3D打印辅助个性化骨盆病损重建的现状与展望

罗丁豪，郝永强

1 3D 打印辅助个性化骨盆病损重建的术前规划

骨盆病损可致骨盆畸形，传统术前规划手段以体格检查及CT、MRI等影像分析为主，但临床研究表明，这些传统技术在骨盆病损病灶定位和手术实施时的准确性并不理想，亟需更加准确、直观、高效的技术支持。

近年来，精准、立体的3D打印个性化解剖模型突破了传统术前规划手段的瓶颈，在骨科、耳鼻喉科、头颈外科、泌尿外科、心胸外科等领域已得到较广泛的应用[1-7]。采集CT 或MRI影像数据后，经医师与工程师讨论及精细三维重建，并利用3D 打印技术将数据实体化即形成3D 打印个性化术前规划辅助模型，可清晰直观展示术区解剖结构，极大便利病灶定位、入路选择、内植物设计等。该方法可在多种应用场景下获得应用，如在对体积巨大的肩胛骨软骨瘤、颈椎恶性肿瘤、股骨远端骨肉瘤等结构复杂且定位要求高的病例治疗中，3D 打印个性化骨骼模型可实现更加准确的病损切除、更加精准的内植物定位、更少的术中出血、更短的手术时间及辐射暴露。Fang 等[8]在骨盆巨大肿瘤切除重建手术中使用虚拟数字化三维重建和3D 打印个性化骨盆模型进行术前规划，成功指导手术定位安装，术后验证表明切缘准确性提高，术中出血量及手术时间均减少。Zhang 等[9]应用3D 打印个性化骨盆模型进行髋部翻修术前规划，结果表明较传统X 线+CT 方法更加准确。Gladnick等[10]借助3D打印骨盆模型精准判断不同患者差异性的骨缺损形态，并利用定制型三翼翻修臼杯实现了精确重建。Zanasi 和Zmerly[11]将骨盆模型和内植物三维模型互配以指导内植物设计，显著提升了内植物-骨骼适配性。

3D打印个性化骨盆模型还可指导骨折内固定手术的接骨板预折弯，结果显示预弯接骨板与实际骨骼匹配良好，手术便捷、精准、高效[12]。此外，3D 打印骨骼模型可以为初级医务人员、工程师等提供学习辅助，提升医工交互效率[13]。

3D打印个性化骨盆模型还可用于模拟手术。在骨肿瘤方面，Iqbal 等[14]制备Ⅱ+Ⅲ区骨盆肿瘤模型，并将内植物与之进行模拟手术安装，从而对内植物适配度、术中操作可行性等进行研判；在骨折方面，Upex 等[15]利用3D 打印骨盆模型的健侧解剖形态进行接骨板预弯后，于患侧骨折半骨盆模型上进行模拟手术，从而指导手术入路选择、术中操作顺序等；在翻修方面，Hao 等[16]利用精准表征患者髋臼周围骨盆复杂缺损的3D打印个性化骨盆模型，与3D打印个性化一体化翻修内植物进行模拟手术安装，从而为整体翻修治疗流程提供修正和临床优化。

3D 打印个性化骨盆模型的应用仍存在一定困难，其中最核心的因素就是模型的精准性维护仍存在一些不足，如手术规划辅助模型本身不够精准，则会对医疗团队造成误导甚至造成医疗事故。对于绝大多数3D 打印技术而言，打印技术本身很难导致此类误差，因为目前国际上通用的打印技术分辨率基本均在0.100 mm 以下，比影像学数据的自身分辨率还高（如0.625 mm CT 扫描）。手术规划辅助模型精准度的维护必须从多个方面入手。首先，需加强模型生产流程的规范化，因为模型打印完成后固化、去支撑及后加工过程均可产生形变和人工误差；其次，在结构设计的环节需要对模型的精准性进行充分考虑，对CT 及MRI 三维重建过程应充分进行医工沟通，清晰准确地辨认解剖标志和病灶位置；再次，对于受金属伪影影响的影像部分，设计人员应重点分析和讨论，力求最大程度还原真实结构，提升模型精准性。

2 3D 打印辅助个性化骨盆病损重建的手术辅助器械

3D打印个性化手术辅助器械的主要功能是以个性化适配为使用导向，在实际手术中快速、简便地重现术前规划[17-20]。相关概念最早于20 世纪90 年代由Radermacher 等[21]提出。Wong 等[22]制备了3D 打印股骨、下肢模型和个性化截骨导板，在尸体上成功验证后，为患者成功实施了股骨骨肉瘤切除重建手术，截骨误差＜1 mm。Bellanova等[23]则利用选择性激光烧结（selective laser sintering,SLS）3D 打印技术制备胫骨骨肉瘤个性化截骨导板，成功指导病灶切除及骨移植。近年来，3D 打印个性化手术辅助器械在骨盆肿瘤、髋关节置换和翻修、膝关节置换、椎弓根螺钉固定及骨折后复杂畸形矫正等领域大量应用，有效提升了手术效率及治疗效果[24-26]。研究表明，利用3D打印个性化截骨导板，可将骨盆截骨位置精准度提升约9.6 mm，角度精准度提升约7.06°[27]。Liu 等[28]在骨盆Ⅱ+Ⅲ区肿瘤手术中使用3D 打印个性化手术辅助器械指导截骨和内植物安装，经术后位置评定表明肿瘤切除准确、完整。Xu 等[17]将骨盆Ⅰ、Ⅱ区肿瘤患者依传统重建（接骨板、标准臼杯）和3D 打印个性化重建（3D 打印内植物、个性化手术导板）进行分组手术，结果显示个性化组切缘阴性率显著高于传统组，手术时长和术中出血量减少，术后国际肌肉骨骼肿瘤学会（Musculoskeletal Tumor Society,MSTS）评分亦更高。对于位置深、暴露难度大的髂嵴深部螺钉钻孔操作，可制备3D打印个性化钻孔导板，从而使钉道位置和角度更佳精确[29]。

总之，3D 打印个性化手术辅助器械具有其独特的优势，但亦有缺陷。首先，骨骼表面的软组织常形成阻挡，导致术中使用困难；其次，3D 打印个性化手术辅助器械通常与骨骼形成面-面贴附，从而对术野暴露面积要求很高，骨肿瘤患者尤甚，一定程度上增大了手术难度与风险。

需要指出的是，手术辅助器械在系统和设备本身导致的误差与手术导航比较，没有明显的劣势。首先，由于信号传输和数据处理本身的限制，导航设备的空间定位能力具有一定误差；其次，导航设备初始坐标系定位部件需要术者人为确定解剖标志点并人工安装，这一过程本身亦存在误差。客观上而言，这个坐标系定位部件安装的人为误差，与3D 打印导板安装的人为误差并无本质差别，甚至可能更高。在坐标系定位部件安装形成误差后，后续的导航处理会因此存在误差，尽管3D 打印手术辅助器械与手术导航技术均在近年来得到蓬勃发展和技术革新，但并不能说明手术辅助器械在定位精准度上劣于手术导航。

3D打印个性化手术辅助器械的时效性也至关重要。由于具有高度的患者特异性和解剖结构匹配性，对于病灶部位解剖形态变化较快的患者，特别是快速进展的骨肿瘤而言，导板设计与手术间隔越长，潜在的形态不适配风险就越大。对于部分特殊病例而言，甚至可能因为术前准备期间肿瘤生长过大，遮挡了预期的辅助器械放置空间，导致术中完全无法放置器械；或在术前准备期间发生病理性骨折，导致器械失去可与之配合的骨骼表面结构，使手术难以顺利进行。由此可见，强化3D 打印个性化手术辅助器械设计、优化和生产加工过程中医工交互频率及效率，同时完善后续器械生产加工环节，是提升医疗效能的关键。

3 3D 打印辅助个性化骨盆病损重建的手术导航技术

手术导航技术是近年来逐渐兴起的创新性手术辅助技术，其虽具有成本较高、设备要求较高、术中操作相对复杂等缺陷，但仍具有不容忽视的独特优势。首先，在骨骼结构相对复杂、病灶区域可视性差的情况下，术者的手术定位难度明显提高，而包括导板在内的手术辅助器械亦相对难以安装，此时常需要手术导航技术的辅助才能更加精准地实施手术，确保与术前规划的高度吻合性。其次，术前规划辅助模型和手术辅助器械主要仅借助CT 影像学数据进行结构设计，但手术导航技术可以综合发挥不同种类影像数据的优势，确保定位的高度精准性[30-31]。对于骨骼形态重建，CT影像数据具有清晰、准确的独特优势；对于软组织而言，MRI 则更为适用；对于复发性肿瘤病损而言，PET-CT可为手术、放疗瘢痕与肿瘤病灶之间的区分提供参考。

包括红外摄像机在内的多种信息交互设备，都可以用于导航系统对手术相关结构的实时空间定位，在完善术前三维立体建模，并于术中将数字化骨骼结构与术区实际骨骼结构进行配准后，空间立体导航行为将开始持续进行，直至术者将骨盆内植物安放至理想位置并完成安装。除内植物和骨骼外，在必要情况下，也可为手术中需要使用的特殊器械加装定位信标，从而实现对该器械的三维实时导航。除设备本身硬件功能限制外，患者解剖结构的暴露及精准定位通常是决定手术导航系统效果优劣的关键。数字化三维解剖结构与现实骨骼中的匹配，需要大量的“锚定点”作为配准基础，虽然手术导航技术在一定程度上降低了内植物安装操作的难度，但其最终定位准确性仍然对术者手术经验提出了较高要求。

实时、准确的手术导航技术需要经过医工合作，并精准分析转化数字化CT、MRI 影像，继而为3D 打印个性化骨盆病损重建手术提供可靠辅助。手术导航技术已在骨盆手术领域进行了诸多应用。Cartiaux等[32]利用导航设备实施骨盆肿瘤病损重建手术，结果表明手术位置误差为（10±5）mm，植入物与骨骼的配合效果也很不理想，经过设备与技术优化，最终手术导航位置误差缩减至2.8 mm 左右。Jeys 等[33]利用手术导航设备精准标记肿瘤病灶范围，并将骨盆肿瘤瘤内切除率由29%降低至8.7%。Young 等[34]利用手术导航设备进行包括骶骨在内的骨盆肿瘤病损重建手术，通过术后肿瘤切缘情况判断导航准确性良好。Duarte 等[35]对手术导航指导下同种异体骨植骨手术模型进行分析，认为通过手术导航技术实现更精准的移植骨安放及固定后，移植骨与宿主骨配合程度更高，进一步提升了骨愈合效果，降低骨不连发生率。上海交通大学医学院附属第九人民医院将计算机辅助手术导航技术和3D打印个性化一体化内植物结合，为骨盆肿瘤患者成功实施了肿瘤切除及半骨盆重建手术，该导航系统将内植物植入精度从（3.13±1.28）mm 提升至（0.75±0.18）mm，整体精度提高3～5倍[36]。

4 展望

针对病情复杂、形态多变的骨盆病损，3D打印辅助个性化骨盆病损重建是切实有效的解决方案，并有望在很大程度上提升手术规划及内植物制备效率、简化手术操作、提高临床疗效。目前，3D 打印辅助个性化骨盆病损重建尚存在一定的局限性，存在仅关注个性化模型辅助手术规划、个性化内植物设计、生物力学评估、手术导航及术后综合评价等的其中一个或几个方面的问题，尚未形成涵盖系统性3D打印辅助个性化骨盆病损重建的诊疗体系，导致各技术环节衔接较差，医工交互水平受限，可应用于临床的诊疗效率降低。

3D打印辅助个性化骨盆病损重建诊疗技术在各个环节上彼此割裂，个性化骨盆内植物术前规划与实际手术配合性差、手术导航和术中定位操作与临床医师手术习惯差异较大、术后三维立体内植物位置评价研究较少等，均成为制约研发效率和临床疗效提升的“症结”。随着3D打印技术的进一步发展和推广，涵盖术前诊断、手术规划、内植物设计、力学模拟、术中定位、手术导航、术后效果综合评价等的3D打印辅助个性化骨盆病损重建诊疗体系将成为重要的发展方向。结合更高程度的医工交互和综合评估，将有望实现更快速地创新突破，使临床治疗更加高效、可靠、便捷，为骨盆病损患者带来福音。

【利益冲突】所有作者均声明不存在利益冲突