3D打印数字化技术辅助治疗髋臼骨折的应用进展

陆俭军　何锦威

摘要：髋臼骨折是一种关节内骨折，常累及负重关节面，并发症多，需手术治疗。髋臼的复杂性决定了其手术难度大。随着对髋臼骨折损伤的深入研究以及计算机技术及相关器械的发展，髋臼骨折的手术策略也不断向最优化、精准化方面发展。其中3D打印数字化技术在术前规划、手术模拟等个性化过程优化了内固定植入方案，实现精准化手术，取得了较好的效果。解剖复位、坚强内固定及术后早期功能锻炼是髋臼骨折治疗的关键。

关键词：髋臼骨折；3D打印；个性化

中图分类号：R445.3；R681.6 文献标志码：A 文章编号：1008-2409（2016）05-0146-05

随着社会快速发展，高能量创伤致髋臼骨折发病率明显上升，髋臼骨折占全身骨折的3%～8%。髋臼骨折常伴颅脑损伤、腹部损伤等并发症，严重影响患者生活质量，致残率及病死率高。髋臼骨折治疗是创伤骨科领域的一个难题，其难度在于髋臼骨折有较多的近、远期并发症。髋臼骨折是关节内骨折，复位要求达到解剖复位，内固定力学性能要求高。内固定作为治疗髋臼骨折的主要手段，其质量直接关系治疗疗效和预后。传统方案是术前进行X线照片及CT扫描，提供二维图像供手术医生了解病情并构建手术计划参考。手术计划只能凭医师的经验和想象能力，无法将手术全貌与成员组交流。近20多年来，“数字医学”概念的提出及在医疗领域的初步应用，信息科学目前在现代医学方面崭露头角。在外科领域，“数字医学”对外科手术产生了重要变革。通过现代计算机技术，建立解剖的人体结构模型、用于评估治疗效果的模型、用于术式评估的人路模型、用于手术练习的现场模型等。在数字化技术的指导下，数字化医学成像系统及计算机系统完成手术前的数字化规划，使得手术更加精准及个体化。如何将数字化设计的术前规划方案精准再现是一个难题，而3D打印技术在数字医学辅助下可以在髋臼骨折手术术前规划、精准实施手术之间搭起桥梁。然而，现有的数字化技术和3D打印技术在髋臼骨折的内固定治疗中仍存在一些局限，有待进一步完善。笔者就3D打印数字化技术在髋臼骨折内固定治疗中的应用进展作一综述。

1 3D打印数字化技术与传统手术的比较

1.1术前优化设计

髋臼骨折的传统手术方法是依据X线及CT横断面影像判断髋臼骨折的移位情况，并进行骨折类型分类，选定合适内固定器械及相对应的手术入路，然后完成手术。而数字化技术及3D打印技术的出现，对髋臼骨折的治疗起到划时代的作用。3D打印技术又称“快速成型技术”，是一种与传统“减材制造”技术相反、在三维数字模型的基础上采用逐层制造方式将材料堆积起来的新型“增材制造”技术。1986年，Chuck Hull发明了光固化立体印刷技术（SLA），并产生第一台3D打印机，1989年Deckard发明选择性激光烧结技术（SLS），1992年Crump发明熔融沉积成型技术（FDM），1993年Sachs发明了3D喷印技术（3DP）等，3D打印在医学中最先应用于牙科及颌面外科，近年来在骨科中的应用也日益得到重视。Wu等用3D打印技术制作了2例髋臼、1例跟骨和1例股骨内髁（Hoffa骨折）复杂骨折的骨骼模型，在模型上模拟手术，术前将钢板预弯，并明确螺钉的轨道和尺寸，使手术时间缩短，且增加了手术操作的精确度，术后X线片及CT检查显示骨折复位良好。Dai等采用3D打印技术为10例严重骨盆损伤需行半骨盆切除置换术的患者制备了骨盆模型，数字化设计手术方案，确定切除范围，设计并植入个体化假体，术中操作顺利，假体匹配良好，术后X线片示假体位置良好。Chen等利用该技术进行人工髋关节置换术，使手术时间明显缩短。Hurson等将3D技术应用于20例髋臼骨折患者，认为该技术可使医生对骨折类型更加清晰，有利于培训年轻医生。曾参军等将3D打印髋臼骨折仿真模型，体外模拟手术可使手术更加精准、安全、完美。

传统的手术设计对于复杂类型的髋臼骨折，CT提供的有限信息在手术设计方面作用有限，不能做出准确的方案。影像科提供的图像局限于几个截面的三维图像，骨科医生不能按照自己需要任意角度、方向观察骨折情况，这影响了骨科医生对骨折情况的全面了解和制定详细的术前计划。数字化设计则具有不可比拟的优势，诊断明确、通用性高，可重复和共享手术设计过程。术前运用Mimics软件利用髋臼骨折CT数据三维重建骨盆、股骨近端三维模型，运用三维编辑分离单一骨折块并去掉股骨头，能更加清晰地显示关节内的骨折块以及其方向和移位情况。在Mimics 3D界面，还能对三维模型进行任意方向和角度观察，从而能让临床医生更加细致、全面地了解患者的骨折情况，为确定髋臼骨折的治疗方案提供参考。

在内固定术前模拟演练手术操作步骤方面，数字化技术更有优势。通过虚拟复位对每个单一骨折块进行移位以恢复其解剖结构，运用复位骨折模型可以对钢板植入位置和植入螺钉方向和长度进行最优化的设计，为体外模拟内固定植入提供参考。陈宣煌等提出利用多平面三维测量设计髋臼骨折内固定植入物，能够精准定好重建钢板植入位置。宋军等应用三维重建技术虚拟模拟手术确定重建钢板位置并测量螺钉方向，对手术有一定帮助。

1.2 3D打印数字化技术可简化手术操作

3D打印骨折模型不仅能帮助医生了解骨折复位前、后情况，而且利用模型术前精确预弯钢板。在传统手术中，折弯钢板往往需要根据术中探查情况，决定钢板的安放位置，再借助铝板贴合骨面折弯出预弯雏形，然后依照铝板折弯钢板。这不仅在手术中消耗了大量时间，而且铝板折弯精确度低，位置也存在不确定性。而数字化设计结合3D打印技術能在术前折弯好钢板，提前折弯的钢板位置唯一、精确度高，术中操作简化，缩短了手术时间，减少术中软组织的剥离。

利用数字化设计确定螺钉方向和长度并在3D实物模型上进行模拟手术，省去了在术中测量螺钉长度的时间。避免术中多次透视的烦琐步骤，降低医生和患者的射线照射量，同时也减少了手术时间。张国栋等提出的基于多平面三维测量应用于髋臼骨折数字化设计的方法，通过三维切割的方式实现虚拟骨折快速复位，并预设重建钢板的植入位置，通过3D打印可以选择重建钢板进行预弯以适应复杂骨面。曾参军等提出3D打印与腹腔镜辅助的髋臼骨折手术可以显著减少透视时间和透视量。

1.3建立手术导向模板

骨盆和髋臼骨折的影像导航手术已被很多骨科医生所采用，但是导航系统耗材昂贵，且需要一定的技术，临床推广有一定难度。近年来，有学者将数字化三维重建技术、逆向工程技术和快速成形技术结合起来研究并设计出简便的导航模板，辅助拉力螺钉置入，降低了手术风险，缩短了手术时间，为现代化骨科提供了新的辅助手段和治疗理念。CT三维重建模型可以对手术区的结构进行数字化分析，在此基础上应用逆向工程技术针对螺钉进钉通道设计出导航模板模型，并利用快速成形技术将导航模板模型生成实体。术中应用导航模板进行导航，为准确进钉提供了确实的位置和方向，不仅提高了准确性，而且使内固定操作变得更加快捷、简便。陈鸿奋等将现代影像学、计算机三维重建、逆向工程技术及快速成形技术相结合，设计制作出髋臼后柱拉力螺钉进钉导航模板，实验结果表明，根据该导航模板可以准确地辅助拉力螺钉的置人。徐勇强等进行了髋臼后柱骨折顺行拉力螺钉置钉导向器的研究，通过CT数字化技术对髋臼后柱骨折顺行拉力螺钉进钉点和进钉方向的测量，为导向器的设计提供了解剖学基础，有助于提高髋臼后柱骨折顺行拉力螺钉置钉的成功率和准确性，降低手术风险和减轻手术损伤。佟矿等设计的骶髂关节骨折固定手术导向模板为骶髂关节拉力螺钉的顺利置入提供了良好的帮助。

2 3D打印数字化技术在髋臼骨折治疗中存在的问题

3D打印技术是一项新兴技术，应用于治疗髋臼骨折目前仍存在以下问题：①基础设施问题：机器设备、材料的成本不低，对计算机软件处理图形编辑操作要求较高，一定程度上阻碍了3D打印技术的推广使用。②打印模型需要时间：3D打印技术被称为“快速成型”，但是这里所说的“快速”是相对传统个性化制作而言，无法用于急诊手术。当手术计划改变时，也无法在术中进行设计。③材料的选择范围受限制，目前可以用于3D打印的材料种类不多，不同材料打印的模型经过消毒之后变形程度不同，影响模型的准确性；3D打印技术辅助治疗髋臼骨折目前尚在学习和探索阶段，未广泛推广使用。骨科医生寻找相应的应对策略弥补该技术的不足，应对措施如下：①培养一个团队专门从事术前设计以及3D打印可以解决软件操作复杂的问题。②术前由高年资的医生组织病例讨论制定详细的、规范的手术方案，尽量减少临时改变手术方案的情况；手术团队必须掌握各种髋臼骨折切开复位的方法，避免在无法行3D技术时应用传统方法完成治疗。③低温等离子消毒可以避免消毒造成模型变形的问题。

随着3D打印技术的进一步发展，数字化设计和3D打印必将在骨折治疗中普遍应用。3D打印的设备及材料的价格也会随之降低，打印精度更高、打印时间更快速。随着3D材料可选范围的扩大，打印模型质量也会更好，为临床提供更多便利。3D打印数字化技术辅助治疗髋臼骨折，通过CT扫描、骨折模型重建、虚拟骨折复位、3D打印、钢板手術前预弯、内固定植入演练等一系列步骤，完成髋臼骨折数字化内固定植入物设计完整方案。运用3D打印技术结合数字化技术为髋臼骨折制定个性化、最优化的手术方案具有直观、准确、可重复、通用性的优点。手术达到个性化、精准化、最优化，手术时间短，创伤小，康复快，并发症少，疗效满意，具有广阔发展前景。