3D導板在骨科手術中的應用與發(fā)展

王璽喆，韓小平，張杰，翟悅，張華*

(1.新疆醫(yī)科大學，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆醫(yī)科大學第五附屬醫(yī)院骨一科，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著數(shù)字化技術與醫(yī)學的融合發(fā)展，3D打印技術在骨科手術中發(fā)揮著越來越重要的作用。3D打印不僅能得到高度準確的手術結果，還能減少對醫(yī)師經(jīng)驗的依賴[1]。醫(yī)師與3D打印工程師利用患者影像學資料，通過醫(yī)學數(shù)字技術、計算機輔助設計(computer aided design，CAD)和快速成型技術，設計出個性化的3D導板，使骨科手術更加安全有效，提高手術的精準度，成功將虛擬手術準確地轉(zhuǎn)化為實際手術。目前3D導板根據(jù)用途分為釘?shù)缹О濉⒔毓菍О寮捌渌?，使?D導板不僅能精準引導釘?shù)婪较蚺c深度，確定截面、成角關系及其他復雜空間結構，縮短手術時間，減少并發(fā)癥及C型臂透視次數(shù)，還能提高骨科醫(yī)師的診療水平與手術的質(zhì)量[2]?，F(xiàn)將3D導板在骨科手術中的起源與發(fā)展、設計與打印、分類及臨床應用、問題與展望方面作一綜述。

1 3D導板的設計與打印

1.1 導板的設計 目前我們利用CAD與計算機輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)能夠設計出個體化的3D導板應用于手術中。3D導板是基于臨床手術需要而設計，通過對患者的CT或MRI數(shù)據(jù)進行獲取。由于掃描層面厚度問題，臨床中常用薄層CT進行掃描后，通過醫(yī)學影像系統(tǒng)導出醫(yī)學數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式，即原始的二維影像數(shù)據(jù)，將其導入逆向工程設計軟件進行3D重建。3D數(shù)字圖像重建后，數(shù)據(jù)以標準曲面細分語言(standard tessellation language，STL)格式保存，STL文件格式是3D打印最常用的格式，然后將STL格式的三維數(shù)字圖像導入到CAD軟件中進行設計[3]。根據(jù)術中及術者需求通過患者的骨骼或皮膚數(shù)據(jù)設計置釘導向孔或截骨導向槽，以確定置釘方向與深度或截骨的區(qū)域，設計后對3D導板的邊緣進行修飾，最后通過3D打印機打印出導板模型應用于手術。

術前我們設計導板時應對手術入路、視野范圍及3D導板附著處可操作性進行合理的規(guī)劃，大部分3D導板設計貼附在解剖后骨骼表面上，還有些設計經(jīng)皮膚體表定位進行微創(chuàng)置釘[4]。

1.2 導板的打印 3D導板打印利用CAM過程從CAD模型逐層制造3D對象，這種方法通過將材料熔合或沉積到基板上來創(chuàng)建對象。3D打印機主要包括熔融沉積模型(fused deposition model，F(xiàn)DM)式、立體光刻式及數(shù)字光處理式打印機等樣式，其中，F(xiàn)DM是最常見的3D打印機的類型。各種材料可用于3D打印，包括硬塑料、柔性尼龍和熱塑性聚合物、陶瓷及金屬等，最常用的是聚乳酸(polylactic acid，PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)。ABS是一種被廣泛使用的材料，生產(chǎn)的硬塑料耐用、便宜，材料具有韌性，可制作體積較大的導板。PLA是類似ABS的熱塑性塑料，但其柔韌性差，盡管PLA比ABS稍弱，由于其不需要加熱床進行粘合且熔點較低，可被更多打印機使用[5]。尼龍比ABS和PLA具有更大的柔韌性，可生產(chǎn)出結構堅固又柔韌的模型，但成本較昂貴，可制作體積較小的導板。金屬材料不僅精度與強度較高而且制作成本也高。3D導板由于材料在制作或消毒過程中會存在打印精度與誤差等問題，我們需將其控制在醫(yī)學可接受的范圍(精度≤0.1 mm，誤差≤5%)[2]。術前需對導板及手術配置的工具進行檢查，根據(jù)打印材料性質(zhì)選擇消毒方式后可應用于手術。

2 3D導板的分類及應用

2.1 釘?shù)缹О?通過3D導板進行螺釘置入目前應用最廣泛的是在脊柱手術中，3D打印在脊柱外科手術中的最初應用是創(chuàng)建針對患者的鉆孔導向器和模板，以解決早期圖像引導導航系統(tǒng)的一些缺點，包括笨重的立體定向陣列、高技術啟動成本及增加手術時間等[6]。椎弓根螺釘固定困難且風險較高，螺釘難以快速、準確的放置，Yu等[7]研究通過12具頸椎標本設計導板，放置了164個椎弓根螺釘，準確率達到96.3%，可實現(xiàn)精確且安全的置釘。經(jīng)文獻報道[8-9]對胸椎及下頸椎尸體標本研究椎弓根螺釘設計導板并置釘也獲得了相似的結論。Wang等[10]回顧性研究寰樞椎椎弓根螺釘經(jīng)3D導板治療寰樞椎骨折/脫位患者，3D打印組的螺釘放置精準度(94.1%)遠高于傳統(tǒng)固定組，表明應用3D導板置釘具有相對滿意的安全性及有效性。為了提高固定螺釘?shù)膹姸龋瑴p少損傷，引入了皮質(zhì)骨軌跡(cortical bone trajectory，CBT)螺釘，與傳統(tǒng)的椎弓根螺釘相比，CBT螺釘具有不同的軌跡，能夠穿過更密集的骨骼。經(jīng)文獻報道[11-12]頸椎或胸腰椎CBT通過標本研究基于3D導板進行螺釘置入，具有良好的可行性和準確性。

傳統(tǒng)的導板是根據(jù)骨骼的表面形態(tài)設計的，隨著微創(chuàng)理念的普及和技術的發(fā)展，經(jīng)皮固定越來越被需要。Li等[13]通過6例尸體標本設計3D導板對胸腰椎段的螺釘置入通道，術后軸向CT顯示椎弓根螺釘放置準確率為98.6%。Wu等[14]研究通過3D導板對胸腰椎骨折患者進行經(jīng)皮精準置釘，術后出血及輻射暴露減少，療效可靠。對于解剖結構復雜或置釘不準確可能導致患者嚴重發(fā)病率的區(qū)域，3D導板可用作提高螺釘準確性的一種手段。椎弓根螺釘是脊柱畸形矯正手術中使用的主要工具之一，Chen等[15]研究10例通過3D導板技術協(xié)助脊柱畸形矯正手術，平均精準度達到86.7%，術后未發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，表明經(jīng)3D導板的治療提供了較高的精準性和可接受性。盡管如此，經(jīng)導板置入螺釘軌跡術后偏差的發(fā)生平均為13.3%，有研究報道[16]螺釘軌跡偏差發(fā)生的概率高達17%，可能是由于導板和骨骼之間的契合度不高，也可能是放置和準備螺釘過程中螺釘軌跡導軌內(nèi)存在間隙。

對于可逆期的股骨頭壞死，壞死區(qū)核心減壓術是一種常用的技術，以往的技術對于壞死區(qū)域精準定位是一個挑戰(zhàn)。Bo等[17]研究了3D導板輔助下通過多孔生物陶瓷棒放置進行核心減壓，與傳統(tǒng)組相比，3D導板可縮短手術時間和透視時間，減少術中出血。髖臼骨折的微創(chuàng)治療通常采用經(jīng)皮拉力螺釘固定，盡管微創(chuàng)術式優(yōu)點明顯，但可能會因螺釘定位、固定不當或螺釘斷裂引起死亡，故術中精準的置入螺釘非常重要。Zhang等[18]研究通過逆向工程軟件對后柱髖臼骨折設計經(jīng)皮3D導板固定螺釘，通過軟件模擬和標本試驗研究證明了其安全性和準確性，術后骨盆X線顯示螺釘位置良好。Wan等[19]通過6例尸體標本設計導板，對4例新鮮舟骨骨折患者利用3D導板行經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定，術后療效滿意，腕部功能良好。

2.2 截骨導板 3D導板對精確截骨、個性化截骨幫助巨大，常規(guī)術式的關節(jié)置換依靠經(jīng)驗確定截骨角度與厚度容易產(chǎn)生偏差，從而導致手術失敗。3D打印能夠測量和匹配患者的解剖模型，準確地重建下肢力線，提高了假體的強度和穩(wěn)定性。Shen等[20]研究3D打印截骨導板輔助全膝關節(jié)置換術治療外翻膝關節(jié)畸形，發(fā)現(xiàn)3D導板組的術中時間、失血量及術后平均股脛角低于常規(guī)組，臨床及功能評分明顯高于常規(guī)組，值得進一步推廣。

由于個體的肘內(nèi)翻畸形差異不同，術中有時難以獲得滿意的矯正，為了提高精度需要更加準確化和個性化。Zhang等[21]回顧性研究25例兒童肘內(nèi)翻畸形患者，14例采用3D打印截骨導板治療，與常規(guī)組相比，3D打印組的術后畸變矯正率達到85.8%，父母對畸形矯正術后外觀的滿意度，有13例為優(yōu)，1例為良。有研究報道[22]，3D打印截骨導板對脛骨高位截骨術也能取得較好的術后療效，增加了手術的精準性，且術后脛骨后傾角不增大，操作易掌握。脊柱截骨是重建矢狀面和冠狀面線形、改善平衡和行走的關鍵，精準又良好的截骨面的確定是手術成功的重要因素。Pijpker等[23]通過對一名嚴重的先天性后凸畸形的12歲女孩個性化設計3D截骨導板，應用于技術要求較高的經(jīng)椎弓根椎體截骨術，術后X線顯示畸形得到良好的矯正，后凸角度從74°減小到22°，術后未見明顯神經(jīng)損傷癥狀，表明使用個性化設計3D截骨導板可使脊柱截骨術更加安全可靠。

2.3 其他類型導板 該類型主要是釘?shù)阑蚪毓菍О逦粗苯影趦?nèi)的其他導板，用于髖臼骨折內(nèi)固定的鋼板和螺釘?shù)木_復位和放置是臨床上的挑戰(zhàn)。Merema等[24]對1例髖臼骨折的48歲男性患者，采用3D打印個體化設計鋼板與鉆孔導板，術后X線顯示鋼板和螺釘位置良好，表明該法能提高醫(yī)師的效率及骨折復位的質(zhì)量。有研究通過實驗研究表明個體化的3D打印鋼板和鉆孔導板可以幫助髖臼骨折精確的復位和固定[25]。Blakeney等[26]通過個體化骨盆的模型定制3D截骨導板應用在盆腔軟骨肉瘤上達到精確切除。Tu等[27]研究了9例矯正強直性脊柱炎繼發(fā)的嚴重脊柱側(cè)凸患者，采用個體化3D導板進行精確的截骨導板與椎弓根螺釘導板，術后X線顯示矯形角度及效果良好，能夠提供精確的畸形矯正和脊柱序列重建。其他類型的導板未見文獻報道。

3 問題與展望

目前3D導板在骨科手術的應用上仍存在一些問題：(1)圖像處理和3D打印耗時較長，不能應用在急診手術中；(2)對于打印材料的選擇和打印導板的消毒方法尚存在缺陷，消毒滅菌方法錯誤可能導致精準度降低甚至變形；(3)許多醫(yī)院沒有數(shù)字化3D打印室及工程師，缺乏相關設備和技術，對逆向工程軟件掌握不足，不利于3D打印的推廣；(4)3D打印工程師設計導板可能與術者對手術的理解不太一致，影響手術的實際進行。因此，骨科醫(yī)師在此過程中需處于主導地位，不能過于依賴3D打印工程師。因為3D打印技術只是實現(xiàn)醫(yī)療過程的一種手段，以服務臨床為目的。盡管3D導板應用廣泛，但與傳統(tǒng)術式相比仍缺乏大樣本量的長期病例隨訪研究[28]。

綜上所述，骨科3D導板的應用體現(xiàn)了個性化手術治療的優(yōu)勢。目前，中華醫(yī)學會醫(yī)學工程分會數(shù)字骨科學組已經(jīng)在2019年1月發(fā)布了《3D打印骨科手術導板技術標準專家共識》[2]，相信在不久的將來，隨著國家及行業(yè)完善3D導板標準，創(chuàng)新技術不斷的引入骨科領域，使3D導板在骨科領域中的臨床價值和發(fā)展前景越來越好。