遠端指骨撕脫骨折的骨性錘狀指和只涉及伸肌腱損傷的軟組織錘狀指［7］。Choi等［8］通過比較用于錘狀指外固定的傳統(tǒng)石膏和3D打印矯形器發(fā)現(xiàn)后者可以解決前者佩戴過程中產(chǎn)生的過度伸展和皮膚問題（水腫、感染和壞死），這是因為3D打印技術(shù)基于人體解剖結(jié)構(gòu)個性化定制，其在適配性和舒適度上有著很大優(yōu)勢，可以避免傳統(tǒng)石膏固定后的諸多并發(fā)癥，提高器具的使用率和患者的滿意度。

1.2 下肢矯形器

Chae等［9］為1例腰椎椎間融合術(shù)及膿腫清除術(shù)后的72歲女性患者制作了踝足矯形器，這個設(shè)計考慮到足部的壓力中心在步態(tài)周期中的變化方向，研究證明患者在佩戴此設(shè)備后可以提高行走速度，使步態(tài)特征更接近于功能性步行，并提供足夠的穩(wěn)定性、動態(tài)支持和自由運動，接近正常功能。Xu等［10］將60例患有足底筋膜炎患者分為兩組，其中對照組患者穿戴預先制作的踝足矯形器，試驗組患者穿戴3D打印的踝足矯形器，使用8周后VAS舒服度評分，試驗組顯著低于對照組，驗證3D打印的踝足矯形器在減少與足底病變相關(guān)的損傷以及提高足底筋膜炎患者舒適度方面的有效性。Xu等［11］對80例雙側(cè)扁平足患者的研究發(fā)現(xiàn)，3D打印的定制鞋墊比預制鞋墊的舒適度更高，并且定制鞋墊減少跗骨間的負荷，將負荷分布到足中部，對有癥狀的平足患者足部病灶進行修復。Bolus等［12］設(shè)計了一款應(yīng)用3D打印技術(shù)、可調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度的膝關(guān)節(jié)矯形器，其中裝配可以在各種運動中量化關(guān)節(jié)運動的磁性角度傳感器，結(jié)果表明這個裝置能夠通過改變關(guān)節(jié)載荷大小、關(guān)節(jié)運動情況，以及根據(jù)患者在實際使用中的表現(xiàn)，選擇性控制關(guān)節(jié)運動，如在進行力量練習或是康復鍛煉時。

1.3 軀干矯形器

張玉芳等［13］為1例14歲右胸彎、左腰彎的“S”型脊柱側(cè)彎男性患者設(shè)計了3D打印矯形器，穿戴矯形器后患者的側(cè)凸狀況得到一定程度的矯正，胸、腰部側(cè)彎的Cobb角分別減小至28°和19.7°，較初始側(cè)彎角度分別減少了78%和82%，具有較好的矯形效果，且貼合度較高。該矯形器透氣性良好且外形美觀，側(cè)彎矯正位置疼痛感較輕，可進行彎腰、蹲起等日?；顒?，且束帶可微調(diào)松緊度，不影響日常生活，患者對其整體比較滿意。蔡婧璇等［14］為1例8歲“S”型脊柱側(cè)彎男性患者設(shè)計制作了矯形器，通過隨訪發(fā)現(xiàn)此矯形器與患者脊柱彎曲情況的匹配度良好，矯正效果精確，更換矯形器的次數(shù)明顯減少。對于青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者來說，矯形器的佩戴不僅從主觀的疼痛感受上影響患者的學習狀態(tài)，而且使患者在心理上承受異樣的目光和生活不便帶來的苦惱，阻礙身心健康發(fā)展。3D打印技術(shù)可以通過個性化定制矯形器給青少年患者貼上一個“個性的標簽”，減輕患者的心理壓力，從而達到提高器具使用率和治療效果的目的。

2 假肢、義肢

3D打印技術(shù)可以為經(jīng)歷截肢手術(shù)的患者量身定制符合其人體解剖結(jié)構(gòu)、高強度、耐用、輕便、經(jīng)濟實惠的假肢，尤其適用于正在生長發(fā)育的兒童及青少年［15］。Ten Kate等［16］概述了58種3D打印的上肢假肢，而且已經(jīng)制造了大量不同類型的假肢，其中大多數(shù)用于兒童。報道稱孩子們對他們的假肢很滿意，但由于沒有短期或長期使用的隨訪，所以還不清楚這些假肢是否可以滿足孩子的功能需求。如果3D打印的假肢有更強大的功能和更真實的外觀，那么它的應(yīng)用程度將會有所增加。Zuniga等［17］為11位遭遇外傷后上肢截肢或先天性上肢缺失的兒童設(shè)計制作了低成本的3D打印手，此假肢明顯提高了使用者的生活質(zhì)量，并且提高了患兒在日常生活中對其使用率，包括在家庭生活和學校學習的一些活動。Xu等［18］也為1位遭受攪碎機事故后慣用手（右手）嚴重損傷、隨后截肢的8歲小男孩制作了3D打印假肢，耗時不到8 h，3個月后的隨訪中得知該男孩在使用假肢后，在飲食、寫作、穿衣、騎自行車等日常生活活動和父母對其滿意度中均表現(xiàn)良好，男孩和父母均未反饋有關(guān)佩戴此3D打印假肢的特殊并發(fā)癥。

3 輔助器具

Thorsen等［19］為1例雙手指骨處截肢的中年女性設(shè)計了輔助器具，在使用之后，之前困擾她的一些無法完成或完成困難的日常生活活動問題變得簡單了，她開始在輔助器具的幫助下嘗試使用日常用品，如衣架、廚房鉗等，滿足她的日常生活需求。Day等［20］為了讓1例左手掌指關(guān)節(jié)處做了關(guān)節(jié)斷離術(shù)的患者重新吹奏他的法國圓號（樂器），用3D打印技術(shù)制作了一種輔助器具，這種器具滿足了患者的期望，安全性也很高，使他重新參與到吹奏圓號這個休閑活動中，達到了回歸生活的目的。通過計算發(fā)現(xiàn)，這些3D打印的器具比類似的層壓設(shè)備平均便宜56%。Degerli等［21］等為1例C5‐6椎骨骨折患者設(shè)計制作了一款輔助器具，患者由于慣用手手部肌肉無力而影響到日常工作，此器具旨在幫助他提高書寫、簽名這項工作所需能力，該裝置的尺寸、質(zhì)量、安全性、耐用性、使用簡單性和舒適性均為患者所接受，患者稱他第一次在車禍事故后毫無顫抖地完成書寫和簽名，他對這個輔助器具總體上非常滿意。

4 3D打印技術(shù)在骨科康復中的優(yōu)勢與存在的問題

4.1 術(shù)前

術(shù)前應(yīng)用3D打印技術(shù)建模不僅降低患者手術(shù)中的治療風險，更重要的是更加精確的手術(shù)方案有利于減少術(shù)后并發(fā)癥，提高手術(shù)質(zhì)量［22‐23］。如骨折后的手術(shù)治療以骨折復位及內(nèi)固定、恢復關(guān)節(jié)的解剖形態(tài)為目的，骨科醫(yī)師更加注重骨折本身愈合，但是不少患者在骨科手術(shù)后面臨運動動能障礙問題。許多學者通過實驗發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨骨折損傷后，關(guān)節(jié)制動超過72～78 h，關(guān)節(jié)軟骨為纖維組織修復；關(guān)節(jié)固定6～12周后，沒有損傷的關(guān)節(jié)軟骨也發(fā)生明顯退形性改變。肌肉、肌腱等軟組織在關(guān)節(jié)制動后3 d就可以出現(xiàn)粘連［24］。對于術(shù)后需要康復的患者來說，恢復正常的運動功能、回歸日常生活是康復的最終目的，但對于應(yīng)用3D打印技術(shù)的骨科手術(shù)是否會減輕對患者術(shù)后功能活動的影響，降低術(shù)后康復難度，使患者達到不僅是解剖學意義上的康復，而且是功能水平上的康復這一問題鮮有精確報道。

4.2 術(shù)后

骨折后對骨折部位進行外固定處理對于骨折的愈合非常重要，在急性損傷或手術(shù)后短時間（幾天到幾周）使用支架可控制受累關(guān)節(jié)的活動范圍，并在康復期間提供保護。傳統(tǒng)的外固定材料一般選用石膏、繃帶或者夾板，而這些外固定材料透氣性差、固定不牢靠、容易壓迫血管造成血供減少，此外，由于人體形態(tài)有明顯差異，為每個病人提供個性化設(shè)計的尺寸是一項復雜工作，所以在大多數(shù)情況下，傳統(tǒng)矯形器是按照預先確定的模型制作的。利用3D打印技術(shù)打印出的康復器具，在這方面的應(yīng)用則具有巨大優(yōu)勢［25］。廖政文等［26］設(shè)計的個性化康復器具矯形器優(yōu)化率達10%～20%，并且生物力學影響小、節(jié)省材料、增加了透氣性。低溫熱塑板材制造矯形器時需反復調(diào)整、存在燙傷風險、制造效率低、外觀難看、棄用率高；高溫塑性矯形器制造流程繁瑣，需經(jīng)歷取模、澆鑄、倒模、填充、調(diào)整等，3D打印為解決這些問題提供了新思路和可行方案［27］。Lin等［28］在前臂骨折矯形器建模設(shè)計基礎(chǔ)上，將此器具應(yīng)用于10名年齡在5～78歲患者，包括4名男性和6名女性，最終降低了與此骨折相關(guān)的并發(fā)癥風險，其中包括皮膚病、骨筋膜室綜合癥、壓瘡等，并且具有良好的透氣性、自定義貼合度和患者使用滿意度等優(yōu)點［29］。然而目前實驗數(shù)據(jù)仍存在著明顯的不足。廖政文［30］在其前臂康復矯形器的數(shù)字化設(shè)計制作中招募到30名志愿者，Lin等［28］在其前臂骨折矯形器設(shè)計中選擇的10名患者，對于具有龐大數(shù)量的骨科傷殘患者來講只是冰山一角，其生物力學特性是否會隨著骨密度、營養(yǎng)狀態(tài)、體脂率、穿戴矯形器以后的工作生活狀態(tài)等因素發(fā)生改變從而產(chǎn)生統(tǒng)計學意義仍值得繼續(xù)探討。

4.3 其他

青少年處于生長發(fā)育的關(guān)鍵時期，尤其是青春期，以骨量累積為主，成人骨量約40%～60%在青少年時期達成，到18歲時峰值骨量的90%已累積完成［31］。在這一時期長時間佩戴骨科康復矯形器等器具是否會對青少年的生長發(fā)育造成影響也值得深入探討。況且3D打印的零件成本在很大程度上取決于制造設(shè)備，廉價的臺式3D打印機可以提供廉價的成本，但與商業(yè)制造的高質(zhì)量標準相比，它們的質(zhì)量管控較低［32］。對于不同產(chǎn)品的選擇（價錢、質(zhì)量因素）是否會對使用者造成影響也值得繼續(xù)探討。3D打印成品一旦制作成型，隨著青少年生長發(fā)育會產(chǎn)生產(chǎn)品適配度降低甚至無法穿戴的問題，造成壓瘡等皮膚疾病，對于有經(jīng)濟負擔的家庭，是否會繼續(xù)選擇比較昂貴的3D打印產(chǎn)品，是否會對滿意度造成影響也值得深入討論。未來，對新型3D打印針對特定群體（如兒童）的設(shè)計進行評估時，應(yīng)探索舒適與適配性、疼痛與損傷程度、整體滿意度和依附性以及該設(shè)備的生物力學功能［33］。

5 3D打印技術(shù)在骨科康復中的應(yīng)用展望

隨著社會發(fā)展水平和人們?nèi)粘Ｉ罨顒佣鄻踊牟粩嗵岣?，對?jīng)歷骨科手術(shù)且術(shù)后造成功能障礙的患者來說，恢復其功能活動水平，使其能參與到豐富多彩的日常生活中和提供個性化的精準醫(yī)療服務(wù)這些需求日益增加。傳統(tǒng)矯形器和假肢等適配度低、穿戴不適、外形不美觀等問題造成產(chǎn)品棄用率高，無法達到預期的康復效果，3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和研究應(yīng)用為解決這個問題提供可行方案。相較于傳統(tǒng)康復器具，3D打印技術(shù)可以個性化地為不同患者設(shè)計符合其身體解剖結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，提高舒適性；可以個性化地為患者設(shè)計符合其外觀需求的產(chǎn)品，提高使用率。3D打印技術(shù)在面向骨科康復矯形器、假肢和輔助器具的應(yīng)用范圍是廣闊的，包括人體四肢、軀干和頭部的矯形輔助都可以進行研究。3D打印技術(shù)在康復領(lǐng)域的研究進程方面，需要對CAD/CAM程序的可用性、材料可變性/可用性以及3D打印技術(shù)用于康復相關(guān)工作的成本進行更多研究。將來還可以將智能可穿戴傳感器設(shè)備、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用于3D打印，提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)社會發(fā)展需要，不斷促進和推動3D打印技術(shù)在骨科康復領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。