3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)在復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折的研究進(jìn)展

李昆倫,李惠民,黃略,李灝,林偉明,李偉龍,廖紅興△（.廣東醫(yī)科大學(xué)梅州市臨床醫(yī)學(xué)院,廣東 梅州 5403；2.廣東省梅州市人民醫(yī)院（梅州市醫(yī)學(xué)科學(xué)院）,廣東 梅州 5403）

踝關(guān)節(jié)是人體內(nèi)承受最大生物力學(xué)載荷的關(guān)節(jié)之一，當(dāng)受到外界暴力作用時(shí)，踝關(guān)節(jié)的連續(xù)性、完整性遭到破壞，引起踝關(guān)節(jié)骨折，嚴(yán)重影響患者活動(dòng)能力[1]。由于暴力方向、大小等存在差異，其導(dǎo)致的骨折類型也有所不同，對(duì)于復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折患者，臨床上多采用手術(shù)治療[2-3]。近年來(lái)，我國(guó)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)飛快發(fā)展，3D打印技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)被逐漸應(yīng)用到外科手術(shù)之中，如假體制作、3D立體重建等，能夠幫助醫(yī)師更準(zhǔn)確地探查患處解剖結(jié)構(gòu)，以便于制定適宜的手術(shù)方案。本文通過(guò)查閱近年來(lái)3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)目前其在復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1 3D打印技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)

3D打印技術(shù)是基于離散-堆積原理的快速成型制造方法，將數(shù)字三維模型分層、切割，使其成為二維橫截面形狀，并逐層疊加材料，從而獲得單一實(shí)體，該種技術(shù)具有成型快、可定制、設(shè)計(jì)自由度高等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如創(chuàng)傷骨科、口腔頜面外科、胸外科等，能夠幫助醫(yī)師了解患者骨折特征和碎片移位情況，以制定個(gè)性化治療方案[4-5]。3D打印技術(shù)能夠制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植入物、假體、器官模型等，制作時(shí)間較短且成本較低，隨著該技術(shù)的不斷進(jìn)步，可用于3D打印的材料也由金屬、陶瓷等單一固體粉材，逐漸發(fā)展為凝膠、細(xì)胞、液體等混合材料，通過(guò)該技術(shù)所制備的骨組織工程材料，可被應(yīng)用于骨折修復(fù)、關(guān)節(jié)置換等手術(shù)之中[6]。數(shù)字化技術(shù)能夠?qū)T、磁共振成像等二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為更加精確的三維模型[7]。Papotto[8]等在其研究中指出，計(jì)算機(jī)3D模型能夠幫助醫(yī)師更好地理解骨折力學(xué)和骨組織的形成、吸收，預(yù)測(cè)骨髓腔開(kāi)放情況及外部骨痂重吸收情況，進(jìn)而調(diào)整對(duì)患者的治療策略，促進(jìn)骨折更快愈合。朱仲廉[9]等人對(duì)76例復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折患者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)將3D打印技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折患者手術(shù)治療中，能夠加快患者骨折愈合，促使其更快恢復(fù)健康。施利華[10]等人在其研究中選取116例踝關(guān)節(jié)骨折患者作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)3D打印結(jié)合數(shù)字化技術(shù)用于踝關(guān)節(jié)骨折療效顯著，還可減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。

2 術(shù)前模擬和預(yù)處理

復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折通常牽涉到韌帶、軟組織等部位的損傷，手術(shù)操作相對(duì)復(fù)雜，為保障手術(shù)效果，需要在術(shù)前提前設(shè)計(jì)手術(shù)切口、內(nèi)固定物、復(fù)位計(jì)劃等，以提高手術(shù)安全性和有效性，減少患者身體受到的損傷[11]。3D打印技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)可明確骨折類型，并構(gòu)建3D立體模型，使醫(yī)師能夠直觀地對(duì)骨折移位情況、關(guān)節(jié)面損傷情況、骨塊大小、骨折線等進(jìn)行觀察，根據(jù)觀察結(jié)果選擇最佳手術(shù)方案，提高手術(shù)質(zhì)量，減少術(shù)中骨折剝離，在縮短患者切口愈合時(shí)間的同時(shí)，降低術(shù)后感染風(fēng)險(xiǎn)[12]。相較于常規(guī)影像學(xué)二維圖像，3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)所構(gòu)建的三維模型能夠提供更好的視覺(jué)反饋，防止手術(shù)團(tuán)隊(duì)成員出現(xiàn)認(rèn)知偏差；增強(qiáng)術(shù)前討論的有效性，提高醫(yī)師對(duì)患者骨折類型的理解程度；還有助于醫(yī)師向患者更直觀地解釋病情、手術(shù)方式和風(fēng)險(xiǎn)等[13]。高洪林[14]等人在其研究中應(yīng)用踝關(guān)節(jié)骨折數(shù)字化虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將患者踝關(guān)節(jié)CT掃描數(shù)據(jù)重建為三維數(shù)字化模型，并利用系統(tǒng)進(jìn)行模擬復(fù)位，確定內(nèi)固定置入的方向、角度、深度等，最終獲得理想的臨床手術(shù)效果。此外，3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)能夠準(zhǔn)確定位切口位置、距離等，還可制作骨折模型，幫助醫(yī)師直觀理解截骨段與踝關(guān)節(jié)的解剖關(guān)系，在模型上標(biāo)記復(fù)位點(diǎn)、測(cè)量螺釘位置及長(zhǎng)度，并進(jìn)行預(yù)復(fù)位和鋼板預(yù)彎，從而縮短手術(shù)用時(shí)，減少術(shù)中放射性損傷，改善內(nèi)固定強(qiáng)度[15]。

3 個(gè)性化導(dǎo)航模板和截骨導(dǎo)板

復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)需要置入螺釘固定，手術(shù)操作者需要在X線透視下將螺釘徒手置入，可能造成鄰近軟組織損傷或骨質(zhì)改變，影響患者預(yù)后。3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)能夠使影像數(shù)據(jù)與患者身體實(shí)際情況相匹配，確定螺釘?shù)闹萌胛恢?、方向和深度等，有助于手術(shù)操作者按照術(shù)前計(jì)劃更準(zhǔn)確地置入螺釘，減少非必要的術(shù)野暴露和透視，在降低手術(shù)難度的同時(shí)減輕患者身體所受創(chuàng)傷，保護(hù)踝關(guān)節(jié)周圍血管及神經(jīng)，改善術(shù)后恢復(fù)情況，減少并發(fā)癥的發(fā)生[16]。3D打印個(gè)性化導(dǎo)航模板制作成本低，準(zhǔn)確性及適用性均較好，將其應(yīng)用到復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折手術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)解剖重建，預(yù)防術(shù)中意外的發(fā)生[17]。此外，使用3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)所制作的截骨導(dǎo)板，能夠?yàn)槭中g(shù)提供多平面復(fù)雜畸形的三維量化，降低術(shù)中截骨難度，防止反復(fù)截骨浪費(fèi)時(shí)間，還可提高手術(shù)精準(zhǔn)度，降低力學(xué)糾正不良的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[18]。鄒運(yùn)璇[19]等人將3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板應(yīng)用到接受踝關(guān)節(jié)治療的患者中，結(jié)果顯示3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板能夠降低手術(shù)難度，縮短手術(shù)用時(shí)，同時(shí)減少術(shù)中透視次數(shù)，降低患者和醫(yī)護(hù)人員受到的放射劑量，進(jìn)一步提升手術(shù)安全性。

4 設(shè)計(jì)個(gè)性化植入物

人體骨骼并非固定不變，而是根據(jù)自身所承受的負(fù)荷進(jìn)行重塑，這也導(dǎo)致部分復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折患者骨缺損嚴(yán)重，需要置入修復(fù)植入體，以重建踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，防止骨折久不愈合或結(jié)構(gòu)塌陷，但傳統(tǒng)植入物形狀、大小的精準(zhǔn)度有限，難以承受踝關(guān)節(jié)處的高負(fù)荷應(yīng)力，可能出現(xiàn)力學(xué)強(qiáng)度不足、植入物松動(dòng)等問(wèn)題[20]。3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)能夠定制個(gè)性化植入物，使其與患者骨缺損部位高度匹配，防止異常應(yīng)力的產(chǎn)生，促使患者盡快恢復(fù)日?；顒?dòng)能力[21-22]。該技術(shù)所制造出的植入物具有微孔結(jié)構(gòu)，能夠減小植入材料與骨骼之間的剛度差異，有利于松質(zhì)骨細(xì)胞生長(zhǎng)到假體內(nèi)部，使植入物更好地貼合患者自體骨骼，實(shí)現(xiàn)骨整合，將傳統(tǒng)骨科假體重建技術(shù)的“機(jī)械連接”變?yōu)椤吧镞B接”，獲取理想療效[23-24]。

5 設(shè)計(jì)踝足矯形器

手術(shù)治療能夠幫助復(fù)雜踝關(guān)節(jié)骨折患者復(fù)位骨折塊，但骨折愈合仍需要一定時(shí)間，在患者恢復(fù)期間，常使用踝足矯形器輔助愈合，其能夠提高足踝部穩(wěn)定性，減少外界壓力，矯正畸形，還可提供緩沖作用，減輕患者骨折疼痛[25-26]。3D打印技術(shù)結(jié)合數(shù)字化技術(shù)能夠設(shè)計(jì)出更加符合人體生物力學(xué)的踝足矯形器，提高外固定器械的舒適度、貼合度，平衡足底峰值壓力分布，降低前后足底壓力，使其合理轉(zhuǎn)移到中足[27-28]。參考圓孔輕量化設(shè)計(jì)，利用3D打印技術(shù)定制踝足矯形器，可減輕矯形器重量、節(jié)約材料，同時(shí)改善患者穿著環(huán)境，提高透氣性[29-30]。

6 小結(jié)與進(jìn)展

將3D打印技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)有效結(jié)合，能夠從多角度分析患者骨折移位方向，清晰顯示斷層間的組織情況，幫助醫(yī)師準(zhǔn)確分析患者病情，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)化治療方案。在術(shù)中能夠準(zhǔn)確觀察術(shù)中螺釘置入情況，減少X線掃描，且3D打印技術(shù)可直接進(jìn)行鋼板塑性，提高鋼板的準(zhǔn)確性，以保障手術(shù)內(nèi)固定效果。此外，3D打印技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)能夠全面觀察患者骨折復(fù)位前后的解剖結(jié)構(gòu)，以便于控制繼發(fā)性損傷，同時(shí)減少手術(shù)失誤，促進(jìn)患者更快恢復(fù)。但就目前情況而言，3D打印技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)制造的打印產(chǎn)品缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在安全性上仍待進(jìn)一步探索，需要完善相關(guān)應(yīng)用指南及法律法規(guī)，建立有效的監(jiān)控、管理體系。