3D 打印在橈骨遠(yuǎn)端骨折治療康復(fù)中的應(yīng)用

白哲豪

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

3D 打印時(shí)快速成型技術(shù)的一種， 又稱(chēng)增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)， 運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。由于這一技術(shù)制造的產(chǎn)品精度高、 材料利用率高、 方便成型，同時(shí)又十分有利于個(gè)性化設(shè)計(jì)，因此近年來(lái)的發(fā)展非常迅速，逐漸融入各行各業(yè)，與人們的生活聯(lián)系在一起。3D 打印技術(shù)的特點(diǎn)決定了它能制造多種復(fù)雜的、不規(guī)則的模型， 因此， 這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有了廣闊的發(fā)展空間。 3D 打印技術(shù)在中國(guó)醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用始于20 世紀(jì)80年代后期，最初主要用于快速制造3D 醫(yī)療模型，助力醫(yī)患溝通、判斷病情及手術(shù)規(guī)劃[1]。 隨著技術(shù)的革新，3D 打印已開(kāi)始逐漸滿(mǎn)足人們對(duì)精準(zhǔn)化、個(gè)性化醫(yī)療的需求，這一技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用得到顯著發(fā)展， 根據(jù)生物相容性由低到高又分為4 個(gè)層次：3D 打印醫(yī)療模型、 個(gè)體化輔助導(dǎo)板、內(nèi)植物、生物3D 打印[2]。 這些技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)、脊柱外科、頭頸外科、神經(jīng)外科、心臟外科及其他學(xué)科。 在未來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，3D 打印也將更深、更廣地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

1 橈骨遠(yuǎn)端骨折與一般治療康復(fù)方法

橈骨遠(yuǎn)端骨折是指發(fā)生在橈骨遠(yuǎn)端3cm 之內(nèi)的骨折，是骨科最常見(jiàn)的臨床骨折之一，占急診骨折的1/6 和全身性骨折的6.7%[3]。由于現(xiàn)代社會(huì)工作及生活節(jié)奏的加快，車(chē)禍、高處墜落等導(dǎo)致橈骨遠(yuǎn)端嚴(yán)重骨折的發(fā)生率也在升高。 另外，我國(guó)的老年人口逐漸增多，隨著老齡化時(shí)代的到來(lái)，其發(fā)病率也有所增加。 目前，橈骨遠(yuǎn)端骨折主要的治療方法為手術(shù)治療和保守治療兩種方式。 對(duì)于手術(shù)治療， 目前切開(kāi)復(fù)位掌側(cè)鎖定鋼板內(nèi)固定能解決臨床上大部分橈骨遠(yuǎn)端骨折，而外固定支架、經(jīng)皮穿針術(shù)、非手術(shù)治療等方法也有一定的適用范圍[4]。 保守治療主要包括石膏或小夾板固定，以限制手腕復(fù)位后腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，維持一段時(shí)間后實(shí)現(xiàn)臨床愈合。 高維旭等[5]的研究表明，對(duì)于成人橈骨遠(yuǎn)端骨折，在遠(yuǎn)期功能方面，手法復(fù)位石膏托外固定與切開(kāi)復(fù)位鋼板內(nèi)固定治療效果相似。 相比保守治療，手術(shù)的成本相對(duì)較高，風(fēng)險(xiǎn)較大，而保守治療具有操作簡(jiǎn)單，安全性好，復(fù)位效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，所以多數(shù)人更愿意選擇保守治療。

對(duì)于手法復(fù)位的保守治療來(lái)說(shuō)，一般應(yīng)配合石膏、夾板或矯形器進(jìn)行固定，以防止復(fù)位后的骨骼發(fā)生位移，影響康復(fù)。 大部分佩戴夾板或矯形器的患者經(jīng)適當(dāng)功能鍛煉后多不影響日常生活，療效滿(mǎn)意。 然而，一般的石膏或夾板都存在各自的問(wèn)題。 普通石膏雖然有良好的可塑形性，盡可能貼合患者體表，但透氣性較差，易發(fā)生濕疹、皮膚過(guò)敏等皮膚病。如果對(duì)骨折部位包扎過(guò)緊，可能造成肢體骨筋膜室綜合征，肌肉缺血、壞死，進(jìn)而發(fā)生缺血性肌攣縮，甚至肢體壞疽。 而采用夾板固定時(shí)，雖然比石膏更舒適， 但患肢的局部活動(dòng)性大， 復(fù)位后容易發(fā)生二次移位。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為制造兼具夾板與石膏優(yōu)點(diǎn)的固定支具提供過(guò)了可能。

2 3D 打印夾板在橈骨遠(yuǎn)端骨折康復(fù)中的應(yīng)用

為了解決傳統(tǒng)外固定支具和矯形器的問(wèn)題，3D 打印的夾板在滿(mǎn)足功能的情況下，有足夠的強(qiáng)度和舒適度，同時(shí)也要足夠具備個(gè)性化。從現(xiàn)有研究來(lái)看，3D 打印夾板的設(shè)計(jì)方法與過(guò)程各不相同，但總體思路是類(lèi)似的：首先通過(guò)掃描獲取患者受傷部位體表模型， 再根據(jù)體表模型制作并細(xì)化夾板的三維模型， 最后使用3D 打印進(jìn)行制造。其設(shè)計(jì)過(guò)程在大方向上與一般的逆向設(shè)計(jì)并無(wú)太大差異。 對(duì)于康復(fù)夾板的設(shè)計(jì)，也有一些具體的研究方向，包括掃描方式的選擇、夾板重量與舒適度的優(yōu)化設(shè)計(jì)、夾板的個(gè)性化設(shè)計(jì)以及夾板材料與加工方式的選擇等方面。

目前常見(jiàn)的掃描方式有計(jì)算機(jī)斷層成像（Computed Tomography，簡(jiǎn)稱(chēng)CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡(jiǎn)稱(chēng)MRI）以及三維掃描等方式。阿依古麗·喀斯木[6]在手指屈肌腱損傷定制化支具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用CT 對(duì)患者小臂及手部進(jìn)行掃描，得到手臂的三維模型數(shù)據(jù)。 廖政文[7]用MRI 技術(shù)掃描上肢，采集上肢肘以下前臂部分影像數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)矯形器的模型。 成思源等[8]研究了基于三維掃描技術(shù)的個(gè)性化設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)制作了個(gè)性化手臂夾板模型。 由上述研究成果可知，三種掃描方式都可以較好地獲取人體的局部三維模型，但由于患者一般都在醫(yī)院中，能夠很方便地使用CT 和MRI 技術(shù)，所以多數(shù)相關(guān)研究都使用這兩種技術(shù)對(duì)患者進(jìn)行掃描。 因此，所選取的掃描方式若沒(méi)有特別規(guī)定，應(yīng)取決于環(huán)境與設(shè)備條件。

在3D 打印夾板設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方面，F(xiàn)ernando Blaya 等[9]的研究針對(duì)夾板本身進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，詳細(xì)描述了3D 打印夾板從掃描、建模、設(shè)計(jì)細(xì)化到制造的全部過(guò)程。 夾板分為上下兩部分，通過(guò)Rhino 建模，在夾板上加入便于固定的孔洞，以方便醫(yī)師拆裝。在設(shè)計(jì)細(xì)化過(guò)程中使用三維軟件對(duì)夾板模型進(jìn)行切除， 剪切不必要的部分以在夾板表面上形成孔洞，同時(shí)達(dá)到減輕重量與透氣的目的。

曾燾等[10]使用3D 打印支具與傳統(tǒng)小夾板結(jié)合的方式，選取60 例骨折，分為對(duì)照組和試驗(yàn)組。 其中，對(duì)照組30 例全程采用小夾板外固定，試驗(yàn)組則使用夾板外固定1 周后改為3D 打印支具外固定。 在設(shè)計(jì)制造支具的過(guò)程中也充分考慮到透氣性問(wèn)題，但與上述研究不同，這個(gè)透氣孔是較為密集的小孔，可以最大限度地保持夾板強(qiáng)度。最后得出結(jié)論，3D 打印支具的加入使患者的康復(fù)效果得到明顯改善。

胡超燕等[11]在3D 打印外固定支具的基礎(chǔ)上，使用傷科紫草油輔助進(jìn)行康復(fù)。傷科紫草油具有治療跌打腫痛、骨折、軟組織損傷及燙傷未潰等功效的一種外用搽劑。試驗(yàn)結(jié)果表明3D 打印外固定支具聯(lián)合傷科紫草油治療橈骨遠(yuǎn)端骨折效果確切，可有效改善患者腕關(guān)節(jié)功能，減輕患者痛苦，提升康復(fù)質(zhì)量。這一結(jié)果也為新型支具與傳統(tǒng)方法結(jié)合的治療方法提供了重要參考。

3D 打印夾板上的開(kāi)孔既可以減輕夾板重量，又可以增加透氣性，使其佩戴更加舒適。 Francesco Buonamici 等[12]在按照常規(guī)流程設(shè)計(jì)制作3D 打印夾板的同時(shí)，提出了使用CAD 軟件確定在保證強(qiáng)度的前提下確定開(kāi)孔位置的方法，在不損失強(qiáng)度的前提下減輕夾板重量，為夾板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

在其他一些研究中，Berntsen Christian 等[13]也在其關(guān)于矯形器設(shè)計(jì)制造的研究中進(jìn)行了康復(fù)效果的對(duì)比。除此之外，3D 打印夾板還有其他可以改進(jìn)的設(shè)計(jì)。劉非等[14]提出設(shè)計(jì)人員可以按照患者的喜好選取數(shù)據(jù)庫(kù)中的個(gè)性化透氣孔的浮雕圖案， 也可以按照患者的喜好選取數(shù)據(jù)庫(kù)中的鎖緊裝置，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)夾板的個(gè)性化設(shè)計(jì)，不僅從生理上， 也從心理上減輕了患者使用夾板的負(fù)擔(dān)。 Abby Megan Paterson[15]在其研究中對(duì)不同的快速成型方式進(jìn)行了比較。 邵景嬌等[16]研究了幾種夾板或矯形器的制作材料并分析各自的優(yōu)勢(shì)與不足。這些研究對(duì)于3D 打印夾板的設(shè)計(jì)改進(jìn)有重要的意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

從上述研究結(jié)果來(lái)看，3D 打印夾板或支具的主要優(yōu)勢(shì)在于造型不受傳統(tǒng)加工工藝的限制， 在軟件中就可以完成模型細(xì)化、減重等大部分工作，甚至可以直接進(jìn)行有限元分析，以確保夾板在使用過(guò)程中不會(huì)損壞，或根據(jù)分析結(jié)果對(duì)夾板進(jìn)一步優(yōu)化。 同時(shí)，3D 打印夾板與一些傳統(tǒng)方法的配合使用也有明顯的效果， 這也是未來(lái)的一個(gè)重要研究方向。然而，其缺點(diǎn)也是比較明顯的。首先，需要醫(yī)師了解3D 打印相關(guān)知識(shí)，并掌握建模等技能， 需要付出額外的學(xué)習(xí)成本；其次，雖然3D 打印技術(shù)已有了巨大的進(jìn)步，但若要打印精細(xì)的模型，仍需要較高的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。 這是由于我國(guó)3D 打印產(chǎn)業(yè)尚處于初級(jí)階段，市場(chǎng)發(fā)展緩慢，雖然取得一些成果，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定差距[1]。 市場(chǎng)尚未完全普及也造成了較高的成本。但是，隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應(yīng)用到制造領(lǐng)域，科學(xué)、理性地制定3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段和路徑， 形成技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈和法規(guī)的規(guī)范化，3D 打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用也將被推向更高的層面， 在技術(shù)與市場(chǎng)兩個(gè)方向都取得一定的進(jìn)展后，3D 打印夾板本身的設(shè)計(jì)，包括掃描、優(yōu)化與制造，會(huì)逐步形成完整的規(guī)范，更有效率地生產(chǎn)個(gè)性化產(chǎn)品。 同時(shí)，3D 打印夾板與其他康復(fù)方法的配合使用相關(guān)研究也會(huì)取得相應(yīng)的進(jìn)展。 總之，3D 打印技術(shù)在橈骨遠(yuǎn)端骨折的治療與康復(fù)中依然有廣闊的前景。