3D打印技术在骨盆手术中的应用

李焕龙 耿承奎 陈帅 甘学文 熊鹰

昆明医科大学附属延安医院骨科（昆明650051）

骨盆是一个环状结构，前环由耻骨支、坐骨支及耻骨联合构成，后环由骶骨、髋骨后部及骶髂关节构成。前环结构对骨盆的稳定性起40%作用，后部结构占稳定作用的60%［1-3］。由于其解剖结构复杂，毗邻众多血管神经，骨盆手术一直是一个挑战，骨盆手术目的在于恢复骨盆环状结构，从而恢复骨盆的生物力学性能。3D 打印是目前医学领域研究的热点之一，可用于制作各种器官、组织和药物输送装置［4-5］。随着数字骨科的兴起，骨科学诊疗逐步从经验化、大体化、轮廓化向标准化、精准化及微创化的方向发展。3D 打印以其高精度、个性化、可定制、快速制造等特点，成为数字化技术的重要组成部分，也是实现各种骨科手术个体化、精准化的有效手段［6］。3D 打印技术广泛应用于多个外科领域，创伤外科占比最大，为45.18%：由膝（30.70%）、髋（8.33%）、肩（2.19%）和手（1.75%）组成［7］。由于骨盆解剖结构的不规则性及邻近重要血管神经，手术入路有限，充分的术前计划对于取得良好的临床效果，减少术后并发症至关重要［8］。现在就3D 打印技术在骨盆手术中的应用展开综述。

1 3D 打印技术

CHARLES HULL 被认为是三维打印之父，于1984年率先开发了STL 文件类型，3D 打印机使用STL 文件生成G 代码，G 代码是打印机识别的工作指令［9-10］。3D 打印技术是利用计算机辅助技术构建数字模型，用各种材料逐层生成真实物体，因此也称为“增材制造”技术。目前，国内外3D 打印领域中根据打印材料不同，已有近20 种不同的工艺系统［11］。3D 打印医用材料包括：陶瓷材料、金属和金属合金、医用高分子材料以及天然生物材料（包括水凝胶、组织、器官、肽、DNA 和细胞）。3D打印技术实现质的飞越，需要在材料学上有重大突破，目前的研究重点是寻找一种能有效诱导和促进损伤组织再生修复的生物活性材料［12-14］。生物打印是通过精确组装细胞和细胞基质，逐层实现高度精确的仿生结构，对人工组织和器官进行3D 打印［15］。3D 生物打印正处起步阶段，在这一阶段中，3D 打印技术可以将多种生物材料和细胞类型制成在尺寸和几何结构上接近临床实物的结构。在骨组织工程中，骨与软骨的生物打印已经初步获得成功，如MÜLLER 等［16］利用海藻酸盐与纳米纤维素进行作为材料打印出高保真度和稳定性的软骨结构。INZANA 等［17］使用改进的基于喷墨打印机的3D 打印机制作了磷酸钙-胶原复合骨支架，并证实具有骨传导和生物降解性。在体外利用3D 打印技术生成个性化的三维生物功能结构是未来的方向，而血管构建作为功能性生物器官三维打印的关键，同样取得不错的进步。ZHU等［18］使用微型连续光学生物打印（μCOB），观察到功能性微血管的形成。无论是非活体3D 打印植入式结构还是3D 生物打印在医学的损伤修复中都表现出巨大潜力。

2 3D 打印骨盆骨折模型用于手术计划

复杂骨科手术需要精心的术前计划和仔细的执行。3D 打印技术能够快速构建精确的骨折模型及特定病人的解剖模型。这可以提高外科医生对病人病理解剖的认识，也便于外科医生可以观察、测量，同时可以在模型上进行手术。过去手术医生通常通过影像学图像在大脑中预演整个手术过程，现在3D 打印出的骨折模型让外科医生可以在模型上完成这一过程［19-20］。这可以让术者发现手术操作中潜在的困难，找出最佳的手术方案。3D 打印技术已被用于复杂病例的手术计划，旨在减少手术时间和并发症的风险［21］。汪松等［22］对3D 打印模型在骨盆骨折手术中的应用进行了meta 分析结果：在术中出血量、手术时间及骨折复位质量Matta 评分上优势明显。CHEN 等［23］使用3D 打印骨盆模型进行术前计划，他们认为3D 打印模型的应用可以减少手术时间和失血量，提高外科植入物准备的准确性。骨盆的解剖存在特殊性，考虑到个体之间的形态差异和骨折的不同类型，找到一个适合每个患者的通用轮廓固定板并在术中获得最佳的解剖轮廓是困难的。ZENG等［24］报道使用骨盆骨折模型术前预弯钢板，术中可精确找到的与预弯钢板完全吻合的实体位置，这是实现完美手术的保证，同时借此可以对骨盆骨折手术入路进行改良。HUNG 等［25］报道使用3D打印模型应用于骨盆前环的骨折获得相同结果，同时他们认为手术计划通常24 h 内就能完成。这对于骨盆骨折来说，并没有与骨盆骨折的最佳治疗时间冲突，因为在骨盆骨折中，建议至少在受伤后5 ～10 d 内进行手术。BAGARIA 等［26］进行了一项多中心研究，评估3D 打印模型的益处和实用性。报告指出该模型能准确地反映了解剖结构，有助于术前计划和减少手术时间。但所有参与研究的手术医生否认骨折模型会改变他们的术前计划。

总体而言，将3D 打印模型作为围手术期计划的一部分，在术中指标方面显示出一致的改善，但对手术结果没有显著影响。对于经验丰富的外科医生和简单骨折，使用三维模型对于手术本身效益并不是很大。三维模型的未来应用应侧重于训练年轻的外科医生，以及应用于在复杂骨折中，还可以用于临床教学与医患沟通，到达减低医患沟通难度，提高患者的满意度的目的，对于减少医疗纠纷有一定的间接作用［27-28］。

3 3D 打印导板技术使手术微创、简单化

完美的术前计划可以通过3D 打印手术导板实现，导板引导术者按术前规划进行顺利的术中定位、定点，从而精确引导钉道方向和深度，提高手术操作的精准性和安全性，使手术微创、简单化。保证这一过程的精准实施，对3D 模型和导板的精准性要求很高。杨光等［29］介绍了一种基于图像灰度的层间插值算法，克服了扫描方向的台阶效应，使原始数据层之间实现平缓过度。从而获得了完整、光顺的骨盆模型和手术导板，提高了手术的准确性和安全性。导板分为体外导板及体内导板，在骨盆手术中导板主要应用于骶髂关节的固定手术、骨盆前环及髋臼壁骨折手术中，两者的适应证都是：骨折移位不明显或通过术前牵引基本达到复位要求的患者。

体内导板即将导板置于体内的骨性标志上引导术者置钉，ZHOU 等［30］对3D 打印导板技术与X线透视引导下骶髂螺钉置入进行对比研究，导板技术能显著降低手术时间与透视次数。这与CAI等［31］的结果相一致。YANG 等［32］认为3D 打印导板辅助治疗不稳定性骨盆骨折有助于精确植入螺钉、降低血管神经损伤风险。体内导板术中需要精确、彻底地剥离局部软组织，暴露骨性标志，导板与骨性标志贴附性的好坏是手术成功的关键。与之相比体外导板无需剥离软组织，暴露骨性标志，从而更加微创。体外导板即借助骨盆外固定支架或者植入外固定针作为导板的定位标志。YANG 等［33］使用体外模板植入37 枚螺钉，相比传统的透视引导技术在手术时间、透视时间和准确率上都有显著优势。导板的稳固性直接影响置钉准确率，因此建议减小导板与皮肤接触面积，增加定位针间距，导向套应紧密接触导针以及使用高强度材料建造导板，以此提升导板稳定性。姚升等［34］在髂嵴植入2 枚外固定针作为体外定位标志，体外导板辅助经皮微创置钉，获得了相同的结果。他们认为皮肤等软组织干扰产生的偏差常常可以忽略，但体外导板需要相对稳固的外固定针作为定位标志，定位针的植入属额外手术操作，需与患者充分沟通。

3D 打印导板也存在一定局限性，个体化精细的3D 打印导板对于需要高分辨率影像设备，导板的设计及制作有一定的学习曲线［35-36］，软件数据转换编辑造成的骨盆模型与真实骨性标本的细微差距、导板的大小、打印材料的特性、术中导板稳定性、电钻的应用等因素都会影响导板的准确性。目前，研究样本较少，完全替代透视引导技术还需要进一步的应用和研究。

4 3D 打印技术在骨盆肿瘤中的应用价值

骨盆是转移性骨肿瘤的第三常见部位，约占原发转移性骨肿瘤的10% ～15%［37］。骨盆肿瘤治疗的公认的步骤是肿瘤切除和骨盆重建。切除术是尽可能多的切除肿瘤，以保证肿瘤的安全边缘，防止肿瘤复发。骨盆重建的目的在于提高患者的生存质量。由于传统骨盆假体的匹配度差，术后并发症多，为了满足假体的植入，通常需要进行骨盆大段截骨。三维打印技术以其个性化的、高精度及快速可获得性制造，在骨盆肿瘤手术上显现出无可比拟的优越性［38］。从模拟手术完成术前规划，到术中导板精确截骨平面，再到3D 打印假体的植入物重建，3D 打印技术在骨盆肿瘤手术应用中越来越广泛，更好地完成了恶性肿瘤的保肢治疗。

4.1 植入假体重建骨盆肿瘤切除后骨缺损骨盆肿瘤切除后骨缺损重建是一个极具挑战性的问题，随着3D 打印技术的飞速发展，传统假体已逐渐被3D 打印个性化假体所取代［39］。LIANG 等［40］用3D 打印设计出螺杆连接半骨盆假体，由骶骨部件、髋臼环和椎弓根螺钉组配而成，可根据术中情况进行灵活应用，在短期随访中效果良好。WANG 等［41］详细报道了三维打印定制半骨盆假体重建设计及相关手术技术。他们认为多孔结构和良好的初始稳定性是提升骨整合获得良好长期疗效的重要保障。通过调节多孔结构的体积比例来调节假体的重量，实现假体与切除组织重量相等。有研究表明，直径在400 ～700 mm 之间、孔隙率在51% ～73%之间的大孔结构最能诱导骨生长［42-43］。ANGELINI 等［44］将3D 打印假体用于翻修手术和肿瘤重建手术中，1年和2年的总生存率分别为100%和80%。获得了骨缺损的良好修复和较好的功能评分（平均分为80.3%）。WANG 等［45］随访了骨盆恶性肿瘤切除后使用3D 打印假体进行功能重建的13 例患者，随访中他们发现种植体都骨性结合良好，早期功能恢复可。LI 等［46］对3D打印半骨盆假体进行了生物力学分析，结果完整骨盆模型和重建骨盆模型的受力情况没有明显差异，比较截骨术前后的差异，发现假体对对侧影响不大。因此，3D 打印假体拥有足够的机械性能和结构稳定性。ANGELINI 等［47］对3D 打印定制假体重建骨缺损的41 名患者进行回顾性分析，5年随访总生存率为89%，并发症发生率为22%（9/41例），主要是骨盆重建中的伤口感染问题。在其他类型的骨盆重建中，内半骨盆切除术后的感染率在10% ～47%之间，切除和假体重建术后的感染率在11% ～38%之间［48］。因此，3D 打印定制假体进行骨盆重建，并发症的发生率是可以接受的。

3D 打印的假体目前存在的主要问题是随访时间较短，样本量小，长期稳定性，假体的功能结果和寿命还需要进行进一步研究。但是，3D 打印假体作为一种有新兴的重建技术，可以替代大块同种异体骨移植，或者在无法使用模块化假体的情况下使用，且有良好的有效性和安全性。

4.2 病人专用器械（patient-specific instrumentation，PSI）在骨盆肿瘤切除中的应用价值骨盆骨肿瘤的治疗中，获得足够的切除边缘是最重要的预后因素，切除过少可能导致高局部复发率，切除过多可能导致重建骨不足，影响肢体功能。因此，提高盆腔肿瘤切除的准确性是十分必要的。PSI是基于3D 打印的一种引导个性化截骨的工具。在脊柱外科、关节置换及肿瘤切除中都有报道。SALLENT 等［49］在尸体模型中评估PSI 在骨盆肿瘤切除术中的准确性。与标准手工技术相比，PSI 引导下的骶髂截骨术平均改善9.6 mm，双侧髋臼上截骨术平均改善6.2 mm 和5.8 mm，坐骨截骨术平均改善3 mm 和2.2 mm。PARK 等［50］人对使用PSI对12 例骨科肿瘤患者进行截骨手术，最大切割误差仅为3 mm。最大限度地保留了关节、韧带和肌腱，从而确保了术后肢体功能。同时他们建议在皮质骨较厚的截骨手术中，使用双向切割导向器是有必要的。PSI 与计算机导航系统都是目前研究的热点，在骨盆肿瘤切除术中，两者的准确性优均于传统技术［51］。不少文献对两者也进行了比较，WONG 等［52］对尸体进行髋臼周围骨盆肿瘤手术，对比患者专用器械和计算机导航系统的准确性和切除时间，结果两组均能达到临床可接受的精确性，平均偏差＜2 mm。导航组骨切除所需的平均时间明显大于PSI 组。计算机导航系统，可以根据术中情况提供术中反馈，调整截骨平面，这是PSI 无法实现的。但PSI 技术可以在实现相同的可接受的切割精度下，使用时间更少，费用更低，且学习曲线更短，在骨盆骨肿瘤手术中需要手术医生结合实际情况对手术方式作出选择。

5 总结与展望

3D 打印技术正在影响骨科手术的计划和实施，借助3D 打印技术骨科手术向个性化，精准化向前迈了一大步。3D 打印技术对提升临床医生水平，提升复杂的手术安全性，产生了积极作用。现在使用3D 生物打印技术能实现静态的生理几何机构的制造，无法随周围动态环境的改变而改变。为了克服这一问题，学者们提出了4D 打印，即在3D 打印的基础上添加“时间”概念，在特定的环境中，随着时间的推移，先进材料的形状或功能对外界刺激可以程序性作出及时反应［53］。无论是3D 打印还是4D 打印两者的发展都需要打破现有材料学的局限性，随着材料学的进步基于4D、3D的骨科将造福更多患者。