3D打印技術結合數字化技術在復雜踝關節骨折的研究進展

李昆倫,李惠民,黃略,李灝,林偉明,李偉龍,廖紅興△（.廣東醫科大學梅州市臨床醫學院,廣東 梅州 5403；2.廣東省梅州市人民醫院（梅州市醫學科學院）,廣東 梅州 5403）

踝關節是人體內承受最大生物力學載荷的關節之一，當受到外界暴力作用時，踝關節的連續性、完整性遭到破壞，引起踝關節骨折，嚴重影響患者活動能力[1]。由于暴力方向、大小等存在差異，其導致的骨折類型也有所不同，對于復雜踝關節骨折患者，臨床上多采用手術治療[2-3]。近年來，我國醫學成像技術飛快發展，3D打印技術、數字化技術被逐漸應用到外科手術之中，如假體制作、3D立體重建等，能夠幫助醫師更準確地探查患處解剖結構，以便于制定適宜的手術方案。本文通過查閱近年來3D打印技術結合數字化技術的相關文獻，對目前其在復雜踝關節骨折中的應用現狀進行闡述。

1 3D打印技術和數字化技術

3D打印技術是基于離散-堆積原理的快速成型制造方法，將數字三維模型分層、切割，使其成為二維橫截面形狀，并逐層疊加材料，從而獲得單一實體，該種技術具有成型快、可定制、設計自由度高等優勢，在醫學領域得到廣泛應用，如創傷骨科、口腔頜面外科、胸外科等，能夠幫助醫師了解患者骨折特征和碎片移位情況，以制定個性化治療方案[4-5]。3D打印技術能夠制造結構復雜的植入物、假體、器官模型等，制作時間較短且成本較低，隨著該技術的不斷進步，可用于3D打印的材料也由金屬、陶瓷等單一固體粉材，逐漸發展為凝膠、細胞、液體等混合材料，通過該技術所制備的骨組織工程材料，可被應用于骨折修復、關節置換等手術之中[6]。數字化技術能夠對CT、磁共振成像等二維圖像數據進行處理，將其轉換為更加精確的三維模型[7]。Papotto[8]等在其研究中指出，計算機3D模型能夠幫助醫師更好地理解骨折力學和骨組織的形成、吸收，預測骨髓腔開放情況及外部骨痂重吸收情況，進而調整對患者的治療策略，促進骨折更快愈合。朱仲廉[9]等人對76例復雜踝關節骨折患者進行分析，發現將3D打印技術應用到復雜踝關節骨折患者手術治療中，能夠加快患者骨折愈合，促使其更快恢復健康。施利華[10]等人在其研究中選取116例踝關節骨折患者作為研究對象，發現3D打印結合數字化技術用于踝關節骨折療效顯著，還可減少術后并發癥的發生。

2 術前模擬和預處理

復雜踝關節骨折通常牽涉到韌帶、軟組織等部位的損傷，手術操作相對復雜，為保障手術效果，需要在術前提前設計手術切口、內固定物、復位計劃等，以提高手術安全性和有效性，減少患者身體受到的損傷[11]。3D打印技術與數字化技術可明確骨折類型，并構建3D立體模型，使醫師能夠直觀地對骨折移位情況、關節面損傷情況、骨塊大小、骨折線等進行觀察，根據觀察結果選擇最佳手術方案，提高手術質量，減少術中骨折剝離，在縮短患者切口愈合時間的同時，降低術后感染風險[12]。相較于常規影像學二維圖像，3D打印技術結合數字化技術所構建的三維模型能夠提供更好的視覺反饋，防止手術團隊成員出現認知偏差；增強術前討論的有效性，提高醫師對患者骨折類型的理解程度；還有助于醫師向患者更直觀地解釋病情、手術方式和風險等[13]。高洪林[14]等人在其研究中應用踝關節骨折數字化虛擬手術設計系統，將患者踝關節CT掃描數據重建為三維數字化模型，并利用系統進行模擬復位，確定內固定置入的方向、角度、深度等，最終獲得理想的臨床手術效果。此外，3D打印技術結合數字化技術能夠準確定位切口位置、距離等，還可制作骨折模型，幫助醫師直觀理解截骨段與踝關節的解剖關系，在模型上標記復位點、測量螺釘位置及長度，并進行預復位和鋼板預彎，從而縮短手術用時，減少術中放射性損傷，改善內固定強度[15]。

3 個性化導航模板和截骨導板

復雜踝關節骨折手術需要置入螺釘固定，手術操作者需要在X線透視下將螺釘徒手置入，可能造成鄰近軟組織損傷或骨質改變，影響患者預后。3D打印技術結合數字化技術能夠使影像數據與患者身體實際情況相匹配，確定螺釘的置入位置、方向和深度等，有助于手術操作者按照術前計劃更準確地置入螺釘，減少非必要的術野暴露和透視，在降低手術難度的同時減輕患者身體所受創傷，保護踝關節周圍血管及神經，改善術后恢復情況，減少并發癥的發生[16]。3D打印個性化導航模板制作成本低，準確性及適用性均較好，將其應用到復雜踝關節骨折手術中，可實現解剖重建，預防術中意外的發生[17]。此外，使用3D打印技術結合數字化技術所制作的截骨導板，能夠為手術提供多平面復雜畸形的三維量化，降低術中截骨難度，防止反復截骨浪費時間，還可提高手術精準度，降低力學糾正不良的發生風險[18]。鄒運璇[19]等人將3D打印個性化截骨導板應用到接受踝關節治療的患者中，結果顯示3D打印個性化截骨導板能夠降低手術難度，縮短手術用時，同時減少術中透視次數，降低患者和醫護人員受到的放射劑量，進一步提升手術安全性。

4 設計個性化植入物

人體骨骼并非固定不變，而是根據自身所承受的負荷進行重塑，這也導致部分復雜踝關節骨折患者骨缺損嚴重，需要置入修復植入體，以重建踝關節結構，防止骨折久不愈合或結構塌陷，但傳統植入物形狀、大小的精準度有限，難以承受踝關節處的高負荷應力，可能出現力學強度不足、植入物松動等問題[20]。3D打印技術結合數字化技術能夠定制個性化植入物，使其與患者骨缺損部位高度匹配，防止異常應力的產生，促使患者盡快恢復日常活動能力[21-22]。該技術所制造出的植入物具有微孔結構，能夠減小植入材料與骨骼之間的剛度差異，有利于松質骨細胞生長到假體內部，使植入物更好地貼合患者自體骨骼，實現骨整合，將傳統骨科假體重建技術的“機械連接”變為“生物連接”，獲取理想療效[23-24]。

5 設計踝足矯形器

手術治療能夠幫助復雜踝關節骨折患者復位骨折塊，但骨折愈合仍需要一定時間，在患者恢復期間，常使用踝足矯形器輔助愈合，其能夠提高足踝部穩定性，減少外界壓力，矯正畸形，還可提供緩沖作用，減輕患者骨折疼痛[25-26]。3D打印技術結合數字化技術能夠設計出更加符合人體生物力學的踝足矯形器，提高外固定器械的舒適度、貼合度，平衡足底峰值壓力分布，降低前后足底壓力，使其合理轉移到中足[27-28]。參考圓孔輕量化設計，利用3D打印技術定制踝足矯形器，可減輕矯形器重量、節約材料，同時改善患者穿著環境，提高透氣性[29-30]。

6 小結與進展

將3D打印技術與數字化技術有效結合，能夠從多角度分析患者骨折移位方向，清晰顯示斷層間的組織情況，幫助醫師準確分析患者病情，設計精準化治療方案。在術中能夠準確觀察術中螺釘置入情況，減少X線掃描，且3D打印技術可直接進行鋼板塑性，提高鋼板的準確性，以保障手術內固定效果。此外，3D打印技術與數字化技術能夠全面觀察患者骨折復位前后的解剖結構，以便于控制繼發性損傷，同時減少手術失誤，促進患者更快恢復。但就目前情況而言，3D打印技術與數字化技術制造的打印產品缺乏統一標準，在安全性上仍待進一步探索，需要完善相關應用指南及法律法規，建立有效的監控、管理體系。