3D打印在足踝外科的应用

崔建强，徐 林

(滨州医学院烟台附属医院足踝外科，山东 烟台 264000)

近年来随着数字化技术在医学领域的不断应用，数字化医学应时而生并迅猛发展，使精准化、个体化的术前模拟成为可能。尤其是随着3D打印技术的出现，更使得术前操作实现了从虚拟到现实的转变。3D打印技术，又名快速成型技术，该技术通过将二维图像转化成三维模型，运用光敏树脂、钛金属等可黏合材料将三维模型转化为可视化模型[1]。本文对3D打印技术的发展与原理及其在足踝外科领域的应用现状作一综述，以期为该技术更好地应用于足踝外科领域提供参考。

1 3D打印技术的发展及原理

1.1 发展 3D打印技术源于20世纪80年代后期，该技术实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。早在1984年，美国Charles Hull教授便提出了将数字资料打印成三维立体模型的概念，并在2年后成立了第一家3D打印公司并研发了世界首台3D光敏打印机。1998年国内傅仕伟等[2]发表了一篇关于快速成型技术在骨骼三维重建的文章后，3D打印技术在国内骨科迅猛发展，实现了从科研到应用质的改变。3D打印应用于足踝外科时间较晚，但应用前景广泛[3]。国内首次报道3D打印应用于足踝外科来自秦晓东教授，其将3D打印模型首次应用于一位先天性马蹄内翻足的患者[4]。

1.2 原理 (1)数据采集：二维图像的收集是决定3D打印模型质量好坏的关键。目前，3D打印影像学资料主要来自CT、超声、MRI等[5]；数据输出一般为DICOM格式。(2)数据处理：将得到的DICOM数据格式用三维处理软件(例如：mimics)处理成三维模型[6]，得到三维模型的 STL(surface tessellation language)格式，并将其输送到3D打印机。(3)模型打印：3D打印机根据STL格式的数据将原材料通过连续堆积的方式打印出三维模型。实体的线与线、面与面之间都与原始数据截面一一对应，从而实现精准打印。

2 国内外研究现状

2.1 国内主要应用

2.1.1 术前模拟及内固定物的预处理 对于复杂手术而言，充分的术前评估及分型是决定手术方案的关键。传统的影像学资料很难直观了解骨折具体情况，3D打印技术可以克服这一弊端，并且可以精确地打印三维模型。该模型可帮助医师作出更准确的诊断，制订更详细的手术方案，并可在模型上进行演练、操作，指导术者开展个体化手术。李岩等[7]通过对比30例3D组与对照组Pilon骨折的患者发现，应用3D打印技术治疗Pilon骨折，可直观地明确骨折类型，从而充分进行术前准备，包括手术切口设计、复位计划、内固定物的选择等，这可大大减少手术时间和切口感染等，提高固定的效果及骨折复位质量，减少操作者和患者的医源性辐射，促进患者功能恢复。赵为公等[8]通过对比64例3D打印组与对照组的复杂踝关节骨折发现，3D组手术时间、住院时间、术后恢复时间均短于对照组，说明采用3D打印技术重建后，可大大缩短住院和手术时间，减少术后恢复时间，减轻患者的身体痛苦，降低医疗支出。原因在于通过3D打印重建模型技术能清楚地观察跖跗关节移位程度、位置关系及骨折情况，参考3D立体模型能够更准地确定切口位置及定位位置和距离，减少术中失误，提高手术质量。章莹等[9]通过在快速成型机上制作出踝关节三踝骨折模型，在骨折模型上进行预复位、钢板预弯、螺钉位置及长度的测量。按预术前模拟进行实际手术，手术时间明显缩短，术后疗效更可观。该研究还指出利用患者3D模型可直观地观察骨折线及骨折移位情况、关节面损伤状况、骨折块大小及隐匿的撕脱骨折块，利于最佳手术方案的选择。这样既可缩短手术时间，又可减少术中骨折的剥离范围，明显提高手术质量，减少术后感染，有利于骨折术后恢复。杨晶[10]通过在跟骨模型上进行内固定物的预处理，术中操作时间明显缩短，术后并发症发生率降低。陈雁西等[11]将精确量化的“数字骨科解剖学”技术与跟骨结节骨赘相结合，证实跟骨结节骨赘基底部的高度、方向等指标与跟痛症的严重程度无关。王怀斌等[12]制作3D跟骨骨折模型，使跟骨立体、直观地呈现在眼前，术者在模型上标记术中可能用到的复位点，明确内植物的位置并进行预弯，确定螺钉的长度及进针位置。应用此技术可以提高内固定的固定强度，降低放射性损伤的影响。

2.1.2 截骨矫形及导板 金丹等[13]研究显示：3D打印技术可精确地测量跟骨畸形愈合后跟骨的高度、宽度、长度、Bohler角、Gissane角及载距突与跟骨水平面的夹角(载距突前倾角)，并完成了跟骨畸形愈合病例的三维模型打印。李涛等[14]通过数字化技术重建了1例复杂马蹄内翻足虚拟模型，与传统的影像学资料相比，该模型可以从多层面、多角度进行马蹄足畸形的观察并进行术前模拟操作，充分展现了3D打印技术在复杂马蹄内翻足畸形治疗中的优势。王晨等[15]通过数字化模拟技术成功建立踝穴、下胫腓联合、踝穴内距骨三维模型，并自动计算各模型体积。通过踝穴及踝穴内距骨体积相减，得到踝关节间隙体积。比较组间及组内不同旋转度数时各模型体积的变化，从而得到各病理模型对踝关节稳定性的影响。金丹等[16]通过三维软件设计出下胫腓联合固定导板，利用模板上预先设计的导向孔进行定位。所制备的导向模板可与腓骨紧密贴合，在模型上可以预先设计螺钉的位置及长度，防止螺钉位置及长度的偏移。结果显示下胫腓联合螺钉可精确植入，且操作简单、精确性高、医源性辐射少。

2.2 国外主要应用

2.2.1 足背皮瓣设计 Chae等[17]提出了一个可再现的方法产生3D打印“反向模型”，以此代表皮肤伤口缺陷，用于皮瓣设计和收获。该研究通过计算机断层血管造影(CTA)扫描皮瓣供区(左前臂)，受区部位(右踝)及正常的左踝。把双侧踝关节的CTA的2D数据导入计算机软件分别进行三维重建，将作为“控制”的左脚踝的3D图像与受区右踝部位的图像进行叠加，创建一个“反向图像”的缺陷，并使用3D打印机打印。得到所需皮瓣的大小，用于精确选择供区皮瓣的大小，前臂桡侧游离皮瓣因此计划和执行有效，无并发症。该案例是3D打印在软组织打印中的首次报道。

2.2.2 复杂手术的术前模拟 对于夏科足，由于缺乏解剖一致性，其后期治疗是足踝外科一个重大的技术挑战。而通过术前设计足的物理模型，使术中结果变为可预测性。目前对于夏科足的治疗多使用关节内固定加外固定的方法， Giovinco等[18]通过在3D模型上模拟要切除的骨头的角度，利用消减布尔运算从解剖骨骼几何切层进行不同的截骨和关节切除模拟。通过平移和旋转操作虚拟移动碎片来改变位置和对齐方式，以及评定为“最适合”的并置和解剖结构的恢复。通过在术前模拟切除的角度及大小，建立术后理想的模型，在此基础上调整好伊里扎洛夫支架各个针的位置，送去消毒备用，术中根据在模型上计算好的位置进行画线及切除。局限性：该报告中所描述的方法缺乏模拟软组织与印刷骨模型。另一个限制是需要采购一些硬件和软件元素，两者结合使用，往往需要一定时间的专业培训。Chung等[19]通过3D打印跟骨模型解决小切口放置钢板的不便，也避免了大切口所引起的皮瓣坏死。该方法适用于SandersⅢ型以下、损伤在3周以内、对侧跟骨完好无损者。采集数据时同时扫描双侧跟骨，跟骨模式转换及打印大概需要3.5 h。通过3D模型，明确钢板需要放置的位置，对钢板进行预弯，从不同角度检查跟骨板的贴合性，并在C臂透视下观察钢板的位置，3D模型可以消毒完后进行术中使用，该文也提到了3D打印早在1997就应用于评价跟骨关节内骨折[20]。3D模型更有助于患者及初级医师了解骨折情况，并且可对钢钉及钢板进行预处理。不利之处是它可能要花费一定的时间和金钱，这种新技术对SandersⅡ型骨折，尤其是多节段前突骨折或存在散落侧壁的患者是有效的。Bagariaa等[21]在跟骨骨折中运用3D打印等比例模型，通过模型确定骨折复位顺序、内置物的选择及预塑形、螺钉长度及置入角度，制定了个体化治疗方案，有利于手术的顺利开展。Hsu等[22]通过打印3D模型模拟Z型截骨的位置，充分计算内旋及下移位置，极大地提高了手术的准确性。

3 小 结

与传统手术方法相比，3D打印技术可快速地为患者量体裁衣，制造个体化的内植物，可明显缩短手术时间，降低术中及术后并发症。其次，该技术有利于医患交流，帮助手术医师进行充分的术前评估及分型，减少低年资医生学习时间。然而由于当前3D打印技术操作复杂，操作者必须熟练掌握相关计算机软件及相关医学专业知识，阻碍了技术的普及与发展；骨折块的分割与重建(尤其是粉碎性骨折)无法做到与实际骨折完全一致；由于软组织的影响，术前模拟与实际操作存在一定差距，实际手术往往无法达到术前模拟复位的效果。我们应该权衡利弊，充分探索该技术的价值，使3D打印技术更好地应用于足踝外科领域。

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