【综述】3D打印技术在骨盆与髋臼骨折诊治领域中的应用现状及展望

作者：撒海明、马志强、朱江、吾依拉汗·托列吾汗、田盛、徐武、李陶、黄异飞、吕刚
来源：中华创伤骨科杂志, 2022,24(12)

骨盆与髋臼骨折常由高能量损伤导致，在人体全部骨骼损伤中占3%~7%[1]，是骨科创伤患者死亡的重要原因之一。近年来，随着交通事故中的创伤数量和严重程度的增加，其发病率呈上升趋势[2]。

骨盆与髋臼骨折的治疗原则是稳定患者生命体征后解剖复位并坚强固定，以求早期进行功能锻炼，从而达到良好的功能恢复[3,4]。微创入路下内固定是最佳处理方式[5,6,7,8]。由于其手术通路受限及用于置入螺钉的骨通道狭窄等，手术治疗骨盆与髋臼骨折的技术门槛和并发症风险较高[9,10,11]。

近年来，受益于医学技术的进步，骨盆与髋臼骨折患者的病死率逐年降低[12]，各种新兴技术如3D导航、骨科机器人、3D打印技术开始应用于骨盆与髋臼骨折的诊疗，提高了螺钉置入的效率和精确度，但3D导航术前准备时间较长，术区参照物位置、患者体位、3D导航示踪器的稳定性、患者肥胖等因素均会影响其图像的精确性，使用过程复杂，对机器和配套器材及专业技术等要求高，相应的成本较昂贵[13,14,15,16]。骨科手术机器人的机械臂动作稳定、精准，在高速网络加持下可实现远程手术，但缺乏手术触觉反馈，仅仅依靠机器反馈图像辅助操作，可能会增加医源性损伤的发生风险。其占用空间大、应用场景有限，不适用于移位较大的骨盆与髋臼骨折[17,18,19,20,21]，且设备精密，成本同样较高。就3D打印技术而言，手术医师只需参与术前3D模型的设计，而无需参与导板等的制作过程，术中应用导板等成品时步骤简单、应用场景广泛，相对于前两者工作量较小。除打印接骨板所需的含钛金属材料外，3D打印机、打印材料等相关设备成本相对低廉。

该技术只需基于患者CT或MRI扫描数据，使用Mimics等建模软件建立骨盆与髋臼模型，基于数据设计接骨板、钻孔导板、测量螺钉通道参数等，然后选择合适材料打印实体物件，经过消毒等程序即可应用于临床。

一、3D打印技术的应用现状
（一）预手术设计
骨盆与髋臼骨折的复位固定是创伤骨科最具挑战的手术，需要严谨的术前评估分型、术前手术方案和预手术设计（图1）。在制定手术方案的过程中，一个重要的环节是明确骨折类型、移位程度，3D打印骨盆与髋臼骨折模型在这方面较CT扫描及三维重建等传统影像数据更具优势[22,23,24,25]。Maini等[26]的前瞻性随机对照研究将21例骨盆与髋臼骨折患者随机分为3D打印组（10例）和常规术式组（11例），3D打印组患者使用3D打印的骨盆与髋臼模型，在术前使用此模型预先进行模拟手术并对接骨板进行预弯，术中使用预弯接骨板进行髋臼复位固定。术后CT扫描发现，常规术式组4例患者有2~3 mm的台阶未能实现髋臼解剖复位，而3D打印组无一例患者出现台阶，所有预成型接骨板都很好地贴合于骨盆，术后两组患者之间骨折端吻合程度差异显著。

在使用拉力螺钉复位固定骨盆与髋臼骨折时，预手术同样具备优势，王鉴顺等[3]以是否做预手术将137例骨盆与髋臼骨折患者分为3D打印组（65例）和常规术式组（72例），结果显示：与传统术式组患者相比，3D打印组患者在平均手术时间、螺钉置入过程中透视次数方面有显著优势。事实证明，在传统术式的基础上，应用同比例3D打印的骨盆与髋臼骨折模型进行预手术，可以为患者提供个体化的手术方案，减少术中出血量和透视次数，缩短手术时间，提高骨折复位质量[22,23,24,25]。

（二）3D打印钻孔导板
1．外置3D打印钻孔导板：
近年来，骨盆通道螺钉技术成为微创治疗骨盆与髋臼骨折的标准内固定选择[27]。其中骶髂关节螺钉内固定是治疗骨盆后环损伤的常用手术方法[28]，传统经皮透视引导下徒手置入螺钉受患者肥胖、骶骨允许螺钉通过的通道较狭窄等因素影响，传统方法容易导致螺钉错位（2%~15%）和严重的神经、血管损伤，长时间辐射暴露也对手术室医务人员的健康不利[29]。而外置3D打印钻孔导板辅助骶髂关节螺钉置入成为解决上述问题的突破口。

Chen等[29]将该导板应用于实际手术中发现，每置入1枚骶髂关节螺钉用时平均为19.2 min，每置入1枚耻骨上支螺钉用时平均为25.2 min，每台手术平均透视35次，复位优良率为89.3%（25/28）。Yang等[30]将40例不稳定型骨盆后环骨折患者分为导板组（22例）与常规组（18例）：导板组术中共置入37枚螺钉，常规组置入28枚螺钉。与常规组相比，导板组每置入1枚螺钉的手术时间大约缩短55%；导板组患者的X线辐射剂量较常规组患者大约减少58%；导板组螺钉穿孔1例，常规组螺钉穿孔4例，导板组相对于常规组优势明显。这与Durusoy等[31]在使用外置3D打印钻孔导板辅助骶髂关节螺钉置入的模拟实验中得出的结论基本一致。

多个同类研究结果均显示，相对于其他置钉方式，使用个体化定制的3D打印钻孔导板引导置钉在降低手术时间、术中螺钉轨迹调整次数、X线辐射剂量、手术并发症和提升内固定精度方面更具优势，而不同外置3D打印导板之间的差异仅在于：导板的固定方式和导板螺钉孔的位置及角度[32,33]。

2．内置3D打印钻孔导板：
在开放复位的手术中，使用内置3D打印钻孔导板同样具有显著优势（图2）。Do等[34]使用内置3D打印钻孔导板引导置入螺钉复位固定髋臼内固定手术中，术中出血量和手术时间分别为280 mL、135 min，对比他们之前使用的传统开放式螺钉内固定手术，术中出血量显著减少，手术时间显著缩短，术后CT扫描显示骨折达到解剖复位，拉力螺钉位置良好，螺钉入口点与设计点存在3.75 mm的偏差。Meesters等[35]使用人尸体做类似实验，发现实际与计划螺钉入口点的偏差为2~5 mm。因此，上述3.75 mm的偏差是可以接受的。

Zhou等[36]以是否使用内置3D打印钻孔导板辅助置钉将31例骶髂关节复合体损伤患者分为导板组（16例）与常规组（15例）进行比较研究，结果显示：与常规组比较，导板组患者每置入1枚螺钉的手术时间减少大约55%，每置入1枚螺钉的透视次数减少大约82%。刘毅等[37]采用类似方法行骨盆后环内固定术，导板组患者在降低置入每枚螺钉的手术时间和透视次数、提高复位固定效果方面较常规组患者更优。

3．钢板匹配性内置螺钉导板：
为提高髋臼异形板的螺钉置入准确性，基于不同种类异形板，利用3D打印技术设计钢板匹配性内置螺钉导板来确保螺钉的精准置入。IJpma等[38]在使用锁定加压接骨板固定10例复杂髋臼骨折患者时，应用定制的上述导板辅助置入螺钉，在导板引导下共置入95枚螺钉，术后CT扫描（≤1 mm层厚）评估螺钉定位的准确性表明，所有螺钉均准确置入，计划螺钉钻入角度与实际螺钉钻入角度的四分位间距差异仅为7.1°，术后所有患者顺利康复。

（三）3D打印接骨板
骨盆与髋臼骨折复位固定的复杂性决定了制定完备手术计划的必要性，术前基于个体三维骨盆与髋臼数据，设计个性化的健侧镜像金属3D打印接骨板并应用于术中，在提高匹配度、复位固定优良率、缩短手术时间、减少出血量及输血量、降低X线辐射剂量方面具有优势。

Wen等[39]使用3D打印技术以钛粉为原料打印接骨板，经过抛光等处理使之成为成品接骨板，然后使用3D打印接骨板与常规接骨板分别复位固定骨盆与髋臼骨折，结果显示3D打印接骨板的轴向刚度和力学极限负荷显著优于常规接骨板。Wang等[40]在实际应用中发现，3D打印接骨板可以完全贴合于骨面，使骨折达到解剖复位。麦奇光等[41]的研究同样论证了这一观点，且手术进展顺利，术后随访半年，所有患者骨折愈合良好。黄淦等[42]采用3D打印个体化接骨板（16例）或常规接骨板（15例）治疗91例骨盆与髋臼骨折患者，结果显示：与常规组患者比较，3D打印组患者的手术时间大约缩短了16%，术中出血量和输血量分别减少了37%、40%，术中透视次数减少了43%，恢复正常活动的时间缩短了11%，并发症发生率降低了3%，骨折复位质量优良率提升了5%，骨盆Majeed评分优良率提高了4%。

二、3D打印技术精确性的关键
确保3D打印技术辅助骨盆与髋臼骨折手术的关键步骤准确是保证其疗效的重点。其中1∶1骨盆模型，不参与手术过程，只需保证模型不失真就能保证手术方案和预手术的精确性。除此之外，应用各类3D打印导板与接骨板的精确程度与其术前模型设计打印、术中准确定位、术中透视监测导针轨迹有关。其中外置导板在设计阶段需要具备外固定支架等体外标记物作为导板固定位置的参照物，术中只需将导板固定于外固定支架等参照物的预定位置，然后置入导针并按传统透视角度监测并矫正导针角度即可。而3D打印内置导板、3D打印钢板匹配性内置导板、3D打印接骨板在设计阶段以皮下骨性解剖标志为其固定的参照物，术中需完全剥离筋膜等组织，暴露预定骨性解剖标志后固定导板，然后置入导针并按传统透视角度监测并矫正导针角度，以确保其精确性。虽然在3D打印技术的辅助下骨盆与髋臼骨折手术的门槛似乎降低了，但各种导板与模型等终归是辅助工具，目前并无文献证明其具有替代高年资手术医师手术技巧与经验的能力，多数骨盆与髋臼骨折手术依然需要高年资手术医师主刀。

三、总结与展望
3D打印技术辅助骨盆与髋臼骨折手术的不足之处：内置3D打印钻孔导板和3D打印钢板匹配性内置导板必须在剥离皮下肌肉筋膜等组织、完全暴露骨性解剖标志条件下使用，这样会加重患者伤处组织的损伤，对患者功能恢复不利。外置3D打印钻孔导板，虽然相对微创，但需要配合骨盆外固定支架或预先经皮置入骨盆的至少2枚定位针使用，其应用场景相对受限。而1∶1骨盆模型只能用于预手术设计，不能像骨科手术机器人或3D导航一样，在术中全程引导螺钉置入。

3D打印技术是一个数字化平台，而打印技术将设计思维与临床个体有机结合起来，极大扩展了应用场景，在创伤骨科最前沿骨盆与髋臼骨折手术中得到充分体现。从临床初期3D病损模型的术前评估，到贴近临床的预手术方案制定，并进一步衍生出螺钉置入导板和个体化匹配接骨板，临床医师结合临床需求不断提出新问题、新思路，也为3D打印提出新的应用方向。我们归纳既往各类关于3D打印技术应用于骨盆与髋臼骨折的文献，得到3D打印技术在提升手术效率、提高骨盆与髋臼骨折复位固定优良率、改善患者预后、降低手术并发症等方面取得了优异的成绩。

随着临床对骨盆与髋臼骨折手术认识的提高，新的微创手术入路、复位工具及内固定方式都朝着精准化、微创化改进，这也要求3D打印技术要进一步扩充数据库、分类细化指标、提高产品精度及设备小型化，在此基础上制定出规范化的技术应用流程，为临床推广提供标准。同时，3D模型和智能化复位已在临床进行探索，目前受限于设备的整合开发及临床个体的差异，相信随着影像数据及精度的提升、数据库的完善，3D打印技术必将成为骨科医师提高临床疗效的有力工具。

参考文献：略