3D打印技術在骨盆髖臼骨折手術治療中的研究進展

劉曦明，曾文波

1 3D打印技術

3D打印技術出現于20世紀80年代中期，實際上是一種利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型技術。它是以數字模型文件為基礎、以數字技術材料打印機為載體、采用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構造出三維實體的技術。3D打印在醫學中最先應用于牙科及頜面外科[1-4]，近年來在骨科中的應用日益得到重視，特別是在復雜骨盆髖臼骨折手術治療中的應用。3D打印技術作為數字化技術的集中體現， 是實現各種骨盆髖臼手術個體化、精確化的有效手段，在臨床應用領域主要包括術前規劃、術中導航、假體內植物以及骨組織工程等。

3D打印技術在骨盆髖臼骨折手術治療中的應用可分為3個階段：(1)初級階段：利用3D打印出1∶1比例的三維實體模型，幫助骨科醫生了解骨折的程度、類型及每一骨折塊的移位情況，協助醫生作出明確的術前診斷、評估術中可能存在的風險，為術中的骨折復位提供實物模型以供參考。(2)中級階段：個體化置入物及假體制作、個性化治療。3D打印技術具有加工精確、制作迅速、無需特殊模具等特點，使個體化假體設計、制備成為可能。3D打印技術可“量身定制”個體化置入物，與患者骨骼更精確的匹配，更快恢復患肢功能。目前，國內外已廣泛開展了3D打印個性化接骨板、個體化人工關節假體、個體化髖關節人工墊片及半骨盆假體的臨床應用研究。(3)高級階段：生物打印人工組織和器官。3D打印與組織工程結合，將帶來個體化植入物制作及組織工程技術的革命，極大地促進器官移植、組織修復重建及再生醫學等多領域的進步。目前，3D打印技術還處在初/中級階段，尚存在諸多有待研究解決的問題及限制因素。

2 3D打印骨盆髖臼模型

骨盆髖臼骨折由于解剖結構復雜、形態不規則，且周圍毗鄰許多重要的神經血管，手術風險高、難度大，如處理不當，可導致肢體短縮、骨盆畸形、重要神經損傷等嚴重并發癥[5]。因此，術前充分了解骨折情況、制訂精準的術前計劃、進行個體化的治療非常重要。傳統X線片及二維CT僅能提供平面影像，缺乏立體感，醫師在了解骨折部位及骨折線走向等具體情況及制訂手術方案時面臨極大困難。CT三維重建可從多角度較為清楚地顯示骨盆髖臼骨折損傷的立體形態，能更加準確地判斷骨盆髖臼骨折的部位、分型等，具有一定的優越性[6]。但CT三維重建僅能提供幾個角度的三維圖像，不能幫助手術醫師從任意角度和方向觀察骨折情況，也不能通過觸摸了解骨折線的走行方向和骨折塊的具體形態，對制定手術方案的指導意義有一定的局限[7]。經學者反復臨床探索3D打印技術制造骨折模型輔助治療復雜骨折，包括3D打印脛骨平臺骨折、肱骨近端骨折、骨盆髖臼骨折等復雜骨折的診斷與治療中作用的研究，證明了3D打印骨折模型在明確骨折類型、制訂個體化手術方案、進行體外模擬手術等方面具有極大的優勢，對復雜骨折的個體化治療具有較大的臨床指導意義，尤其適用于較為復雜的骨盆、髖臼骨折。近年來的研究證實借助3D打印模型治療復雜骨盆髖臼骨折時具有如下優勢：(1)可全面細致地了解骨折類型、具體的骨折形態和移位方向，輔助醫師對骨盆髖臼骨折進行更加確切的分型。同時，還可通過骨折模型向患者及家屬直觀的介紹病情和手術方案。Hurson等[8]對20例髖臼骨折的研究發現，通過3D打印骨折模型對髖臼骨折進行分型，結果較傳統依據二維影像分型更為準確。Li等[9]研究發現，使用計算機輔助血管造影及快速成型技術輔助Tile C型骨盆骨折的治療，有助于觀察骨折情況及周圍血管損傷情況，可有效減少術中及術后并發癥的發生，提高治療效果，有助于患者術后康復。(2)有助于骨科醫師根據患者具體骨盆髖臼骨折情況制訂個體化的手術方案。通過3D打印骨折模型，可設計出最適用于患者的個體化的手術入路，通過有限顯露進行有效內固定，達到安全精準治療的效果。王鋒等[10-11]對復雜髖臼骨折進行三維重建，利用Mimics14.0軟件對虛擬骨塊進行劃分，模擬手術復位，了解髖臼骨折塊復位方式及順序、移位距離、旋轉角度等，并確定骨塊復位標志，減少了實際手術中的無效操作，增加了手術流暢性。Wang等[12]對9例陳舊性Tile C型骨盆骨折患者進行體外模擬手術，針對每例患者制訂精確的個體化手術方案，取得了良好的治療效果。Zeng等[13]使用3D打印技術結合腹直肌旁微創切口對38例骨盆不穩定骨折患者實施個體化手術，取得了創傷小、出血少、愈合快、復位滿意率高的治療效果。(3)術前可在模型上模擬手術操作。通過體外模擬手術，不僅可以增加手術醫師的操作熟練程度，便于培養年輕醫師，還可以在術前對鋼板進行塑形預彎，使其最大限度與骨面服帖，減少術中透視頻率，縮短手術時間，減少不必要的手術創傷，在一定程度上提高手術成功率和降低術后并發癥發生率。Bagaria等[14]用3D打印技術制作了2例髖臼復雜骨折的骨骼模型，在模型上模擬手術，術前將鋼板預彎，并明確螺釘的軌道和尺寸，使手術時間大大縮短，且增加了手術操作的精確度，術后X線片及CT檢查顯示骨折復位良好。章瑩等[15]對73例患者術前采取CT三維重建、血管造影、3D打印快速成型、計算機模擬與個體化標本模擬手術，提高了復雜骨盆骨折的手術效率、減少術中出血量并降低手術并發癥發生率。

目前，3D打印模型在臨床推廣應用中也存在一些不足。首先打印模型時間長，費用高，打印的材料稀缺昂貴，限制了其廣泛應用。但隨著3D打印技術的不斷成熟及新型打印材料的研發，逐漸降低了打印費用，加快了打印速度。其次由于切口、軟組織及合并癥等條件的限制，實際手術操作較模擬手術復雜，難度更大；術中需要根據實際情況對預先設計的手術方案進行適當修正和調整，避免因術中操作不當加重損傷。最后模型和實際骨盆髖臼仍有一定的差別，術前預彎的鋼板與實際骨盆不一定完全服帖，實際手術固定后應對骨折固定情況進行檢查，如未達到足夠穩定，應進一步調整。筆者認為，3D打印骨盆髖臼模型能幫助骨科醫師更全面的了解具體骨折情況，幫助術前分型，輔助術前個體化手術方案設計，提高手術效率，降低術后并發癥的發生率。相信隨著影像技術精度的提高、3D打印技術的的不斷成熟以及新型材料的研發，3D打印骨盆髖臼模型能更好的指導手術，更好的服務于骨科醫師。

3 3D打印骨盆髖臼手術導板

雖然切開復位內固定目前仍是大部分骨盆髖臼骨折的首選治療方案，特別是髖臼骨折[16]，但傳統切開復位內固定有暴露廣、創傷大、并發癥多等問題。近年來閉合復位經皮空心螺釘固定作為骨盆骨折的微創手術方法，能有效縮短手術時間，明顯減少手術區域解剖顯露過程中神經、血管、組織等損傷，很大程度上降低術后感染等并發癥發生率，獲得了廣大骨科醫生的青睞，但是其對骨折認識和手術操作的要求較高[17]。隨著透視技術及計算機技術的發展，導航下微創治療骨盆、髖臼骨折逐漸興起[18-20]。計算機輔助導航技術可以在術中實時監控螺釘的位置，減少了患者和術者的輻射暴露；同時術者通過觀察二維的矢狀面、冠狀面、橫斷面以及三維立體模型實時反饋的圖像信息，借助虛擬手術工具進行螺釘方向的預測，提高了螺釘置入的準確率和安全性。但是計算機輔助手術導航也存在很大的局限性，如對導航硬件要求高，設備昂貴，縣市級醫院沒有購買昂貴導航儀器的條件；儀器占地面積大，操作繁瑣，術中圖像配準精度不高，圖像存在“漂移”等問題[18,20-23 ]。隨著3D打印技術的逐步普及,導板的加工難度逐漸降低,3D 打印手術導板技術已成為基層骨科醫生閉合復位微創治療骨盆髖臼骨折的最佳選擇。佟礦等[24]設計的骶髂關節骨折固定手術導向模板為骶髂關節拉力螺釘的順利置入提供了幫助。穆衛廬等[25]和張元智等[26]通過3D模型充分了解骨盆骨折情況，制作導航模版，在模板輔助下精確置入了骶骨拉力螺釘，縮短了骶髂螺釘置入時間[27]，減少了透視頻率[28]，并不增加術后并發癥發生率。一些學者正致力于借助3D技術研究適合不移位或輕度移位的髖臼骨折閉合復位經皮導板輔助髖臼前、后柱螺釘置入的個性化導板，希望能為沒有導航設備的基層醫院骨科醫生提供精準、安全、微創治療移位不明顯的髖臼骨折的技術支持。

3D打印導板在臨床中應用越來越普遍，但其推廣應用還存在一定的挑戰：(1)導板的前期設計繁瑣，增加了骨科醫生的工作量；(2)導板設計需考慮患者的具體情況，需同時考慮手術方式、部位、術野周圍軟組織等幾方面問題，臨床中需要個體化設計，不利于全面推廣應用；(3)導板的設計者需同時具備一定的臨床專業、計算機技術、相關軟件的應用等知識，對大部分臨床骨科醫師是嚴峻的挑戰，需要多專業人才合作。但相信隨著 3D 打印技術的不斷發展和普及、材料技術的不斷進步，這些問題都能迎刃而解。

4 3D打印骨盆髖臼假體植入

近年來骨盆髖臼假體得到了較多的應用。應用假體重建可實現早期活動、良好的外觀、持久的力學穩定性及滿意的功能狀態[29-31]，已成為骨盆髖臼骨折后骨缺損的主流重建方式。常規使用下的標準尺寸的假體能滿足大部分患者需求，但也有少數患者因解剖結構特殊或疾病的特異性需要定制個體化植入物，且人數不斷增加。文獻報道多種重建骨盆髖臼缺損的假體獲得了較好的臨床效果，但仍存在松動、感染、脫位、斷裂等假體并發癥[29,31-34]。3D打印骨盆髖臼假體能根據患者骨盆髖臼解剖特性及實際病損個體化制作出滿足實際需要的假體重建骨盆髖臼形態，能夠比較完美地解決傳統假體不能完全匹配等問題。3D 打印技術可制造任意形狀的假體以實現假體與截骨面的精確配對；同時可于假體上預留任意方向的釘道用于固定以恢復正常力學傳導；還能制造出固定孔徑及孔隙率的表面結構以誘導骨長入和融合[35-39]，最終在假體重建的基礎上實現生物重建。Hughes等[40]和Schwartz等[41]報道3D打印人工髖臼墊塊的應用能明顯縮短手術時間、減少術中出血量，降低術后并發癥，增加固定的穩定性和假體的活動度，提高手術的精確性。Dai等[42]采用3D打印技術為10例嚴重骨盆損傷需行半骨盆切除置換術的患者制備了骨盆模型，設計手術方案，同時設計并植入個體化假體，術中操作順利，假體匹配良好，術后X線片示假體固定確切，無松動、移位等情況。

雖然3D打印假體在骨盆髖臼病損中應用具有巨大的潛力，但其臨床應用仍然存在一些問題。(1)3D打印的機器昂貴，打印材料都比較昂貴和稀缺。(2)生物力學性能和組織相容性較差:雖然目前3D打印骨盆髖臼假體植入體內已取得了很大進步，但要達到臨床應用還遠遠不夠，假體的生物學性能及組織相容性仍有些欠缺。(3)隱私及倫理問題。(4)3D打印假體作為一種新型產品、一項臨床新技術，無論個體化定制或規模化制造，目前國際上仍無嚴格的技術標準和產品質量控制，導致了臨床應用的安全隱患。但隨著影像學、生物工程、生物材料等學科的發展和交叉學科的興起及3D打印技術的逐步成熟，3D打印技術能做到高效、高精度、低成本，而且可對特定患者定制個性化植入物甚至組織器官。

5 展望與前景

3D打印技術可以將復雜的骨盆髖臼骨折情況更直觀地展示在骨科醫師面前。復雜骨盆髖臼骨折的評估及分型變得容易，術前診斷更加明確，而且術前可以進行手術模擬，對術中用到的固定接骨板進行預塑形。術中導航模板可以通過3D打印進行快速制作，精確的術中定位明顯減少骨盆髖臼術中的透視頻率，降低了患者及醫師的射線暴露。個性化骨盆髖臼假體的使用能更完美的匹配患者骨骼的個體差異。總的來說，3D打印技術的應用使復雜的骨盆髖臼手術變得相對容易，提高了手術效率，降低了術后并發癥，具有臨床推廣的價值。隨著3D打印技術的不斷成熟及高分子材料的不斷進步，3D打印技術應用的期限及材料價格變的越來越低，3D打印有望在骨盆髖臼人工假體、手術器械、骨移植物等領域實現快速制造。隨著生物材料、干細胞、組織培養等多學科的科技突破，具有生物活性人工替代骨組織的制造方面也將發生巨大的進步，相信不久的將來，3D打印出替代壞死、缺損的骨盆髖臼骨組織部分的具有生物活性人工骨組織將逐步實現，實現缺損部分的生物重建，更好的為患者服務。

[1] Heissler E,Fischer FS,Bolouri S,et al.Custom-made cast titanium implants produced with CAD/CAM for the reconstruction of cranium defects[J].Int J Oral Maxillofac Surg,1998,27(5):334-338.

[2] Harris J,Rimell J.Can rapid prototyping ever become a routine feature in general dental practice[J].Dent Update,2002,29(10):482-486.

[3] D’souza KM,Aras MA.Application of comuter-aided design/computer-assisted manufacturing technology in dental implant planning[J].J Dent implant,2012,38(5):643-652.

[4] Dandekeri SS,Sowmya MK,Bhandary S.Stereolithograpbic surgical template: a review [J].J Clin Diagn Res,2013,7(9):2093-2095.

[5] Stahel PF,Hanmtrberg EM.History of pelvic fracture management: a review[J].World J Emerg surg,2016,11(1):1-6.

[6] 王鋼，李紹林，裴國獻．CT三維重建在髖臼骨折診斷治療中的作用[J]．中華創傷骨科雜志，2004，6(10)：16-19．

[7] 章林，林海濱，張國棟，等．3D打印應用于髖臼骨折數字化設計的實驗研究[J].中國臨床解剖學雜志，2014，32(3)：248-251．

[8] Hurson C,Tansey AO,Donnehadha B,et al.Rapid pmtotyping in the assessment.Classification and preoperative planning of acetabular fractures[J].Injury,2007,38(10):1158-1162.

[9] Li B,Chen B,Zhang Y,et al.Comparative use of the computer-aided angiography and rapid prototyping technology versus conventional imaging in the management of the Tile C pelvic fractures[J].Int Orthop,2016,40(1):161-166.

[10] 王鋒，汪國棟，劉曦明，等.3D打印技術在髖臼后壁骨折手術治療中的應用[J].中華創傷骨科雜志，2016，18(2)：120-125．

[11] 王鋒，汪國棟，劉曦明，等.3D打印技術在髖臼雙柱骨折手術治療中的應用[J].華南國防醫學雜志，2016，30(5)：308-311．

[12] Wang J,Zhao C,Sun X,et al.Printed three-dimensional anatomic templates for virtual preoperative planning before reconstruction of old pelvic injuries: initial results[J].Chin Med J(Engl),2015,128(4):477-482.

[13] Zeng C,Xiao J,Wu Z,et al.Evaluation of three-dimensional printing for internal fixation of unstable pelvic fracture from minimal invasive para-rectus abdominis approach: a preliminary report[J].Int J Clin Exp Med,2015,8(8):13039-13044.

[14] Bagaria V,Deshpande S,Rasalkar DD,et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstruction modeling in the management of complex fracture [J].Eur J Radiol,2011,80(3):814-820.

[15] 章瑩，李寶豐，王新，等．術前3D打印技術模擬復雜骨盆骨折手術提高療效的可行性研究[J].中華創傷骨科雜，2015，17(1)：29-33.

[16] Matta JM,Merritt PO.Displaced acetabular fractures[J].Clin Orthop Relat Res，1988,(230):83-97.

[17] 王鑒順，吳新寶．骨盆骨折的閉合復位技術[J].中華創傷骨科雜志，2011，13(11)：1084-1086．

[18] 聶玉琪，汪國棟，劉曦明，等．三維數字規劃結合導航與單純導航下經皮髖臼前柱螺釘內固定術的對比研究[J]．中華創傷骨科雜志，2017，19(1)：51-56．

[19] Mosheiff R,Khoury A,Weil Y,et al.First generation computerized fluoroscopic navigation in percutaneous pelvic surgery[J].J Orthop Trauma，2004,18(2):106-111.

[20] He JL,Tan GP,Zhou DS,et al.Comparison of Isocentric C-Arm 3D imensional navigation and conventional fluoroscopy for percutaneous retrograde screwing for anterior column fracture of acetabulum: an observational study[J].Medicine(Baltimore),2016,95(2):e2470.

[21] 王勝林.計算機輔助手術系統對骨科植入物準確穩定置入的導航作用[J].中國組織工程研究與臨床康復，2008，12(22):4335-4338

[22] St?ckle U,K?nig B,Sehaffler A,et al.Clinical experience with the Siremobil Iso-C(3D) imaging system in pelvic surgery[J].Unfallchirurg,2006,109(1):30-40.

[23] Parker PJ,Copeland C.Percutaneous fluoroscopic screw fixation of acetabular fractures [J].Injury，1997,28(9-10):597-600.

[24] 佟礦，張元智，金丹，等.三維重建與逆向工程技術設計骶髂關節骨折固定導航模板[J].南方醫科大學學報，2008，28(5)：880-882．

[25] 穆衛廬，常軍英，賈東昭，等.3D打印手術導板引導骶髂螺釘置人的手術技術介紹[J].中華骨科雜志，2015，35(7)：767-773．

[26] 張元智，陸聲，楊勇，等．骶骨骨折手術導航模板的設計與臨床應用[J].中華創傷骨科雜志，2009，11(4)：334-337．

[27] Schep NW,Haverlag R,Van Vugt AB.Computer-assisted versus conventional surgery for insertion of 96 cannulated iliosacral screws in patients with postpartum pelvic pain [J].J Trauma,2004,57(6):1299-1302.

[28] Stickle U,Schaser K,Kfinig B.Image guidance in pelvic and acetabular surgery-expectations,success and limitations[J].Injury,2007,38(4):450-462.

[29] Ji T,Guo W,Yang RL,et al.Modular hemipelvic endoprosthesis reconstruction-experience in 100 patients with midterm follow-up results[J].Eur J Surg Oncol,2013,39(1):53-60.

[30] Guo W,Li D,Tang X,et al.Reconstruction with modular hemipelvic prostheses for periacetabular tumor[J].Clin Orthop Relat Res,2007,461:180-188.

[31] Menendez LR,Ahlmann ER,Falkinstein Y,et al.Periacetabular reconstruction with a new endoprosthesis[J].Clin Orthop Relat Res,2009,467(11):2831-2837.

[32] Bus MP,Boerhout EJ,Bramer JA,et al.Clinical outcome of pedestal cup endoprosthetic reconstruction after resection of a peri-acetabular tumour[J].Bone Joint J,2014,96-B(12):1706-1712.

[33] Wang B,Xie X,Yin J,et al.Reconstruction with modular hemipelvic endoprosthesis after pelvic tumor resection: a report of 50 consecutive cases[J].PLOS One,2015,10(5):e0127263.

[34] Bus MP,Szafranski A,Sellevold S,et al.LUMIC(R) endoprosthetic reconstruction after periacetabular tumor resection: short results[J].Clin orthop Relat Res,2017,475(3):686-695.

[35] Shah FA,Snis A,Matic A,et al.3D printed Ti6Al4V implant surface promotes bone maturation and retains a higher density of less aged osteocytes at the bone-implant interface[J].Acta Biomater,2016,30:357-367.

[36] Sing SL,An J,Yeong WY,et al.Laser and electron-beam powder-bed additive manufacturing of metallic implants: a review on processes,materials and designs[J].J Orthop Res,2016,34(3):369-385.

[37] Xiu P,Jia Z,Lv J,et al.Tailored surface treatment of 3D printed porous Ti6Al4V by microarc oxidation for enhanced osseointegration via optimized bone in-growth patterns and interlocked bone/implant interface[J].ACS Appl Mater Interfaces,2016,8(28):17964-17975.

[38] Xu N,Wei F,Liu X,et al.Reconstruction of the upper cervical spine using a personalized 3D-printed vertebral body in an adolescent with Ewing sarcoma[J].Spine,2016,41(1):E50-54.

[39] Wong KC,Kumta SM,Geel NV,et al.One-step reconstruction with a 3D-printed,biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection[J].Comput Aided Surg,2015,20(1):14-23.

[40] Hughes A,Soden P,Abdulkarim A,et al.3D printing in complex acetabular reconstruction a ’hip’approach to hip replacements[J].Ir J Med Sci，2014,183(4):S196.

[41] Schwartz A,Money K,Spangehl M，et al.Office-based rapid prototyping in orthopedic surgery: a novel planning technique and review of the literature [J].Am J Orthop(Belle Mead NJ)，2015,44(1):19-25.

[42] Dai KR,Yan MN,Zhu ZA,et al.Computer-aided custom-made hemipelvic prosthesis used in extensive pelvic lesions[J].J Arthro-plasty,2007,22(7):981-986.