3D 打印在橈骨遠端骨折治療康復中的應用

白哲豪

（中國礦業大學， 江蘇 徐州 221116）

0 引言

3D 打印時快速成型技術的一種， 又稱增材制造，是一種以數字模型文件為基礎， 運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。由于這一技術制造的產品精度高、 材料利用率高、 方便成型，同時又十分有利于個性化設計，因此近年來的發展非常迅速，逐漸融入各行各業，與人們的生活聯系在一起。3D 打印技術的特點決定了它能制造多種復雜的、不規則的模型， 因此， 這項技術在醫學領域有了廣闊的發展空間。 3D 打印技術在中國醫療行業的應用始于20 世紀80年代后期，最初主要用于快速制造3D 醫療模型，助力醫患溝通、判斷病情及手術規劃[1]。 隨著技術的革新，3D 打印已開始逐漸滿足人們對精準化、個性化醫療的需求，這一技術在醫療行業的應用得到顯著發展， 根據生物相容性由低到高又分為4 個層次：3D 打印醫療模型、 個體化輔助導板、內植物、生物3D 打印[2]。 這些技術目前已廣泛應用于口腔醫學、脊柱外科、頭頸外科、神經外科、心臟外科及其他學科。 在未來，隨著技術的發展進步，3D 打印也將更深、更廣地應用在醫學領域。

1 橈骨遠端骨折與一般治療康復方法

橈骨遠端骨折是指發生在橈骨遠端3cm 之內的骨折，是骨科最常見的臨床骨折之一，占急診骨折的1/6 和全身性骨折的6.7%[3]。由于現代社會工作及生活節奏的加快，車禍、高處墜落等導致橈骨遠端嚴重骨折的發生率也在升高。 另外，我國的老年人口逐漸增多，隨著老齡化時代的到來，其發病率也有所增加。 目前，橈骨遠端骨折主要的治療方法為手術治療和保守治療兩種方式。 對于手術治療， 目前切開復位掌側鎖定鋼板內固定能解決臨床上大部分橈骨遠端骨折，而外固定支架、經皮穿針術、非手術治療等方法也有一定的適用范圍[4]。 保守治療主要包括石膏或小夾板固定，以限制手腕復位后腕關節的運動，維持一段時間后實現臨床愈合。 高維旭等[5]的研究表明，對于成人橈骨遠端骨折，在遠期功能方面，手法復位石膏托外固定與切開復位鋼板內固定治療效果相似。 相比保守治療，手術的成本相對較高，風險較大，而保守治療具有操作簡單，安全性好，復位效果明顯等優點，所以多數人更愿意選擇保守治療。

對于手法復位的保守治療來說，一般應配合石膏、夾板或矯形器進行固定，以防止復位后的骨骼發生位移，影響康復。 大部分佩戴夾板或矯形器的患者經適當功能鍛煉后多不影響日常生活，療效滿意。 然而，一般的石膏或夾板都存在各自的問題。 普通石膏雖然有良好的可塑形性，盡可能貼合患者體表，但透氣性較差，易發生濕疹、皮膚過敏等皮膚病。如果對骨折部位包扎過緊，可能造成肢體骨筋膜室綜合征，肌肉缺血、壞死，進而發生缺血性肌攣縮，甚至肢體壞疽。 而采用夾板固定時，雖然比石膏更舒適， 但患肢的局部活動性大， 復位后容易發生二次移位。3D 打印技術的出現與發展為制造兼具夾板與石膏優點的固定支具提供過了可能。

2 3D 打印夾板在橈骨遠端骨折康復中的應用

為了解決傳統外固定支具和矯形器的問題，3D 打印的夾板在滿足功能的情況下，有足夠的強度和舒適度，同時也要足夠具備個性化。從現有研究來看，3D 打印夾板的設計方法與過程各不相同，但總體思路是類似的：首先通過掃描獲取患者受傷部位體表模型， 再根據體表模型制作并細化夾板的三維模型， 最后使用3D 打印進行制造。其設計過程在大方向上與一般的逆向設計并無太大差異。 對于康復夾板的設計，也有一些具體的研究方向，包括掃描方式的選擇、夾板重量與舒適度的優化設計、夾板的個性化設計以及夾板材料與加工方式的選擇等方面。

目前常見的掃描方式有計算機斷層成像（Computed Tomography，簡稱CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI）以及三維掃描等方式。阿依古麗·喀斯木[6]在手指屈肌腱損傷定制化支具的設計過程中，使用CT 對患者小臂及手部進行掃描，得到手臂的三維模型數據。 廖政文[7]用MRI 技術掃描上肢，采集上肢肘以下前臂部分影像數據，設計矯形器的模型。 成思源等[8]研究了基于三維掃描技術的個性化設計，并設計制作了個性化手臂夾板模型。 由上述研究成果可知，三種掃描方式都可以較好地獲取人體的局部三維模型，但由于患者一般都在醫院中，能夠很方便地使用CT 和MRI 技術，所以多數相關研究都使用這兩種技術對患者進行掃描。 因此，所選取的掃描方式若沒有特別規定，應取決于環境與設備條件。

在3D 打印夾板設計與驗證方面，Fernando Blaya 等[9]的研究針對夾板本身進行改良設計，詳細描述了3D 打印夾板從掃描、建模、設計細化到制造的全部過程。 夾板分為上下兩部分，通過Rhino 建模，在夾板上加入便于固定的孔洞，以方便醫師拆裝。在設計細化過程中使用三維軟件對夾板模型進行切除， 剪切不必要的部分以在夾板表面上形成孔洞，同時達到減輕重量與透氣的目的。

曾燾等[10]使用3D 打印支具與傳統小夾板結合的方式，選取60 例骨折，分為對照組和試驗組。 其中，對照組30 例全程采用小夾板外固定，試驗組則使用夾板外固定1 周后改為3D 打印支具外固定。 在設計制造支具的過程中也充分考慮到透氣性問題，但與上述研究不同，這個透氣孔是較為密集的小孔，可以最大限度地保持夾板強度。最后得出結論，3D 打印支具的加入使患者的康復效果得到明顯改善。

胡超燕等[11]在3D 打印外固定支具的基礎上，使用傷科紫草油輔助進行康復。傷科紫草油具有治療跌打腫痛、骨折、軟組織損傷及燙傷未潰等功效的一種外用搽劑。試驗結果表明3D 打印外固定支具聯合傷科紫草油治療橈骨遠端骨折效果確切，可有效改善患者腕關節功能，減輕患者痛苦，提升康復質量。這一結果也為新型支具與傳統方法結合的治療方法提供了重要參考。

3D 打印夾板上的開孔既可以減輕夾板重量，又可以增加透氣性，使其佩戴更加舒適。 Francesco Buonamici 等[12]在按照常規流程設計制作3D 打印夾板的同時，提出了使用CAD 軟件確定在保證強度的前提下確定開孔位置的方法，在不損失強度的前提下減輕夾板重量，為夾板的優化設計提供了參考。

在其他一些研究中，Berntsen Christian 等[13]也在其關于矯形器設計制造的研究中進行了康復效果的對比。除此之外，3D 打印夾板還有其他可以改進的設計。劉非等[14]提出設計人員可以按照患者的喜好選取數據庫中的個性化透氣孔的浮雕圖案， 也可以按照患者的喜好選取數據庫中的鎖緊裝置，以此來實現夾板的個性化設計，不僅從生理上， 也從心理上減輕了患者使用夾板的負擔。 Abby Megan Paterson[15]在其研究中對不同的快速成型方式進行了比較。 邵景嬌等[16]研究了幾種夾板或矯形器的制作材料并分析各自的優勢與不足。這些研究對于3D 打印夾板的設計改進有重要的意義。

3 結束語

從上述研究結果來看，3D 打印夾板或支具的主要優勢在于造型不受傳統加工工藝的限制， 在軟件中就可以完成模型細化、減重等大部分工作，甚至可以直接進行有限元分析，以確保夾板在使用過程中不會損壞，或根據分析結果對夾板進一步優化。 同時，3D 打印夾板與一些傳統方法的配合使用也有明顯的效果， 這也是未來的一個重要研究方向。然而，其缺點也是比較明顯的。首先，需要醫師了解3D 打印相關知識，并掌握建模等技能， 需要付出額外的學習成本；其次，雖然3D 打印技術已有了巨大的進步，但若要打印精細的模型，仍需要較高的時間與經濟成本。 這是由于我國3D 打印產業尚處于初級階段，市場發展緩慢，雖然取得一些成果，但與發達國家相比仍存在一定差距[1]。 市場尚未完全普及也造成了較高的成本。但是，隨著智能制造的進一步發展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，科學、理性地制定3D打印技術的產業化發展階段和路徑， 形成技術的產業鏈和法規的規范化，3D 打印技術在醫學領域方面的應用也將被推向更高的層面， 在技術與市場兩個方向都取得一定的進展后，3D 打印夾板本身的設計，包括掃描、優化與制造，會逐步形成完整的規范，更有效率地生產個性化產品。 同時，3D 打印夾板與其他康復方法的配合使用相關研究也會取得相應的進展。 總之，3D 打印技術在橈骨遠端骨折的治療與康復中依然有廣闊的前景。