3D打印技术在胫骨畸形矫形手术中的应用

刘欣伟，于海龙，韩天宇，曹志强，柳云恩，周大鹏，侯明晓

胫骨作为人体的重要骨骼，具有重要的生理功能。胫骨畸形常见于胫骨骨折术后畸形愈合，由于胫骨力线发生移位，人体难以正常负重、行走，久之会发生踝、膝继发性骨关节炎，严重影响患者生存质量［1］。以往矫形手术术者靠经验进行术前粗测，术中边截骨矫形边调整，费时费力且不准确［2-3］。随着3D打印技术的兴起，通过该技术制作个体化导板，能够对畸形骨进行数字化精准设计，并于手术中进行精确还原，提高了矫形效果，缩短了手术时间［4］。沈阳军区总医院骨科2014年8月—2015年8月通过3D打印手术导板完成了8例胫骨畸形矫形手术，疗效满意，现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择拟采用3D打印手术导板行胫骨畸形矫形手术的8例为观察组，均为男性;年龄21～39岁，平均29岁;病程9～23个月，平均15个月;胫骨近1/3畸形1例，胫骨远1/3畸形7例。纳入标准:①胫骨畸形患者，年龄、性别、体重不限;②术前行3D-CT重建病骨，确定术区存在安置导板空间;③签署知情同意书。排除标准:①病骨合并感染;②术中显露截骨区但难以安置导板;③患者不同意使用3D打印导板。随机选取8例既往未采用手术导板进行截骨矫形的病例为对照组，两组基线资料基本一致，差异无统计学意义(P＞0.05)。

1.2 方法

1.2.1 手术导板制作:术前常规行双侧肢体3D-CT检查，扫描层厚0．625 mm，将数据以DICOM格式导出并存储。通过Mimics10．0软件将DICOM格式的文件提取后对病骨进行三维建模后通过Magics15．0软件进行后处理;通过逆向工程技术求得反向模型后确保计算机程序设计的导板能够准确帖服于骨面。将骨和导板生成的STL文件导入3D打印机中并执行3D打印。本研究中使用的打印材料均为ABS树脂。打印完成后将导板与骨模型再次适配确认无误后，导板送手术室消毒备用。

1.2.2 术中应用:观察组均采用全麻，手术为同一组医师完成。麻醉成功后，常规消毒、铺无菌手术单，取胫骨前方直切口，逐层切开皮肤、皮下组织、筋膜，钝性分离肌肉后显露病骨骨面，将导板贴合与病骨表面，打入克氏针固定导板，术中透视确认标记区域无误后，以摆锯沿导板设计好的截骨槽进行截骨，截骨后将两侧骨端进行解剖复位并以克氏针临时固定，再次透视确认胫骨对位对线好，骨端复位满意后，以胫骨远端锁定加压钢板行最终固定。术毕，逐层缝合关闭切口，无菌敷料包扎。

1.3 观察指标 记录观察组各导板的制作时间，观察比较两组手术时间、术中X线“C”型臂机透视次数即医患术中X线暴露频次。

1.4 统计学方法 应用SPSS 15．0软件进行统计学分析，计量资料用均数±标准差(x±s)表示，组间比较采用t检验，α=0．05为检验水准。

2 结果

观察组均成功设计制作了手术导板并进行了应用，导板制作时间为(16．5±3．5)h，术区骨面均能够与导板准确帖服并引导摆锯截骨成功，矫形后胫骨对位对线均恢复正常，导板在应用过程中未出现变形、断裂。观察组手术时间为(121．6±22．5)min，较对照组［(182．3 ±33．6)min］明显缩短(t=9．87，P ＜0．05);术中透视次数为(6．0 ±1．5)次，较对照组［(18．0 ±5．5)次］明显减少(t=15.82，P＜0．05)。观察组均获随访，时间为1～16个月，平均4．5个月，截骨端均顺利愈合，无感染发生，对位对线未出现再次移位。典型病例图片见图1。

图1 男，22岁。车祸致右胫骨远端骨折畸形愈合。A、B．术前3D-CT可见骨折畸形愈合，对位对线不良;C．术前3D打印病骨和手术导板并进行术前计划模拟;D．术中依据导板进行精确截骨;E、F．术中X线“C”型臂机透视可见截骨后矫形效果良好，病骨远近端对位对线好，钢板固定位置佳

3 讨论

3D打印技术在工业制造领域已应用近30年，其前身是集成激光快速成型技术、高分子材料、三维CT技术于一体的一种现代化工业制造技术［5］。在计算机扫描的前提下，通过对零件几何信息的数字化处理，在计算机中对零件进行符合设计要求的再次精细加工，逐层堆积即可得到三维重建模型，该模型通过3D打印机将一定的可打印材料注入后，即可制作出实体模型［6-8］。激光快速成型技术早已引起了医疗界学者们的注意，但由于工艺、操作、设备等诸方面的限制，并未推广。随着科学技术的进一步发展，3D打印技术近年来在各个领域广泛兴起，在医用材料领域特别是硬组织领域更是得到了长足发展，由于人体组织的不规则性，人与人之间存在个体化差异，该技术在医学领域的实施亦给患者、医生带来了巨大的帮助［9］。

在骨科领域，由于骨骼的不规则特点，骨骼畸形的矫正一直是医生面临的一大难题，以往对于此类问题，只能凭借高年资医生的临床经验，通过术前反复比对，术中多次透视确认进行截骨矫形，由于医生之间经验、技术水平存在差异，临床效果不尽相同，以至于3D打印技术开展之前没有一种方法能够简单、快捷、精确地指导截骨矫形的实施。3D打印技术设计制备的骨模型与骨等大，导板与骨精确匹配，医生能够在术前即在打印出的病骨上通过导板完成截骨模拟，术中在患者病骨上再次实施［10-11］。与传统手术相比，这种个体化设计－预演手术－精确实施的模式大大提高了截骨的精确度，缩短了手术时间，减少了手术创伤，缩短了医生的学习曲线。国内杜浩等［12］术前3D打印快速制备6例股骨头坏死病例的骨模型，通过手术预演对手术成功起到了关键作用。丁焕文等［13］采用3D打印技术为106例患者制作骨关节模型，进行手术设计、预演、术中精确实施，认为该技术能够大大缩短手术时间、减少出血、方便医生更好地了解患病组织的解剖结构。于乃春等［14］在脊柱外科领域应用3D打印技术对病椎进行重建，术前制作个体化导板，术中能够完成椎弓根螺钉的精确置钉，大大节约了手术时间，减少了对患者的二次损伤。本研究结果显示，对8例胫骨畸形患者通过3D打印技术成功设计制作了病骨和手术导板并进行了应用，矫形后胫骨对位对线均恢复正常，与对照组比较，手术时间明显缩短、术中X线暴露频次明显减少，对患者和医生的医源性损伤大大降低，临床疗效满意。

综上所述，3D打印技术作为一种新兴技术在骨科矫形领域具有独特的优势和广阔的发展前景，该技术具有能够实现术前个体化设计、进行手术预演、缩短手术时间、减少医源性损伤、提高手术效率等优点，给患者、医生带来了巨大的帮助。值得一提的是，目前3D打印产品均无法作为植入物使用，若在今后的研究中，能够研发出一种可植入的3D打印产品如个体化骨缺损填充物、3D打印个体化关节置换假体等，将进一步推动临床骨科的发展。

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