3D打印技术在骨盆骨折诊疗中应用进展.doc

1、3D 打 印 技术 在 骨 盆 骨折 诊 疗 中 应用 进 展 王德伟 赵英 伟 哈 尔 滨市 第 五医 院 骨科 摘 要： 骨盆骨折是临床中较为常见的骨折类型, 因骨盆具有特殊不规则的环状骨性结 构, 所以其骨折的外科治疗也相对复杂, 经过医生不断探索, 内固定 手术已经 成为不稳定骨盆骨折的主要治疗手段。随着科技不断进步, 3D 打印技术已逐渐 应用于骨盆骨折的诊疗工作中, 并取得巨大的进步, 相关报道逐年增多。 本文通 过回顾相关文献, 分析、整理 3D 打印技术应用于骨盆骨折的公认优势, 详细阐 述了该技术在骨盆骨折诊疗、应用进展及相关争议问题, 并探讨了未来研究方 向。 关键词 ：

2、骨盆骨折; 3D 打印; 诊疗; 作 者简 介： 赵英伟, E-mail: Application progress of 3D printing in the diagnosis and therapy of pelvic fracture WANG De-wei ZHAO Ying-wei Depeartment of Orthopedics, Fifth Hospital of Harbin; Abstract ： Pelvic fracture is one of the most common fractures in clinic. Surgical treatment of pe

3、lvic fractures is relatively complicated because of its special and irregular ring bony structure. Internal fixation has become the main treatment for unstable pelvic fracture with the continuous exploration and practice. In recent years, 3 D printing technology has been gradually applied in the dia

4、gnosis and treatment of pelvic fracture with the continuous progress of science and technology. Great progress has been made and related reports have increased year by year.We analyze the advantage of 3 D printing technology in pelvic research through reviewing relative literatures. Also, the applic

5、ation progress, related controversial issues and further research directions are elaborated. Keyword ： pelvic fracture; 3D printing; diagnosis and therapy; 骨盆骨折是临床中较为常见的骨折类型, 占全身骨折的 1%3%1。改革开放以 来我国经济建设飞速发展, 伴随而来的交通事故、 工业事故、 高空坠 落等高能量 损伤也日益增多, 导致各种复杂损伤发生率逐渐增加, 骨盆骨折发生率也随之 增加。其病例中男性较多, 通常发生在年轻人群, 交通事故为

6、最常见致伤原因 2-3。骨盆与髋臼解剖结构复杂, 临床诊断治疗工作也相对复杂, 骨折时常合 并严重休克、盆腔脏器损伤, 具有较高的致残率和病死率4, 故人们对骨盆骨 折的探索从未停止。经过 Pennal、Judet、Letournel 等医生的努力, 对骨盆与 髋臼骨折的分型、手术入路的认识不断深入, 手术内固定治疗水平也不断增高, 目前内固定已经 成为不稳定骨盆骨折的主要选择;但内固定存在手术时间长、出 血多、感染、神经血管损伤、固定失效等并发症5-6。因此针对骨盆骨折内固 定治疗进行详细的术前计划是十分必要的。 早在 1979 年Alberti7 就提出了利 用CT 扫描信息来制作生理模型

7、的构想, 同年第一例聚乙烯材料制作的骨盆模型 就应用于骨科手术8 。 时至2014 年邓爱文等9首次应用3D 打印技术腹腔镜辅 助下内固定术治疗髋臼骨折。 随着科学技术不断进步, 3D 打印等技术已逐渐应用于医学, 尤其在骨科、矫形 外科领域10-11。3D 打印 (three-dimensional printing) 即一种利用塑料、 金属、 陶瓷或其他材料参照三维立体图像逐层堆积从而制造三维立体对象的方法 12 。 在医学领域3D 打印技术可以根据CT 或核磁共振扫描的立体容积影像制作 模型, 运用专用的后处理运算法则并根据影像数据库可构建立体空间模型, 之 后连接特殊专用打印机将实物按

8、照扫描处理的图像打印出来并粘合成型13。 3D 打印技术可以通过实现对骨盆结构的全景真实模拟来为临床医生的诊断和治 疗提供帮助14。 学者 们已经总结归纳了3D 打印技术的一般原理、 材料属性, 阐 述了在骨科领域应用现状、优势15-17, 本文着重针对该技术在骨盆骨折诊疗 现阶段应用进展及相关争议问题进行阐述。 1 公认优势 目前骨盆骨折诊疗中, 3D 打印技术应用得到广泛认可, 优势主要为以下三点。 1.1 术前 计划模 拟手 术 临床医生术前应用 3D 打印技术复制骨折模型并进行模拟手术可缩短手术时间、 提高手术精确度, 被视为一种操作相对简单、实用性强的临床工具。法国学者 Upex 等

9、18在髋臼骨折病例中术前进行 3D 打印骨折模型并进行术前钢板预弯, 术中无需再次折弯钢板直接复位固定骨折并获得解剖复位坚强固定。而且 3D 打 印技术可辅助进行骨盆骨折的微创手术治疗, 具有损伤小、 并发症少、 复位良好 等优势19-20;尤其适用于需要术中截骨矫正陈旧性骨盆骨折畸形的术前设计 21 。同时 3D 打印骨盆骨折模型有助于外科医生对髋臼骨折准确分型, 利于术 中精确复位, 而远期髋关节良好功能主要依靠于术中的复位情况, 其较常规放 射学检查具备明显优势。3D 打印模型有助于医生更好地理解复杂解剖结构、骨 折病理情况, 从而获得良好术后效果、改善患者生活质量22。 1.2 结合

10、术中导 航技 术制 作个 体化植 入物 或接骨 板 3D 打印技术导航模板有助于在接骨板及螺钉固定成人骨盆定位点的准确位置, 结合导航模板及术前预弯固定物可以准确有效固定髋 臼骨折23-24 。 1.3 利于 临床教 学与 外科 培训 外科医生通过直接观察 3D 打印模型不仅可明确诊断进行规范分型, 而且提高了 对复杂骨折认识, 有利于年轻医生成长15,25 。 利用3D 打印技术制作的骨折模 型有助于医学生更好地理解骨盆复杂的解剖关系, 将复杂的结构更为直观、 全面 的呈现给医学生, 可以提高培训质量、改善学习曲线, 3D 打印模型成为一种对 外科教学、 临床 培训很有意义的工具26, 另外

11、可以提高骨折患者术后满意程度, 还是一种帮助医患沟通的有效工具27。 2 最新进展 最近学者们在骨盆骨折诊疗研究领域结合3D 打印技术做了许多深入研究, 为3D 打印技术更好地服务临床工作拓展了视野, 大致总结为以下两方面。 2.1 术前 制定手 术计 划相 关的 研究 3D 打印技术应用于术前计划、模拟手术已具备明显优势, Bagaria 和 Chaudhary28通过多中心、 大样本研究证明 3D 打印技术用于术前可提供比传统 影像学更真实的信息、 细节, 缩短了手术时间、 提高手术精确度, 建议作为常规 流程用于术前。 学者也通过观察骨盆骨折术后疗效评估了 3D 打印技术的可行性, 验证

12、 3D 打印技术可以 较好地评估骨盆骨折修复前情况并制定出合理的术前计划, 认为3D 打印技术可作为骨盆骨折术前常规项目29。多位学者们报 道了常规利 用3D 打印技术针对骨盆髋臼骨折进行术前设计、 模拟手术、 预弯钢板 等操作, 可 使手术更为精确、缩短手术时间并提高了复杂高难手术的成功率30-31。 2.2 改进 个性化 内固 定 物 相关 研究 由于骨盆及髋臼解剖结构的复杂性及骨盆骨折手术入路选择的个体化, 对于个 性化、 精确的内固定物制作难度较其他类型骨折明显增加, 学者们结合 3D 打印、 计算机导航等技术逐步解决了细节问题。麦奇光等32通过3D 打印技术制作个 性化髋臼翼形接骨板

13、治疗复杂髋臼骨折, 对复杂骨折进行解剖复位并得到坚强 固定, 真正实现复杂髋臼骨折精准化、个性化。杨光等33使用3D 打印技术设 计个性化骨科导向模板可将手术方案转移至实际手术中, 可正确引导螺钉, 实 现微创准确固定骶髂关节, 降低骨盆手术难度, 并且避免了反复透视的 辐射危 害。 3 存在问题 尽管3D 打印技术应用于骨盆骨折具备上述诸多优势, 为临床医师提供了更为直 观的模型, 利于疾病的诊断, 便于分型、 归类, 术前模拟手术使得操作过程更为 简便, 术中结合导航模板、 利用个体化内固定物使得手术操作更为精细、 复位固 定等更为准确、 有效, 尤其是在陈旧骨盆骨折手术治疗中34。 但该

14、技术仍存在 许多争议与问题需要学者与临床工作者们继续探究。具体存在 5 个问题。 3.1 3D 打印 技术可 信度 、有 效性、 实用 性有待 进 一 步验证 。 尽管已有学者报道 3D 打印技术成功应用于骨科领域, 无论国内与国外研究报道 仍以个案居多, 其临床实用性、优 势需进一步验证35-36。骨盆骨折采用的临 床经典手术入路例如髂腹股沟入路、Kocher-Langenbeck 入路等, 可能由于新技 术的应用兴起从而影响临床手术入路的选择、 传统观点可能受到质疑20。 现阶 段相关文献报道以小样本、 短期随访为主, 尚缺乏多中心、 大样本、 长期随访的 临床研究, 有待进一步研究验证其

15、有效性 、可信度。 3.2 针对 打印材 料的 探索 有待 深入。 骨盆骨折术中常需要无菌接触 3D 打印模型模板进行参考, 存在感染风险;而感 染问题是骨科医生一直关注的首要并发症之一, 骨科术后的感染往往是灾难性 的, 预示着治疗时间延长以及更高的治疗费用37。3D 打印制作的高分子材料 模型在高温消毒下存在形变可能影响手术效果。 低温等离子消毒技术可能降低感 染风险, 但需进一步验证38。 3.3 3D 导航 模板的 制作 需 更 加细化 。 需要 综合考虑到诸多因素 (解剖变异、 软组织形态、 微创理念、 手术 入路选择等) 引起模型与实际差异性问题, 还需考虑到选择更合理的材料降低感

16、染概率、 降低 误差。生物3D 打印技术悄然而至, 给传统复位、固定、康复锻炼等理念带来挑 战39。 3.4 普及 性工作 进行 困难 。 结合上述原因而且 3D 打印技术相关产品价格昂贵、设备材料的特殊性、制作周 期、 资金、 理念等因素 制约, 核心软件材料大多依靠进口, 其在临床基层单位尚 未得以广泛开展, 个体化内固定物的应 用成本更高, 应用起来更加困难;由于制 作术前模型、 导航模板制作周期的影响, 患者住院时间延长、 增加住院费用, 急 诊手术无法采用, 也未得到患者广泛接受, 临床普及工作任重而道远。 3.5 缺少 相应规 范的 临床 诊疗 指南。 3D 打印技术应用于骨盆骨折

17、领域方兴未艾, 处于探索阶段, 目前虽取得初期成 果, 但术前导航模板制作标准尚未统一, 个体化内固定物制作流程及标准也不 尽相同, 尚未形成相应规范的 临床指南。 4 展望 在骨盆骨折修复中因为其可以针对不同病例进行个性化术前设计 、 模拟手术, 明 显缩短手术时间, 使骨盆骨 折手术已经做到了个性化、 微创化、 低辐射危害, 3D 打印技术已被建议作为常规检查项目40。其远期效果需进一步得到验证;大样 本、 多中心、 随机对照试验有待进一步深入进行。 针对骨盆骨折治疗结合导航技 术制作术前的导航模板明显缩短了手术时间, 更进一步降低了辐射危害, 为患 者康复提供了必要条件33。 但为使得内

18、固定解剖植入位置更为理想化、 个体化 并提高手术的精准程度, 3D 打印技术将与导航定位技术应用紧密结合, 相关研 究将 更为深入。 目前机器人手术应用技术已经进入骨科领域, 在外科手术机器人辅助下医生可 完成经皮螺钉固定骨盆骨折、 髋臼骨折, 具有置入准确性高、 辐射小、 安全有效 等优点41。在 TiRobot 机器人辅助下国内医生可经皮固定骨盆后环, 为微创固 定不稳定骨盆骨折提供了新思路, 达到国际领先水平, 这一优势需要继续保持; 如控制成本、 逐渐普及等问题值得思考, 为实现骨盆外科治疗更为人性化、 智能 化、个体 化, 相关研究需继续进行;为进一步提高骨盆骨折手术精确性、缩短手

19、术时间、微创化, 3D 打印技术辅助下的机器人手术治疗骨盆骨折可能成为一种 趋势42-43。 随着生物 3D 打印技术研究的不断深入, 诸多难题会逐一解决, 骨 盆骨折等复杂创伤的诊疗会更为快 捷、有效。 参考文献 1Chu CH, Tennakoon L, Maggio PM, et al.Trends in the management of pelvic fractures, 2008-2010.J.J Surg Res, 2016, 202 (2) :335-340. 2Davarinos N, Ellanti P, Morris S, et al.Epidemiology of pe

20、lvic and acetabular trauma in a Dublin tertiary hospital:a 10-year experienceJ.Ir J Med Sci, 2012, 181 (2) :243-246. 3 叶博闻, 王秋根.骨 盆骨折流行病学研究进展J.中华全科医学, 2014, 12 (1) :119-121. 4Tachibana T, Yokoi H, Kirita M, et al.Instability of the pelvic ring and injury severity can be predictors of death in patien

21、ts with pelvic ring fractures:a retrospective studyJ.J Orthop Traumatol, 2009, 10 (2) :79-82. 5 杨庆, 王秋根, 潘 福根, 等.588 例骨 盆 骨折的流 行病学 特征与 临床分析J. 中华关节外科杂志 (电子版) , 2013, 7 (1) :64-69. 6Pereira GJC, Damasceno ER, Dinhane DI, et al.Epidemiology of pelvic ring fractures and injuriesJ.Rev Bras Ortop, 2017, 5

22、2 (3) :260-269. 7Alberti C.Three-dimensional CT and structure modelsJ.Br J Radiol, 1980, 53:261-262. 8Tonner HD, Engelbrecht H.Ein neues verfahren zur herstellung alloplastischer spezialimplantate fur den becken-teilersatzJ.Fortschritte der Medizin, 1979, 97 (16) :781-783. 9 邓爱文, 熊日波, 何伟明, 等.髋臼骨折中应用

23、 3D 打印技术术后的康复策略 J. 南方医科大学学报, 2014, 34 (4) :591-593. 10Chae MP, Rozen WM, Mc Menamin PG, et al.Emerging applications of bedside 3D printing in plastic surgeryJ.Front Surg, 2015, 2:25. 11Liu ZJ, Jia J, Zhang YG, et al.Internal fixation of complicated acetabular fractures directed by preoperative surge

24、ry with 3D Printing modelsJ.Orthop Surg, 2017, 9 (2) :257-260. 12Schubert C, van Langeveld MC, Donoso LA.Innovations in 3D printing:a 3D overview from optics to organsJ.Br J Ophthalmol, 2014, 98 (2) :159-161. 13 吕红芝, 陈伟, 朱 燕宾, 等.2010 年至 2011 年京津唐地区九家医院成人骨 盆骨折的分析J.中华创伤 骨科杂志, 2016, 18 (2) :149-152. 14

25、Rengier F, Mehndiratta A, von Tengg-Kobligk H, et al.3D printing based on imaging data:review of medical applicationsJ.Int JComput Assist Radiol Surg, 2010, 5 (4) :335-341. 15Auricchio F, Marconi S.3D printing:clinical applications in orthopaedics and traumatologyJ.EFORT Open Reviews.2016, 1 (5) :12

26、1-127. 16Hoang D, Perrault D, Stevanovic M, et al.Surgical applications of three-dimensional printing:a review of the current literature&how to get startedJ.Ann Transl Med, 2016, 4 (23) :456. 17 朱诗白, 蒋超, 叶 灿华, 等.3D 打印技术在骨科领域的应用J. 中华骨质 疏松和骨矿盐疾病杂志, 2016, 9 (1) :88-93. 18Upex P, Jouffroy P, Riouallon G

27、.Application of 3D printing for treating fractures of both columns of the acetabulum:benefit of precontouring plates on the mirrored healthy pelvisJ.Orthop Traumatol Surg Res, 2017, 103 (3) :331-334. 19 叶松林, 曾参军, 徐谢生, 等.3D 打印辅助经腹直肌外侧切口入路微创治 疗骨盆骨折的临床研究J.中国医药导报, 2017, 14 (15) :93-97. 20Zeng C, Xiao J,

28、 Wu Z, et al.Evaluation of three-dimensional printing for internal fixation of unstable pelvic fracture from minimal invasive para-rectus abdominis approach:a preliminary reportJ.Int J Clin Exp Med, 2015, 8 (8) :13039-13044. 21Wu XB, Wang JQ, Zhao CP, et al.Printed three-dimensional anatomic templat

29、es for virtual preoperative planning before reconstruction of old pelvic injuries:initial resultsJ.Chin Med J (Engl) , 2015, 128 (4) :477-482. 22Sanghavi PS, Jankharia BG.Holding versus seeing pathology.Threedimensional printing of the bony pelvis for preoperative planning of a complex pelvis fractu

30、re:a case reportJ.Indian J Radiol Imaging, 2016, 26 (3) :397-401. 23Chen X, Chen X, Zhang G, et al.Accurate fixation of plates and screws for the treatment of acetabular fractures using 3D-printed guiding templates:An experimental study.J.Injury, 2017, 48 (6) :1147-1154. 24 朱春冀, 雷大林, 刘应旭, 等.3D 打印 个

31、体化模板 在骨科手 术中 的应用J. 中国卫生产业, 2015, 12 (32) :133-135. 25Kim GB, Lee S, Kim H, et al.Three-dimensional printing:basic principles and applications in medicine and radiologyJ.Korean JRadiol, 2016, 17 (2) :182-197. 26Mitsouras D, Liacouras P, Imanzadeh A, et al.Medical 3D printing for the radiologistJ.Radi

32、ographics, 2015, 35 (7) :1965-1988. 27Yang L, Shang XW, Fan JN, et al.Application of 3D printing in the surgical planning of trimalleolar fracture and doctor-patient communicationJ.Biomed Res Int, 2016, 2016:2482086. 28Bagaria V, Chaudhary K.A paradigm shift in surgical planning and simulation using

33、 3Dgraphy:experience of first 50 surgeries done using 3D-printed biomodelsJ.Injury, 2017, 48 (11) :2501-2508. 29 魏新旺, 杨志, 姚 军, 等.3D 打印技术在骨盆骨折修复中的应用J.中国 组织工程研究, 2015, 19 (44) :7163-7166. 30 胡林勇, 陈秋生, 钟美莲, 等.3D 打印在髋臼骨折并骨盆骨折中的临床应 用J.中华实用诊断与治疗杂志, 2016, 30 (9) :867-869. 31 曾参军, 谭新宇, 黄华军, 等.基于3D 打印的腹直肌旁切口

34、治疗骨盆骨折 的临床疗效J.南方医科大学学报, 2016, 36 (2) :220-225. 32 麦奇光, 谷诚, 林 学智, 等.个性化金属三维打印髋臼翼形接骨板结合腹直 肌外侧切口入路治疗复杂髋臼骨折J.中华外科杂志, 2017, 55 (3) :172-178. 33 杨光, 邓飞, 张永 弟, 等.利用 3D 打印技术实现骨盆骨折手术导板的设计 制造J. 机械设计与制造, 2017, (1) :201-204. 34 王满宜骨盆骨折与 髋臼骨折国内治疗现状与将来发展趋势J.中华创伤骨 科杂志, 2016, 18 (2) :93-94. 35Liu ZJ, Jia J, Zhang Y

35、G, et al.Internal fixation of complicated acetabular fractures directed by preoperative surgery with 3D printing modelsJ.Orthop Surg, 2017, 9 (2) :257-260. 36Zhou Y, Kang X, Li C, et al.Application of a 3-dimensional printed navigation template in Bernese periacetabular osteotomies:a cadaveric study

36、J.Medicine (Baltimore) , 2016, 95 (50) :e5557. 37 王满宜, 杨明辉. 重视骨折治疗的并发症J.骨科临床与研究杂志, 2017, 2 (3) :129. 38Tennert C, Feldmann K, Haamann E, et al.Effect of photodynamic therapy (PDT) on Enterococcus faecalis biofilm in experimental primary and secondary endodontic infectionsJ.BMC Oral Health, 2014, 14:

37、132. 39Xiang Gu G, Su I, Sharma S, et al.Three-dimensional-printing of bio-inspired compositesJ.J Biomech Eng, 2016, 138 (2) :021006. 40Zeng CJ, Huang WH, Huang HJ, et al.Laparoscopic acetabular fracture fixation after three-dimensional modelling and printingJ.Indian J Orthop.2017, 51 (5) :620-623.

38、41 赵春鹏, 王军强, 苏永刚, 等.机器人辅助经皮螺钉内固定治疗骨盆和髋臼 骨折J/OL. 北京大学学报 (医学版) , 2017, 49 (2) :274-280. 42 蒋侃凌, 田维, 贾健.TiRobot 手术机器人辅助经皮骶髂螺钉固定治疗骨盆 后环不稳定损伤J. 天津医科大学学报, 2017, 23 (3) :247-251. 43Dagnino G, Georgilas I, K9hler P, et al.Navigation system for robotassisted intra-articular lower-limb fracture surgeryJ.Int J Comput Assist Radiol Surg, 2016, 11 (10) :1831-1843.