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【解析】3D打印在骨盆骨折术前评估和个体化钢板定制中的应用

http://www.printing.hc360.com2017年12月05日10:32 来源:禹宝庆敖荣广T|T

    骨盆骨折多由高能量损伤所致,具有较高的致残率和病死率。早期救治聚焦于损害控制及控制出血,降低病死率;一旦全身情况平稳后,对于不稳定的骨盆骨折,多需采用切开复位内固定,达到复位骨折、稳定骨盆环、利于早期活动、降低伤残率的目的。然而骨盆不仅有周围复杂的血管神经,而且其解剖结构不规则,给术前骨折评估带来较多困难,也增加手术风险及难度。

    目前,个性化、精准化治疗已逐渐成为创伤骨科发展的一个重要方向,而3D打印技术则是实现骨科手术个性化、精准化的有效手段。国内外已经广泛开展了3D打印技术用于骨盆骨折的临床研究。笔者就3D打印技术在骨盆骨折术前评估和手术治疗方面的应用进行回顾及展望。

    3D打印技术对骨盆骨折术前评估的作用

    在骨盆骨折的手术治疗中,骨折复位质量、内固定选择及并发症预防是治疗的关键。在传统的骨盆骨折治疗中,我们更多地依赖X线片及CT平扫等二维空间数据来对骨盆骨折进行术前评估,但骨盆的解剖结构复杂,常规X线片及CT平扫数据往往难以全面、准确地评估骨盆骨折。CT三维重建可提供任意旋转的三维立体图像,可更清晰显示骨盆骨折移位、前后环破坏情况,弥补了X线片及CT平扫图像的不足,提高了诊断的准确性。但CT三维图像的精确度取决于扫描的断层厚度,层厚越小,三维模型越接近于真实原形。当层厚>2mm时,图像会出现伪影,造成三维建模失,进而影响对骨盆骨折的准确诊断。同时,由于骨盆骨折周围有大量的重要血管神经,操作不当则可能导致大量出血等严重并发症。

    因此,利用薄层CT平扫数据进行骨折的虚拟重建,采用3D打印技术,以光敏树脂为材料打印1∶1比例的三维实体骨盆模型,可以更好地帮助骨科医师了解骨折类型和移位程度,有助于做出明确的术前诊断、评估术中可能存在的风险,还能为术中复位提供直观的参考。术前还可以利用模型进行模拟手术操作和练习,并对钢板进行预塑形,从而减少术中手术操作时间及X线透视次数。患者个体的实体模型还有助于术前与患者的充分沟通,更容易取得患者的理解及配合,减少医疗纠纷的发生。Hurson等针对复杂的骨盆、髋臼骨折,邀请3名骨科医师及3名高年住院医师,分别使用常规骨盆X线片、CT等传统影像学资料及3D打印等比例实体模型进行评估、分型及术前规划,认为实体模型可以帮助年轻医师更好地进行骨折分型。

    但打印3D的实体骨盆模型需要大量的时间,有学者统计,打印单侧骨盆模型平均为8.6h,笔者在实际工作中打印一个全骨盆模型平均为18h,并且随着骨盆模型精度要求的提高,打印时间会进一步延长;3D打印模型的材质多选用光敏树脂,成本较高,该项收费尚未纳入医保报销项目,这些都进一步限制了3D打印技术在骨盆骨折的临床应用。同时,光敏树脂材质强度较大,其制作的骨盆实体模型塑形困难,特别是骨折移位大或存在粉碎骨块的时候,还可影响术前钢板预塑形的精确性。

    为克服3D打印实体模型存在的缺点,也可以通过计算机模拟骨盆骨折复位的方式,并结合血管造影技术模拟动、静脉与骨盆骨折之间的关系。章莹等通过血管造影、快速成型、计算机辅助的个体化3D打印技术,术前模拟骨盆骨折手术,与传统的治疗方法比较,有效地减少了术中出血量并降低手术并发症的发生率。

    但无论是采用3D实体模型还是计算机虚拟模拟手术,均是单纯考虑骨折本身,故与实际的手术仍存在不小的差距。如何模拟真实的手术环境将是未来的研究方向。虚拟手术也许能为骨盆骨折的治疗带来质的飞越,它通过虚拟现实技术在计算机中建立一个包括解剖学信息的模拟环境,医师借助虚拟环境中的信息进行术前模拟操作及实际手术。

    3D打印技术个性化钢板的制备

    精准医疗是21世纪医学发展的重要方向之一。虽然标准化的骨科内置入物可以满足大部分患者的治疗需求,但就骨盆骨折而言,由于其解剖结构复杂、前后环的骨性结构不规则,且个体差异大,为提高手术治疗效果,术中钢板与骨性结构需做到尽量贴服。而术前预塑形的重建钢板,钢板的强度,特别是在钉孔周围的强度必然下降,增加钢板疲劳断裂的可能;螺钉孔的变形,可影响螺钉的置入,特别是螺钉的锁定,从而降低内固定的稳定性。3D打印技术则可以"量身定制"个性化钢板,其钢板长度、螺钉孔及螺钉方向术前均已设计好,因此钢板固定后与骨面更加贴服、稳定,有利于患者的康复。由于是解剖学设计,有利于钢板的微创插入,术中无须折弯,故不会影响其刚度、抗疲劳强度。目前,国内外已广泛开展了3D打印个体化内置入物的临床应用研究。

    Dai等和戴尅戎等采用3D打印技术,定制个性化的半骨盆用于治疗骨盆肿瘤患者,取得了良好的临床疗效。Xu等利用3D打印技术人工定制枢椎,成功治疗1例12岁的尤文肉瘤患儿,并重建病变椎体切除后的稳定性。上述研究均聚焦于关节、脊柱等骨肿瘤治疗的个性化假体定制研究,但有关创伤骨折中个体化定制钢板的研究报道非常少。

    笔者已开展了"3D打印结合个体定制钢板内固定技术在骨盆骨折治疗中的应用"的研究,术前通过计算机模拟骨盆骨折的复位,通过健侧骨盆翻转或骨折虚拟复位的方法,按照解剖复位的治疗要求虚拟定制骨盆前后环的钢板,再采用常规钢板的制作方法,一是线切割下料钢板外形,使用模具冲压成形,经过数控机床加工螺纹孔,钳工去毛刺,然后处理钢板表面光洁度,完成个性化定制钢板的制作;二是采用五轴加工中心直接雕刻出定制的钢板,再利用3D实体模型对定制钢板进行验证,可缩短手术时间,减少术中出血量及透视次数,降低了术后并发症的发生。

    关于骨盆个性化定制钢板,目前处于起步阶段,有些问题还需进一步研究和验证。一是如何确定定制钢板的外形?采用了镜像翻转的方法,利用健侧骨盆环模拟解剖复位的前环骨折端,但实际手术中并不一定能够达到骨折端的解剖复位,特别是当骨折严重粉碎时;同时,当双侧骨盆前环均有损伤时,亦无法采用镜像翻转。笔者也尝试通过虚拟复位骨折端指导定制钢板,对于简单的前环骨折,虚拟复位操作简单,当骨折粉碎时,虚拟解剖复位则相当困难,同样也不利于钢板的定制。

    因此,还需要更多的研究来比较两种确定定制骨盆钢板方法的优劣,制订更为合理的方法增加定制钢板与骨性结构的匹配性。二是定制钢板的制造。目前采用的定制钢板制作方法大约需要3d,周期较长,为了尽快使用,常规不进行力学强度的测试,而是将定制钢板较普通钢板加宽、加厚来提高其力学性能,但加厚的钢板可能会引起患者骨盆区域的突出不适,特别是瘦弱的患者。3D金属打印是个性化定制钢板的新方向,目前已广泛应用于航空航天等领域,但打印金属钢板的力学强度还需进一步的研究验证。

    总之,3D打印技术应用于骨盆骨折的研究大多集中于术前评估阶段,并取得了一定的研究成果。为了更加精准地治疗骨盆骨折,3D打印技术结合个性化钢板的制备则是创伤骨科未来发展的趋势。个性化定制的钢板作为一种新型产品,一方面需要政府部门制定相应的政策法规以授权其合法使用,另一方面则需严格的技术标准和产品质量控制,需要更多的创伤骨科专家与影像科及相关器械生产厂商的通力合作,开展从钢板外形设计到个性化钢板的制备工作,并致力于临床推广应用。

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