【綜述】3D打印技術在骨盆與髖臼骨折診治領域中的應用現(xiàn)狀及展望

作者：撒海明、馬志強、朱江、吾依拉汗·托列吾汗、田盛、徐武、李陶、黃異飛、呂剛
來源：中華創(chuàng)傷骨科雜志, 2022,24(12)

骨盆與髖臼骨折常由高能量損傷導致，在人體全部骨骼損傷中占3%~7%[1]，是骨科創(chuàng)傷患者死亡的重要原因之一。近年來，隨著交通事故中的創(chuàng)傷數(shù)量和嚴重程度的增加，其發(fā)病率呈上升趨勢[2]。

骨盆與髖臼骨折的治療原則是穩(wěn)定患者生命體征后解剖復位并堅強固定，以求早期進行功能鍛煉，從而達到良好的功能恢復[3,4]。微創(chuàng)入路下內固定是最佳處理方式[5,6,7,8]。由于其手術通路受限及用于置入螺釘?shù)墓峭ǖ廓M窄等，手術治療骨盆與髖臼骨折的技術門檻和并發(fā)癥風險較高[9,10,11]。

近年來，受益于醫(yī)學技術的進步，骨盆與髖臼骨折患者的病死率逐年降低[12]，各種新興技術如3D導航、骨科機器人、3D打印技術開始應用于骨盆與髖臼骨折的診療，提高了螺釘置入的效率和精確度，但3D導航術前準備時間較長，術區(qū)參照物位置、患者體位、3D導航示蹤器的穩(wěn)定性、患者肥胖等因素均會影響其圖像的精確性，使用過程復雜，對機器和配套器材及專業(yè)技術等要求高，相應的成本較昂貴[13,14,15,16]。骨科手術機器人的機械臂動作穩(wěn)定、精準，在高速網(wǎng)絡加持下可實現(xiàn)遠程手術，但缺乏手術觸覺反饋，僅僅依靠機器反饋圖像輔助操作，可能會增加醫(yī)源性損傷的發(fā)生風險。其占用空間大、應用場景有限，不適用于移位較大的骨盆與髖臼骨折[17,18,19,20,21]，且設備精密，成本同樣較高。就3D打印技術而言，手術醫(yī)師只需參與術前3D模型的設計，而無需參與導板等的制作過程，術中應用導板等成品時步驟簡單、應用場景廣泛，相對于前兩者工作量較小。除打印接骨板所需的含鈦金屬材料外，3D打印機、打印材料等相關設備成本相對低廉。

該技術只需基于患者CT或MRI掃描數(shù)據(jù)，使用Mimics等建模軟件建立骨盆與髖臼模型，基于數(shù)據(jù)設計接骨板、鉆孔導板、測量螺釘通道參數(shù)等，然后選擇合適材料打印實體物件，經(jīng)過消毒等程序即可應用于臨床。

一、3D打印技術的應用現(xiàn)狀
（一）預手術設計
骨盆與髖臼骨折的復位固定是創(chuàng)傷骨科最具挑戰(zhàn)的手術，需要嚴謹?shù)男g前評估分型、術前手術方案和預手術設計（圖1）。在制定手術方案的過程中，一個重要的環(huán)節(jié)是明確骨折類型、移位程度，3D打印骨盆與髖臼骨折模型在這方面較CT掃描及三維重建等傳統(tǒng)影像數(shù)據(jù)更具優(yōu)勢[22,23,24,25]。Maini等[26]的前瞻性隨機對照研究將21例骨盆與髖臼骨折患者隨機分為3D打印組（10例）和常規(guī)術式組（11例），3D打印組患者使用3D打印的骨盆與髖臼模型，在術前使用此模型預先進行模擬手術并對接骨板進行預彎，術中使用預彎接骨板進行髖臼復位固定。術后CT掃描發(fā)現(xiàn)，常規(guī)術式組4例患者有2~3 mm的臺階未能實現(xiàn)髖臼解剖復位，而3D打印組無一例患者出現(xiàn)臺階，所有預成型接骨板都很好地貼合于骨盆，術后兩組患者之間骨折端吻合程度差異顯著。

在使用拉力螺釘復位固定骨盆與髖臼骨折時，預手術同樣具備優(yōu)勢，王鑒順等[3]以是否做預手術將137例骨盆與髖臼骨折患者分為3D打印組（65例）和常規(guī)術式組（72例），結果顯示：與傳統(tǒng)術式組患者相比，3D打印組患者在平均手術時間、螺釘置入過程中透視次數(shù)方面有顯著優(yōu)勢。事實證明，在傳統(tǒng)術式的基礎上，應用同比例3D打印的骨盆與髖臼骨折模型進行預手術，可以為患者提供個體化的手術方案，減少術中出血量和透視次數(shù)，縮短手術時間，提高骨折復位質量[22,23,24,25]。

（二）3D打印鉆孔導板
1．外置3D打印鉆孔導板：
近年來，骨盆通道螺釘技術成為微創(chuàng)治療骨盆與髖臼骨折的標準內固定選擇[27]。其中骶髂關節(jié)螺釘內固定是治療骨盆后環(huán)損傷的常用手術方法[28]，傳統(tǒng)經(jīng)皮透視引導下徒手置入螺釘受患者肥胖、骶骨允許螺釘通過的通道較狹窄等因素影響，傳統(tǒng)方法容易導致螺釘錯位（2%~15%）和嚴重的神經(jīng)、血管損傷，長時間輻射暴露也對手術室醫(yī)務人員的健康不利[29]。而外置3D打印鉆孔導板輔助骶髂關節(jié)螺釘置入成為解決上述問題的突破口。

Chen等[29]將該導板應用于實際手術中發(fā)現(xiàn)，每置入1枚骶髂關節(jié)螺釘用時平均為19.2 min，每置入1枚恥骨上支螺釘用時平均為25.2 min，每臺手術平均透視35次，復位優(yōu)良率為89.3%（25/28）。Yang等[30]將40例不穩(wěn)定型骨盆后環(huán)骨折患者分為導板組（22例）與常規(guī)組（18例）：導板組術中共置入37枚螺釘，常規(guī)組置入28枚螺釘。與常規(guī)組相比，導板組每置入1枚螺釘?shù)氖中g時間大約縮短55%；導板組患者的X線輻射劑量較常規(guī)組患者大約減少58%；導板組螺釘穿孔1例，常規(guī)組螺釘穿孔4例，導板組相對于常規(guī)組優(yōu)勢明顯。這與Durusoy等[31]在使用外置3D打印鉆孔導板輔助骶髂關節(jié)螺釘置入的模擬實驗中得出的結論基本一致。

多個同類研究結果均顯示，相對于其他置釘方式，使用個體化定制的3D打印鉆孔導板引導置釘在降低手術時間、術中螺釘軌跡調整次數(shù)、X線輻射劑量、手術并發(fā)癥和提升內固定精度方面更具優(yōu)勢，而不同外置3D打印導板之間的差異僅在于：導板的固定方式和導板螺釘孔的位置及角度[32,33]。

2．內置3D打印鉆孔導板：
在開放復位的手術中，使用內置3D打印鉆孔導板同樣具有顯著優(yōu)勢（圖2）。Do等[34]使用內置3D打印鉆孔導板引導置入螺釘復位固定髖臼內固定手術中，術中出血量和手術時間分別為280 mL、135 min，對比他們之前使用的傳統(tǒng)開放式螺釘內固定手術，術中出血量顯著減少，手術時間顯著縮短，術后CT掃描顯示骨折達到解剖復位，拉力螺釘位置良好，螺釘入口點與設計點存在3.75 mm的偏差。Meesters等[35]使用人尸體做類似實驗，發(fā)現(xiàn)實際與計劃螺釘入口點的偏差為2~5 mm。因此，上述3.75 mm的偏差是可以接受的。

Zhou等[36]以是否使用內置3D打印鉆孔導板輔助置釘將31例骶髂關節(jié)復合體損傷患者分為導板組（16例）與常規(guī)組（15例）進行比較研究，結果顯示：與常規(guī)組比較，導板組患者每置入1枚螺釘?shù)氖中g時間減少大約55%，每置入1枚螺釘?shù)耐敢暣螖?shù)減少大約82%。劉毅等[37]采用類似方法行骨盆后環(huán)內固定術，導板組患者在降低置入每枚螺釘?shù)氖中g時間和透視次數(shù)、提高復位固定效果方面較常規(guī)組患者更優(yōu)。

3．鋼板匹配性內置螺釘導板：
為提高髖臼異形板的螺釘置入準確性，基于不同種類異形板，利用3D打印技術設計鋼板匹配性內置螺釘導板來確保螺釘?shù)木珳手萌�。IJpma等[38]在使用鎖定加壓接骨板固定10例復雜髖臼骨折患者時，應用定制的上述導板輔助置入螺釘，在導板引導下共置入95枚螺釘，術后CT掃描（≤1 mm層厚）評估螺釘定位的準確性表明，所有螺釘均準確置入，計劃螺釘鉆入角度與實際螺釘鉆入角度的四分位間距差異僅為7.1°，術后所有患者順利康復。

（三）3D打印接骨板
骨盆與髖臼骨折復位固定的復雜性決定了制定完備手術計劃的必要性，術前基于個體三維骨盆與髖臼數(shù)據(jù)，設計個性化的健側鏡像金屬3D打印接骨板并應用于術中，在提高匹配度、復位固定優(yōu)良率、縮短手術時間、減少出血量及輸血量、降低X線輻射劑量方面具有優(yōu)勢。

Wen等[39]使用3D打印技術以鈦粉為原料打印接骨板，經(jīng)過拋光等處理使之成為成品接骨板，然后使用3D打印接骨板與常規(guī)接骨板分別復位固定骨盆與髖臼骨折，結果顯示3D打印接骨板的軸向剛度和力學極限負荷顯著優(yōu)于常規(guī)接骨板。Wang等[40]在實際應用中發(fā)現(xiàn)，3D打印接骨板可以完全貼合于骨面，使骨折達到解剖復位。麥奇光等[41]的研究同樣論證了這一觀點，且手術進展順利，術后隨訪半年，所有患者骨折愈合良好。黃淦等[42]采用3D打印個體化接骨板（16例）或常規(guī)接骨板（15例）治療91例骨盆與髖臼骨折患者，結果顯示：與常規(guī)組患者比較，3D打印組患者的手術時間大約縮短了16%，術中出血量和輸血量分別減少了37%、40%，術中透視次數(shù)減少了43%，恢復正�；顒拥臅r間縮短了11%，并發(fā)癥發(fā)生率降低了3%，骨折復位質量優(yōu)良率提升了5%，骨盆Majeed評分優(yōu)良率提高了4%。

二、3D打印技術精確性的關鍵
確保3D打印技術輔助骨盆與髖臼骨折手術的關鍵步驟準確是保證其療效的重點。其中1∶1骨盆模型，不參與手術過程，只需保證模型不失真就能保證手術方案和預手術的精確性。除此之外，應用各類3D打印導板與接骨板的精確程度與其術前模型設計打印、術中準確定位、術中透視監(jiān)測導針軌跡有關。其中外置導板在設計階段需要具備外固定支架等體外標記物作為導板固定位置的參照物，術中只需將導板固定于外固定支架等參照物的預定位置，然后置入導針并按傳統(tǒng)透視角度監(jiān)測并矯正導針角度即可。而3D打印內置導板、3D打印鋼板匹配性內置導板、3D打印接骨板在設計階段以皮下骨性解剖標志為其固定的參照物，術中需完全剝離筋膜等組織，暴露預定骨性解剖標志后固定導板，然后置入導針并按傳統(tǒng)透視角度監(jiān)測并矯正導針角度，以確保其精確性。雖然在3D打印技術的輔助下骨盆與髖臼骨折手術的門檻似乎降低了，但各種導板與模型等終歸是輔助工具，目前并無文獻證明其具有替代高年資手術醫(yī)師手術技巧與經(jīng)驗的能力，多數(shù)骨盆與髖臼骨折手術依然需要高年資手術醫(yī)師主刀。

三、總結與展望
3D打印技術輔助骨盆與髖臼骨折手術的不足之處：內置3D打印鉆孔導板和3D打印鋼板匹配性內置導板必須在剝離皮下肌肉筋膜等組織、完全暴露骨性解剖標志條件下使用，這樣會加重患者傷處組織的損傷，對患者功能恢復不利。外置3D打印鉆孔導板，雖然相對微創(chuàng)，但需要配合骨盆外固定支架或預先經(jīng)皮置入骨盆的至少2枚定位針使用，其應用場景相對受限。而1∶1骨盆模型只能用于預手術設計，不能像骨科手術機器人或3D導航一樣，在術中全程引導螺釘置入。

3D打印技術是一個數(shù)字化平臺，而打印技術將設計思維與臨床個體有機結合起來，極大擴展了應用場景，在創(chuàng)傷骨科最前沿骨盆與髖臼骨折手術中得到充分體現(xiàn)。從臨床初期3D病損模型的術前評估，到貼近臨床的預手術方案制定，并進一步衍生出螺釘置入導板和個體化匹配接骨板，臨床醫(yī)師結合臨床需求不斷提出新問題、新思路，也為3D打印提出新的應用方向。我們歸納既往各類關于3D打印技術應用于骨盆與髖臼骨折的文獻，得到3D打印技術在提升手術效率、提高骨盆與髖臼骨折復位固定優(yōu)良率、改善患者預后、降低手術并發(fā)癥等方面取得了優(yōu)異的成績。

隨著臨床對骨盆與髖臼骨折手術認識的提高，新的微創(chuàng)手術入路、復位工具及內固定方式都朝著精準化、微創(chuàng)化改進，這也要求3D打印技術要進一步擴充數(shù)據(jù)庫、分類細化指標、提高產(chǎn)品精度及設備小型化，在此基礎上制定出規(guī)范化的技術應用流程，為臨床推廣提供標準。同時，3D模型和智能化復位已在臨床進行探索，目前受限于設備的整合開發(fā)及臨床個體的差異，相信隨著影像數(shù)據(jù)及精度的提升、數(shù)據(jù)庫的完善，3D打印技術必將成為骨科醫(yī)師提高臨床療效的有力工具。

參考文獻：略