3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用

高向陽

2018年11月21日，在第十一屆COA學(xué)術(shù)會議前一天舉行的AO創(chuàng)傷報告會上，泰國曼谷醫(yī)院的Phiphobmongkol Vajara教授應(yīng)邀作了“3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用”的演講，通過臨床病例闡述了3D打印技術(shù)在髖臼骨折及鎖骨骨折手術(shù)中的實際應(yīng)用過程?，F(xiàn)經(jīng)Vajara教授同意，將他的報告整理成文，呈現(xiàn)給大家以供分享。

1 髖臼骨折

髖臼骨折手術(shù)治療極具挑戰(zhàn)性，對于年輕的創(chuàng)傷骨科醫(yī)生尤其如此。作為關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，解剖復(fù)位、堅強內(nèi)固定及術(shù)后早期活動對髖臼骨折手術(shù)治療不可或缺。問題是，髖臼三維結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，螺釘置入的骨性通道狹窄，且患者之間髖臼形狀變異很大，骨盆和髖臼周圍的軟組織較為豐富，骨折塊暴露困難，螺釘置入角度受限，而術(shù)中骨折復(fù)位需要使用各種器械，進一步限制了手術(shù)視野(圖1)。這就需要術(shù)前仔細計劃，選擇最佳暴露途徑和復(fù)位方法(圖2)，如能模擬手術(shù)過程則更理想。從這個角度講，3D打印技術(shù)的應(yīng)用就顯得尤為重要。應(yīng)用3D打印技術(shù)可以制作反映骨折真實情況的模型，一方面能幫助骨科醫(yī)生準確評估骨折類型，完善術(shù)前計劃，正確選擇手術(shù)入路并制定安全置入內(nèi)固定物的策略(圖2a)；另一方面能利用3D打印的骨折模型進行模擬手術(shù)，演練復(fù)位順序和方法，規(guī)劃置入螺釘位置、方向及長度，還可以對固定鋼板進行準確塑形，甚至可以根據(jù)患者髖臼形態(tài)定制帶有導(dǎo)向器的個性化鋼板，為手術(shù)成功提供保證。研究表明，將3D打印技術(shù)應(yīng)用到髖臼骨折可以縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中透視次數(shù)及手術(shù)并發(fā)癥發(fā)生率，從而改善髖臼骨折患者臨床預(yù)后。

Vajara教授用以下病例來說明3D打印技術(shù)在髖臼骨折切開復(fù)位內(nèi)固定中的應(yīng)用?；颊邆骕線片顯示左側(cè)髖臼雙柱粉碎性骨折(下頁圖3a)，骨盆CT三維重建影像顯示骨折形態(tài)非常復(fù)雜(下頁圖3b)，但右側(cè)骨盆結(jié)構(gòu)正常，遂將右側(cè)骨盆影像進行鏡像翻轉(zhuǎn)，用以制作髖臼解剖復(fù)位后的左側(cè)半骨盆模型(圖3c)，利用此模型可確定手術(shù)使用的骨盆低切跡鋼板長度，并對它進行準確塑形，模擬復(fù)位后鋼板在髖骨上的位置，用克氏針經(jīng)鋼板近端及遠端螺孔將鋼板固定在骨盆上，根據(jù)骨折形態(tài)規(guī)劃關(guān)鍵螺釘位置和打入方向、長度：經(jīng)鋼板從后向前第6個螺孔置入后柱螺釘，從前向后第5個螺孔置入髖臼下螺釘(圖3c)，方向如圖3c箭頭所示。術(shù)中在透視監(jiān)控引導(dǎo)下(圖3d左)按照術(shù)前計劃逐一實施各手術(shù)步驟，既方便又準確，能保證術(shù)后螺釘位置與術(shù)前規(guī)劃一致(圖3d右)。

圖1髖臼骨折螺釘通道狹窄，術(shù)中暴露困難 右側(cè)髖臼雙柱骨折，經(jīng)髂腹股溝入路行切開復(fù)位內(nèi)固定，術(shù)中圖片顯示切口內(nèi)復(fù)位器材擁擠的情景

圖2制定術(shù)前計劃 a. 髖臼雙柱骨折切開復(fù)位鋼板內(nèi)固定術(shù)前計劃示意圖，顯示2枚關(guān)鍵螺釘位置，紅色為后柱螺釘，藍色為髖臼下螺釘 b. 術(shù)中透視影像顯示髖臼骨折復(fù)位并用骨盆復(fù)位鉗及球頭頂棒臨時維持復(fù)位，箭頭顯示規(guī)劃的螺釘位置，紅色為后柱螺釘，藍色為髖臼下螺釘

圖33D打印技術(shù)輔助髖臼骨折切開復(fù)位內(nèi)固定 a. 術(shù)前骨盆前后位、閉孔斜位和髂骨斜位X線片顯示左側(cè)髖臼雙柱骨折 b. 術(shù)前骨盆CT三維重建影像顯示右側(cè)骨盆、髖臼完全正常 c. 利用右側(cè)骨盆髖臼影像進行鏡像翻轉(zhuǎn)，并3D打印髖臼復(fù)位后的左側(cè)半骨盆模型，圖中顯示將塑形鋼板安置到位，箭頭分別表示后柱螺釘(上方)和髖臼下螺釘(下方)位置、方向及角度 d. 術(shù)中透視影像(左)和術(shù)后閉孔斜位X線片(右)顯示鋼板、后柱螺釘及髖臼下螺釘位置與術(shù)前規(guī)劃一致

2 髖關(guān)節(jié)置換后翻修術(shù)

除了髖臼骨折切開復(fù)位內(nèi)固定外，3D打印技術(shù)還可以改善髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，尤其髖關(guān)節(jié)置換后翻修術(shù)的臨床結(jié)果。Vajara教授同樣通過病例介紹進行闡述?；颊吣行?，73歲，30年前左髖部因受傷而行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，10年前左髖部出現(xiàn)輕度疼痛，5年前疼痛加重并出現(xiàn)左側(cè)下肢短縮，3個月前疼痛劇烈難忍而求診。骨盆前后位X線片顯示左側(cè)髖關(guān)節(jié)假體周圍嚴重骨缺損，假體松動明顯(圖4a)，這在CT三維重建影像上顯示得尤為清楚(圖4b)。針對此病例，可供選擇的治療方案有2種：①手術(shù)翻修，進行異體骨結(jié)構(gòu)性植骨重建髖臼，加大髖臼杯，用鉭塊加強；②暫不行翻修術(shù)，觀察隨訪。Vajara教授選擇對患者行異體骨結(jié)構(gòu)性植骨全髖置換翻修術(shù)。手術(shù)關(guān)鍵在于如何讓移植的異體骨與骨缺損部位完美貼合，這需要仰仗3D打印技術(shù)。手術(shù)分期進行：先取出髖關(guān)節(jié)假體(圖4c)，用異體骨移植重建髖臼，愈合后再擇期完成全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。由于患側(cè)髖關(guān)節(jié)假體導(dǎo)致CT影像產(chǎn)生偽影，無法作為3D打印的模板，只能將健側(cè)髖臼的3D影像進行鏡像翻轉(zhuǎn)，以此為據(jù)打印制作左側(cè)半骨盆模型，一期手術(shù)時將模型消毒以備術(shù)中應(yīng)用(圖4d)。手術(shù)取出髖關(guān)節(jié)假體，清理瘢痕組織和不健全的骨質(zhì)，修整殘端，形成髖臼及鄰近髖骨骨缺損。根據(jù)骨缺損形態(tài)在半骨盆模型上進行標(biāo)記，用骨刀切除多余部位，確保半骨盆模型與患者骨盆髖臼骨缺損完全一致(圖4e左)。以此為模板，精準切割移植的異體骨(圖4e右)，保證異體骨移植放置到位后患側(cè)骨盆能恢復(fù)原來的解剖結(jié)構(gòu)和形態(tài)。然后按照髖臼雙柱骨折內(nèi)固定原則用鋼板將移植的異體骨整體固定在髖骨上重建髖臼(圖4f)。在股骨近側(cè)殘端與髖臼之間置入載有抗生素的骨水泥間隔器，既預(yù)防感染，又為二次手術(shù)置入股骨側(cè)假體保留足夠的空間(圖4g)。關(guān)閉切口后結(jié)束手術(shù)，根據(jù)患者恢復(fù)情況擇期行二次手術(shù)。二次手術(shù)行髖關(guān)節(jié)置換時，考慮到移植重建的髖臼近端、遠端異體骨與宿主之間連接的穩(wěn)定性可能不足以支撐，Vajara教授決定使用Burch-Schneider籠型結(jié)構(gòu)(圖4h)加強并接納髖臼假體。術(shù)中用骨刀將Burch-Schneider籠形結(jié)構(gòu)翼部嵌插在坐骨里，其上側(cè)用螺釘固定于髖骨上(圖4i)，髖臼杯用骨水泥固定，股骨假體柄插入股骨近端，用鋼纜環(huán)扎股骨干以防爆裂，將髖關(guān)節(jié)復(fù)位后常規(guī)關(guān)閉切口結(jié)束手術(shù)。術(shù)后X線片顯示髖臼前柱及后柱得以重建(圖4j)，術(shù)后3個月患者復(fù)查時，行走功能良好，左髖部無明顯疼痛。

圖4應(yīng)用3D打印技術(shù)輔助髖關(guān)節(jié)置換后的翻修術(shù) a. 左側(cè)全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后30年骨盆前后位X線片顯示左側(cè)髖關(guān)節(jié)假體松動，假體周圍伴有嚴重骨缺損 b. 術(shù)前骨盆CT三維重建影像 c. 一期翻修術(shù)中圖片，嵌圖顯示取出的髖關(guān)節(jié)假體d. 利用右側(cè)半骨盆CT影像鏡像翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)打印制作的半骨盆模型 e. 根據(jù)真實骨缺損形態(tài)進行修整的半骨盆模型，右圖為依照半骨盆模型調(diào)整后的異體骨塊 f. 術(shù)中透視影像顯示異體骨移植到位并用鋼板固定 g. 一期翻修術(shù)后骨盆X線片顯示髖臼重建及骨水泥間隔器填充結(jié)果 h. Burch-Schneider籠形結(jié)構(gòu)正面(左)和側(cè)面(右)觀 i. 術(shù)中透視影像顯示Burch-Schneider籠形結(jié)構(gòu)放置到位并固定 j. 翻修術(shù)后正位(左)和閉孔斜位(右)X線片顯示全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后的結(jié)果

3 鎖骨骨折

與骨盆髖臼類似，鎖骨三維結(jié)構(gòu)有其特殊性，且個體之間變異較大。鎖骨骨折內(nèi)固定主要挑戰(zhàn)在于目前臨床應(yīng)用的解剖鋼板并不解剖，增加了骨折復(fù)位及固定的難度，而3D打印技術(shù)可以很大程度上解決這個臨床難題。Vajara教授介紹，在制定術(shù)前計劃時可以利用特殊工程軟件對粉碎的鎖骨中段骨折進行虛擬復(fù)位，根據(jù)復(fù)位數(shù)據(jù)模板3D打印出鎖骨骨折復(fù)位后的模型和個性化解剖鋼板模型，據(jù)以規(guī)劃好螺釘位置及方向。Vajara團隊與所在大學(xué)的工程師合作，設(shè)計制作導(dǎo)向器，利用導(dǎo)向器在骨折畸形愈合部位兩端預(yù)鉆螺釘孔，應(yīng)用微創(chuàng)接骨板技術(shù)(MIPO)置入鋼板，用克氏針或螺釘通過預(yù)鉆孔將鋼板固定，利用鋼板解剖形狀實現(xiàn)骨折間接復(fù)位，既矯正鎖骨畸形，又使軟組織剝離最小化，提高骨折治療效果。

Vajara教授介紹了以下鎖骨骨折畸形愈合截骨矯形復(fù)位內(nèi)固定病例，以進一步闡釋帶有導(dǎo)向器的個性化解剖鋼板在矯正鎖骨骨折畸形愈合中的應(yīng)用?；颊咦髠?cè)鎖骨骨折接受非手術(shù)治療后發(fā)生畸形愈合(下頁圖5a)，影響外觀及左側(cè)肩關(guān)節(jié)活動，需手術(shù)矯正畸形。術(shù)前對雙側(cè)鎖骨進行CT三維重建，通過鏡像翻轉(zhuǎn)利用右側(cè)3D掃描數(shù)據(jù)打印出左側(cè)鎖骨模型，據(jù)以打印出完全貼服的個性化解剖鋼板(下頁圖5b)。同時3D打印出畸形愈合的鎖骨模型，用特殊工程軟件虛擬復(fù)位后的粉碎鎖骨中段骨折影像，在模型骨畸形部位內(nèi)外側(cè)鎖骨上分別鉆出螺釘孔，從而設(shè)計出個性化導(dǎo)向器(下頁圖5b)。術(shù)中先暴露畸形愈合部位，利用先前制作的導(dǎo)向器分別在畸形愈合內(nèi)側(cè)和外側(cè)鎖骨上鉆孔(圖5c、5d)，然后截斷畸形愈合的鎖骨，在畸形愈合部位內(nèi)外側(cè)分別作一小切口，經(jīng)皮下置入鋼板(圖5e)，牽引鎖骨兩端，利用解剖鋼板進行間接復(fù)位，使畸形骨段兩端預(yù)先鉆好的螺釘孔與相應(yīng)鋼板的螺孔重合，即實現(xiàn)間接復(fù)位的目標(biāo)，從中置入螺釘固定，并在透視下置入其他螺釘(圖5f)，關(guān)閉切口結(jié)束手術(shù)。術(shù)后門診隨訪，患者影像學(xué)資料顯示鎖骨對位對線良好，截骨部位愈合(圖5g)，手術(shù)切口瘢痕不明顯(圖5h)，患側(cè)肩關(guān)節(jié)活動度恢復(fù)正常。

圖5個性化解剖鋼板結(jié)合導(dǎo)向器矯正鎖骨骨折畸形愈合 a. 外傷致左側(cè)鎖骨中段骨折，行非手術(shù)治療后骨折畸形愈合，影響外觀及左肩關(guān)節(jié)活動 b. 以健側(cè)鎖骨CT掃描數(shù)據(jù)鏡像翻轉(zhuǎn)打印出的鎖骨模型、個體化解剖鋼板、患側(cè)畸形鎖骨模型及鉆孔導(dǎo)向器 c. 將帶有導(dǎo)向孔的畸形鎖骨模型與患側(cè)畸形鎖骨比較，確定導(dǎo)向器放置部位 d. 術(shù)中照片顯示使用導(dǎo)向器在鎖骨鉆孔 e. 術(shù)中照片顯示皮膚切口和經(jīng)皮插入的鋼板 f. 術(shù)中透視影像顯示骨折復(fù)位鋼板固定完成 g. 術(shù)后隨訪時雙側(cè)鎖骨正位X線片顯示骨折愈合 h. 隨訪時大體照片顯示手術(shù)瘢痕不明顯

4 結(jié)語

形狀不規(guī)則和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的骨骼如骨盆髖臼、鎖骨等骨折復(fù)位內(nèi)固定，以及骨折畸形愈合進行翻修術(shù)時，需要制定細致、準確的術(shù)前計劃。CT三維重建能更立體直觀地顯示骨折形態(tài)，有助于術(shù)者對骨折個性化認知，更準確地制定術(shù)前計劃，甚至可以進行虛擬復(fù)位，預(yù)先設(shè)計復(fù)位方法和預(yù)判復(fù)位結(jié)果；3D打印技術(shù)可以制作骨折真實模型，用于手術(shù)步驟預(yù)演和排練，更能制作個體化解剖鋼板，提高內(nèi)固定準確性，有利于微創(chuàng)技術(shù)應(yīng)用，改善骨折治療整體效果。