周 燚，吳岫霏，張曉萱，陳莉莉，賈夢(mèng)瀅，寇紅艷

（川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院胃腸外科，四川南充 637000）

0 引言

在臨床中，由于感染、骨結(jié)構(gòu)病變等原因常會(huì)導(dǎo)致各種復(fù)雜骨科疾病，如脊柱腫瘤和畸形、骨盆和髖臼等復(fù)雜骨折[1]。目前，手術(shù)仍是該類疾病的主要治療方式[2]，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）的3D打印技術(shù)日漸成熟，在骨科領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。通過(guò)基于CAD的3D打印技術(shù)，醫(yī)生在術(shù)前可以清晰地了解到患者病變部位的解剖和病理情況，避免了以往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷的粗略性，并可按照患者病理情況設(shè)計(jì)個(gè)性化手術(shù)方式。同時(shí)可以利用X射線、CT等影像數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建，進(jìn)而在虛擬手術(shù)中模擬手術(shù)、構(gòu)建植入物，以幫助醫(yī)生指導(dǎo)臨床實(shí)踐[3]。本文將對(duì)基于CAD的3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨科疾病治療中的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述。

1 CAD與3D打印技術(shù)介紹

CAD是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及圖形軟件為基礎(chǔ)輔助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)圖形、存儲(chǔ)信息和優(yōu)化工作方案，常用來(lái)構(gòu)建圖形、輔助虛擬手術(shù)，并幫助完成手術(shù)[4]。而3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)分子材料、金屬和非金屬材料及復(fù)合材料等多種原材料逐層堆積來(lái)制造各種復(fù)雜模型的技術(shù)[5-6]，其主要包括立體光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、熔融沉積制造（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）、選擇性激光熔化（selective laser melting，SLM）等多種技術(shù)[7]?；贑AD的3D打印技術(shù)可對(duì)復(fù)雜骨科疾病患者進(jìn)行3D建模，并對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行復(fù)位，不斷優(yōu)化手術(shù)入路，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)復(fù)位和模擬手術(shù)，從而確保手術(shù)成功，促進(jìn)患者疾病康復(fù)，因此在骨科領(lǐng)域中具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，此技術(shù)在骨科復(fù)雜疾病領(lǐng)域中被廣泛用于設(shè)計(jì)醫(yī)療植入物、術(shù)前可視化手術(shù)復(fù)位、術(shù)后療效評(píng)價(jià)等方面[8-11]。

2 基于CAD的3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨科疾病治療中的應(yīng)用

目前，骨科復(fù)雜疾病多由外傷、高空墜物或車禍等高能量創(chuàng)傷引起，常合并多種血管、神經(jīng)、臟器的損傷。研究表明，雖然術(shù)前利用CAD聯(lián)合3D打印技術(shù)治療復(fù)雜骨折疾病需要不同的手術(shù)策略，且打印個(gè)性化模型耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，但對(duì)于骨科復(fù)雜創(chuàng)傷仍具有重要臨床價(jià)值[12]。3D打印技術(shù)正快速滲透到復(fù)雜骨科疾病治療的各個(gè)領(lǐng)域，包括口腔頜面外科疾病、脊柱脊病、四肢骨折、骨盆骨折等多方面。

2.1 應(yīng)用于口腔頜面外科疾病治療

由腫瘤、創(chuàng)傷或先天性疾病等因素所引起的大型口腔頜面缺損常常導(dǎo)致患者語(yǔ)言、吞咽、咀嚼等功能障礙，不僅影響其生活質(zhì)量，還導(dǎo)致自我形象障礙，易出現(xiàn)心理問(wèn)題。而顱面重建不僅需要恢復(fù)解剖功能和美學(xué)特征，還要考慮顱面生長(zhǎng)情況，因此口腔頜面缺損是頭頸部手術(shù)中最具挑戰(zhàn)的疾病之一。

研究表明，利用基于CAD的3D打印技術(shù)制作的模型可為高級(jí)口腔頜面外科手術(shù)提供術(shù)前規(guī)劃[13]。李富濤等[14]發(fā)現(xiàn)將采用CAD結(jié)合3D打印技術(shù)制作的鈦板（如圖1所示）用于下頜骨重建患者時(shí)可獲得令人滿意的效果，但虛擬手術(shù)和實(shí)際操作存在差異，必須在術(shù)中根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整手術(shù)導(dǎo)板，而利用頜面部定位儀可解決上述問(wèn)題。楊光輝等[15]將基于CAD的3D打印技術(shù)應(yīng)用于6例頜面缺損與畸形患者的治療，在術(shù)前利用鏡像原理打印頭模，通過(guò)3D頭模全面了解眶底骨折狀況，完成了生物修復(fù)板精準(zhǔn)預(yù)彎，術(shù)后患者面型恢復(fù)良好，提高了手術(shù)質(zhì)量。當(dāng)醫(yī)生用傳統(tǒng)方式治療粉碎性下頜骨骨折時(shí)，會(huì)因嚴(yán)重的骨移位無(wú)法完成解剖復(fù)位。Ma等[16]基于CAD采用SLM技術(shù)制造鈦網(wǎng)托盤(pán)，進(jìn)行下頜骨復(fù)位和植骨重建，患者術(shù)后恢復(fù)良好且對(duì)手術(shù)十分滿意。但3D打印鈦網(wǎng)托盤(pán)的應(yīng)用較少，長(zhǎng)期效果仍待于進(jìn)一步評(píng)估。

圖1 3D打印鈦板用于下頜骨重建[14]

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展及CAD軟件的普及，3D打印技術(shù)在口腔頜面外科中的應(yīng)用前景將更加廣闊，未來(lái)還需要不斷探索。

2.2 應(yīng)用于脊柱疾病治療

由于脊柱解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靠近神經(jīng)和脊髓，特別是頸胸腰椎等部位的手術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)較大，因此常需要聯(lián)合術(shù)前精準(zhǔn)化的手術(shù)規(guī)劃和3D打印技術(shù)[17]。而胸腰椎骨折為脊柱損傷中的常見(jiàn)類型，常通過(guò)3D打印技術(shù)制作椎骨模型完成胸腰椎固定術(shù)，可提高置釘率，減少手術(shù)誤差，以恢復(fù)椎骨的生理弧度和功能[18-20]。Naddeo等[21]利用基于CAD的打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款胸廓模板并應(yīng)用于胸椎手術(shù)患者，可獲得理想的手術(shù)效果。王雅輝等[20]采用基于CAD的3D打印技術(shù)建立胸腰椎骨折患者的脊柱模型，在模型中對(duì)傷椎置釘角度、椎弓根釘長(zhǎng)度以及置入準(zhǔn)確度等進(jìn)行充分測(cè)量和模擬，醫(yī)生根據(jù)術(shù)前測(cè)量結(jié)果進(jìn)行手術(shù)，術(shù)后發(fā)現(xiàn)采用3D技術(shù)組明顯優(yōu)于常規(guī)組（采取CT檢查確定螺釘置入情況），這與鄒偉民等[22]的研究結(jié)果一致。這些研究可充分證明在脊柱外科手術(shù)中運(yùn)用基于CAD的3D打印技術(shù)不僅利于醫(yī)生確定手術(shù)范圍、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還能獲得良好的臨床效果。

迄今為止，嚴(yán)重的脊柱畸形和脊柱腫瘤對(duì)脊柱外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)仍具有挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)影像數(shù)據(jù)對(duì)于術(shù)前規(guī)劃及術(shù)中指導(dǎo)仍存在缺陷。Pan等[23]的研究發(fā)現(xiàn)，采用基于CAD的3D打印技術(shù)制作模型不僅可優(yōu)化術(shù)前方案、指導(dǎo)術(shù)中手術(shù)等，還能輔助脊柱畸形手術(shù)的術(shù)前評(píng)估和脊柱矯正，從而提高手術(shù)效果。Jiang等[24]利用CAD建立脊柱模型，并以3D打印的模型來(lái)模擬成人脊柱后側(cè)凸畸形手術(shù)以確定不同節(jié)段脊柱椎弓根螺釘置入長(zhǎng)度、粗細(xì)及角度，術(shù)后12例脊柱患者恢復(fù)良好，手術(shù)更安全、準(zhǔn)確。雖然3D打印技術(shù)能提高脊柱畸形手術(shù)的效率，但醫(yī)生仍需要對(duì)螺釘置入點(diǎn)和方向做出判斷。而Liang等[25]指出，當(dāng)醫(yī)生對(duì)嚴(yán)重脊柱畸形患者進(jìn)行矯正手術(shù)時(shí)，僅在椎弓根放置最困難的區(qū)域使用3D鉆孔導(dǎo)向模板就可以提高螺釘放置的準(zhǔn)確性，減少螺釘放置時(shí)間，還能減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

綜上表明，將基于CAD的3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜脊柱疾病治療中值得在臨床中推廣，在未來(lái)能夠發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 應(yīng)用于四肢骨折治療

四肢骨折是由多種暴力因素導(dǎo)致骨連接中斷，常見(jiàn)的骨折類型有股骨干、肱骨、肩胛骨骨折等，多數(shù)表現(xiàn)為相應(yīng)部位活動(dòng)受限、骨骼畸形、功能障礙等，而復(fù)雜的四肢骨折主要是浮肩損傷、鎖骨骨折、長(zhǎng)骨骨折（多為脛骨和股骨干骨折）、足部骨折（多為跟骨骨折）等。

肩關(guān)節(jié)是人體解剖結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，可通過(guò)協(xié)調(diào)骨骼或肌肉運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)身體活動(dòng)。對(duì)浮肩損傷患者來(lái)說(shuō)，采用基于CAD的3D打印技術(shù)制作肩模反復(fù)模擬手術(shù)操作，能優(yōu)化手術(shù)方案，術(shù)后患者肩關(guān)節(jié)功能恢復(fù)良好[26]。即使醫(yī)生會(huì)因復(fù)雜鎖骨骨折的解剖形狀而推遲手術(shù)，但使用基于CAD的3D打印技術(shù)制作鎖骨模型（如圖2所示）、截骨導(dǎo)板來(lái)確定畸形鎖骨頂點(diǎn)、模擬截骨手術(shù)，最后根據(jù)術(shù)前計(jì)劃進(jìn)行手術(shù)，患者可在術(shù)后6個(gè)月恢復(fù)正常生活[27]。

圖2 用于治療復(fù)雜鎖骨骨折的3D打印模型[27]

目前，基于CAD的3D打印技術(shù)多用于復(fù)雜脛骨平臺(tái)骨折患者的治療。Nie等[28]根據(jù)13例SchatzkerⅤ～Ⅵ型脛骨骨折患者的CT圖像，利用基于CAD的3D打印技術(shù)制作骨折模型，并在模擬手術(shù)過(guò)程中選擇合適的鋼板、螺釘類型和尺寸，為醫(yī)生執(zhí)行手術(shù)減少了時(shí)間和難度。Shen等[29]發(fā)現(xiàn)可在采用基于CAD的3D打印技術(shù)制作的脛骨模型上行復(fù)雜脛骨骨折的復(fù)位、模擬和固定（如圖3所示），以更準(zhǔn)確地幫助醫(yī)生記錄骨折碎片數(shù)量、放置鋼板及確定置入螺釘?shù)奈恢玫?，術(shù)后患者恢復(fù)較好，這與Wu等[30]的結(jié)論一致。

圖3 在3D打印脛骨模型上進(jìn)行體外模擬和固定[29]

在足踝部骨折中，Dekker等[31]基于CAD使用個(gè)性化3D打印鈦植入物輔助治療15名嚴(yán)重足踝部骨折患者，在進(jìn)行關(guān)節(jié)融合手術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管3D打印鈦植入物前期成本較高，但能滿足下肢骨折患者特定的需求，同時(shí)能改善下肢功能，提高患者滿意度。

以上研究表明基于CAD的3D打印技術(shù)給四肢骨折患者治療帶來(lái)了積極效果，將在四肢骨折治療中發(fā)揮更大的作用。

2.4 應(yīng)用于骨盆骨折治療

骨盆是由骶、尾骨和左右兩髖骨連接而成的骨架，既可支撐體質(zhì)量，還能容納和保護(hù)盆腔臟器。骨盆受到暴力后易發(fā)生骨折，骨塊矯正和復(fù)位難度大、手術(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而通過(guò)CAD結(jié)合SLM技術(shù)設(shè)計(jì)和制作鈦合金接骨板可解決上述問(wèn)題，并達(dá)到修復(fù)斷骨、減小手術(shù)切口及恢復(fù)骨盆功能的作用[32]。Wu等[33]術(shù)前通過(guò)基于CAD的3D打印技術(shù)制作3D骨盆模型和手術(shù)導(dǎo)航模板治療不穩(wěn)定型骨盆骨折患者，預(yù)先在模型上進(jìn)行鋼板的預(yù)彎、模擬手術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)良好，表明采用基于CAD的3D打印技術(shù)制作模型可應(yīng)用于不穩(wěn)定型骨盆骨折手術(shù)。Wang等[34]的Meta分析發(fā)現(xiàn)，在7項(xiàng)利用CAD結(jié)合3D打印技術(shù)輔助骨盆骨折手術(shù)的研究中，使用3D打印模型更利于手術(shù)和術(shù)后骨折復(fù)位。而Hung等[35]發(fā)現(xiàn)，無(wú)論術(shù)前是否用基于CAD的3D打印技術(shù)制作模型來(lái)輔助復(fù)雜骨盆骨折手術(shù)都無(wú)法縮短老年患者住院時(shí)間，可能與小樣本群體、患者初始損傷程度等有關(guān)。

髖臼是人體髖關(guān)節(jié)的重要組成部分，因髖關(guān)節(jié)負(fù)重大、活動(dòng)度大，所以極易受損。髖臼骨折在一定程度上屬于骨盆骨折的范疇。Zampelis等[36]基于CAD使用3D打印鈦植入物修復(fù)大髖臼缺損，種植體位置與髖臼缺損的結(jié)構(gòu)之間存在一致性，但仍需長(zhǎng)期隨訪。Wan等[37]進(jìn)一步證實(shí)利用計(jì)算機(jī)虛擬復(fù)位聯(lián)合3D打印技術(shù)可治療復(fù)雜髖臼骨折，且不影響復(fù)位與關(guān)節(jié)功能恢復(fù)，具有重要的臨床價(jià)值。Meesters等[38]比較了19個(gè)髖臼骨折患者利用基于CAD的3D打印技術(shù)輔助手術(shù)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印組優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)組，但改善患者骨折復(fù)位和關(guān)節(jié)功能的證據(jù)有限，可能與人群的特異性、觀察者之間的差異性和研究的異質(zhì)性等有關(guān)。

應(yīng)用3D打印技術(shù)與CAD模擬手術(shù)過(guò)程為復(fù)雜骨盆骨折治療提供了一種新穎的解決方案，有助于提高手術(shù)成功率、優(yōu)化手術(shù)效果，對(duì)復(fù)雜骨盆骨折患者有諸多益處。

3 基于CAD的3D打印技術(shù)在復(fù)雜骨科疾病治療中的優(yōu)勢(shì)

3.1 可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化手術(shù)

在傳統(tǒng)手術(shù)中，醫(yī)生通過(guò)X射線、CT等獲取患者的影像學(xué)資料，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)分析和討論完善術(shù)前方案，然后憑借醫(yī)生的專業(yè)能力、臨床經(jīng)驗(yàn)及手術(shù)技能的成熟度進(jìn)行手術(shù)。而基于CAD的3D打印技術(shù)則根據(jù)患者原始數(shù)據(jù)完成模型重建，在模型上觀察骨折部位的結(jié)構(gòu)形態(tài)，模擬手術(shù)操作，利用個(gè)性化的術(shù)前規(guī)劃完成手術(shù)[39]。雖然3D打印技術(shù)能打印出與患者身體1∶1比例的器官模型，使醫(yī)生根據(jù)患者個(gè)體差異性設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)個(gè)性化手術(shù)，但解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、手術(shù)視野有限、導(dǎo)板設(shè)計(jì)合理性等問(wèn)題使得虛擬手術(shù)與實(shí)際操作存在一定的差異[3]，因此如何縮小虛擬與現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題仍需要不斷深入研究。

3.2 可縮短手術(shù)時(shí)間、降低風(fēng)險(xiǎn)及促進(jìn)治療效果

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多患者遭受復(fù)雜骨科疾病的侵?jǐn)_，如高能量沖擊造成的粉碎性骨折，在造成原發(fā)部位損傷的同時(shí)還會(huì)引起胸腔、腹腔或盆腔的損傷，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。而簡(jiǎn)單的二維圖像分析已無(wú)法滿足醫(yī)生特定的需求，基于CAD的3D打印技術(shù)克服了二維圖像立體效果差和組織重疊等缺點(diǎn)，可清晰識(shí)別病變區(qū)域情況，減少手術(shù)操作步驟，確保手術(shù)成功。臨床醫(yī)生術(shù)前利用基于CAD的3D打印技術(shù)制作的模型可對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行復(fù)位，優(yōu)化手術(shù)入路，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和模擬手術(shù)操作，從而減少術(shù)中風(fēng)險(xiǎn)、術(shù)后出血量及并發(fā)癥，縮短手術(shù)周期，提高手術(shù)的安全性和有效性[37]，具有重要的臨床價(jià)值。雖然現(xiàn)有研究證實(shí)了基于CAD的3D打印技術(shù)在治療復(fù)雜骨折中的優(yōu)越性，但尚不能改善骨折復(fù)位質(zhì)量和關(guān)節(jié)功能[40]，有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 術(shù)前可展示手術(shù)效果，利于醫(yī)患溝通，減少醫(yī)療糾紛

在復(fù)雜骨科疾病治療中，由于傳統(tǒng)手術(shù)視野和暴露范圍有限、骨塊結(jié)構(gòu)不規(guī)則難以實(shí)現(xiàn)定位，醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中存在一定的盲目性。而基于CAD的3D打印技術(shù)不僅能克服上述問(wèn)題，還能將虛擬模型變?yōu)閷?shí)物，為手術(shù)精準(zhǔn)復(fù)位和縮短手術(shù)時(shí)間奠定基礎(chǔ)。在術(shù)前利用此技術(shù)進(jìn)行三維重建可向患者及家屬講解治療細(xì)節(jié)、設(shè)計(jì)方案及術(shù)后治療效果，提高患者依從性，減少矛盾和糾紛，促進(jìn)醫(yī)患關(guān)系和諧[41-42]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于CAD的3D打印技術(shù)治療骨科復(fù)雜疾病在減少手術(shù)創(chuàng)傷、縮短手術(shù)時(shí)間、促進(jìn)醫(yī)患溝通等方面優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)，且取得較好的手術(shù)效果，進(jìn)一步提高了患者的生活質(zhì)量和滿意度。但基于CAD的3D打印技術(shù)仍存在著許多不足，如：（1）建立手術(shù)模型需要高質(zhì)量的CT等影像圖像，且該技術(shù)不能反映骨折部位的血管、神經(jīng)、軟組織等情況，必須依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的臨床醫(yī)生的指導(dǎo)，并且術(shù)前3D打印用時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法用于急診患者；（2）3D打印模型成本較高，且制作材料有限，只能小規(guī)模批量生產(chǎn)。

隨著醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展、科技的不斷進(jìn)步，3D打印的成本將逐漸下降。而隨著CAD輔助工具的不斷更新，3D打印可直接打印出個(gè)性化的可植入組織或器官，代替損傷的組織或器官行使正常的功能。未來(lái)，基于CAD的3D打印技術(shù)將克服種種缺陷，在輔助復(fù)雜骨科疾病的治療中發(fā)揮更大作用。