3D打印在不穩定型股骨轉子間骨折修復中的應用

高峰 陳平波

（新疆烏魯木齊市新疆醫科大學第四附屬醫院 新疆 烏魯木齊 830000）

隨著社會的老齡化，骨質疏松癥患者的數量正在增加，而髖部是老年人骨質疏松的好發部位。65歲以上的髖部骨折非手術治療者能恢復自力生活的只占50%，能恢復到傷前功能的占25%，而手術治療能讓80%的患者滿意。對于高齡轉子間骨折的患者，大都學者主張積極地手術治療，而且股骨轉子間骨折手術過程中往往容易由于復雜的三維解剖導致術中復位困難導致手術時間延長、手術顯性出血、隱性出血[2-3]等情況的發生，而這些情況已經成為患者術后早期死亡的主要原因。近年來，隨著數字化醫學在臨床在臨床的廣泛應用，手術方式正面臨著一場重要的改革，手術由以往的程序化、粗放化正越來越向個體化、精準化以及微創化靠攏。正是借助于科學技術的不斷進步及手術觀念的發展，才使一種新的手術模式成為可能——精準手術，3D打印技術正是這一手術的完美詮釋?；贑T圖像的3D打印技術將骨折模型按1：1比例打印出來，更能從整體顯示不穩定型股骨轉子間骨折的全貌，對于骨折分型、治療方案有很大幫助，因此3D打印技術的應用能提供準確的個性化手術方案。

1.3D打印

1.1 概念與原理

3D（3D打印），也稱為快速成型技術，是基于數字模型文件，運用粉末狀金屬或塑料等粘合材料通過逐層堆積的方式制造三維實體的先進技術。3D打印機與普通噴墨打印機工作原理基本相同[4]。在電腦上設計完完整的三維模型后，將膠體或粉末等印刷材料放入打印機，通過傳輸線或網絡計算機將數據輸入打印裝置；打印機通過印刷頭將打印材料材料輸出，一層層疊出出實物。

1.2 技術與材料

3D打印技術主要包含光固化立體印刷、熔融沉積制造、 選擇性激光燒結/熔化和三維噴印等。當前主流的3D打印技術及其應用材料：選擇性激光燒結，基本材料為熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末；光固化成形，基本材料為光硬化樹脂；熔融沉積成形，基本原料為熱塑性塑料、共晶系統、金屬、可食用材料。

1.3 相關設備

將掃描獲得的骨折圖像保存，將CT數據通過軟件處理并構建三維模型，然后通過專業軟件，將模型轉換為3D打印機可以使用的股骨轉子間骨折的三維模型格式文件代碼，將數據傳遞給打印機，然后打印機通過各種不同打印技術將骨折模型按1:1打印出來。

2.3D打印技術在臨床中的應用

2.1 3D打印技術在術前規劃的應用

3D打印技術在臨床最直接的應用，就是打印出各種復雜的器官或組織的3D模型。有了這些模型，器官或組織的內部結構可以生動地顯示，這將使臨床問題更直觀。正如王成燾教授[5]說：醫學界對于3D打印技術有著一種先天的親切。3D打印技術自誕生開始逐步滲透到生物醫學的多個領域，比如骨外科、頜面外科、整形外科、組織生物工程以及生物醫藥等，3D打印技術是數字化醫學發展過程的重要步驟。

在臨床工作中，術前對病變的認識程度、手術時間及術中出血是決定手術的關鍵所在。肺部疾病因病變方位廣及肺部血管豐富、復雜多變等問題，一直是胸外科醫生手術的難點。董慶等利用3D打印技術術前打印出1；0.8大小的患側肺血管及肺病灶模型，術前制定手術方案且模擬手術過程，術后利用這些數字模型打印出來的病肺及血管模型與術中所發現的血管相比，打印模型的血管符合率為95%以上，極大的較低了手術風險。骨軟骨瘤是兒童的常見腫瘤，多發在股骨下端、脛骨與肱骨上端的干骺部，韓娟等利用3D打印技術，將病變模型打印出來，根據模型特點，明確瘤體的部位及特點，決定瘤體切除方法，并可從任意角度、任意方向觀察，模擬手術的定位與操作，提高手術的準確度及安全性[6]。

國內外相關研究亦表明，3D打印骨折模型對于選擇適宜規格的內固定材料、制定個性化手術方案、快速提高臨床醫生水平、提高治療效果具有積極意義[7,8]。章瑩[9]采用3D打印技術個體化治療三踝骨折，將骨折的全部骨塊進行3D打印，并在3D打印實體模型基礎上聯合鋼板預彎，模型內固定植入術，明確鋼板植入位置、螺釘方向和長度，認為該技術可全面的顯示骨折線走行、骨折移位程度、骨折塊大小等情況，為制定術前計劃、選擇內固定提供詳細的依據，繼而縮小術中骨折范圍的剝離程度，還可以縮短手術時間，減少術后感染。周偉力[10]采用3D打印技術在治療髖臼骨折手術時，將骨折模型按1:1打印出來，根據3D打印模型在骨折分類，然后制定手術計劃，根據手術方案在3D打印模型上對骨折進行復位操作，并選取合適長度的鋼板、螺釘，將鋼板進行塑形后放置于骨折復位后的模型上并固定，根據手術前的計劃，確定鋼板螺釘的合適位置和放置位置，根據術前計劃，將鋼板和螺釘的長度在設計和實際操作中進行比較，同時記錄所需時間，結果，鋼板長度、螺釘數目及長度均與術前計劃一致。3D打印技術可以實現骨折部位的真實重現，可以使患者在術前有充分的了解骨折的分類，了解骨折塊間的位置關系，并能夠對每個骨折塊分別進行操作，從而完成了手術方案的模擬操作，有利于骨折的準確、有效復位和固定。

2.2 3D打印技術在術中導航的應用

脊柱解剖結構復雜，又有脊髓、神經等重要組織結構毗鄰，而脊柱損傷、畸形、退變及腫瘤等常見脊柱疾病又常伴有椎體結構的解剖變異，手術允許偏差范圍小、風險大，因此手術對于骨科醫生來說非常棘手和極具挑戰性，而3D打印技術重建脊柱三維模型，設計釘道，并制定相應的釘道導板，應用與術中的椎弓根置釘，能夠精確的把握置釘的位置、方向及角度，并可以確定螺釘的長度及直徑。陳宣煌[11]等采用3D打印模塊輔助腰椎椎弓根螺釘導航置入內固定方法醫治腰椎疾病患者，臨床試驗置入253枚螺釘，置釘準確率為96.84%，國內外許多學者將快速成型技術應用到脊柱螺釘固定中，發現該方法能有效提高螺釘固定的準確性，取得了良好的效果。

3.3D打印的優點

隨著3D打印技術逐漸滲透到骨科臨床工作，它為臨床工作提供了越來越多的便利和個性化診療方案。主要體現在以下幾個方面：一是完善術前規劃。傳統方法上醫師需要根據二維或者三維平面圖像結合解剖學知識，在大腦中還原真實骨折情況。由于骨骼為立體結構，解剖形態復雜，對于缺乏各方面經驗的年輕醫師來說，準確的診斷、分型及治療方案的確定等工作就顯得力不從心了。而3D打印技術打印出的骨折模型，能夠讓術者在術前對骨折有詳明和全面的了解，并做出確切的診斷和分型，在模型上模擬手術操作，嘗試不同手術方法，調整手術策略。二是高效的手術過程。通過3D模型來設計骨折復位及置釘參數，減少了手術中反復復位的繁瑣過程，內植物植入的方向和角度安全，節省手術時間，減少手術出血及透視次數。三是加快青年醫師的成長。3D打印模型帶來的真實、直觀感受，加強了年輕醫師操作技巧的訓練，人員之間的配合，有效縮短學習曲線，同時對于初學者，能夠讓他們更好的熟悉骨骼的解剖和骨折的分型。四是加強醫患之間的溝通。對于患者而言，骨折的模型可以使患者更加了解手術的必要性、治療方案、固定方式、疾病預后以及術后的康復鍛煉，增強了醫患之間的配合，提高患者遵醫行為及對醫生治療的評價。

4.3D打印存在的問題及未來發展

綜合文獻報道，目前3D打印技術輔助PFNA固定治療股骨轉子間骨折仍存在一定局限性：一是3D打印模板雖然可以精準地反應解剖結構，但對手術的鎖釘置入，特別是遠端鎖釘置入尚無法制作精確的經皮導航模板；二是3D打印技術暫不能顯示軟組織，因此無法實現精確的力學分析，在牽引復位時仍需借助醫師的經驗及術中透視；三是目前3D打印從數據采集、處理到模型打印的周期時間長，且需要特定的軟硬件、專門人員及一定時間的技術學習曲線，會增加一定的醫療費用。

3D打印技術正在迅速發展成為生物醫學領域中的一項熱點研究技術。利用3D打印模型，輔助臨床醫生對于疾病精確的診斷、提高醫患溝通和教學的效果、定制個體化修復方案。利用3D掃描技術掃描各大廠家的各種材料，用于建立龐大的各種規格接骨板、螺釘的標準件庫，使用的時候直接調用。隨著材料學的發展，3D打印個體化內植物也將進入臨床應用，醫生可以根據患者實際情況和自己的需求在軟件上設計個體化的內固定物，再利用3D打印金屬打印機制作出相應的實物，用于臨床治療。而隨著生物材料學、組織細胞培養技術的發展，實現細胞打印骨組織，形成有生理功能的可植入物，以修復或替代人體受損組織，在生物醫學領域有著廣泛的用途和巨大的發展空間。

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