3D打印技術(shù)在骨盆手術(shù)中的應(yīng)用

李煥龍 耿承奎 陳帥 甘學(xué)文 熊鷹

昆明醫(yī)科大學(xué)附屬延安醫(yī)院骨科（昆明650051）

骨盆是一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，前環(huán)由恥骨支、坐骨支及恥骨聯(lián)合構(gòu)成，后環(huán)由骶骨、髖骨后部及骶髂關(guān)節(jié)構(gòu)成。前環(huán)結(jié)構(gòu)對骨盆的穩(wěn)定性起40%作用，后部結(jié)構(gòu)占穩(wěn)定作用的60%［1-3］。由于其解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毗鄰眾多血管神經(jīng)，骨盆手術(shù)一直是一個挑戰(zhàn)，骨盆手術(shù)目的在于恢復(fù)骨盆環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從而恢復(fù)骨盆的生物力學(xué)性能。3D 打印是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一，可用于制作各種器官、組織和藥物輸送裝置［4-5］。隨著數(shù)字骨科的興起，骨科學(xué)診療逐步從經(jīng)驗化、大體化、輪廓化向標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化及微創(chuàng)化的方向發(fā)展。3D 打印以其高精度、個性化、可定制、快速制造等特點，成為數(shù)字化技術(shù)的重要組成部分，也是實現(xiàn)各種骨科手術(shù)個體化、精準(zhǔn)化的有效手段［6］。3D 打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于多個外科領(lǐng)域，創(chuàng)傷外科占比最大，為45.18%：由膝（30.70%）、髖（8.33%）、肩（2.19%）和手（1.75%）組成［7］。由于骨盆解剖結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性及鄰近重要血管神經(jīng)，手術(shù)入路有限，充分的術(shù)前計劃對于取得良好的臨床效果，減少術(shù)后并發(fā)癥至關(guān)重要［8］?，F(xiàn)在就3D 打印技術(shù)在骨盆手術(shù)中的應(yīng)用展開綜述。

1 3D 打印技術(shù)

CHARLES HULL 被認(rèn)為是三維打印之父，于1984年率先開發(fā)了STL 文件類型，3D 打印機使用STL 文件生成G 代碼，G 代碼是打印機識別的工作指令［9-10］。3D 打印技術(shù)是利用計算機輔助技術(shù)構(gòu)建數(shù)字模型，用各種材料逐層生成真實物體，因此也稱為“增材制造”技術(shù)。目前，國內(nèi)外3D 打印領(lǐng)域中根據(jù)打印材料不同，已有近20 種不同的工藝系統(tǒng)［11］。3D 打印醫(yī)用材料包括：陶瓷材料、金屬和金屬合金、醫(yī)用高分子材料以及天然生物材料（包括水凝膠、組織、器官、肽、DNA 和細(xì)胞）。3D打印技術(shù)實現(xiàn)質(zhì)的飛越，需要在材料學(xué)上有重大突破，目前的研究重點是尋找一種能有效誘導(dǎo)和促進損傷組織再生修復(fù)的生物活性材料［12-14］。生物打印是通過精確組裝細(xì)胞和細(xì)胞基質(zhì)，逐層實現(xiàn)高度精確的仿生結(jié)構(gòu)，對人工組織和器官進行3D 打?。?5］。3D 生物打印正處起步階段，在這一階段中，3D 打印技術(shù)可以將多種生物材料和細(xì)胞類型制成在尺寸和幾何結(jié)構(gòu)上接近臨床實物的結(jié)構(gòu)。在骨組織工程中，骨與軟骨的生物打印已經(jīng)初步獲得成功，如MüLLER 等［16］利用海藻酸鹽與納米纖維素進行作為材料打印出高保真度和穩(wěn)定性的軟骨結(jié)構(gòu)。INZANA 等［17］使用改進的基于噴墨打印機的3D 打印機制作了磷酸鈣-膠原復(fù)合骨支架，并證實具有骨傳導(dǎo)和生物降解性。在體外利用3D 打印技術(shù)生成個性化的三維生物功能結(jié)構(gòu)是未來的方向，而血管構(gòu)建作為功能性生物器官三維打印的關(guān)鍵，同樣取得不錯的進步。ZHU等［18］使用微型連續(xù)光學(xué)生物打?。é藽OB），觀察到功能性微血管的形成。無論是非活體3D 打印植入式結(jié)構(gòu)還是3D 生物打印在醫(yī)學(xué)的損傷修復(fù)中都表現(xiàn)出巨大潛力。

2 3D 打印骨盆骨折模型用于手術(shù)計劃

復(fù)雜骨科手術(shù)需要精心的術(shù)前計劃和仔細(xì)的執(zhí)行。3D 打印技術(shù)能夠快速構(gòu)建精確的骨折模型及特定病人的解剖模型。這可以提高外科醫(yī)生對病人病理解剖的認(rèn)識，也便于外科醫(yī)生可以觀察、測量，同時可以在模型上進行手術(shù)。過去手術(shù)醫(yī)生通常通過影像學(xué)圖像在大腦中預(yù)演整個手術(shù)過程，現(xiàn)在3D 打印出的骨折模型讓外科醫(yī)生可以在模型上完成這一過程［19-20］。這可以讓術(shù)者發(fā)現(xiàn)手術(shù)操作中潛在的困難，找出最佳的手術(shù)方案。3D 打印技術(shù)已被用于復(fù)雜病例的手術(shù)計劃，旨在減少手術(shù)時間和并發(fā)癥的風(fēng)險［21］。汪松等［22］對3D 打印模型在骨盆骨折手術(shù)中的應(yīng)用進行了meta 分析結(jié)果：在術(shù)中出血量、手術(shù)時間及骨折復(fù)位質(zhì)量Matta 評分上優(yōu)勢明顯。CHEN 等［23］使用3D 打印骨盆模型進行術(shù)前計劃，他們認(rèn)為3D 打印模型的應(yīng)用可以減少手術(shù)時間和失血量，提高外科植入物準(zhǔn)備的準(zhǔn)確性。骨盆的解剖存在特殊性，考慮到個體之間的形態(tài)差異和骨折的不同類型，找到一個適合每個患者的通用輪廓固定板并在術(shù)中獲得最佳的解剖輪廓是困難的。ZENG等［24］報道使用骨盆骨折模型術(shù)前預(yù)彎鋼板，術(shù)中可精確找到的與預(yù)彎鋼板完全吻合的實體位置，這是實現(xiàn)完美手術(shù)的保證，同時借此可以對骨盆骨折手術(shù)入路進行改良。HUNG 等［25］報道使用3D打印模型應(yīng)用于骨盆前環(huán)的骨折獲得相同結(jié)果，同時他們認(rèn)為手術(shù)計劃通常24 h 內(nèi)就能完成。這對于骨盆骨折來說，并沒有與骨盆骨折的最佳治療時間沖突，因為在骨盆骨折中，建議至少在受傷后5 ～10 d 內(nèi)進行手術(shù)。BAGARIA 等［26］進行了一項多中心研究，評估3D 打印模型的益處和實用性。報告指出該模型能準(zhǔn)確地反映了解剖結(jié)構(gòu)，有助于術(shù)前計劃和減少手術(shù)時間。但所有參與研究的手術(shù)醫(yī)生否認(rèn)骨折模型會改變他們的術(shù)前計劃。

總體而言，將3D 打印模型作為圍手術(shù)期計劃的一部分，在術(shù)中指標(biāo)方面顯示出一致的改善，但對手術(shù)結(jié)果沒有顯著影響。對于經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)生和簡單骨折，使用三維模型對于手術(shù)本身效益并不是很大。三維模型的未來應(yīng)用應(yīng)側(cè)重于訓(xùn)練年輕的外科醫(yī)生，以及應(yīng)用于在復(fù)雜骨折中，還可以用于臨床教學(xué)與醫(yī)患溝通，到達減低醫(yī)患溝通難度，提高患者的滿意度的目的，對于減少醫(yī)療糾紛有一定的間接作用［27-28］。

3 3D 打印導(dǎo)板技術(shù)使手術(shù)微創(chuàng)、簡單化

完美的術(shù)前計劃可以通過3D 打印手術(shù)導(dǎo)板實現(xiàn)，導(dǎo)板引導(dǎo)術(shù)者按術(shù)前規(guī)劃進行順利的術(shù)中定位、定點，從而精確引導(dǎo)釘?shù)婪较蚝蜕疃龋岣呤中g(shù)操作的精準(zhǔn)性和安全性，使手術(shù)微創(chuàng)、簡單化。保證這一過程的精準(zhǔn)實施，對3D 模型和導(dǎo)板的精準(zhǔn)性要求很高。楊光等［29］介紹了一種基于圖像灰度的層間插值算法，克服了掃描方向的臺階效應(yīng)，使原始數(shù)據(jù)層之間實現(xiàn)平緩過度。從而獲得了完整、光順的骨盆模型和手術(shù)導(dǎo)板，提高了手術(shù)的準(zhǔn)確性和安全性。導(dǎo)板分為體外導(dǎo)板及體內(nèi)導(dǎo)板，在骨盆手術(shù)中導(dǎo)板主要應(yīng)用于骶髂關(guān)節(jié)的固定手術(shù)、骨盆前環(huán)及髖臼壁骨折手術(shù)中，兩者的適應(yīng)證都是：骨折移位不明顯或通過術(shù)前牽引基本達到復(fù)位要求的患者。

體內(nèi)導(dǎo)板即將導(dǎo)板置于體內(nèi)的骨性標(biāo)志上引導(dǎo)術(shù)者置釘，ZHOU 等［30］對3D 打印導(dǎo)板技術(shù)與X線透視引導(dǎo)下骶髂螺釘置入進行對比研究，導(dǎo)板技術(shù)能顯著降低手術(shù)時間與透視次數(shù)。這與CAI等［31］的結(jié)果相一致。YANG 等［32］認(rèn)為3D 打印導(dǎo)板輔助治療不穩(wěn)定性骨盆骨折有助于精確植入螺釘、降低血管神經(jīng)損傷風(fēng)險。體內(nèi)導(dǎo)板術(shù)中需要精確、徹底地剝離局部軟組織，暴露骨性標(biāo)志，導(dǎo)板與骨性標(biāo)志貼附性的好壞是手術(shù)成功的關(guān)鍵。與之相比體外導(dǎo)板無需剝離軟組織，暴露骨性標(biāo)志，從而更加微創(chuàng)。體外導(dǎo)板即借助骨盆外固定支架或者植入外固定針作為導(dǎo)板的定位標(biāo)志。YANG 等［33］使用體外模板植入37 枚螺釘，相比傳統(tǒng)的透視引導(dǎo)技術(shù)在手術(shù)時間、透視時間和準(zhǔn)確率上都有顯著優(yōu)勢。導(dǎo)板的穩(wěn)固性直接影響置釘準(zhǔn)確率，因此建議減小導(dǎo)板與皮膚接觸面積，增加定位針間距，導(dǎo)向套應(yīng)緊密接觸導(dǎo)針以及使用高強度材料建造導(dǎo)板，以此提升導(dǎo)板穩(wěn)定性。姚升等［34］在髂嵴植入2 枚外固定針作為體外定位標(biāo)志，體外導(dǎo)板輔助經(jīng)皮微創(chuàng)置釘，獲得了相同的結(jié)果。他們認(rèn)為皮膚等軟組織干擾產(chǎn)生的偏差常?？梢院雎?，但體外導(dǎo)板需要相對穩(wěn)固的外固定針作為定位標(biāo)志，定位針的植入屬額外手術(shù)操作，需與患者充分溝通。

3D 打印導(dǎo)板也存在一定局限性，個體化精細(xì)的3D 打印導(dǎo)板對于需要高分辨率影像設(shè)備，導(dǎo)板的設(shè)計及制作有一定的學(xué)習(xí)曲線［35-36］，軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換編輯造成的骨盆模型與真實骨性標(biāo)本的細(xì)微差距、導(dǎo)板的大小、打印材料的特性、術(shù)中導(dǎo)板穩(wěn)定性、電鉆的應(yīng)用等因素都會影響導(dǎo)板的準(zhǔn)確性。目前，研究樣本較少，完全替代透視引導(dǎo)技術(shù)還需要進一步的應(yīng)用和研究。

4 3D 打印技術(shù)在骨盆腫瘤中的應(yīng)用價值

骨盆是轉(zhuǎn)移性骨腫瘤的第三常見部位，約占原發(fā)轉(zhuǎn)移性骨腫瘤的10% ～15%［37］。骨盆腫瘤治療的公認(rèn)的步驟是腫瘤切除和骨盆重建。切除術(shù)是盡可能多的切除腫瘤，以保證腫瘤的安全邊緣，防止腫瘤復(fù)發(fā)。骨盆重建的目的在于提高患者的生存質(zhì)量。由于傳統(tǒng)骨盆假體的匹配度差，術(shù)后并發(fā)癥多，為了滿足假體的植入，通常需要進行骨盆大段截骨。三維打印技術(shù)以其個性化的、高精度及快速可獲得性制造，在骨盆腫瘤手術(shù)上顯現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)越性［38］。從模擬手術(shù)完成術(shù)前規(guī)劃，到術(shù)中導(dǎo)板精確截骨平面，再到3D 打印假體的植入物重建，3D 打印技術(shù)在骨盆腫瘤手術(shù)應(yīng)用中越來越廣泛，更好地完成了惡性腫瘤的保肢治療。

4.1 植入假體重建骨盆腫瘤切除后骨缺損骨盆腫瘤切除后骨缺損重建是一個極具挑戰(zhàn)性的問題，隨著3D 打印技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)假體已逐漸被3D 打印個性化假體所取代［39］。LIANG 等［40］用3D 打印設(shè)計出螺桿連接半骨盆假體，由骶骨部件、髖臼環(huán)和椎弓根螺釘組配而成，可根據(jù)術(shù)中情況進行靈活應(yīng)用，在短期隨訪中效果良好。WANG 等［41］詳細(xì)報道了三維打印定制半骨盆假體重建設(shè)計及相關(guān)手術(shù)技術(shù)。他們認(rèn)為多孔結(jié)構(gòu)和良好的初始穩(wěn)定性是提升骨整合獲得良好長期療效的重要保障。通過調(diào)節(jié)多孔結(jié)構(gòu)的體積比例來調(diào)節(jié)假體的重量，實現(xiàn)假體與切除組織重量相等。有研究表明，直徑在400 ～700 mm 之間、孔隙率在51% ～73%之間的大孔結(jié)構(gòu)最能誘導(dǎo)骨生長［42-43］。ANGELINI 等［44］將3D 打印假體用于翻修手術(shù)和腫瘤重建手術(shù)中，1年和2年的總生存率分別為100%和80%。獲得了骨缺損的良好修復(fù)和較好的功能評分（平均分為80.3%）。WANG 等［45］隨訪了骨盆惡性腫瘤切除后使用3D 打印假體進行功能重建的13 例患者，隨訪中他們發(fā)現(xiàn)種植體都骨性結(jié)合良好，早期功能恢復(fù)可。LI 等［46］對3D打印半骨盆假體進行了生物力學(xué)分析，結(jié)果完整骨盆模型和重建骨盆模型的受力情況沒有明顯差異，比較截骨術(shù)前后的差異，發(fā)現(xiàn)假體對對側(cè)影響不大。因此，3D 打印假體擁有足夠的機械性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。ANGELINI 等［47］對3D 打印定制假體重建骨缺損的41 名患者進行回顧性分析，5年隨訪總生存率為89%，并發(fā)癥發(fā)生率為22%（9/41例），主要是骨盆重建中的傷口感染問題。在其他類型的骨盆重建中，內(nèi)半骨盆切除術(shù)后的感染率在10% ～47%之間，切除和假體重建術(shù)后的感染率在11% ～38%之間［48］。因此，3D 打印定制假體進行骨盆重建，并發(fā)癥的發(fā)生率是可以接受的。

3D 打印的假體目前存在的主要問題是隨訪時間較短，樣本量小，長期穩(wěn)定性，假體的功能結(jié)果和壽命還需要進行進一步研究。但是，3D 打印假體作為一種有新興的重建技術(shù)，可以替代大塊同種異體骨移植，或者在無法使用模塊化假體的情況下使用，且有良好的有效性和安全性。

4.2 病人專用器械（patient-specific instrumentation，PSI）在骨盆腫瘤切除中的應(yīng)用價值骨盆骨腫瘤的治療中，獲得足夠的切除邊緣是最重要的預(yù)后因素，切除過少可能導(dǎo)致高局部復(fù)發(fā)率，切除過多可能導(dǎo)致重建骨不足，影響肢體功能。因此，提高盆腔腫瘤切除的準(zhǔn)確性是十分必要的。PSI是基于3D 打印的一種引導(dǎo)個性化截骨的工具。在脊柱外科、關(guān)節(jié)置換及腫瘤切除中都有報道。SALLENT 等［49］在尸體模型中評估PSI 在骨盆腫瘤切除術(shù)中的準(zhǔn)確性。與標(biāo)準(zhǔn)手工技術(shù)相比，PSI 引導(dǎo)下的骶髂截骨術(shù)平均改善9.6 mm，雙側(cè)髖臼上截骨術(shù)平均改善6.2 mm 和5.8 mm，坐骨截骨術(shù)平均改善3 mm 和2.2 mm。PARK 等［50］人對使用PSI對12 例骨科腫瘤患者進行截骨手術(shù)，最大切割誤差僅為3 mm。最大限度地保留了關(guān)節(jié)、韌帶和肌腱，從而確保了術(shù)后肢體功能。同時他們建議在皮質(zhì)骨較厚的截骨手術(shù)中，使用雙向切割導(dǎo)向器是有必要的。PSI 與計算機導(dǎo)航系統(tǒng)都是目前研究的熱點，在骨盆腫瘤切除術(shù)中，兩者的準(zhǔn)確性優(yōu)均于傳統(tǒng)技術(shù)［51］。不少文獻對兩者也進行了比較，WONG 等［52］對尸體進行髖臼周圍骨盆腫瘤手術(shù)，對比患者專用器械和計算機導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和切除時間，結(jié)果兩組均能達到臨床可接受的精確性，平均偏差＜2 mm。導(dǎo)航組骨切除所需的平均時間明顯大于PSI 組。計算機導(dǎo)航系統(tǒng)，可以根據(jù)術(shù)中情況提供術(shù)中反饋，調(diào)整截骨平面，這是PSI 無法實現(xiàn)的。但PSI 技術(shù)可以在實現(xiàn)相同的可接受的切割精度下，使用時間更少，費用更低，且學(xué)習(xí)曲線更短，在骨盆骨腫瘤手術(shù)中需要手術(shù)醫(yī)生結(jié)合實際情況對手術(shù)方式作出選擇。

5 總結(jié)與展望

3D 打印技術(shù)正在影響骨科手術(shù)的計劃和實施，借助3D 打印技術(shù)骨科手術(shù)向個性化，精準(zhǔn)化向前邁了一大步。3D 打印技術(shù)對提升臨床醫(yī)生水平，提升復(fù)雜的手術(shù)安全性，產(chǎn)生了積極作用。現(xiàn)在使用3D 生物打印技術(shù)能實現(xiàn)靜態(tài)的生理幾何機構(gòu)的制造，無法隨周圍動態(tài)環(huán)境的改變而改變。為了克服這一問題，學(xué)者們提出了4D 打印，即在3D 打印的基礎(chǔ)上添加“時間”概念，在特定的環(huán)境中，隨著時間的推移，先進材料的形狀或功能對外界刺激可以程序性作出及時反應(yīng)［53］。無論是3D 打印還是4D 打印兩者的發(fā)展都需要打破現(xiàn)有材料學(xué)的局限性，隨著材料學(xué)的進步基于4D、3D的骨科將造福更多患者。