3D打印數字化技術輔助治療髖臼骨折的應用進展

陸儉軍　何錦威

摘要：髖臼骨折是一種關節內骨折，常累及負重關節面，并發癥多，需手術治療。髖臼的復雜性決定了其手術難度大。隨著對髖臼骨折損傷的深入研究以及計算機技術及相關器械的發展，髖臼骨折的手術策略也不斷向最優化、精準化方面發展。其中3D打印數字化技術在術前規劃、手術模擬等個性化過程優化了內固定植入方案，實現精準化手術，取得了較好的效果。解剖復位、堅強內固定及術后早期功能鍛煉是髖臼骨折治療的關鍵。

關鍵詞：髖臼骨折；3D打印；個性化

中圖分類號：R445.3；R681.6 文獻標志碼：A 文章編號：1008-2409（2016）05-0146-05

隨著社會快速發展，高能量創傷致髖臼骨折發病率明顯上升，髖臼骨折占全身骨折的3%～8%。髖臼骨折常伴顱腦損傷、腹部損傷等并發癥，嚴重影響患者生活質量，致殘率及病死率高。髖臼骨折治療是創傷骨科領域的一個難題，其難度在于髖臼骨折有較多的近、遠期并發癥。髖臼骨折是關節內骨折，復位要求達到解剖復位，內固定力學性能要求高。內固定作為治療髖臼骨折的主要手段，其質量直接關系治療療效和預后。傳統方案是術前進行X線照片及CT掃描，提供二維圖像供手術醫生了解病情并構建手術計劃參考。手術計劃只能憑醫師的經驗和想象能力，無法將手術全貌與成員組交流。近20多年來，“數字醫學”概念的提出及在醫療領域的初步應用，信息科學目前在現代醫學方面嶄露頭角。在外科領域，“數字醫學”對外科手術產生了重要變革。通過現代計算機技術，建立解剖的人體結構模型、用于評估治療效果的模型、用于術式評估的人路模型、用于手術練習的現場模型等。在數字化技術的指導下，數字化醫學成像系統及計算機系統完成手術前的數字化規劃，使得手術更加精準及個體化。如何將數字化設計的術前規劃方案精準再現是一個難題，而3D打印技術在數字醫學輔助下可以在髖臼骨折手術術前規劃、精準實施手術之間搭起橋梁。然而，現有的數字化技術和3D打印技術在髖臼骨折的內固定治療中仍存在一些局限，有待進一步完善。筆者就3D打印數字化技術在髖臼骨折內固定治療中的應用進展作一綜述。

1 3D打印數字化技術與傳統手術的比較

1.1術前優化設計

髖臼骨折的傳統手術方法是依據X線及CT橫斷面影像判斷髖臼骨折的移位情況，并進行骨折類型分類，選定合適內固定器械及相對應的手術入路，然后完成手術。而數字化技術及3D打印技術的出現，對髖臼骨折的治療起到劃時代的作用。3D打印技術又稱“快速成型技術”，是一種與傳統“減材制造”技術相反、在三維數字模型的基礎上采用逐層制造方式將材料堆積起來的新型“增材制造”技術。1986年，Chuck Hull發明了光固化立體印刷技術（SLA），并產生第一臺3D打印機，1989年Deckard發明選擇性激光燒結技術（SLS），1992年Crump發明熔融沉積成型技術（FDM），1993年Sachs發明了3D噴印技術（3DP）等，3D打印在醫學中最先應用于牙科及頜面外科，近年來在骨科中的應用也日益得到重視。Wu等用3D打印技術制作了2例髖臼、1例跟骨和1例股骨內髁（Hoffa骨折）復雜骨折的骨骼模型，在模型上模擬手術，術前將鋼板預彎，并明確螺釘的軌道和尺寸，使手術時間縮短，且增加了手術操作的精確度，術后X線片及CT檢查顯示骨折復位良好。Dai等采用3D打印技術為10例嚴重骨盆損傷需行半骨盆切除置換術的患者制備了骨盆模型，數字化設計手術方案，確定切除范圍，設計并植入個體化假體，術中操作順利，假體匹配良好，術后X線片示假體位置良好。Chen等利用該技術進行人工髖關節置換術，使手術時間明顯縮短。Hurson等將3D技術應用于20例髖臼骨折患者，認為該技術可使醫生對骨折類型更加清晰，有利于培訓年輕醫生。曾參軍等將3D打印髖臼骨折仿真模型，體外模擬手術可使手術更加精準、安全、完美。

傳統的手術設計對于復雜類型的髖臼骨折，CT提供的有限信息在手術設計方面作用有限，不能做出準確的方案。影像科提供的圖像局限于幾個截面的三維圖像，骨科醫生不能按照自己需要任意角度、方向觀察骨折情況，這影響了骨科醫生對骨折情況的全面了解和制定詳細的術前計劃。數字化設計則具有不可比擬的優勢，診斷明確、通用性高，可重復和共享手術設計過程。術前運用Mimics軟件利用髖臼骨折CT數據三維重建骨盆、股骨近端三維模型，運用三維編輯分離單一骨折塊并去掉股骨頭，能更加清晰地顯示關節內的骨折塊以及其方向和移位情況。在Mimics 3D界面，還能對三維模型進行任意方向和角度觀察，從而能讓臨床醫生更加細致、全面地了解患者的骨折情況，為確定髖臼骨折的治療方案提供參考。

在內固定術前模擬演練手術操作步驟方面，數字化技術更有優勢。通過虛擬復位對每個單一骨折塊進行移位以恢復其解剖結構，運用復位骨折模型可以對鋼板植入位置和植入螺釘方向和長度進行最優化的設計，為體外模擬內固定植入提供參考。陳宣煌等提出利用多平面三維測量設計髖臼骨折內固定植入物，能夠精準定好重建鋼板植入位置。宋軍等應用三維重建技術虛擬模擬手術確定重建鋼板位置并測量螺釘方向，對手術有一定幫助。

1.2 3D打印數字化技術可簡化手術操作

3D打印骨折模型不僅能幫助醫生了解骨折復位前、后情況，而且利用模型術前精確預彎鋼板。在傳統手術中，折彎鋼板往往需要根據術中探查情況，決定鋼板的安放位置，再借助鋁板貼合骨面折彎出預彎雛形，然后依照鋁板折彎鋼板。這不僅在手術中消耗了大量時間，而且鋁板折彎精確度低，位置也存在不確定性。而數字化設計結合3D打印技術能在術前折彎好鋼板，提前折彎的鋼板位置唯一、精確度高，術中操作簡化，縮短了手術時間，減少術中軟組織的剝離。

利用數字化設計確定螺釘方向和長度并在3D實物模型上進行模擬手術，省去了在術中測量螺釘長度的時間。避免術中多次透視的煩瑣步驟，降低醫生和患者的射線照射量，同時也減少了手術時間。張國棟等提出的基于多平面三維測量應用于髖臼骨折數字化設計的方法，通過三維切割的方式實現虛擬骨折快速復位，并預設重建鋼板的植入位置，通過3D打印可以選擇重建鋼板進行預彎以適應復雜骨面。曾參軍等提出3D打印與腹腔鏡輔助的髖臼骨折手術可以顯著減少透視時間和透視量。

1.3建立手術導向模板

骨盆和髖臼骨折的影像導航手術已被很多骨科醫生所采用，但是導航系統耗材昂貴，且需要一定的技術，臨床推廣有一定難度。近年來，有學者將數字化三維重建技術、逆向工程技術和快速成形技術結合起來研究并設計出簡便的導航模板，輔助拉力螺釘置入，降低了手術風險，縮短了手術時間，為現代化骨科提供了新的輔助手段和治療理念。CT三維重建模型可以對手術區的結構進行數字化分析，在此基礎上應用逆向工程技術針對螺釘進釘通道設計出導航模板模型，并利用快速成形技術將導航模板模型生成實體。術中應用導航模板進行導航，為準確進釘提供了確實的位置和方向，不僅提高了準確性，而且使內固定操作變得更加快捷、簡便。陳鴻奮等將現代影像學、計算機三維重建、逆向工程技術及快速成形技術相結合，設計制作出髖臼后柱拉力螺釘進釘導航模板，實驗結果表明，根據該導航模板可以準確地輔助拉力螺釘的置人。徐勇強等進行了髖臼后柱骨折順行拉力螺釘置釘導向器的研究，通過CT數字化技術對髖臼后柱骨折順行拉力螺釘進釘點和進釘方向的測量，為導向器的設計提供了解剖學基礎，有助于提高髖臼后柱骨折順行拉力螺釘置釘的成功率和準確性，降低手術風險和減輕手術損傷。佟礦等設計的骶髂關節骨折固定手術導向模板為骶髂關節拉力螺釘的順利置入提供了良好的幫助。

2 3D打印數字化技術在髖臼骨折治療中存在的問題

3D打印技術是一項新興技術，應用于治療髖臼骨折目前仍存在以下問題：①基礎設施問題：機器設備、材料的成本不低，對計算機軟件處理圖形編輯操作要求較高，一定程度上阻礙了3D打印技術的推廣使用。②打印模型需要時間：3D打印技術被稱為“快速成型”，但是這里所說的“快速”是相對傳統個性化制作而言，無法用于急診手術。當手術計劃改變時，也無法在術中進行設計。③材料的選擇范圍受限制，目前可以用于3D打印的材料種類不多，不同材料打印的模型經過消毒之后變形程度不同，影響模型的準確性；3D打印技術輔助治療髖臼骨折目前尚在學習和探索階段，未廣泛推廣使用。骨科醫生尋找相應的應對策略彌補該技術的不足，應對措施如下：①培養一個團隊專門從事術前設計以及3D打印可以解決軟件操作復雜的問題。②術前由高年資的醫生組織病例討論制定詳細的、規范的手術方案，盡量減少臨時改變手術方案的情況；手術團隊必須掌握各種髖臼骨折切開復位的方法，避免在無法行3D技術時應用傳統方法完成治療。③低溫等離子消毒可以避免消毒造成模型變形的問題。

隨著3D打印技術的進一步發展，數字化設計和3D打印必將在骨折治療中普遍應用。3D打印的設備及材料的價格也會隨之降低，打印精度更高、打印時間更快速。隨著3D材料可選范圍的擴大，打印模型質量也會更好，為臨床提供更多便利。3D打印數字化技術輔助治療髖臼骨折，通過CT掃描、骨折模型重建、虛擬骨折復位、3D打印、鋼板手術前預彎、內固定植入演練等一系列步驟，完成髖臼骨折數字化內固定植入物設計完整方案。運用3D打印技術結合數字化技術為髖臼骨折制定個性化、最優化的手術方案具有直觀、準確、可重復、通用性的優點。手術達到個性化、精準化、最優化，手術時間短，創傷小，康復快，并發癥少，療效滿意，具有廣闊發展前景。