【綜述】3D打印技術(shù)在骨盆與髖臼骨折診治領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

作者：撒海明、馬志強(qiáng)、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(dǎo)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(yán)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(fù)位并堅(jiān)強(qiáng)固定，以求早期進(jìn)行功能鍛煉，從而達(dá)到良好的功能恢復(fù)[3,4]。微創(chuàng)入路下內(nèi)固定是最佳處理方式[5,6,7,8]。由于其手術(shù)通路受限及用于置入螺釘?shù)墓峭ǖ廓M窄等，手術(shù)治療骨盆與髖臼骨折的技術(shù)門檻和并發(fā)癥風(fēng)險較高[9,10,11]。

近年來，受益于醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(shù)如3D導(dǎo)航、骨科機(jī)器人、3D打印技術(shù)開始應(yīng)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(dǎo)航術(shù)前準(zhǔn)備時間較長，術(shù)區(qū)參照物位置、患者體位、3D導(dǎo)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(fù)雜，對機(jī)器和配套器材及專業(yè)技術(shù)等要求高，相應(yīng)的成本較昂貴[13,14,15,16]。骨科手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂動作穩(wěn)定、精準(zhǔn)，在高速網(wǎng)絡(luò)加持下可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)，但缺乏手術(shù)觸覺反饋，僅僅依靠機(jī)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(fēng)險。其占用空間大、應(yīng)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(shè)備精密，成本同樣較高。就3D打印技術(shù)而言，手術(shù)醫(yī)師只需參與術(shù)前3D模型的設(shè)計(jì)，而無需參與導(dǎo)板等的制作過程，術(shù)中應(yīng)用導(dǎo)板等成品時步驟簡單、應(yīng)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(jī)、打印材料等相關(guān)設(shè)備成本相對低廉。

該技術(shù)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(shè)計(jì)接骨板、鉆孔導(dǎo)板、測量螺釘通道參數(shù)等，然后選擇合適材料打印實(shí)體物件，經(jīng)過消毒等程序即可應(yīng)用于臨床。

一、3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
（一）預(yù)手術(shù)設(shè)計(jì)
骨盆與髖臼骨折的復(fù)位固定是創(chuàng)傷骨科最具挑戰(zhàn)的手術(shù)，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男g(shù)前評估分型、術(shù)前手術(shù)方案和預(yù)手術(shù)設(shè)計(jì)（圖1）。在制定手術(shù)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(jī)對照研究將21例骨盆與髖臼骨折患者隨機(jī)分為3D打印組（10例）和常規(guī)術(shù)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(shù)前使用此模型預(yù)先進(jìn)行模擬手術(shù)并對接骨板進(jìn)行預(yù)彎，術(shù)中使用預(yù)彎接骨板進(jìn)行髖臼復(fù)位固定。術(shù)后CT掃描發(fā)現(xiàn)，常規(guī)術(shù)式組4例患者有2~3 mm的臺階未能實(shí)現(xiàn)髖臼解剖復(fù)位，而3D打印組無一例患者出現(xiàn)臺階，所有預(yù)成型接骨板都很好地貼合于骨盆，術(shù)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(fù)位固定骨盆與髖臼骨折時，預(yù)手術(shù)同樣具備優(yōu)勢，王鑒順等[3]以是否做預(yù)手術(shù)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(shù)式組（72例），結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)術(shù)式組患者相比，3D打印組患者在平均手術(shù)時間、螺釘置入過程中透視次數(shù)方面有顯著優(yōu)勢。事實(shí)證明，在傳統(tǒng)術(shù)式的基礎(chǔ)上，應(yīng)用同比例3D打印的骨盆與髖臼骨折模型進(jìn)行預(yù)手術(shù)，可以為患者提供個體化的手術(shù)方案，減少術(shù)中出血量和透視次數(shù)，縮短手術(shù)時間，提高骨折復(fù)位質(zhì)量[22,23,24,25]。

（二）3D打印鉆孔導(dǎo)板
1．外置3D打印鉆孔導(dǎo)板：
近年來，骨盆通道螺釘技術(shù)成為微創(chuàng)治療骨盆與髖臼骨折的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)固定選擇[27]。其中骶髂關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定是治療骨盆后環(huán)損傷的常用手術(shù)方法[28]，傳統(tǒng)經(jīng)皮透視引導(dǎo)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(dǎo)致螺釘錯位（2%~15%）和嚴(yán)重的神經(jīng)、血管損傷，長時間輻射暴露也對手術(shù)室醫(yī)務(wù)人員的健康不利[29]。而外置3D打印鉆孔導(dǎo)板輔助骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入成為解決上述問題的突破口。

Chen等[29]將該導(dǎo)板應(yīng)用于實(shí)際手術(shù)中發(fā)現(xiàn)，每置入1枚骶髂關(guān)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(shù)平均透視35次，復(fù)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(dǎo)板組（22例）與常規(guī)組（18例）：導(dǎo)板組術(shù)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(dǎo)板組每置入1枚螺釘?shù)氖中g(shù)時間大約縮短55%；導(dǎo)板組患者的X線輻射劑量較常規(guī)組患者大約減少58%；導(dǎo)板組螺釘穿孔1例，常規(guī)組螺釘穿孔4例，導(dǎo)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(dǎo)板輔助骶髂關(guān)節(jié)螺釘置入的模擬實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)論基本一致。

多個同類研究結(jié)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(dǎo)板引導(dǎo)置釘在降低手術(shù)時間、術(shù)中螺釘軌跡調(diào)整次數(shù)、X線輻射劑量、手術(shù)并發(fā)癥和提升內(nèi)固定精度方面更具優(yōu)勢，而不同外置3D打印導(dǎo)板之間的差異僅在于：導(dǎo)板的固定方式和導(dǎo)板螺釘孔的位置及角度[32,33]。

2．內(nèi)置3D打印鉆孔導(dǎo)板：
在開放復(fù)位的手術(shù)中，使用內(nèi)置3D打印鉆孔導(dǎo)板同樣具有顯著優(yōu)勢（圖2）。Do等[34]使用內(nèi)置3D打印鉆孔導(dǎo)板引導(dǎo)置入螺釘復(fù)位固定髖臼內(nèi)固定手術(shù)中，術(shù)中出血量和手術(shù)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(nèi)固定手術(shù)，術(shù)中出血量顯著減少，手術(shù)時間顯著縮短，術(shù)后CT掃描顯示骨折達(dá)到解剖復(fù)位，拉力螺釘位置良好，螺釘入口點(diǎn)與設(shè)計(jì)點(diǎn)存在3.75 mm的偏差。Meesters等[35]使用人尸體做類似實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際與計(jì)劃螺釘入口點(diǎn)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(nèi)置3D打印鉆孔導(dǎo)板輔助置釘將31例骶髂關(guān)節(jié)復(fù)合體損傷患者分為導(dǎo)板組（16例）與常規(guī)組（15例）進(jìn)行比較研究，結(jié)果顯示：與常規(guī)組比較，導(dǎo)板組患者每置入1枚螺釘?shù)氖中g(shù)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(nèi)固定術(shù)，導(dǎo)板組患者在降低置入每枚螺釘?shù)氖中g(shù)時間和透視次數(shù)、提高復(fù)位固定效果方面較常規(guī)組患者更優(yōu)。

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

（三）3D打印接骨板
骨盆與髖臼骨折復(fù)位固定的復(fù)雜性決定了制定完備手術(shù)計(jì)劃的必要性，術(shù)前基于個體三維骨盆與髖臼數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)個性化的健側(cè)鏡像金屬3D打印接骨板并應(yīng)用于術(shù)中，在提高匹配度、復(fù)位固定優(yōu)良率、縮短手術(shù)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(shù)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(fù)位固定骨盆與髖臼骨折，結(jié)果顯示3D打印接骨板的軸向剛度和力學(xué)極限負(fù)荷顯著優(yōu)于常規(guī)接骨板。Wang等[40]在實(shí)際應(yīng)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(dá)到解剖復(fù)位。麥奇光等[41]的研究同樣論證了這一觀點(diǎn)，且手術(shù)進(jìn)展順利，術(shù)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(jié)果顯示：與常規(guī)組患者比較，3D打印組患者的手術(shù)時間大約縮短了16%，術(shù)中出血量和輸血量分別減少了37%、40%，術(shù)中透視次數(shù)減少了43%，恢復(fù)正常活動的時間縮短了11%，并發(fā)癥發(fā)生率降低了3%，骨折復(fù)位質(zhì)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(shù)精確性的關(guān)鍵
確保3D打印技術(shù)輔助骨盆與髖臼骨折手術(shù)的關(guān)鍵步驟準(zhǔn)確是保證其療效的重點(diǎn)。其中1∶1骨盆模型，不參與手術(shù)過程，只需保證模型不失真就能保證手術(shù)方案和預(yù)手術(shù)的精確性。除此之外，應(yīng)用各類3D打印導(dǎo)板與接骨板的精確程度與其術(shù)前模型設(shè)計(jì)打印、術(shù)中準(zhǔn)確定位、術(shù)中透視監(jiān)測導(dǎo)針軌跡有關(guān)。其中外置導(dǎo)板在設(shè)計(jì)階段需要具備外固定支架等體外標(biāo)記物作為導(dǎo)板固定位置的參照物，術(shù)中只需將導(dǎo)板固定于外固定支架等參照物的預(yù)定位置，然后置入導(dǎo)針并按傳統(tǒng)透視角度監(jiān)測并矯正導(dǎo)針角度即可。而3D打印內(nèi)置導(dǎo)板、3D打印鋼板匹配性內(nèi)置導(dǎo)板、3D打印接骨板在設(shè)計(jì)階段以皮下骨性解剖標(biāo)志為其固定的參照物，術(shù)中需完全剝離筋膜等組織，暴露預(yù)定骨性解剖標(biāo)志后固定導(dǎo)板，然后置入導(dǎo)針并按傳統(tǒng)透視角度監(jiān)測并矯正導(dǎo)針角度，以確保其精確性。雖然在3D打印技術(shù)的輔助下骨盆與髖臼骨折手術(shù)的門檻似乎降低了，但各種導(dǎo)板與模型等終歸是輔助工具，目前并無文獻(xiàn)證明其具有替代高年資手術(shù)醫(yī)師手術(shù)技巧與經(jīng)驗(yàn)的能力，多數(shù)骨盆與髖臼骨折手術(shù)依然需要高年資手術(shù)醫(yī)師主刀。

三、總結(jié)與展望
3D打印技術(shù)輔助骨盆與髖臼骨折手術(shù)的不足之處：內(nèi)置3D打印鉆孔導(dǎo)板和3D打印鋼板匹配性內(nèi)置導(dǎo)板必須在剝離皮下肌肉筋膜等組織、完全暴露骨性解剖標(biāo)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(fù)不利。外置3D打印鉆孔導(dǎo)板，雖然相對微創(chuàng)，但需要配合骨盆外固定支架或預(yù)先經(jīng)皮置入骨盆的至少2枚定位針使用，其應(yīng)用場景相對受限。而1∶1骨盆模型只能用于預(yù)手術(shù)設(shè)計(jì)，不能像骨科手術(shù)機(jī)器人或3D導(dǎo)航一樣，在術(shù)中全程引導(dǎo)螺釘置入。

3D打印技術(shù)是一個數(shù)字化平臺，而打印技術(shù)將設(shè)計(jì)思維與臨床個體有機(jī)結(jié)合起來，極大擴(kuò)展了應(yīng)用場景，在創(chuàng)傷骨科最前沿骨盆與髖臼骨折手術(shù)中得到充分體現(xiàn)。從臨床初期3D病損模型的術(shù)前評估，到貼近臨床的預(yù)手術(shù)方案制定，并進(jìn)一步衍生出螺釘置入導(dǎo)板和個體化匹配接骨板，臨床醫(yī)師結(jié)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(yīng)用方向。我們歸納既往各類關(guān)于3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨盆與髖臼骨折的文獻(xiàn)，得到3D打印技術(shù)在提升手術(shù)效率、提高骨盆與髖臼骨折復(fù)位固定優(yōu)良率、改善患者預(yù)后、降低手術(shù)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(shù)認(rèn)識的提高，新的微創(chuàng)手術(shù)入路、復(fù)位工具及內(nèi)固定方式都朝著精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化改進(jìn)，這也要求3D打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫、分類細(xì)化指標(biāo)、提高產(chǎn)品精度及設(shè)備小型化，在此基礎(chǔ)上制定出規(guī)范化的技術(shù)應(yīng)用流程，為臨床推廣提供標(biāo)準(zhǔn)。同時，3D模型和智能化復(fù)位已在臨床進(jìn)行探索，目前受限于設(shè)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(shù)必將成為骨科醫(yī)師提高臨床療效的有力工具。

參考文獻(xiàn)：略