3D 打印在桡骨远端骨折治疗康复中的应用

白哲豪

（中国矿业大学， 江苏 徐州 221116）

0 引言

3D 打印时快速成型技术的一种， 又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础， 运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。由于这一技术制造的产品精度高、 材料利用率高、 方便成型，同时又十分有利于个性化设计，因此近年来的发展非常迅速，逐渐融入各行各业，与人们的生活联系在一起。3D 打印技术的特点决定了它能制造多种复杂的、不规则的模型， 因此， 这项技术在医学领域有了广阔的发展空间。 3D 打印技术在中国医疗行业的应用始于20 世纪80年代后期，最初主要用于快速制造3D 医疗模型，助力医患沟通、判断病情及手术规划[1]。 随着技术的革新，3D 打印已开始逐渐满足人们对精准化、个性化医疗的需求，这一技术在医疗行业的应用得到显著发展， 根据生物相容性由低到高又分为4 个层次：3D 打印医疗模型、 个体化辅助导板、内植物、生物3D 打印[2]。 这些技术目前已广泛应用于口腔医学、脊柱外科、头颈外科、神经外科、心脏外科及其他学科。 在未来，随着技术的发展进步，3D 打印也将更深、更广地应用在医学领域。

1 桡骨远端骨折与一般治疗康复方法

桡骨远端骨折是指发生在桡骨远端3cm 之内的骨折，是骨科最常见的临床骨折之一，占急诊骨折的1/6 和全身性骨折的6.7%[3]。由于现代社会工作及生活节奏的加快，车祸、高处坠落等导致桡骨远端严重骨折的发生率也在升高。 另外，我国的老年人口逐渐增多，随着老龄化时代的到来，其发病率也有所增加。 目前，桡骨远端骨折主要的治疗方法为手术治疗和保守治疗两种方式。 对于手术治疗， 目前切开复位掌侧锁定钢板内固定能解决临床上大部分桡骨远端骨折，而外固定支架、经皮穿针术、非手术治疗等方法也有一定的适用范围[4]。 保守治疗主要包括石膏或小夹板固定，以限制手腕复位后腕关节的运动，维持一段时间后实现临床愈合。 高维旭等[5]的研究表明，对于成人桡骨远端骨折，在远期功能方面，手法复位石膏托外固定与切开复位钢板内固定治疗效果相似。 相比保守治疗，手术的成本相对较高，风险较大，而保守治疗具有操作简单，安全性好，复位效果明显等优点，所以多数人更愿意选择保守治疗。

对于手法复位的保守治疗来说，一般应配合石膏、夹板或矫形器进行固定，以防止复位后的骨骼发生位移，影响康复。 大部分佩戴夹板或矫形器的患者经适当功能锻炼后多不影响日常生活，疗效满意。 然而，一般的石膏或夹板都存在各自的问题。 普通石膏虽然有良好的可塑形性，尽可能贴合患者体表，但透气性较差，易发生湿疹、皮肤过敏等皮肤病。如果对骨折部位包扎过紧，可能造成肢体骨筋膜室综合征，肌肉缺血、坏死，进而发生缺血性肌挛缩，甚至肢体坏疽。 而采用夹板固定时，虽然比石膏更舒适， 但患肢的局部活动性大， 复位后容易发生二次移位。3D 打印技术的出现与发展为制造兼具夹板与石膏优点的固定支具提供过了可能。

2 3D 打印夹板在桡骨远端骨折康复中的应用

为了解决传统外固定支具和矫形器的问题，3D 打印的夹板在满足功能的情况下，有足够的强度和舒适度，同时也要足够具备个性化。从现有研究来看，3D 打印夹板的设计方法与过程各不相同，但总体思路是类似的：首先通过扫描获取患者受伤部位体表模型， 再根据体表模型制作并细化夹板的三维模型， 最后使用3D 打印进行制造。其设计过程在大方向上与一般的逆向设计并无太大差异。 对于康复夹板的设计，也有一些具体的研究方向，包括扫描方式的选择、夹板重量与舒适度的优化设计、夹板的个性化设计以及夹板材料与加工方式的选择等方面。

目前常见的扫描方式有计算机断层成像（Computed Tomography，简称CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）以及三维扫描等方式。阿依古丽·喀斯木[6]在手指屈肌腱损伤定制化支具的设计过程中，使用CT 对患者小臂及手部进行扫描，得到手臂的三维模型数据。 廖政文[7]用MRI 技术扫描上肢，采集上肢肘以下前臂部分影像数据，设计矫形器的模型。 成思源等[8]研究了基于三维扫描技术的个性化设计，并设计制作了个性化手臂夹板模型。 由上述研究成果可知，三种扫描方式都可以较好地获取人体的局部三维模型，但由于患者一般都在医院中，能够很方便地使用CT 和MRI 技术，所以多数相关研究都使用这两种技术对患者进行扫描。 因此，所选取的扫描方式若没有特别规定，应取决于环境与设备条件。

在3D 打印夹板设计与验证方面，Fernando Blaya 等[9]的研究针对夹板本身进行改良设计，详细描述了3D 打印夹板从扫描、建模、设计细化到制造的全部过程。 夹板分为上下两部分，通过Rhino 建模，在夹板上加入便于固定的孔洞，以方便医师拆装。在设计细化过程中使用三维软件对夹板模型进行切除， 剪切不必要的部分以在夹板表面上形成孔洞，同时达到减轻重量与透气的目的。

曾焘等[10]使用3D 打印支具与传统小夹板结合的方式，选取60 例骨折，分为对照组和试验组。 其中，对照组30 例全程采用小夹板外固定，试验组则使用夹板外固定1 周后改为3D 打印支具外固定。 在设计制造支具的过程中也充分考虑到透气性问题，但与上述研究不同，这个透气孔是较为密集的小孔，可以最大限度地保持夹板强度。最后得出结论，3D 打印支具的加入使患者的康复效果得到明显改善。

胡超燕等[11]在3D 打印外固定支具的基础上，使用伤科紫草油辅助进行康复。伤科紫草油具有治疗跌打肿痛、骨折、软组织损伤及烫伤未溃等功效的一种外用搽剂。试验结果表明3D 打印外固定支具联合伤科紫草油治疗桡骨远端骨折效果确切，可有效改善患者腕关节功能，减轻患者痛苦，提升康复质量。这一结果也为新型支具与传统方法结合的治疗方法提供了重要参考。

3D 打印夹板上的开孔既可以减轻夹板重量，又可以增加透气性，使其佩戴更加舒适。 Francesco Buonamici 等[12]在按照常规流程设计制作3D 打印夹板的同时，提出了使用CAD 软件确定在保证强度的前提下确定开孔位置的方法，在不损失强度的前提下减轻夹板重量，为夹板的优化设计提供了参考。

在其他一些研究中，Berntsen Christian 等[13]也在其关于矫形器设计制造的研究中进行了康复效果的对比。除此之外，3D 打印夹板还有其他可以改进的设计。刘非等[14]提出设计人员可以按照患者的喜好选取数据库中的个性化透气孔的浮雕图案， 也可以按照患者的喜好选取数据库中的锁紧装置，以此来实现夹板的个性化设计，不仅从生理上， 也从心理上减轻了患者使用夹板的负担。 Abby Megan Paterson[15]在其研究中对不同的快速成型方式进行了比较。 邵景娇等[16]研究了几种夹板或矫形器的制作材料并分析各自的优势与不足。这些研究对于3D 打印夹板的设计改进有重要的意义。

3 结束语

从上述研究结果来看，3D 打印夹板或支具的主要优势在于造型不受传统加工工艺的限制， 在软件中就可以完成模型细化、减重等大部分工作，甚至可以直接进行有限元分析，以确保夹板在使用过程中不会损坏，或根据分析结果对夹板进一步优化。 同时，3D 打印夹板与一些传统方法的配合使用也有明显的效果， 这也是未来的一个重要研究方向。然而，其缺点也是比较明显的。首先，需要医师了解3D 打印相关知识，并掌握建模等技能， 需要付出额外的学习成本；其次，虽然3D 打印技术已有了巨大的进步，但若要打印精细的模型，仍需要较高的时间与经济成本。 这是由于我国3D 打印产业尚处于初级阶段，市场发展缓慢，虽然取得一些成果，但与发达国家相比仍存在一定差距[1]。 市场尚未完全普及也造成了较高的成本。但是，随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，科学、理性地制定3D打印技术的产业化发展阶段和路径， 形成技术的产业链和法规的规范化，3D 打印技术在医学领域方面的应用也将被推向更高的层面， 在技术与市场两个方向都取得一定的进展后，3D 打印夹板本身的设计，包括扫描、优化与制造，会逐步形成完整的规范，更有效率地生产个性化产品。 同时，3D 打印夹板与其他康复方法的配合使用相关研究也会取得相应的进展。 总之，3D 打印技术在桡骨远端骨折的治疗与康复中依然有广阔的前景。