3D打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建的現(xiàn)狀與展望

羅丁豪，郝永強(qiáng)

1 3D 打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建的術(shù)前規(guī)劃

骨盆病損可致骨盆畸形，傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃手段以體格檢查及CT、MRI等影像分析為主，但臨床研究表明，這些傳統(tǒng)技術(shù)在骨盆病損病灶定位和手術(shù)實(shí)施時(shí)的準(zhǔn)確性并不理想，亟需更加準(zhǔn)確、直觀、高效的技術(shù)支持。

近年來(lái)，精準(zhǔn)、立體的3D打印個(gè)性化解剖模型突破了傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃手段的瓶頸，在骨科、耳鼻喉科、頭頸外科、泌尿外科、心胸外科等領(lǐng)域已得到較廣泛的應(yīng)用[1-7]。采集CT 或MRI影像數(shù)據(jù)后，經(jīng)醫(yī)師與工程師討論及精細(xì)三維重建，并利用3D 打印技術(shù)將數(shù)據(jù)實(shí)體化即形成3D 打印個(gè)性化術(shù)前規(guī)劃輔助模型，可清晰直觀展示術(shù)區(qū)解剖結(jié)構(gòu)，極大便利病灶定位、入路選擇、內(nèi)植物設(shè)計(jì)等。該方法可在多種應(yīng)用場(chǎng)景下獲得應(yīng)用，如在對(duì)體積巨大的肩胛骨軟骨瘤、頸椎惡性腫瘤、股骨遠(yuǎn)端骨肉瘤等結(jié)構(gòu)復(fù)雜且定位要求高的病例治療中，3D 打印個(gè)性化骨骼模型可實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的病損切除、更加精準(zhǔn)的內(nèi)植物定位、更少的術(shù)中出血、更短的手術(shù)時(shí)間及輻射暴露。Fang 等[8]在骨盆巨大腫瘤切除重建手術(shù)中使用虛擬數(shù)字化三維重建和3D 打印個(gè)性化骨盆模型進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，成功指導(dǎo)手術(shù)定位安裝，術(shù)后驗(yàn)證表明切緣準(zhǔn)確性提高，術(shù)中出血量及手術(shù)時(shí)間均減少。Zhang 等[9]應(yīng)用3D 打印個(gè)性化骨盆模型進(jìn)行髖部翻修術(shù)前規(guī)劃，結(jié)果表明較傳統(tǒng)X 線+CT 方法更加準(zhǔn)確。Gladnick等[10]借助3D打印骨盆模型精準(zhǔn)判斷不同患者差異性的骨缺損形態(tài)，并利用定制型三翼翻修臼杯實(shí)現(xiàn)了精確重建。Zanasi 和Zmerly[11]將骨盆模型和內(nèi)植物三維模型互配以指導(dǎo)內(nèi)植物設(shè)計(jì)，顯著提升了內(nèi)植物-骨骼適配性。

3D打印個(gè)性化骨盆模型還可指導(dǎo)骨折內(nèi)固定手術(shù)的接骨板預(yù)折彎，結(jié)果顯示預(yù)彎接骨板與實(shí)際骨骼匹配良好，手術(shù)便捷、精準(zhǔn)、高效[12]。此外，3D 打印骨骼模型可以為初級(jí)醫(yī)務(wù)人員、工程師等提供學(xué)習(xí)輔助，提升醫(yī)工交互效率[13]。

3D打印個(gè)性化骨盆模型還可用于模擬手術(shù)。在骨腫瘤方面，Iqbal 等[14]制備Ⅱ+Ⅲ區(qū)骨盆腫瘤模型，并將內(nèi)植物與之進(jìn)行模擬手術(shù)安裝，從而對(duì)內(nèi)植物適配度、術(shù)中操作可行性等進(jìn)行研判；在骨折方面，Upex 等[15]利用3D 打印骨盆模型的健側(cè)解剖形態(tài)進(jìn)行接骨板預(yù)彎后，于患側(cè)骨折半骨盆模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，從而指導(dǎo)手術(shù)入路選擇、術(shù)中操作順序等；在翻修方面，Hao 等[16]利用精準(zhǔn)表征患者髖臼周圍骨盆復(fù)雜缺損的3D打印個(gè)性化骨盆模型，與3D打印個(gè)性化一體化翻修內(nèi)植物進(jìn)行模擬手術(shù)安裝，從而為整體翻修治療流程提供修正和臨床優(yōu)化。

3D 打印個(gè)性化骨盆模型的應(yīng)用仍存在一定困難，其中最核心的因素就是模型的精準(zhǔn)性維護(hù)仍存在一些不足，如手術(shù)規(guī)劃輔助模型本身不夠精準(zhǔn)，則會(huì)對(duì)醫(yī)療團(tuán)隊(duì)造成誤導(dǎo)甚至造成醫(yī)療事故。對(duì)于絕大多數(shù)3D 打印技術(shù)而言，打印技術(shù)本身很難導(dǎo)致此類誤差，因?yàn)槟壳皣?guó)際上通用的打印技術(shù)分辨率基本均在0.100 mm 以下，比影像學(xué)數(shù)據(jù)的自身分辨率還高（如0.625 mm CT 掃描）。手術(shù)規(guī)劃輔助模型精準(zhǔn)度的維護(hù)必須從多個(gè)方面入手。首先，需加強(qiáng)模型生產(chǎn)流程的規(guī)范化，因?yàn)槟Ｐ痛蛴⊥瓿珊蠊袒?、去支撐及后加工過(guò)程均可產(chǎn)生形變和人工誤差；其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)需要對(duì)模型的精準(zhǔn)性進(jìn)行充分考慮，對(duì)CT 及MRI 三維重建過(guò)程應(yīng)充分進(jìn)行醫(yī)工溝通，清晰準(zhǔn)確地辨認(rèn)解剖標(biāo)志和病灶位置；再次，對(duì)于受金屬偽影影響的影像部分，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)分析和討論，力求最大程度還原真實(shí)結(jié)構(gòu)，提升模型精準(zhǔn)性。

2 3D 打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建的手術(shù)輔助器械

3D打印個(gè)性化手術(shù)輔助器械的主要功能是以個(gè)性化適配為使用導(dǎo)向，在實(shí)際手術(shù)中快速、簡(jiǎn)便地重現(xiàn)術(shù)前規(guī)劃[17-20]。相關(guān)概念最早于20 世紀(jì)90 年代由Radermacher 等[21]提出。Wong 等[22]制備了3D 打印股骨、下肢模型和個(gè)性化截骨導(dǎo)板，在尸體上成功驗(yàn)證后，為患者成功實(shí)施了股骨骨肉瘤切除重建手術(shù)，截骨誤差＜1 mm。Bellanova等[23]則利用選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering,SLS）3D 打印技術(shù)制備脛骨骨肉瘤個(gè)性化截骨導(dǎo)板，成功指導(dǎo)病灶切除及骨移植。近年來(lái)，3D 打印個(gè)性化手術(shù)輔助器械在骨盆腫瘤、髖關(guān)節(jié)置換和翻修、膝關(guān)節(jié)置換、椎弓根螺釘固定及骨折后復(fù)雜畸形矯正等領(lǐng)域大量應(yīng)用，有效提升了手術(shù)效率及治療效果[24-26]。研究表明，利用3D打印個(gè)性化截骨導(dǎo)板，可將骨盆截骨位置精準(zhǔn)度提升約9.6 mm，角度精準(zhǔn)度提升約7.06°[27]。Liu 等[28]在骨盆Ⅱ+Ⅲ區(qū)腫瘤手術(shù)中使用3D 打印個(gè)性化手術(shù)輔助器械指導(dǎo)截骨和內(nèi)植物安裝，經(jīng)術(shù)后位置評(píng)定表明腫瘤切除準(zhǔn)確、完整。Xu 等[17]將骨盆Ⅰ、Ⅱ區(qū)腫瘤患者依傳統(tǒng)重建（接骨板、標(biāo)準(zhǔn)臼杯）和3D 打印個(gè)性化重建（3D 打印內(nèi)植物、個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板）進(jìn)行分組手術(shù)，結(jié)果顯示個(gè)性化組切緣陰性率顯著高于傳統(tǒng)組，手術(shù)時(shí)長(zhǎng)和術(shù)中出血量減少，術(shù)后國(guó)際肌肉骨骼腫瘤學(xué)會(huì)（Musculoskeletal Tumor Society,MSTS）評(píng)分亦更高。對(duì)于位置深、暴露難度大的髂嵴深部螺釘鉆孔操作，可制備3D打印個(gè)性化鉆孔導(dǎo)板，從而使釘?shù)牢恢煤徒嵌雀丫_[29]。

總之，3D 打印個(gè)性化手術(shù)輔助器械具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但亦有缺陷。首先，骨骼表面的軟組織常形成阻擋，導(dǎo)致術(shù)中使用困難；其次，3D 打印個(gè)性化手術(shù)輔助器械通常與骨骼形成面-面貼附，從而對(duì)術(shù)野暴露面積要求很高，骨腫瘤患者尤甚，一定程度上增大了手術(shù)難度與風(fēng)險(xiǎn)。

需要指出的是，手術(shù)輔助器械在系統(tǒng)和設(shè)備本身導(dǎo)致的誤差與手術(shù)導(dǎo)航比較，沒(méi)有明顯的劣勢(shì)。首先，由于信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)處理本身的限制，導(dǎo)航設(shè)備的空間定位能力具有一定誤差；其次，導(dǎo)航設(shè)備初始坐標(biāo)系定位部件需要術(shù)者人為確定解剖標(biāo)志點(diǎn)并人工安裝，這一過(guò)程本身亦存在誤差。客觀上而言，這個(gè)坐標(biāo)系定位部件安裝的人為誤差，與3D 打印導(dǎo)板安裝的人為誤差并無(wú)本質(zhì)差別，甚至可能更高。在坐標(biāo)系定位部件安裝形成誤差后，后續(xù)的導(dǎo)航處理會(huì)因此存在誤差，盡管3D 打印手術(shù)輔助器械與手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)均在近年來(lái)得到蓬勃發(fā)展和技術(shù)革新，但并不能說(shuō)明手術(shù)輔助器械在定位精準(zhǔn)度上劣于手術(shù)導(dǎo)航。

3D打印個(gè)性化手術(shù)輔助器械的時(shí)效性也至關(guān)重要。由于具有高度的患者特異性和解剖結(jié)構(gòu)匹配性，對(duì)于病灶部位解剖形態(tài)變化較快的患者，特別是快速進(jìn)展的骨腫瘤而言，導(dǎo)板設(shè)計(jì)與手術(shù)間隔越長(zhǎng)，潛在的形態(tài)不適配風(fēng)險(xiǎn)就越大。對(duì)于部分特殊病例而言，甚至可能因?yàn)樾g(shù)前準(zhǔn)備期間腫瘤生長(zhǎng)過(guò)大，遮擋了預(yù)期的輔助器械放置空間，導(dǎo)致術(shù)中完全無(wú)法放置器械；或在術(shù)前準(zhǔn)備期間發(fā)生病理性骨折，導(dǎo)致器械失去可與之配合的骨骼表面結(jié)構(gòu)，使手術(shù)難以順利進(jìn)行。由此可見(jiàn)，強(qiáng)化3D 打印個(gè)性化手術(shù)輔助器械設(shè)計(jì)、優(yōu)化和生產(chǎn)加工過(guò)程中醫(yī)工交互頻率及效率，同時(shí)完善后續(xù)器械生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，是提升醫(yī)療效能的關(guān)鍵。

3 3D 打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)

手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)是近年來(lái)逐漸興起的創(chuàng)新性手術(shù)輔助技術(shù)，其雖具有成本較高、設(shè)備要求較高、術(shù)中操作相對(duì)復(fù)雜等缺陷，但仍具有不容忽視的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。首先，在骨骼結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、病灶區(qū)域可視性差的情況下，術(shù)者的手術(shù)定位難度明顯提高，而包括導(dǎo)板在內(nèi)的手術(shù)輔助器械亦相對(duì)難以安裝，此時(shí)常需要手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的輔助才能更加精準(zhǔn)地實(shí)施手術(shù)，確保與術(shù)前規(guī)劃的高度吻合性。其次，術(shù)前規(guī)劃輔助模型和手術(shù)輔助器械主要僅借助CT 影像學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)可以綜合發(fā)揮不同種類影像數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，確保定位的高度精準(zhǔn)性[30-31]。對(duì)于骨骼形態(tài)重建，CT影像數(shù)據(jù)具有清晰、準(zhǔn)確的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；對(duì)于軟組織而言，MRI 則更為適用；對(duì)于復(fù)發(fā)性腫瘤病損而言，PET-CT可為手術(shù)、放療瘢痕與腫瘤病灶之間的區(qū)分提供參考。

包括紅外攝像機(jī)在內(nèi)的多種信息交互設(shè)備，都可以用于導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)手術(shù)相關(guān)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)空間定位，在完善術(shù)前三維立體建模，并于術(shù)中將數(shù)字化骨骼結(jié)構(gòu)與術(shù)區(qū)實(shí)際骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行配準(zhǔn)后，空間立體導(dǎo)航行為將開(kāi)始持續(xù)進(jìn)行，直至術(shù)者將骨盆內(nèi)植物安放至理想位置并完成安裝。除內(nèi)植物和骨骼外，在必要情況下，也可為手術(shù)中需要使用的特殊器械加裝定位信標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該器械的三維實(shí)時(shí)導(dǎo)航。除設(shè)備本身硬件功能限制外，患者解剖結(jié)構(gòu)的暴露及精準(zhǔn)定位通常是決定手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)效果優(yōu)劣的關(guān)鍵。數(shù)字化三維解剖結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實(shí)骨骼中的匹配，需要大量的“錨定點(diǎn)”作為配準(zhǔn)基礎(chǔ)，雖然手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)在一定程度上降低了內(nèi)植物安裝操作的難度，但其最終定位準(zhǔn)確性仍然對(duì)術(shù)者手術(shù)經(jīng)驗(yàn)提出了較高要求。

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)需要經(jīng)過(guò)醫(yī)工合作，并精準(zhǔn)分析轉(zhuǎn)化數(shù)字化CT、MRI 影像，繼而為3D 打印個(gè)性化骨盆病損重建手術(shù)提供可靠輔助。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)已在骨盆手術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了諸多應(yīng)用。Cartiaux等[32]利用導(dǎo)航設(shè)備實(shí)施骨盆腫瘤病損重建手術(shù)，結(jié)果表明手術(shù)位置誤差為（10±5）mm，植入物與骨骼的配合效果也很不理想，經(jīng)過(guò)設(shè)備與技術(shù)優(yōu)化，最終手術(shù)導(dǎo)航位置誤差縮減至2.8 mm 左右。Jeys 等[33]利用手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備精準(zhǔn)標(biāo)記腫瘤病灶范圍，并將骨盆腫瘤瘤內(nèi)切除率由29%降低至8.7%。Young 等[34]利用手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行包括骶骨在內(nèi)的骨盆腫瘤病損重建手術(shù)，通過(guò)術(shù)后腫瘤切緣情況判斷導(dǎo)航準(zhǔn)確性良好。Duarte 等[35]對(duì)手術(shù)導(dǎo)航指導(dǎo)下同種異體骨植骨手術(shù)模型進(jìn)行分析，認(rèn)為通過(guò)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的移植骨安放及固定后，移植骨與宿主骨配合程度更高，進(jìn)一步提升了骨愈合效果，降低骨不連發(fā)生率。上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院將計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)和3D打印個(gè)性化一體化內(nèi)植物結(jié)合，為骨盆腫瘤患者成功實(shí)施了腫瘤切除及半骨盆重建手術(shù)，該導(dǎo)航系統(tǒng)將內(nèi)植物植入精度從（3.13±1.28）mm 提升至（0.75±0.18）mm，整體精度提高3～5倍[36]。

4 展望

針對(duì)病情復(fù)雜、形態(tài)多變的骨盆病損，3D打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建是切實(shí)有效的解決方案，并有望在很大程度上提升手術(shù)規(guī)劃及內(nèi)植物制備效率、簡(jiǎn)化手術(shù)操作、提高臨床療效。目前，3D 打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建尚存在一定的局限性，存在僅關(guān)注個(gè)性化模型輔助手術(shù)規(guī)劃、個(gè)性化內(nèi)植物設(shè)計(jì)、生物力學(xué)評(píng)估、手術(shù)導(dǎo)航及術(shù)后綜合評(píng)價(jià)等的其中一個(gè)或幾個(gè)方面的問(wèn)題，尚未形成涵蓋系統(tǒng)性3D打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建的診療體系，導(dǎo)致各技術(shù)環(huán)節(jié)銜接較差，醫(yī)工交互水平受限，可應(yīng)用于臨床的診療效率降低。

3D打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建診療技術(shù)在各個(gè)環(huán)節(jié)上彼此割裂，個(gè)性化骨盆內(nèi)植物術(shù)前規(guī)劃與實(shí)際手術(shù)配合性差、手術(shù)導(dǎo)航和術(shù)中定位操作與臨床醫(yī)師手術(shù)習(xí)慣差異較大、術(shù)后三維立體內(nèi)植物位置評(píng)價(jià)研究較少等，均成為制約研發(fā)效率和臨床療效提升的“癥結(jié)”。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣，涵蓋術(shù)前診斷、手術(shù)規(guī)劃、內(nèi)植物設(shè)計(jì)、力學(xué)模擬、術(shù)中定位、手術(shù)導(dǎo)航、術(shù)后效果綜合評(píng)價(jià)等的3D打印輔助個(gè)性化骨盆病損重建診療體系將成為重要的發(fā)展方向。結(jié)合更高程度的醫(yī)工交互和綜合評(píng)估，將有望實(shí)現(xiàn)更快速地創(chuàng)新突破，使臨床治療更加高效、可靠、便捷，為骨盆病損患者帶來(lái)福音。

【利益沖突】所有作者均聲明不存在利益沖突