3D打印技術(shù)在矯形康復治療中的應(yīng)用

張 成，李 超，安 超，韓向東，高武長

（淄博市骨科醫(yī)院手足外科，山東 淄博 255000）

0 引言

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用各種可黏合材料，通過逐層打印方式來構(gòu)建實體的技術(shù)[1]。我國康復醫(yī)療市場規(guī)?？雌饋磔^小，但康復需求潛力巨大。2010年末，我國殘疾人口已達8 502萬人，其中5 000多萬人有康復需求[2]。截至2015年，我國60歲及以上老年人口達2.22億，其中需要康復治療的老年人約有7 000萬人[2]。傳統(tǒng)的矯形器和假肢不能實現(xiàn)個性化、精準化治療，并且存在外形不美觀、笨重、不符合生物力學要求、實用性差以及費用昂貴等問題。正是這些問題導致患者治療依從性降低，從而嚴重影響了治療效果。目前，臨床上已將3D打印技術(shù)與矯形康復治療相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)制造各種支具、矯形器、假肢。近年來，3D打印支具、矯形器、假肢數(shù)量在國外呈指數(shù)級增長，我國3D打印技術(shù)在臨床矯形康復治療方面應(yīng)用較晚，但發(fā)展迅速。國家相繼出臺了一系列政策，強調(diào)3D打印技術(shù)在矯形康復領(lǐng)域的重要作用，為矯形康復輔具的設(shè)計創(chuàng)新水平、定制化水平等方面的提高起到了推動作用。本文將綜述3D打印技術(shù)在矯形康復領(lǐng)域的主要應(yīng)用，旨在全面探討其臨床應(yīng)用效果。

1 3D打印技術(shù)在矯形治療中的應(yīng)用

對于肢體畸形患者來說，尤其是兒童、青少年，首選利用矯形器、矯形支具逐步矯正畸形的治療方式。由于足踝、脊柱畸形患者數(shù)量龐大，市場占比高，目前3D打印矯形器、矯形支具在足踝、脊柱矯形治療方面得到了一定應(yīng)用，臨床報道相對較多，證實了3D打印矯形器、矯形支具的良好治療效果。本章節(jié)重點討論3D打印技術(shù)在足踝矯形治療和脊柱矯形治療中的應(yīng)用情況。

1.1 3D打印技術(shù)在足踝矯形治療中的應(yīng)用

足踝矯形器是一種外部佩戴的醫(yī)療設(shè)備，用以治療下肢損傷，其通?？梢愿纳颇承┨囟ㄈ巳旱男凶呋顒幽芰Γ缒X癱、遺傳性神經(jīng)性肌萎縮、腦卒中和多發(fā)性硬化癥患者。足踝矯形器能夠緩解患足癥狀，提高足部緩沖性，矯正柔軟性畸形，其傳統(tǒng)生產(chǎn)過程大多耗時且為手工制作，其中制作者豐富的經(jīng)驗起著關(guān)鍵作用[3]。由于患者之間存在個體差異，如何實現(xiàn)個性化精準治療是一個臨床治療難點，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于足踝矯形器制造已被證明是安全有效的。3D打印技術(shù)在足踝外科方面的應(yīng)用最早可以追溯到1997年[4]。南國新[5]分析了3D打印技術(shù)在兒童足踝畸形診治中的應(yīng)用，指出與傳統(tǒng)矯形器相比，3D打印矯形器與患兒足部貼合得更好，穿戴更加舒適。既往報告顯示，3D打印足踝矯形器具有良好的尺寸精度和制造精度，根據(jù)患者的特點可以實現(xiàn)個性化治療，其性能不亞于傳統(tǒng)手工制作的矯形器[6]。

矯形鞋墊是足踝常用矯形裝置，在下肢康復中起著重要作用。根據(jù)生物力學原理，矯形鞋墊設(shè)計的目的是減少負荷和矯正畸形，降低足部損傷發(fā)生概率，改善行走步態(tài)。楊宗宇等[7]使用3D打印矯形鞋墊治療扁平足患者30例，所有患者平均隨訪20.3個月，總優(yōu)良率為93.3%，3D打印矯形鞋墊如圖1所示。Xu等[8]將80例雙側(cè)扁平足患者隨機分為對照組和實驗組，對照組患者采用預制矯形鞋墊進行治療，實驗組采用3D打印定制矯形鞋墊進行治療，證實3D打印定制矯形鞋墊比預制矯形鞋墊更有效，能為扁平足患者提供更好的舒適度。Lin等[9]對12例扁平足患者進行治療，在穿戴3D打印足踝矯形器的情況下，踝關(guān)節(jié)最大外翻力矩和外旋力矩分別顯著降低了35%和16%，而足底最大屈肌力矩卻增加了3%。以上研究都證實了將3D打印矯形鞋墊應(yīng)用于扁平足治療可以改善患者癥狀、矯正足部力線，并可提高患者穿戴時的舒適度。

圖1 3D打印矯形鞋墊[7]

除扁平足以外，3D打印足踝矯形器在足踝外科其他疾患矯形治療中也有報道。劉震等[10]將3D打印足踝矯形器應(yīng)用于腦卒中患者，指出結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的3D足踝矯形器質(zhì)量減少了17%。Xu等[11]將60例足底筋膜炎患者隨機分為對照組和觀察組，對照組采用預制矯形器進行治療，觀察組采用3D打印定制矯形器進行治療，結(jié)果顯示，與預制矯形器相比，采用3D打印定制矯形器治療足底筋膜炎能夠減少患者足底損傷、提高舒適度，且治療效果更好。3D打印足踝矯形器還有助于預防和治療膝關(guān)節(jié)炎與腰痛，能夠改善下肢關(guān)節(jié)炎患者的步態(tài)，提高行走活動功能。3D打印足踝矯形器不但可以實現(xiàn)足底壓力重新分配，在矯正過程中改善生物力學性能，提高患者舒適度，增強患足穩(wěn)定性，減少皮膚破損情況的發(fā)生，而且具有與傳統(tǒng)足踝矯形器相似的功能效果，同時在尺寸、質(zhì)量、調(diào)節(jié)性、實用性和舒適性方面，患者滿意度較高[12]。3D打印足踝矯形器的臨床應(yīng)用展現(xiàn)出了良好的治療效果，值得推廣。

1.2 3D打印技術(shù)在脊柱矯形治療中的應(yīng)用

近年來，脊柱外科領(lǐng)域飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)在實現(xiàn)脊柱外科治療個體化及精準化的過程中發(fā)揮著重要的作用[13]。脊柱側(cè)凸是脊柱和軀干的三維畸形，如果不治療，可能會導致嚴重的健康問題。在生長發(fā)育過程中，這種畸形短時間內(nèi)可能進展迅速。對處于生長發(fā)育期的脊柱側(cè)凸患者來說，矯形支具是最有效的保守治療方法，可以有效防止畸形進展。長期佩戴不合體的脊柱矯形支具，會持續(xù)壓迫骨性凸起部位，導致患者出現(xiàn)壓瘡、神經(jīng)壓迫以及疼痛等問題[14]。目前臨床應(yīng)用的脊柱矯形支具多種多樣，如何在提高療效的同時降低相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率一直是臨床醫(yī)師探討的重點，3D打印技術(shù)為脊柱矯形支具的設(shè)計制造提供了一個新的思路和手段。

黃亞翔等[15]利用3D掃描儀對8例青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎女性患者進行掃描取模，將數(shù)據(jù)導入相關(guān)軟件進行處理后成功完成了3D打印個性化夜用型脊柱側(cè)彎矯形支具的初步設(shè)計。張玉芳等[16]利用3D打印技術(shù)設(shè)計制造了個性化脊柱側(cè)彎矯形支具，患者胸椎和腰椎側(cè)彎最大矯正率達78%和82%，證實了3D打印矯形脊柱支具與患者貼合性較好，具有較高的矯正率，3D打印支具模型如圖2所示。Weiss等[17]在報道中指出，采用手工制作的Boston和Chèneau樣式的支具，治療成功率為70%~80%，而采用3D打印技術(shù)制作的標準化相同樣式支具的治療成功率約為90%。與手工制作的傳統(tǒng)支具相比，3D打印脊柱矯形支具具有更好的治療效果。魯?shù)轮镜萚18]應(yīng)用3D打印脊柱側(cè)凸矯形支具對7例青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸患者進行了治療，治療前Cobb角為（29.43±7.68）°，軀干傾斜角為（11.57±2.76）°，治療6個月后隨訪，Cobb角為（8.71±5.96）°（矯正72%），軀干傾斜角為（3.57±2.57）°（矯正70%），治療前后差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）。3D打印脊柱矯形支具可以根據(jù)患者的具體情況調(diào)整支具矯形器的厚度，并且可以進行個性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括局部的紋理、孔道的位置以及加壓的部位。因此，利用3D打印技術(shù)能夠制造出更輕便、佩戴更舒適的脊柱矯形支具，提高患者治療的依從性和畸形矯正效果。

圖2 3D打印支具模型[16]

2 3D打印技術(shù)在康復治療中的應(yīng)用

本章節(jié)重點討論3D打印技術(shù)在手腕部骨折康復治療、腦卒中手部功能康復治療中的應(yīng)用情況，并著重介紹3D打印技術(shù)在四肢假體定制方面的應(yīng)用。

2.1 3D打印技術(shù)在手腕部骨折康復治療中的應(yīng)用

手腕部骨折是臨床上常見的創(chuàng)傷骨折類型，手腕部功能活動對于日常生活至關(guān)重要，不恰當?shù)闹委熆蓪е聡乐夭l(fā)癥和功能障礙。傳統(tǒng)手腕部骨折固定一般多采用石膏外固定，而石膏具有笨重、透氣性差的缺點，若固定時間較長，會出現(xiàn)關(guān)節(jié)僵硬和肌肉萎縮等并發(fā)癥[19]。傳統(tǒng)石膏固定或人工制作的支具對制作者經(jīng)驗要求較高，在臨床上經(jīng)常會有患者出現(xiàn)局部皮膚刺激或不舒適的感覺，甚至少數(shù)患者出現(xiàn)了皮膚破潰感染現(xiàn)象，這將大大降低治療的依從性，而隨意拆卸可能導致骨折再次移位，影響康復治療效果。石膏固定成本低，但是效率也低，制作過程煩瑣，如何改善傳統(tǒng)石膏固定以及人工制作的支具的不足一直困擾著臨床醫(yī)師。隨著3D打印技術(shù)的不斷開發(fā)利用，3D打印個性化矯形支具具有更高的貼合度，更加透氣、舒適，可以提高患者治療的依從性。

據(jù)報道，對于需要長期佩戴支具、矯形器的人群來說，支具、矯形器設(shè)計符合人體生物力學要求是提高佩戴者滿意度的重要因素之一[20]。廖政文等[2]以上肢手腕部橈骨遠端骨折為例，應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計制作了個性化康復矯形器（如圖3所示），與用傳統(tǒng)方法手工制作的矯形器相比，3D打印個性化康復矯形器在矯形器的簡易度、性價比、質(zhì)量、外形美觀度以及透氣性方面更好，差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。Abreu de Souza等[20]報道了3D打印腕部支具應(yīng)用于腕部骨折患者的情況，其所設(shè)計的支具采用一種可清洗、可生物降解的材料，具有成本低、輕便以及功能性更強等特點。與傳統(tǒng)支具、矯形器相比，3D打印個性化腕部骨折康復支具、矯形器優(yōu)點鮮明，易于被患者接受。3D打印技術(shù)在手指骨折康復治療中的應(yīng)用也有報道。陸亮亮等[21]報道了應(yīng)用3D打印指骨骨折支具對1例拇指指骨骨折女性患者進行固定的情況，結(jié)果表明該支具不僅匹配患指形狀，還匹配骨折部位，實現(xiàn)了精準固定。3D打印支具、矯形器結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，在保證生物力學性能的前提下，能夠節(jié)省更多的材料，減輕了質(zhì)量，提升了性價比，其美觀的外形更能提高年輕人佩戴的意愿。但是，3D打印支具、矯形器在骨折固定的應(yīng)用方面也存在一定不足，比如3D打印過程需要一定時間，急診骨折患者需暫時應(yīng)用其他固定裝置臨時固定；3D打印材料種類較少，一旦打印出成品后很難修改。由于3D打印技術(shù)可根據(jù)每個人的不同測量結(jié)果實現(xiàn)個性化定制，臨床治療效果更好，降低了相關(guān)不良事件的發(fā)生率，提高了患者的滿意度，為手腕部骨折康復輔具的制造提供了一個新的選擇。

圖3 3D打印右腕部個性化外固定支具[2]

2.2 3D打印技術(shù)在腦卒中手部功能康復治療中的應(yīng)用

腦卒中具有發(fā)病率高、死亡率高和致殘率高等特點，因此其治療也變得越來越重要。腦卒中患者手部矯形康復的目的是治療整個腕部和手指的痙攣[22]。臨床上將分指板應(yīng)用于腦卒中患者具有固定和矯形的作用，可以預防和治療手指痙攣。傳統(tǒng)手工制作的分指板存在尺寸不準確、不符合生物力學要求等缺陷，導致患者佩戴不舒適，難以實現(xiàn)長時間持續(xù)治療。手的形態(tài)復雜，如何實現(xiàn)高度個性化矯形器的生產(chǎn)仍然是非常具有挑戰(zhàn)性的。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于分指板制作，更具個性化，患者佩戴更舒適，能夠滿足臨床康復治療的需要。

王凱等[23]分析了15例佩戴3D打印分指板患者的隨訪完整資料，結(jié)果表明大多數(shù)患者佩戴舒適，手指沒有疼痛加重的感覺，皮膚未出現(xiàn)過敏情況，佩戴前患者的握力指數(shù)為0.023±0.046，佩戴3個月后握力指數(shù)為0.039±0.074；佩戴前患者中指到掌紋主動屈曲距離為（16.08±20.27）mm、被動屈曲距離為（6.13±12.06）mm，佩戴3個月后中指到掌紋主動屈曲距離為（13.50±15.90）mm、被動屈曲距離為（3.33±8.99）mm，患者握力和關(guān)節(jié)活動度均有不同程度提高。3D打印分指板的佩戴示意圖如圖4所示。王凱等[24]對應(yīng)用3D打印分指板和傳統(tǒng)分指板的腦卒中患者手指痙攣情況進行了對照研究，結(jié)果表明治療3個月后3D打印分指板組肌張力較傳統(tǒng)分指板組低（P＜0.01），3D打印分指板更有利于治療腦卒中患者的手指痙攣。Wang等[25]對13例腦卒中患者采用3D打印分指板治療，隨訪觀察3個月，發(fā)現(xiàn)患者的握力、手功能和活動范圍均有不同程度的改善，分指板的抗張、抗彎性能均能滿足患者的治療要求。3D打印分指板具有精確、個性化定制等優(yōu)點，可以優(yōu)化分指板的構(gòu)造，使其更適應(yīng)機體正常解剖結(jié)構(gòu)，直接避免形成局部受壓點，更有效地治療腦卒中患者的手痙攣，有利于腦卒中患者手指的矯形康復治療。但是3D打印材料費用比較昂貴，在利用3D打印技術(shù)進行分指板制作時要在高精度和低成本之間進行權(quán)衡。利用3D打印技術(shù)能夠制作出具有更高舒適性和耐受性的分指板，可為臨床醫(yī)生指出壓力區(qū)，從而大大提高患者的治療效果及滿意度。

圖4 3D打印分指板佩戴示意圖[23]

2.3 3D打印技術(shù)在四肢假肢定制方面的應(yīng)用

肢體殘缺分為先天性肢體殘缺和后天性肢體殘缺。先天性肢體殘缺的發(fā)生率為每1 000例成活嬰兒中就有0.3~1例[26]。在后天性肢體殘缺中創(chuàng)傷是最重要原因之一。假肢的使用可以提高肢體殘疾人員的社會參與度和自信心。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，在整個發(fā)展中國家，大約有4 000萬截肢者，但只有5%的人使用假肢[26]。據(jù)報道，在上肢缺失的人群中，假肢的使用率為37%~56%；下肢假肢通常被認為比上肢假肢更重要，其使用率為49%~95%[27]。目前相當大比例的先天性肢體缺失或后天性肢體喪失的人選擇不使用假肢。假肢的低使用率可能與缺乏美觀的設(shè)計、質(zhì)量較大、實用性較差以及成本高有關(guān)，因此研究者一直在不斷探索如何進一步提高假肢使用率，讓更多肢體殘疾患者受益。計算機輔助設(shè)計程序和3D打印技術(shù)的進步為更好地應(yīng)用假肢起到了推動作用，可以實現(xiàn)遠程裝配、設(shè)計和制造低成本假肢，并且可以滿足個性化特殊假肢的需求[28-29]。

近年來，假肢生產(chǎn)制造企業(yè)在3D打印領(lǐng)域不斷進行嘗試。徐貴升等[30]于2016年報道了中國首例3D打印假肢的臨床應(yīng)用，1名5歲的小男孩使用3D打印前臂索控假肢初步實現(xiàn)了手的基本功能。Manero等[27]在報道中指出利用3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)假肢更高程度的個性化定制，可以提高假肢的使用率和匹配度，其利用3D打印技術(shù)制作的個性化假肢如圖5所示。研究顯示，3D打印假肢的臨床應(yīng)用越來越普遍，在過去5 a中呈指數(shù)增長[30]。3D打印假肢的使用可以顯著提高殘疾人員的生活質(zhì)量，有利于其心理健康，能夠使他們更好地融入社會當中，減輕家庭和社會的經(jīng)濟負擔。與傳統(tǒng)假肢相比，3D打印的假肢更符合患者的身體解剖結(jié)構(gòu)，能夠滿足人們不同的需要，更加輕便、耐用。目前，3D打印假肢的推廣使用也存在一定的不足，比如政策法規(guī)問題、缺乏專業(yè)軟件、生產(chǎn)模式的效率問題、材料問題、成本問題、綜合人才缺乏、教育培訓和社會推廣問題等[31]。正是這些問題的存在，導致有關(guān)3D打印個性化假肢臨床應(yīng)用情況和治療療效的報道很少。為進一步推廣3D打印假肢的臨床應(yīng)用，需要制定一定的行業(yè)準入標準和統(tǒng)一的國家標準，建立健全人才培養(yǎng)機制，不斷創(chuàng)新技術(shù)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)制作觀念，多領(lǐng)域密切合作。目前，人們對3D打印技術(shù)在假肢修復領(lǐng)域的應(yīng)用正做著積極探索，隨著現(xiàn)有問題的不斷解決，其應(yīng)用前景值得期待。

圖5 用戶參與設(shè)計的3D打印個性化假肢[27]

3 結(jié)語

隨著醫(yī)療技術(shù)不斷發(fā)展，個性化治療必然是臨床流行趨勢。在臨床工作中，許多佩戴支具、矯形器、假肢的患者會存在支具、矯形器、假肢大小不合適及疼痛與不舒服的情況，并且會對輔具的外觀設(shè)計不滿意[32]。舒適度是評估支具、矯形器、假肢的一個重要因素，不舒適的支具、矯形器、假肢不利于肢體平衡控制，并且會使人們對佩戴支具、矯形器、假肢產(chǎn)生抵觸情緒，嚴重影響治療效果[18]。近年來，研究者一直對如何實現(xiàn)支具、矯形器、假肢的優(yōu)化設(shè)計制造、提高臨床治療依從性和治療療效進行著探索。自1986年制造了第一臺3D打印機以來，3D打印技術(shù)的臨床應(yīng)用越來越廣泛，價格也逐年降低[33]。3D打印定制的支具、矯形器和假肢通過個性化的緩沖和支撐功能，降低了受傷的風險和疾病復發(fā)率。與傳統(tǒng)預制支具、矯形器和假肢相比，3D打印技術(shù)展現(xiàn)出許多優(yōu)勢，包括設(shè)計個性化、貼合度更高、更符合生物力學要求、舒適度更好、實用性更強、磨損率更低、外表更加美觀、佩戴更加輕便、更加安全有效以及患者滿意度更高等。3D打印定制支具、矯形器和假肢也存在一定不足，例如，制造3D打印定制支具、矯形器和假肢的材料種類相對有限、設(shè)計周期仍較長、計算機輔助設(shè)計流程較為煩瑣、打印時間相對較長、市場準入機制不規(guī)范，限制了其廣泛應(yīng)用等[34]。

目前，3D打印技術(shù)臨床應(yīng)用還處于探索階段，但是，近年來關(guān)于3D打印技術(shù)臨床應(yīng)用的報道越來越多，3D打印技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展促進了醫(yī)療水平質(zhì)的提升。3D打印定制支具、矯形器和假肢的設(shè)計制造過程需要醫(yī)生、康復治療師、材料學專家以及矯形器師等相關(guān)人員的共同參與，這樣才能夠生產(chǎn)出更符合生物力學要求的個性化支具、矯形器和假肢。此外，還需要各部門共同努力制定更加規(guī)范的3D打印市場準入標準，加強市場監(jiān)管力度；優(yōu)化3D打印設(shè)計操作程序，使軟件操作界面更簡潔，人們無需長時間學習實踐就可快速掌握設(shè)計流程；要向更加智能化、高效化轉(zhuǎn)變，加快3D打印機的打印速度，為臨床急性損傷患者提供更大的便利；開發(fā)探索更多便宜、優(yōu)質(zhì)的3D打印材料，積極推廣3D打印定制支具、矯形器和假肢的臨床應(yīng)用。相信隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其在矯形康復領(lǐng)域的應(yīng)用可以實現(xiàn)個性化、精準化、高效化治療，可以更好地推進矯形康復事業(yè)發(fā)展。