王璽喆，韓小平，張杰，翟悅，張華*

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆醫(yī)科大學(xué)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(shù)與醫(yī)學(xué)的融合發(fā)展，3D打印技術(shù)在骨科手術(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。3D打印不僅能得到高度準(zhǔn)確的手術(shù)結(jié)果，還能減少對醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)的依賴[1]。醫(yī)師與3D打印工程師利用患者影像學(xué)資料，通過醫(yī)學(xué)數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)和快速成型技術(shù)，設(shè)計(jì)出個性化的3D導(dǎo)板，使骨科手術(shù)更加安全有效，提高手術(shù)的精準(zhǔn)度，成功將虛擬手術(shù)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為實(shí)際手術(shù)。目前3D導(dǎo)板根據(jù)用途分為釘?shù)缹?dǎo)板、截骨導(dǎo)板及其他類，使用3D導(dǎo)板不僅能精準(zhǔn)引導(dǎo)釘?shù)婪较蚺c深度，確定截面、成角關(guān)系及其他復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，縮短手術(shù)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(shù)的質(zhì)量[2]?，F(xiàn)將3D導(dǎo)板在骨科手術(shù)中的起源與發(fā)展、設(shè)計(jì)與打印、分類及臨床應(yīng)用、問題與展望方面作一綜述。

1 3D導(dǎo)板的設(shè)計(jì)與打印

1.1 導(dǎo)板的設(shè)計(jì) 目前我們利用CAD與計(jì)算機(jī)輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)能夠設(shè)計(jì)出個體化的3D導(dǎo)板應(yīng)用于手術(shù)中。3D導(dǎo)板是基于臨床手術(shù)需要而設(shè)計(jì)，通過對患者的CT或MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。由于掃描層面厚度問題，臨床中常用薄層CT進(jìn)行掃描后，通過醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)導(dǎo)出醫(yī)學(xué)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(dǎo)入逆向工程設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行3D重建。3D數(shù)字圖像重建后，數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)曲面細(xì)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(dǎo)入到CAD軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。根據(jù)術(shù)中及術(shù)者需求通過患者的骨骼或皮膚數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)置釘導(dǎo)向孔或截骨導(dǎo)向槽，以確定置釘方向與深度或截骨的區(qū)域，設(shè)計(jì)后對3D導(dǎo)板的邊緣進(jìn)行修飾，最后通過3D打印機(jī)打印出導(dǎo)板模型應(yīng)用于手術(shù)。

術(shù)前我們設(shè)計(jì)導(dǎo)板時應(yīng)對手術(shù)入路、視野范圍及3D導(dǎo)板附著處可操作性進(jìn)行合理的規(guī)劃，大部分3D導(dǎo)板設(shè)計(jì)貼附在解剖后骨骼表面上，還有些設(shè)計(jì)經(jīng)皮膚體表定位進(jìn)行微創(chuàng)置釘[4]。

1.2 導(dǎo)板的打印 3D導(dǎo)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(jī)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(jī)等樣式，其中，F(xiàn)DM是最常見的3D打印機(jī)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(dǎo)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(jìn)行粘合且熔點(diǎn)較低，可被更多打印機(jī)使用[5]。尼龍比ABS和PLA具有更大的柔韌性，可生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)堅(jiān)固又柔韌的模型，但成本較昂貴，可制作體積較小的導(dǎo)板。金屬材料不僅精度與強(qiáng)度較高而且制作成本也高。3D導(dǎo)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(xué)可接受的范圍(精度≤0.1 mm，誤差≤5%)[2]。術(shù)前需對導(dǎo)板及手術(shù)配置的工具進(jìn)行檢查，根據(jù)打印材料性質(zhì)選擇消毒方式后可應(yīng)用于手術(shù)。

2 3D導(dǎo)板的分類及應(yīng)用

2.1 釘?shù)缹?dǎo)板 通過3D導(dǎo)板進(jìn)行螺釘置入目前應(yīng)用最廣泛的是在脊柱手術(shù)中，3D打印在脊柱外科手術(shù)中的最初應(yīng)用是創(chuàng)建針對患者的鉆孔導(dǎo)向器和模板，以解決早期圖像引導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，包括笨重的立體定向陣列、高技術(shù)啟動成本及增加手術(shù)時間等[6]。椎弓根螺釘固定困難且風(fēng)險(xiǎn)較高，螺釘難以快速、準(zhǔn)確的放置，Yu等[7]研究通過12具頸椎標(biāo)本設(shè)計(jì)導(dǎo)板，放置了164個椎弓根螺釘，準(zhǔn)確率達(dá)到96.3%，可實(shí)現(xiàn)精確且安全的置釘。經(jīng)文獻(xiàn)報(bào)道[8-9]對胸椎及下頸椎尸體標(biāo)本研究椎弓根螺釘設(shè)計(jì)導(dǎo)板并置釘也獲得了相似的結(jié)論。Wang等[10]回顧性研究寰樞椎椎弓根螺釘經(jīng)3D導(dǎo)板治療寰樞椎骨折/脫位患者，3D打印組的螺釘放置精準(zhǔn)度(94.1%)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)固定組，表明應(yīng)用3D導(dǎo)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?qiáng)度，減少損傷，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(xiàn)報(bào)道[11-12]頸椎或胸腰椎CBT通過標(biāo)本研究基于3D導(dǎo)板進(jìn)行螺釘置入，具有良好的可行性和準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)的導(dǎo)板是根據(jù)骨骼的表面形態(tài)設(shè)計(jì)的，隨著微創(chuàng)理念的普及和技術(shù)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(biāo)本設(shè)計(jì)3D導(dǎo)板對胸腰椎段的螺釘置入通道，術(shù)后軸向CT顯示椎弓根螺釘放置準(zhǔn)確率為98.6%。Wu等[14]研究通過3D導(dǎo)板對胸腰椎骨折患者進(jìn)行經(jīng)皮精準(zhǔn)置釘，術(shù)后出血及輻射暴露減少，療效可靠。對于解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜或置釘不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致患者嚴(yán)重發(fā)病率的區(qū)域，3D導(dǎo)板可用作提高螺釘準(zhǔn)確性的一種手段。椎弓根螺釘是脊柱畸形矯正手術(shù)中使用的主要工具之一，Chen等[15]研究10例通過3D導(dǎo)板技術(shù)協(xié)助脊柱畸形矯正手術(shù)，平均精準(zhǔn)度達(dá)到86.7%，術(shù)后未發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，表明經(jīng)3D導(dǎo)板的治療提供了較高的精準(zhǔn)性和可接受性。盡管如此，經(jīng)導(dǎo)板置入螺釘軌跡術(shù)后偏差的發(fā)生平均為13.3%，有研究報(bào)道[16]螺釘軌跡偏差發(fā)生的概率高達(dá)17%，可能是由于導(dǎo)板和骨骼之間的契合度不高，也可能是放置和準(zhǔn)備螺釘過程中螺釘軌跡導(dǎo)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(shù)是一種常用的技術(shù)，以往的技術(shù)對于壞死區(qū)域精準(zhǔn)定位是一個挑戰(zhàn)。Bo等[17]研究了3D導(dǎo)板輔助下通過多孔生物陶瓷棒放置進(jìn)行核心減壓，與傳統(tǒng)組相比，3D導(dǎo)板可縮短手術(shù)時間和透視時間，減少術(shù)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(shù)式優(yōu)點(diǎn)明顯，但可能會因螺釘定位、固定不當(dāng)或螺釘斷裂引起死亡，故術(shù)中精準(zhǔn)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(shè)計(jì)經(jīng)皮3D導(dǎo)板固定螺釘，通過軟件模擬和標(biāo)本試驗(yàn)研究證明了其安全性和準(zhǔn)確性，術(shù)后骨盆X線顯示螺釘位置良好。Wan等[19]通過6例尸體標(biāo)本設(shè)計(jì)導(dǎo)板，對4例新鮮舟骨骨折患者利用3D導(dǎo)板行經(jīng)皮螺釘內(nèi)固定，術(shù)后療效滿意，腕部功能良好。

2.2 截骨導(dǎo)板 3D導(dǎo)板對精確截骨、個性化截骨幫助巨大，常規(guī)術(shù)式的關(guān)節(jié)置換依靠經(jīng)驗(yàn)確定截骨角度與厚度容易產(chǎn)生偏差，從而導(dǎo)致手術(shù)失敗。3D打印能夠測量和匹配患者的解剖模型，準(zhǔn)確地重建下肢力線，提高了假體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。Shen等[20]研究3D打印截骨導(dǎo)板輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)治療外翻膝關(guān)節(jié)畸形，發(fā)現(xiàn)3D導(dǎo)板組的術(shù)中時間、失血量及術(shù)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(jìn)一步推廣。

由于個體的肘內(nèi)翻畸形差異不同，術(shù)中有時難以獲得滿意的矯正，為了提高精度需要更加準(zhǔn)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(dǎo)板治療，與常規(guī)組相比，3D打印組的術(shù)后畸變矯正率達(dá)到85.8%，父母對畸形矯正術(shù)后外觀的滿意度，有13例為優(yōu)，1例為良。有研究報(bào)道[22]，3D打印截骨導(dǎo)板對脛骨高位截骨術(shù)也能取得較好的術(shù)后療效，增加了手術(shù)的精準(zhǔn)性，且術(shù)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(guān)鍵，精準(zhǔn)又良好的截骨面的確定是手術(shù)成功的重要因素。Pijpker等[23]通過對一名嚴(yán)重的先天性后凸畸形的12歲女孩個性化設(shè)計(jì)3D截骨導(dǎo)板，應(yīng)用于技術(shù)要求較高的經(jīng)椎弓根椎體截骨術(shù)，術(shù)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(shù)后未見明顯神經(jīng)損傷癥狀，表明使用個性化設(shè)計(jì)3D截骨導(dǎo)板可使脊柱截骨術(shù)更加安全可靠。

2.3 其他類型導(dǎo)板 該類型主要是釘?shù)阑蚪毓菍?dǎo)板未直接包含在內(nèi)的其他導(dǎo)板，用于髖臼骨折內(nèi)固定的鋼板和螺釘?shù)木_復(fù)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(shè)計(jì)鋼板與鉆孔導(dǎo)板，術(shù)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(fù)位的質(zhì)量。有研究通過實(shí)驗(yàn)研究表明個體化的3D打印鋼板和鉆孔導(dǎo)板可以幫助髖臼骨折精確的復(fù)位和固定[25]。Blakeney等[26]通過個體化骨盆的模型定制3D截骨導(dǎo)板應(yīng)用在盆腔軟骨肉瘤上達(dá)到精確切除。Tu等[27]研究了9例矯正強(qiáng)直性脊柱炎繼發(fā)的嚴(yán)重脊柱側(cè)凸患者，采用個體化3D導(dǎo)板進(jìn)行精確的截骨導(dǎo)板與椎弓根螺釘導(dǎo)板，術(shù)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(dǎo)板未見文獻(xiàn)報(bào)道。

3 問題與展望

目前3D導(dǎo)板在骨科手術(shù)的應(yīng)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(yīng)用在急診手術(shù)中；(2)對于打印材料的選擇和打印導(dǎo)板的消毒方法尚存在缺陷，消毒滅菌方法錯誤可能導(dǎo)致精準(zhǔn)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(guān)設(shè)備和技術(shù)，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(shè)計(jì)導(dǎo)板可能與術(shù)者對手術(shù)的理解不太一致，影響手術(shù)的實(shí)際進(jìn)行。因此，骨科醫(yī)師在此過程中需處于主導(dǎo)地位，不能過于依賴3D打印工程師。因?yàn)?D打印技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)醫(yī)療過程的一種手段，以服務(wù)臨床為目的。盡管3D導(dǎo)板應(yīng)用廣泛，但與傳統(tǒng)術(shù)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(dǎo)板的應(yīng)用體現(xiàn)了個性化手術(shù)治療的優(yōu)勢。目前，中華醫(yī)學(xué)會醫(yī)學(xué)工程分會數(shù)字骨科學(xué)組已經(jīng)在2019年1月發(fā)布了《3D打印骨科手術(shù)導(dǎo)板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)板標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新技術(shù)不斷的引入骨科領(lǐng)域，使3D導(dǎo)板在骨科領(lǐng)域中的臨床價值和發(fā)展前景越來越好。