基于CAD的3D打印技术在复杂骨科疾病治疗中的应用综述

周 燚，吴岫霏，张晓萱，陈莉莉，贾梦滢，寇红艳

（川北医学院附属医院胃肠外科，四川南充 637000）

0 引言

在临床中，由于感染、骨结构病变等原因常会导致各种复杂骨科疾病，如脊柱肿瘤和畸形、骨盆和髋臼等复杂骨折[1]。目前，手术仍是该类疾病的主要治疗方式[2]，但随着科学技术的不断发展，基于计算机辅助设计（computer aided design，CAD）的3D打印技术日渐成熟，在骨科领域发挥了重要作用。通过基于CAD的3D打印技术，医生在术前可以清晰地了解到患者病变部位的解剖和病理情况，避免了以往依据经验判断的粗略性，并可按照患者病理情况设计个性化手术方式。同时可以利用X射线、CT等影像数据进行3D重建，进而在虚拟手术中模拟手术、构建植入物，以帮助医生指导临床实践[3]。本文将对基于CAD的3D打印技术在复杂骨科疾病治疗中的应用研究进行综述。

1 CAD与3D打印技术介绍

CAD是以计算机系统及图形软件为基础辅助设计人员设计图形、存储信息和优化工作方案，常用来构建图形、辅助虚拟手术，并帮助完成手术[4]。而3D打印技术是以数字模型文件为基础，通过分子材料、金属和非金属材料及复合材料等多种原材料逐层堆积来制造各种复杂模型的技术[5-6]，其主要包括立体光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）等多种技术[7]。基于CAD的3D打印技术可对复杂骨科疾病患者进行3D建模，并对手术部位进行复位，不断优化手术入路，实现精准复位和模拟手术，从而确保手术成功，促进患者疾病康复，因此在骨科领域中具有显著优势。目前，此技术在骨科复杂疾病领域中被广泛用于设计医疗植入物、术前可视化手术复位、术后疗效评价等方面[8-11]。

2 基于CAD的3D打印技术在复杂骨科疾病治疗中的应用

目前，骨科复杂疾病多由外伤、高空坠物或车祸等高能量创伤引起，常合并多种血管、神经、脏器的损伤。研究表明，虽然术前利用CAD联合3D打印技术治疗复杂骨折疾病需要不同的手术策略，且打印个性化模型耗费时间较长，但对于骨科复杂创伤仍具有重要临床价值[12]。3D打印技术正快速渗透到复杂骨科疾病治疗的各个领域，包括口腔颌面外科疾病、脊柱脊病、四肢骨折、骨盆骨折等多方面。

2.1 应用于口腔颌面外科疾病治疗

由肿瘤、创伤或先天性疾病等因素所引起的大型口腔颌面缺损常常导致患者语言、吞咽、咀嚼等功能障碍，不仅影响其生活质量，还导致自我形象障碍，易出现心理问题。而颅面重建不仅需要恢复解剖功能和美学特征，还要考虑颅面生长情况，因此口腔颌面缺损是头颈部手术中最具挑战的疾病之一。

研究表明，利用基于CAD的3D打印技术制作的模型可为高级口腔颌面外科手术提供术前规划[13]。李富涛等[14]发现将采用CAD结合3D打印技术制作的钛板（如图1所示）用于下颌骨重建患者时可获得令人满意的效果，但虚拟手术和实际操作存在差异，必须在术中根据情况适当调整手术导板，而利用颌面部定位仪可解决上述问题。杨光辉等[15]将基于CAD的3D打印技术应用于6例颌面缺损与畸形患者的治疗，在术前利用镜像原理打印头模，通过3D头模全面了解眶底骨折状况，完成了生物修复板精准预弯，术后患者面型恢复良好，提高了手术质量。当医生用传统方式治疗粉碎性下颌骨骨折时，会因严重的骨移位无法完成解剖复位。Ma等[16]基于CAD采用SLM技术制造钛网托盘，进行下颌骨复位和植骨重建，患者术后恢复良好且对手术十分满意。但3D打印钛网托盘的应用较少，长期效果仍待于进一步评估。

图1 3D打印钛板用于下颌骨重建[14]

随着3D打印技术的发展及CAD软件的普及，3D打印技术在口腔颌面外科中的应用前景将更加广阔，未来还需要不断探索。

2.2 应用于脊柱疾病治疗

由于脊柱解剖结构复杂、靠近神经和脊髓，特别是颈胸腰椎等部位的手术难度和风险较大，因此常需要联合术前精准化的手术规划和3D打印技术[17]。而胸腰椎骨折为脊柱损伤中的常见类型，常通过3D打印技术制作椎骨模型完成胸腰椎固定术，可提高置钉率，减少手术误差，以恢复椎骨的生理弧度和功能[18-20]。Naddeo等[21]利用基于CAD的打印技术设计了一款胸廓模板并应用于胸椎手术患者，可获得理想的手术效果。王雅辉等[20]采用基于CAD的3D打印技术建立胸腰椎骨折患者的脊柱模型，在模型中对伤椎置钉角度、椎弓根钉长度以及置入准确度等进行充分测量和模拟，医生根据术前测量结果进行手术，术后发现采用3D技术组明显优于常规组（采取CT检查确定螺钉置入情况），这与邹伟民等[22]的研究结果一致。这些研究可充分证明在脊柱外科手术中运用基于CAD的3D打印技术不仅利于医生确定手术范围、降低手术风险，还能获得良好的临床效果。

迄今为止，严重的脊柱畸形和脊柱肿瘤对脊柱外科医生来说仍具有挑战，而传统影像数据对于术前规划及术中指导仍存在缺陷。Pan等[23]的研究发现，采用基于CAD的3D打印技术制作模型不仅可优化术前方案、指导术中手术等，还能辅助脊柱畸形手术的术前评估和脊柱矫正，从而提高手术效果。Jiang等[24]利用CAD建立脊柱模型，并以3D打印的模型来模拟成人脊柱后侧凸畸形手术以确定不同节段脊柱椎弓根螺钉置入长度、粗细及角度，术后12例脊柱患者恢复良好，手术更安全、准确。虽然3D打印技术能提高脊柱畸形手术的效率，但医生仍需要对螺钉置入点和方向做出判断。而Liang等[25]指出，当医生对严重脊柱畸形患者进行矫正手术时，仅在椎弓根放置最困难的区域使用3D钻孔导向模板就可以提高螺钉放置的准确性，减少螺钉放置时间，还能减轻患者的经济负担。

综上表明，将基于CAD的3D打印技术应用于复杂脊柱疾病治疗中值得在临床中推广，在未来能够发挥更大的优势。

2.3 应用于四肢骨折治疗

四肢骨折是由多种暴力因素导致骨连接中断，常见的骨折类型有股骨干、肱骨、肩胛骨骨折等，多数表现为相应部位活动受限、骨骼畸形、功能障碍等，而复杂的四肢骨折主要是浮肩损伤、锁骨骨折、长骨骨折（多为胫骨和股骨干骨折）、足部骨折（多为跟骨骨折）等。

肩关节是人体解剖结构最复杂的关节，可通过协调骨骼或肌肉运动从而带动身体活动。对浮肩损伤患者来说，采用基于CAD的3D打印技术制作肩模反复模拟手术操作，能优化手术方案，术后患者肩关节功能恢复良好[26]。即使医生会因复杂锁骨骨折的解剖形状而推迟手术，但使用基于CAD的3D打印技术制作锁骨模型（如图2所示）、截骨导板来确定畸形锁骨顶点、模拟截骨手术，最后根据术前计划进行手术，患者可在术后6个月恢复正常生活[27]。

图2 用于治疗复杂锁骨骨折的3D打印模型[27]

目前，基于CAD的3D打印技术多用于复杂胫骨平台骨折患者的治疗。Nie等[28]根据13例SchatzkerⅤ～Ⅵ型胫骨骨折患者的CT图像，利用基于CAD的3D打印技术制作骨折模型，并在模拟手术过程中选择合适的钢板、螺钉类型和尺寸，为医生执行手术减少了时间和难度。Shen等[29]发现可在采用基于CAD的3D打印技术制作的胫骨模型上行复杂胫骨骨折的复位、模拟和固定（如图3所示），以更准确地帮助医生记录骨折碎片数量、放置钢板及确定置入螺钉的位置等，术后患者恢复较好，这与Wu等[30]的结论一致。

图3 在3D打印胫骨模型上进行体外模拟和固定[29]

在足踝部骨折中，Dekker等[31]基于CAD使用个性化3D打印钛植入物辅助治疗15名严重足踝部骨折患者，在进行关节融合手术时发现，尽管3D打印钛植入物前期成本较高，但能满足下肢骨折患者特定的需求，同时能改善下肢功能，提高患者满意度。

以上研究表明基于CAD的3D打印技术给四肢骨折患者治疗带来了积极效果，将在四肢骨折治疗中发挥更大的作用。

2.4 应用于骨盆骨折治疗

骨盆是由骶、尾骨和左右两髋骨连接而成的骨架，既可支撑体质量，还能容纳和保护盆腔脏器。骨盆受到暴力后易发生骨折，骨块矫正和复位难度大、手术时间过长，而通过CAD结合SLM技术设计和制作钛合金接骨板可解决上述问题，并达到修复断骨、减小手术切口及恢复骨盆功能的作用[32]。Wu等[33]术前通过基于CAD的3D打印技术制作3D骨盆模型和手术导航模板治疗不稳定型骨盆骨折患者，预先在模型上进行钢板的预弯、模拟手术，术后患者恢复良好，表明采用基于CAD的3D打印技术制作模型可应用于不稳定型骨盆骨折手术。Wang等[34]的Meta分析发现，在7项利用CAD结合3D打印技术辅助骨盆骨折手术的研究中，使用3D打印模型更利于手术和术后骨折复位。而Hung等[35]发现，无论术前是否用基于CAD的3D打印技术制作模型来辅助复杂骨盆骨折手术都无法缩短老年患者住院时间，可能与小样本群体、患者初始损伤程度等有关。

髋臼是人体髋关节的重要组成部分，因髋关节负重大、活动度大，所以极易受损。髋臼骨折在一定程度上属于骨盆骨折的范畴。Zampelis等[36]基于CAD使用3D打印钛植入物修复大髋臼缺损，种植体位置与髋臼缺损的结构之间存在一致性，但仍需长期随访。Wan等[37]进一步证实利用计算机虚拟复位联合3D打印技术可治疗复杂髋臼骨折，且不影响复位与关节功能恢复，具有重要的临床价值。Meesters等[38]比较了19个髋臼骨折患者利用基于CAD的3D打印技术辅助手术的研究，结果发现3D打印组优于传统手术组，但改善患者骨折复位和关节功能的证据有限，可能与人群的特异性、观察者之间的差异性和研究的异质性等有关。

应用3D打印技术与CAD模拟手术过程为复杂骨盆骨折治疗提供了一种新颖的解决方案，有助于提高手术成功率、优化手术效果，对复杂骨盆骨折患者有诸多益处。

3 基于CAD的3D打印技术在复杂骨科疾病治疗中的优势

3.1 可实现个性化手术

在传统手术中，医生通过X射线、CT等获取患者的影像学资料，经过团队分析和讨论完善术前方案，然后凭借医生的专业能力、临床经验及手术技能的成熟度进行手术。而基于CAD的3D打印技术则根据患者原始数据完成模型重建，在模型上观察骨折部位的结构形态，模拟手术操作，利用个性化的术前规划完成手术[39]。虽然3D打印技术能打印出与患者身体1∶1比例的器官模型，使医生根据患者个体差异性设计并实现个性化手术，但解剖结构复杂、手术视野有限、导板设计合理性等问题使得虚拟手术与实际操作存在一定的差异[3]，因此如何缩小虚拟与现实的问题仍需要不断深入研究。

3.2 可缩短手术时间、降低风险及促进治疗效果

随着社会的快速发展，越来越多患者遭受复杂骨科疾病的侵扰，如高能量冲击造成的粉碎性骨折，在造成原发部位损伤的同时还会引起胸腔、腹腔或盆腔的损伤，严重影响患者的生活质量。而简单的二维图像分析已无法满足医生特定的需求，基于CAD的3D打印技术克服了二维图像立体效果差和组织重叠等缺点，可清晰识别病变区域情况，减少手术操作步骤，确保手术成功。临床医生术前利用基于CAD的3D打印技术制作的模型可对手术部位进行复位，优化手术入路，实现精准设计和模拟手术操作，从而减少术中风险、术后出血量及并发症，缩短手术周期，提高手术的安全性和有效性[37]，具有重要的临床价值。虽然现有研究证实了基于CAD的3D打印技术在治疗复杂骨折中的优越性，但尚不能改善骨折复位质量和关节功能[40]，有待于进一步验证。

3.3 术前可展示手术效果，利于医患沟通，减少医疗纠纷

在复杂骨科疾病治疗中，由于传统手术视野和暴露范围有限、骨块结构不规则难以实现定位，医生在手术过程中存在一定的盲目性。而基于CAD的3D打印技术不仅能克服上述问题，还能将虚拟模型变为实物，为手术精准复位和缩短手术时间奠定基础。在术前利用此技术进行三维重建可向患者及家属讲解治疗细节、设计方案及术后治疗效果，提高患者依从性，减少矛盾和纠纷，促进医患关系和谐[41-42]。

4 结语

基于CAD的3D打印技术治疗骨科复杂疾病在减少手术创伤、缩短手术时间、促进医患沟通等方面优于传统手术，且取得较好的手术效果，进一步提高了患者的生活质量和满意度。但基于CAD的3D打印技术仍存在着许多不足，如：（1）建立手术模型需要高质量的CT等影像图像，且该技术不能反映骨折部位的血管、神经、软组织等情况，必须依靠经验丰富的临床医生的指导，并且术前3D打印用时较长，无法用于急诊患者；（2）3D打印模型成本较高，且制作材料有限，只能小规模批量生产。

随着医疗行业的发展、科技的不断进步，3D打印的成本将逐渐下降。而随着CAD辅助工具的不断更新，3D打印可直接打印出个性化的可植入组织或器官，代替损伤的组织或器官行使正常的功能。未来，基于CAD的3D打印技术将克服种种缺陷，在辅助复杂骨科疾病的治疗中发挥更大作用。