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分析3D打印技术在足踝外科中的应用价值

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摘 要

3D打印技术应用于足踝外科领域具有快速、个体化、直观、可操作性强等优点。应用3D打印技术制作的足踝矫形器能实现个体化治疗,并缩短制作时间;术前制备骨骼3D打印模型和导向模型可减少手术难度和术中透视次数,增强手术精确性;术前应用3D打印技术制备个体化骨片和假体,可实现较好的匹配。该文就3D打印技术在足踝外科的应用价值作一综述。

足踝部具有骨骼及关节数量多、形态复杂、体积小等特点,故该部位的创伤诊治一直是骨科领域的难点之一。随着计算机技术的飞速发展,3D打印技术应运而生。借助于3D打印技术快速、个体化的优势,一些足踝部位研究难点得以突破。本文就3D打印技术在足踝外科领域的应用现状作一综述。

分析3D打印技术在足踝外科中的应用价值

1.3D打印技术概述

广义的3D打印技术又称快速成型技术,是一种以数字模型为基础,在计算机控制下以逐层打印的方式构造物体的技术。利用此技术可构造出任意几何形状的物体。自Hull等在1986年制造了第一台3D打印机以来,此项技术已经过30年的发展。进入21世纪后,由于计算机技术的迅速升级,3D打印机的效率、性能取得了长足的进步,其产量、销量飞速上涨,价格逐年降低,甚至出现了仅具有基本的家用3D打印机。如今越来越多功能强大的新式3D打印技术也在不断涌现,这些新型3D打印机可打印更多不同材料、不同需求的物品。3D打印技术的发展使3D打印机的应用越来越广泛,各行业都开始挖掘3D打印机在本领域的应用价值。

2.3D打印的步骤与方法

3D打印主要分为3个步骤。第一步是在计算机上进行3D设计,即先建立3D模型,再将3D模型进行分区或切片,使之能够被3D打印机识别;第二步由打印机完成,即读取3D模型的分区或切片数据并打印,然后将这些分区或切片利用各种方式粘合成一整体;第三步将第二步打印出的实体进行再加工,使之更符合实际需求,从而完成整个打印过程。在临床医学领域,现代影像学技术如多排螺旋CT及MRI等检查可以为3D打印提供制作模型的形态学参数。随着临床上这些检查在的逐步常规化,3D打印在医学领域也开始有了应用的空间。

目前应用在医学方面的3D打印技术主要有选择性激光烧结、熔融沉积造型、多喷嘴成型技术和立体印刷术等四种。选择性激光烧结技术是指用激光束在热塑性薄片上进行选择性切割,由此将CT或MRI的每层图像制成热塑性薄片;然后将这些薄片层叠烧结,形成3D模型。该技术制造出的模型有几何精度高的优点,而其劣势;但是,高昂的成本和粗糙的表面,使之实用性较低。熔融沉积造型技术指将熔融的材料分层塑型、凝固。这种方法可使不同的组织采用不同材料制作,各解剖结构可分别用不同颜色、类型的材料制成以示区分。所制模型几何精度及表面质量较高,但耗时较长,制成模型耗时可达24小时。作为最早出现的3D打印技术,立体印刷术在医学领域仍较为常用。它的原理是让需要成型的液态光敏树脂在激光作用下选择性地发生聚合反应,硬化后层叠制成模型。制成的模型具有可消毒、几何精度高、表面质量高、细节等级高等优点,其细节等级和表面质量超越熔融沉积造型技术,但也有耗时长的缺点。多喷嘴成型技术被称为狭义的3D打印技术,打印方式类似于一台普通的喷墨打印机,即将粉末状的材料逐层喷涂,最终形成模型成品。这种打印方法缺点较多,但其耗时较少且材料成本较低。若采用最新技术制成成品时间可压缩至4h内,且仍有缩短的空间。

3.3D打印技术在足踝外科中的应用

3.1个性化足踝矫形器定制

足踝矫形器是一种用于控制足踝部运动的装置,可用于固定关节炎、骨折损伤部位和纠正足踝部畸形。批量生产的矫形器型号有限,无法提供个体化的服务以实现最佳矫形效果。定制的足踝矫形器虽解决了上述问题,但其制作耗时长且对工艺技巧要求高。3D打印的足踝矫形器应用逆向工程和快速成形技术,在大幅降低个体化足踝矫形器制作难度、缩短制作时间的同时,可实现与定制的足踝矫形器相同,甚至更佳的效果。Faustini等利用激光烧结技术制作出的足踝矫形器具有个性化的形状和功能,且在抗压力和抗扭力等方面表现良好。Mavroidis等通过激光扫描收集患者个体化数据,利用3D打印技术制作模型,得到的成品与传统的聚丙烯矫形器伸展性、弹性、抗弯、抗压等均相近。Creylman等应用激光烧结技术为8例已使用定制足踝矫形器超过2年的患者量身定制了新的足踝矫形器,结果步行实验显示这些足踝矫形器表现良好,其在跨步距离、跨步时间、起步时间上均取得了与定制足踝矫形器同样好的效果,而制作这些足踝矫形器的时间(仅需1d)却远短于定制足踝矫形器。目前应用3D打印制作的足踝矫形器在各种测试和实验中均表现良好,投入临床应用前景可期。

3.2足部骨骼模型的制备

足踝部骨骼多、形态复杂,对该部位进行手术需术者具有扎实的解剖知识、较强的空间想象能力、丰富的临床经验和完善的术前设计。即使具备上述条件,患者个体化差异仍可导致手术难度增大和操作时间增加。在术前制备足踝部骨骼3D打印模型,可提供逼真的模拟手术环境,帮助术者对手术部位进行全面观察和了解。此外,足踝部骨骼3D打印模型还可用于术前预复位、术中钢板螺钉置入及内固定模拟,并可对钢板进行预塑型,从而进一步调整手术方案,确定更合理、个体化的内固定物置放位置和角度,以期实现更佳的手术效果,并缩短术中操作时间。

Kacl等将30例跟骨关节内骨折足踝部骨骼3D打印模型与普通2D、3D重建图像进行对比,发现3D打印模型与普通2D、3D重建图像在跟骨骨折诊断方面并无明显差异,认为与数字化虚拟模型相比,3D打印模型具有更强的可操作性,故在手术设计方面更为实用。Giovinco等介绍了采用3D打印技术辅助治疗Charcot足,即采用普通的3D打印机制作数个廉价的患足骨骼模型,术者通过模拟手术有效降低了Charcot足晚期手术难度,提高了手术效率,从而减少手术风险,提高手术成功率。Bagaria等采用3D打印技术制作了1例16岁男性患者跟骨骨折(Sanders IIB型)模型,模型清晰地展示了骨折情况;据此设计的手术获得成功,患者术后恢复良好,2年后骨折完全愈合。Chung等报道了1例3D打印模型用于单侧关节内跟骨骨折手术,即先扫描了双侧跟骨的CT图像,再应用镜像技术,将健侧跟骨打印成与患侧跟骨相同大小的模型,术前利用该模型及影像学资料设计钢板位置、钉道等,使内固定物既能稳定固定,又能以较小的切口置入,并对钢板进行预塑型,使其能更好贴合骨面;术中直视下及X线透视下将模型与骨折处进行对比,以此为依据进行复位、植骨及固定,最终手术获得成功。章莹等研究计算机快速成型技术辅助个体化治疗三踝骨折的效果,并与常规手术进行比较,发现虽然两者手术切开暴露时间并无差异,但前者复位与固定时间较短,手术疗效优良率也较高。金丹等应过逆向工程方法及三维重建技术制备了用于下胫腓联合分离固定中的导航模板,制备出的导向模板具有较好的匹配性,在下胫腓联合分离内固定临床初步应用中显示了良好的效果。骨骼3D打印模型及导向模板有助于骨折复位、钢板预弯、内固定物置放位置及角度确定、截骨矫形术设计等,因其能减少手术难度、增加手术准确性、减少术中X线透视使用次数,在临床上具有较为乐观的应用前景。

3.3植入物的个性化设计

足踝部损伤常会造成骨骼缺损,此时需进行适当的植骨以重塑其结构完整性。但由于足踝部骨骼结构复杂,骨骼缺损呈不规则状,因此对植入物塑形常在术中耗费大量时间。利用足踝部骨骼3D打印模型,可在术前即应用3D打印技术制备个体化骨片和假体,不但较传统方式节省手术时间,还能实现更好的匹配。由于技术限制,使用3D打印机直接打印钛合金钢板或螺钉尚处于试验阶段,目前3D打印技术主要用于预处理钢板,经3D打印技术处理的钢板较传统钢板更能个体化地适应患者骨骼情况,从而达到更佳的疗效。Cooke等将可降解的生物材料应用在3D打印中,成功制造出了符合要求的骨片。Leukers等应用3D打印技术打印羟基磷灰石支架并在其上培养干细胞,使这些支架成为类似人体骨骼的结构。3D打印技术可构造出任意形状的物体,因此其在足踝外科中的应用价值值得进一步研究。

4.总结及展望

应用3D打印技术制作的足踝矫形器不仅能实现个体化治疗,还能减少人工成本和时间成本。对复杂的足踝外科手术,3D打印模型和导向模板不仅能减少手术难度、减少术中透视次数,更能增强手术精确性。此外,3D打印技术也可应用于制造个体化植入物,随着3D打印模型表面处理和几何精确度等技术的进步,3D打印技术在直接打印植入物方面有巨大的发展空间。然而,目前3D 打印技术仍存在一定的不足。首先,虽然随着技术的进步,3D打印模型的成本逐年稳步下降,但仍相对稍高;其次,3D打印耗时仍过长,较难应用于急诊手术;最后,3D打印技术的应用仍处于试验阶段,其应用范围需更多的探索,实际疗效需临床研究验证。若3D打印技术能不断改进及继续发展,其在足踝外科的应用前景将十分广阔。

参考文献(略)

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