3D导板在骨科手术中的应用与发展

王玺喆，韩小平，张杰，翟悦，张华*

(1.新疆医科大学，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆医科大学第五附属医院骨一科，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着数字化技术与医学的融合发展，3D打印技术在骨科手术中发挥着越来越重要的作用。3D打印不仅能得到高度准确的手术结果，还能减少对医师经验的依赖[1]。医师与3D打印工程师利用患者影像学资料，通过医学数字技术、计算机辅助设计(computer aided design，CAD)和快速成型技术，设计出个性化的3D导板，使骨科手术更加安全有效，提高手术的精准度，成功将虚拟手术准确地转化为实际手术。目前3D导板根据用途分为钉道导板、截骨导板及其他类，使用3D导板不仅能精准引导钉道方向与深度，确定截面、成角关系及其他复杂空间结构，缩短手术时间，减少并发症及C型臂透视次数，还能提高骨科医师的诊疗水平与手术的质量[2]。现将3D导板在骨科手术中的起源与发展、设计与打印、分类及临床应用、问题与展望方面作一综述。

1 3D导板的设计与打印

1.1 导板的设计 目前我们利用CAD与计算机辅助制造(computer aided manufacturing，CAM)能够设计出个体化的3D导板应用于手术中。3D导板是基于临床手术需要而设计，通过对患者的CT或MRI数据进行获取。由于扫描层面厚度问题，临床中常用薄层CT进行扫描后，通过医学影像系统导出医学数字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式，即原始的二维影像数据，将其导入逆向工程设计软件进行3D重建。3D数字图像重建后，数据以标准曲面细分语言(standard tessellation language，STL)格式保存，STL文件格式是3D打印最常用的格式，然后将STL格式的三维数字图像导入到CAD软件中进行设计[3]。根据术中及术者需求通过患者的骨骼或皮肤数据设计置钉导向孔或截骨导向槽，以确定置钉方向与深度或截骨的区域，设计后对3D导板的边缘进行修饰，最后通过3D打印机打印出导板模型应用于手术。

术前我们设计导板时应对手术入路、视野范围及3D导板附着处可操作性进行合理的规划，大部分3D导板设计贴附在解剖后骨骼表面上，还有些设计经皮肤体表定位进行微创置钉[4]。

1.2 导板的打印 3D导板打印利用CAM过程从CAD模型逐层制造3D对象，这种方法通过将材料熔合或沉积到基板上来创建对象。3D打印机主要包括熔融沉积模型(fused deposition model，FDM)式、立体光刻式及数字光处理式打印机等样式，其中，FDM是最常见的3D打印机的类型。各种材料可用于3D打印，包括硬塑料、柔性尼龙和热塑性聚合物、陶瓷及金属等，最常用的是聚乳酸(polylactic acid，PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene，ABS)。ABS是一种被广泛使用的材料，生产的硬塑料耐用、便宜，材料具有韧性，可制作体积较大的导板。PLA是类似ABS的热塑性塑料，但其柔韧性差，尽管PLA比ABS稍弱，由于其不需要加热床进行粘合且熔点较低，可被更多打印机使用[5]。尼龙比ABS和PLA具有更大的柔韧性，可生产出结构坚固又柔韧的模型，但成本较昂贵，可制作体积较小的导板。金属材料不仅精度与强度较高而且制作成本也高。3D导板由于材料在制作或消毒过程中会存在打印精度与误差等问题，我们需将其控制在医学可接受的范围(精度≤0.1 mm，误差≤5%)[2]。术前需对导板及手术配置的工具进行检查，根据打印材料性质选择消毒方式后可应用于手术。

2 3D导板的分类及应用

2.1 钉道导板 通过3D导板进行螺钉置入目前应用最广泛的是在脊柱手术中，3D打印在脊柱外科手术中的最初应用是创建针对患者的钻孔导向器和模板，以解决早期图像引导导航系统的一些缺点，包括笨重的立体定向阵列、高技术启动成本及增加手术时间等[6]。椎弓根螺钉固定困难且风险较高，螺钉难以快速、准确的放置，Yu等[7]研究通过12具颈椎标本设计导板，放置了164个椎弓根螺钉，准确率达到96.3%，可实现精确且安全的置钉。经文献报道[8-9]对胸椎及下颈椎尸体标本研究椎弓根螺钉设计导板并置钉也获得了相似的结论。Wang等[10]回顾性研究寰枢椎椎弓根螺钉经3D导板治疗寰枢椎骨折/脱位患者，3D打印组的螺钉放置精准度(94.1%)远高于传统固定组，表明应用3D导板置钉具有相对满意的安全性及有效性。为了提高固定螺钉的强度，减少损伤，引入了皮质骨轨迹(cortical bone trajectory，CBT)螺钉，与传统的椎弓根螺钉相比，CBT螺钉具有不同的轨迹，能够穿过更密集的骨骼。经文献报道[11-12]颈椎或胸腰椎CBT通过标本研究基于3D导板进行螺钉置入，具有良好的可行性和准确性。

传统的导板是根据骨骼的表面形态设计的，随着微创理念的普及和技术的发展，经皮固定越来越被需要。Li等[13]通过6例尸体标本设计3D导板对胸腰椎段的螺钉置入通道，术后轴向CT显示椎弓根螺钉放置准确率为98.6%。Wu等[14]研究通过3D导板对胸腰椎骨折患者进行经皮精准置钉，术后出血及辐射暴露减少，疗效可靠。对于解剖结构复杂或置钉不准确可能导致患者严重发病率的区域，3D导板可用作提高螺钉准确性的一种手段。椎弓根螺钉是脊柱畸形矫正手术中使用的主要工具之一，Chen等[15]研究10例通过3D导板技术协助脊柱畸形矫正手术，平均精准度达到86.7%，术后未发现神经系统症状，表明经3D导板的治疗提供了较高的精准性和可接受性。尽管如此，经导板置入螺钉轨迹术后偏差的发生平均为13.3%，有研究报道[16]螺钉轨迹偏差发生的概率高达17%，可能是由于导板和骨骼之间的契合度不高，也可能是放置和准备螺钉过程中螺钉轨迹导轨内存在间隙。

对于可逆期的股骨头坏死，坏死区核心减压术是一种常用的技术，以往的技术对于坏死区域精准定位是一个挑战。Bo等[17]研究了3D导板辅助下通过多孔生物陶瓷棒放置进行核心减压，与传统组相比，3D导板可缩短手术时间和透视时间，减少术中出血。髋臼骨折的微创治疗通常采用经皮拉力螺钉固定，尽管微创术式优点明显，但可能会因螺钉定位、固定不当或螺钉断裂引起死亡，故术中精准的置入螺钉非常重要。Zhang等[18]研究通过逆向工程软件对后柱髋臼骨折设计经皮3D导板固定螺钉，通过软件模拟和标本试验研究证明了其安全性和准确性，术后骨盆X线显示螺钉位置良好。Wan等[19]通过6例尸体标本设计导板，对4例新鲜舟骨骨折患者利用3D导板行经皮螺钉内固定，术后疗效满意，腕部功能良好。

2.2 截骨导板 3D导板对精确截骨、个性化截骨帮助巨大，常规术式的关节置换依靠经验确定截骨角度与厚度容易产生偏差，从而导致手术失败。3D打印能够测量和匹配患者的解剖模型，准确地重建下肢力线，提高了假体的强度和稳定性。Shen等[20]研究3D打印截骨导板辅助全膝关节置换术治疗外翻膝关节畸形，发现3D导板组的术中时间、失血量及术后平均股胫角低于常规组，临床及功能评分明显高于常规组，值得进一步推广。

由于个体的肘内翻畸形差异不同，术中有时难以获得满意的矫正，为了提高精度需要更加准确化和个性化。Zhang等[21]回顾性研究25例儿童肘内翻畸形患者，14例采用3D打印截骨导板治疗，与常规组相比，3D打印组的术后畸变矫正率达到85.8%，父母对畸形矫正术后外观的满意度，有13例为优，1例为良。有研究报道[22]，3D打印截骨导板对胫骨高位截骨术也能取得较好的术后疗效，增加了手术的精准性，且术后胫骨后倾角不增大，操作易掌握。脊柱截骨是重建矢状面和冠状面线形、改善平衡和行走的关键，精准又良好的截骨面的确定是手术成功的重要因素。Pijpker等[23]通过对一名严重的先天性后凸畸形的12岁女孩个性化设计3D截骨导板，应用于技术要求较高的经椎弓根椎体截骨术，术后X线显示畸形得到良好的矫正，后凸角度从74°减小到22°，术后未见明显神经损伤症状，表明使用个性化设计3D截骨导板可使脊柱截骨术更加安全可靠。

2.3 其他类型导板 该类型主要是钉道或截骨导板未直接包含在内的其他导板，用于髋臼骨折内固定的钢板和螺钉的精确复位和放置是临床上的挑战。Merema等[24]对1例髋臼骨折的48岁男性患者，采用3D打印个体化设计钢板与钻孔导板，术后X线显示钢板和螺钉位置良好，表明该法能提高医师的效率及骨折复位的质量。有研究通过实验研究表明个体化的3D打印钢板和钻孔导板可以帮助髋臼骨折精确的复位和固定[25]。Blakeney等[26]通过个体化骨盆的模型定制3D截骨导板应用在盆腔软骨肉瘤上达到精确切除。Tu等[27]研究了9例矫正强直性脊柱炎继发的严重脊柱侧凸患者，采用个体化3D导板进行精确的截骨导板与椎弓根螺钉导板，术后X线显示矫形角度及效果良好，能够提供精确的畸形矫正和脊柱序列重建。其他类型的导板未见文献报道。

3 问题与展望

目前3D导板在骨科手术的应用上仍存在一些问题：(1)图像处理和3D打印耗时较长，不能应用在急诊手术中；(2)对于打印材料的选择和打印导板的消毒方法尚存在缺陷，消毒灭菌方法错误可能导致精准度降低甚至变形；(3)许多医院没有数字化3D打印室及工程师，缺乏相关设备和技术，对逆向工程软件掌握不足，不利于3D打印的推广；(4)3D打印工程师设计导板可能与术者对手术的理解不太一致，影响手术的实际进行。因此，骨科医师在此过程中需处于主导地位，不能过于依赖3D打印工程师。因为3D打印技术只是实现医疗过程的一种手段，以服务临床为目的。尽管3D导板应用广泛，但与传统术式相比仍缺乏大样本量的长期病例随访研究[28]。

综上所述，骨科3D导板的应用体现了个性化手术治疗的优势。目前，中华医学会医学工程分会数字骨科学组已经在2019年1月发布了《3D打印骨科手术导板技术标准专家共识》[2]，相信在不久的将来，随着国家及行业完善3D导板标准，创新技术不断的引入骨科领域，使3D导板在骨科领域中的临床价值和发展前景越来越好。