3D打印导板在骨盆骨折手术中的应用现状与展望.pdf

医学理论与实践 年第卷第期 打印导板在骨盆骨折手术中的应用现状与展望贺正文 黄 海吉首大学附属第六医院贵州省铜仁市 摘要 精准、智能、微创是骨科未来的发展趋势 打印作为新兴的科学技术在骨科领域应用发展备受瞩目为患者提供更加精准、安全、高效的医疗服务使骨科手术变得更加精准、微创 打印导板通过个性化制定而成应用于骨盆骨折术中其将术前规划转移到手术部位有效提高手术精确度、安全性和可靠性导板将会在手术的各环节发挥作用避免术中反复置钉及透视实现内固定物精准置入大大减少术中医患的射线暴露及辐射损害使手术微创化、简单化减少术中失血缩短手术进程促进快速康复 推广 打印导板技术助力于实现骨科个性化、精准化医疗推动骨科逐步朝着立体化、可视化方向发展促使骨科技术在微创手术领域取得快速进步 现就 打印导板在骨盆骨折手术中的应用以及存在的优势与不足展开综述期许能提高广大医生对 打印导板的认识使其更好地应用于临床服务于患者关键词 打印导板 骨盆骨折 精准 微创 个性化中图分类号:.文献标识码:/随着国内经济建设的发展和工业化程度的提高城市化进程加快交通伤与高处坠落伤等高能量损伤事故频发致使我国骨盆骨折发病率约占全身骨折的 骨盆三维结构复杂且毗邻重要的血管神经及脏器因此骨盆骨折手术救治难度大手术风险极高 传统手术术中暴露困难缺乏可视化设备和立体视触感对主刀医生的空间定向能力提出了更高要求过度依赖医生经验全凭术者目测与手感 同时需多次透视手术时间长、创伤大、出血多精确性低容易导致医源性损伤增加并发症发生率处理不当可加重创伤给患者带来严重后果甚至死亡因此骨盆骨折诊治是创伤骨科临床最棘手的问题之一骨盆骨折修复在骨科手术中具有极大的挑战性 提高骨盆骨折手术安全性、精准性已成为临床亟待解决的问题因此需寻求一种新的手术器械改变传统手术方式使骨盆创伤患者能及时、安全、有效得到救治加速康复最大限度恢复肢体功能重返工作岗位降低致残、致死等并发症发生率提高患者就医体验和满意度已经成为临床骨科医生及科研人员不断探索的课题 随着科学技术的不断发展 打印技术与医疗行业深度融合通过计算机软件进行三维重建 打印设备打印出目标物体进行个性化定制制备 打印导板 打印导板应用于临床突破了虚拟设计难以落实于骨科手术的瓶颈准确定位点、线、方向和深度辅助钻孔、置钉、截骨、对位等操作实现骨科精准医疗使骨科手术借助 打印导板技术实现微创化在降低手术难度、控制手术风险、提高疗效、加速康复进程等诸多方面起到积极重要的作用大幅提升医疗机构的临床救治水平 打印导板的产生与发展美国 被誉为三维打印的先驱于 年率先开发了(立体光刻)文件 年后开发了第一台商业 印刷机并申请了专利创办了名为 的公司专注于 打印技术的开发 麻省理工学院教授 于 年首创一种制造工艺 喷印技术又称直接数字制造改变了传统的零件设计模式通过喷射纳米级物质来创建三维结构由概念设计转向模型设计可用于制造机器零件到人体器官的任何物体 打印技术也称为增材制造技术或快速成型技术是对零件形状的复杂程度没有限制能够快速制造出三维实体模型的先进制造技术 年基于 数据规划和计算机辅助设计的个体化椎弓根定位导板研制成功并通过尸体可行性研究 年间个体化导板与机器人结合的首次概念研究精准引导规划椎弓根通道 年基于计算机辅助设计的椎板限深导板问世 年首次采用个体化导板和术前图像规划制造系统设计制造全膝关节置换导板 如今大众对医疗效果意识的不断提升对手术精确性提出了更高要求使传统骨科手术遇到了前所未有的挑战个体差异使得传统手术器械无法满足日益增长的医疗需求 打印导板技术的产生符合现代骨科学时代的发展需求为骨科精准医疗提供了条件计算机技术、医学影像学的发展为临床提供了精确的解剖、三维成像观察的工具骨科治疗手段在数字化技术的支持下发生了巨大变化正朝着精确化、个性化、微创化发展 随着 打印设备及材料学的进步 打印导板技术得到了蓬勃发展在个性化人工膝关节置换、年第卷第期医学理论与实践骨折辅助复位置钉、髋臼周围截骨等诸多领域应用广泛减少了术中透视或无须透视减少医患辐射暴露及伤害简化手术操作缩短手术时间减少出血、麻醉风险有力提高手术精准度 我国于 年 月实施了增材制造(打印)定制式骨科手术导板行业标准由陆声、冯强等专家起草 随着临床应用不断推广各级医院对使用 打印导板在微创条件下实施骨科手术持肯定积极态度相关报道在 打印导板的帮助下闭合复位使用髂骶螺钉固定来稳定骨盆环后环断裂是可行和安全的除此之外骨科微创技术在 打印导板辅助下治疗脊柱、关节、矫形、骨肿瘤等亚专科疾病方面有了质的飞跃突破了原有技术瓶颈导板有极大的推广应用价值将在骨科手术各个环节发挥重要作用 打印导板的制备步骤 打印导板是根据术中需要而采用人体解剖学、现代影像学、计算机辅助设计、打印设备制备的一种个性化手术器械是根据 打印技术的逆向工程原理设计的放置工具能够为临床医生提供更加精准、高效的手术帮助 目前 打印导板已经成为医学影像计算领域的热点通过、等成像设备扫描患者完成源数据采集技术人员通过后处理工具及布尔运算算法分割转换兴趣区域重建临床需求完成多平面重构及模型 重建 然而相关工程师在三维重建模型基础上设计出相应曲面使其能够很好地贴附于术中显露的骨面贴附位置具有唯一性即导板固定后不易移动位置因此骨骼表面的唯一性结构是导板设计的关键 下一步结合临床需求利用手术计划软件与术者确定手术方案处理手术入路、显露范围、位置、深度、方向等关键参数完成导航装置设计如为钉道导板可对固定螺钉的最佳长度及直径做出最终选择最后用相应的材料通过 打印技术创建出实体 打印导板在骨盆骨折手术中的临床应用.骨盆的生理解剖骨盆位于躯干下部是连接躯干和下肢的重要结构站和坐时都需承受载荷骨盆主要由两侧的髂骨、坐骨、耻骨及骶尾骨组成的闭合性环形骨性结构分为前环和后环再以骶棘韧带、骶结节韧带等连接成盆状结构 骨盆前环稳定性来源于双侧耻骨上下支、耻骨联合及周围韧带而后环稳定性主要由双侧的髂骨、骶骨、骶髂关节、骶髂复合体提供骶髂关节周围富含致密的韧带组织起到骨盆稳定性 其中相应韧带还对骨盆稳定性起到缓冲作用例如骶髂关节前韧带在前后挤压性损伤中抵抗外旋暴力骶棘韧带和骶结节韧带位于骶髂关节前方可以抵抗垂直剪切及外旋力对维持骨盆稳定性提供重要作用 骨盆的血液供应主要由髂内动脉及分支供应脏支、壁支血管之间存在大量交通、吻合支其中“死亡冠”血管由闭孔血管与髂外动脉或阴部内动脉与静脉交通支构成损伤后可出现致命性大出血甚至死亡 同时与血管伴行存在的还有神经及盆腔脏器加之个体差异所以骨盆结构极其复杂.骨盆骨折的特点及常用临床分型骨盆骨折常由于交通伤、高处坠落伤等高能量暴力撞击所致多伴随多部位、多系统损伤常合并血流动力学不稳定具有极高的致残率和致死率严重威胁人类健康 鉴于骨盆三维结构复杂毗邻许多大血管、神经干及脏器周围血运丰富手术难度大风险高既往多采取保守治疗常遗留畸形愈合、下肢不等长、功能障碍等诸多并发症 对于骨盆前后环骨折因其严重影响骨盆环稳定性非手术治疗效果差并发症发生率高早期以控制出血、抢救生命和治疗合并症为首要原则后期需要复位和固定手术治疗已在临床上达成共识复位坚强内固定已经成为治疗骨盆骨折的金标准目前临床广泛应用的骨盆骨折分型主要有 分型和 分型 分型是根据骨盆受力机制与稳定性关系进行划分共分为 大类即、三型 型为稳定型骨折不涉及骨盆环型不涉及骨盆环的骨折 型骨盆环稳定轻度移位 型为旋转不稳定、垂直稳定型分 个亚型型开书样损伤 型侧方压缩同侧骨折 型侧方压缩对侧骨折(桶柄样损伤)型为旋转、垂直均不稳定型分 个亚型 型单侧后环损伤型双侧后环损伤 型后环合并髋臼骨折 和 结合患者损伤机制在、等人基础上提出一种更为适合临床的分型即 分型 将骨盆骨折根据暴力方向分为侧方压缩损伤(型)、前后压缩损伤(型)、纵向剪切损伤(型)、混合外力型损伤(型)前两者根据程度又分为、级 分型多用于急诊评估患者病情严重程度及判断血管损伤风险上述 种骨盆骨折分型对临床治疗方法的选择及预后评估有重要意义.打印导板辅助治疗骨盆骨折骨盆区域解剖复杂血管神经丰富传统手术对患者损伤较大目前 打印导板微创治疗骨盆骨折受到越来越多医生的青睐 在骨盆骨折手术中使用的 打印导板主要类型为钉道导板 该类导板主要应用于引导术中精准置钉提高置钉效率避免无效置钉、反复置钉改善螺钉置入状况包括定位、定向、定深骨盆区域毗邻重要血管神经及脏器如螺钉进钉点、置钉方向与角度产生明显偏差螺钉直接穿出骨盆皮质大大降低螺钉把持力影响固定强度甚至螺钉失效存在损伤动脉及脏器可能甚至出现致命并发症 打印导板可较为全面制定术前规划并获得最优化的方案更好地制定手术具体操作过程使手术方式更佳、精准、安全 术者按术前规划进行定位、定点精确引导钉道方向和深度显著提高手术操作的精准性和安全性使手术微创、简单化优化手术方案降低手术风险的同时提高手术成功率为确保手术的顺利实施对 导板的精准性提出医学理论与实践 年第卷第期 更高要求应用数字化技术使导板更接近实体解剖精确度大幅度提升 杨光等研究基于图像灰度的层间插值算法使原始数据层之间平缓过渡可以获得完整、光顺的骨盆 模型和 手术导板极大提高了手术安全性和精准性可以预见性地、完美地处理手术中遇到的相关问题 国内研究表明 打印引导模板有助于在成年尸体的骨盆中准确放置导板和螺钉 骨盆通道螺钉技术在微创治疗骨盆骨折方面独具优势可获得更好的生物力学性能然而要实现安全准确置钉需要经验丰富、技术熟练的骨科医师在清晰、准确的 线反复多角度透视下才可以考虑开展因有很长的学习曲线故导板的应用可弥补上述短板缩短年轻医生的学习曲线目前手术导板可分为体内和体外在骨盆骨折手术中导板主要应用于骶髂关节、骨盆前环及髋臼壁骨折等方面 体内导板将导板置于体内骨性标志上引导术者置钉 等对 打印导板技术与 线透视引导下骶髂螺钉置入进行对比研究分析各枚螺钉植入与透视时间结果表明置钉导板可实现精准置钉与传统手术相比缩短手术时间降低医患 线暴露次数 阳宏奇等对 打印导板辅助治疗不稳定型骨盆骨折研究证实术中采用 导板辅助置钉未出现血管神经等副损伤螺钉置入轨迹优良显著提高置钉精确性降低螺钉穿出损伤血管神经风险 体内导板需要根据受伤部位骨表面的信息进行匹配术中需精确、彻底地剥离局部软组织暴露骨性标志导板与骨性标志贴附的好坏是手术成功的关键 马宇龙等报道术中应用导航模板辅助植入螺钉术者彻底清除预设区域骨面并紧密贴附导板达到术前规划要求沿导板指引方向置钉术后复片螺钉位置满意 此类导板使用过程中若术者不具备足够放置导板的手术经验需牺牲骨折部位一定的软组织保护来达到 打印导板与骨折部位骨面完全贴合 相较于体内导板应用体外导板可以有效避免切开复位造成的软组织剥离曾参军等术前将骨盆骨折利用计算机辅助设计进行三维复位后重建出骨盆 修复模型并在模型上预弯钢板、设计置钉轨迹称之为三维模型导板 预 弯 的 钢 板 可 以 辅 助 指 引 术 中 骨 折 复 位 等通过测试 打印植入物对髋臼骨折模型复位准确性的影响得出个性化导板有助于精确复位骨折 姚升等的研究证实 打印个性化体外导板辅助置钉能减少术中透视次数、缩短手术时间、提高置钉精度为骨盆、髋臼骨折微创治疗提供了一种新思路 朱春翼等的研究认为数字化结合 打印个体化导板能满足手术的个体化需求在手术中能够准确还原术前设计完美顺利实施手术 陶星光等报道指出利用计算机辅助设计、打印技术打印的个体化骨盆模型及手术导板每枚螺钉置入时间为.平均.每枚螺钉的透视次数为 次平均 次可精确置入骶髂螺钉缩短手术进程降低相关人员射线暴露风险 在骶髂关节复合体损伤方面外部模板为经皮骶髂螺钉插入提供了准确安全的导航工作可以减少手术时间和辐射暴露 刘毅等采用 打印导板引导骶髂螺钉置钉治疗 例骨盆后环骶髂关节复合体损伤患者术前进行模拟试验进行置钉规划术前螺钉模拟螺钉轨迹与术后实际螺钉轨迹高度一致研究表明 打印导板辅助骶髂螺钉置钉可简化传统程序手术简便、快速精准置入安全性高减少出血术后优良率高疗效确切更精准微创促进快速康复综上所述应用数字技术准确合理设计制造的骨科 手术导板可准确无误实施于手术中解决内固定物精准置入的难题减少手术时间及术中出血避免副损伤减少透视频次可有效规避医患辐射暴露风险最大限度改善患者预后 随着科技的进步导板制备难度降低值得并有望在不久的将来广泛应用于临床 打印导板的优势既往传统定位器械在骨科手术中占据主导地位但由于对精度要求较高的手术存在一些弊端已难以满足临床需求虽然计算机辅助导航已经投入临床多年但其设备复杂、价格昂贵难以在基层医院推广使用并且具有较长的学习曲线同时计算机导航技术操作复杂术中有大量辐射暴露定位精度存在一定的瑕疵尚存在诸多争议难以满足患者需求不利于全面推广 打印导板作为一种个性化技术可以为患者量身定制专用导航模板导板应用于临床目前疗效确切成本低于计算机辅助导航系统相较于后者优势明显因其价格相对低廉同时在骨科手术中使用便捷简化手术过程大幅缩短手术、麻醉时间使手术微创化加速患者康复减少术中出血及辐射减少手术误差范围来提高手术成功率术后错位率、翻修率低 术者参与导板的研发设计术前主刀医生及助手可多次进行手术预演能够获取最优手术方案按部就班实施手术做到有条不紊随时参考模型及导板可有效缩短低年资医生学习复杂骨科的手术过程 另外 打印实物模型提供多元感官体验促进有效沟通促使患者诊疗过程中有更好的依从性增加医患互信提高术前医患沟通效果增进患者及家属的理解与合作减少医患矛盾避免医疗纠纷 打印导板的不足之处 打印导板技术应用于创伤、关节、脊柱、矫形、骨肿瘤等骨科亚专科领域取得了显著疗效但仍然存在诸多不足之处限制其发展 打印实验室的建立及工程师培训需要投入大量资金导板的单独设计需要软件的支持技术人员需较长的学习曲线来掌握软件操作现阶段导板所需的材料昂贵增加了患者的经济负担致使临床接受度不高并且设计制备时需使用独特而复杂的软件程序要耗费一定的时间周期长难以满足急诊手术患者的需求 理论上导板可以实现与手术部位精确贴服但 年第卷第期医学理论与实践在具体手术操作过程中不同术者在放置导板时仍然存在软组织滑移导致对位面缺乏稳定性等问题 打印导板不能实现精确匹配不能实现螺钉精确植入偏离预期轨迹需手术医生累积一定的导板放置经验同时需术者增加软组织剥离加大医源性损伤增加术后并发症发生率 打印需要生物工程、材料科学、影像学处理、计算机等专业人员相互协作基层医院人力资源匮乏缺乏医工结合型人才临床推广受限 骨科手术导板需耐高温消毒具有一定的强度目前能够用于 打印的材料不多钛合金模板价格昂贵对打印设备要求高现有打印设备多采用树脂制备导板存在打印精度误差、易损坏变形等问题并且现阶段我国缺乏相应的国家技术标准规范和健全的法律法规无行业参考体系产品质量没有保障展望随着对 数据重建物理模型等医学成像方法的熟练运用以及机器学习的发展解剖分割变得容易 打印导板已成为现代骨科手术的重要补充技术之一 打印在医学领域的应用得到空前发展创伤骨科手术中增材制造的未来一片光明 打印导板辅助手术在治疗骨折方面更有效相关导板理论体系日趋成熟和完善随着技术的进步经济性将得到改善制造过程中产生废料减少节省了医疗资源 相比计算机辅助导航而言 打印骨科手术导板更符合现阶段医疗现状随着、云技术、大数据分析的发展各级医院无须配备图像处理、建模、设计等软件操作人员无须购置 打印设备可实现导板制备随着科技进步未来可实现手术导板体积小、重量轻、材料成本低廉 年在美国的 会议上麻省理工学院 首次提出 打印概念在生物医疗领域具有潜在的应用价值和巨大的应用前景智能材料的 打印成形件在外界的刺激下随着时间进行形状、性能和功能的变化随着 打印时代到来未来导板能实现随着时间的推移来改变其形状、性能及功能满足患者临床需求减少二次手术 相信在不久的将来随着生物工程、材料科学、机械设计、影像处理及临床医学等学科的快速发展骨科手术导板应用于临床实践的相关行业标准、政策法规将不断健全和完善建立统一的质量评价体系导板从设计、制造到使用都将实现标准化 打印导板技术在骨科手术的应用领域将得到更大的拓展造福广大患者参考文献 阿吉木克热木祖丽菲亚买买提艾力梁志林等.计算机辅助数字化模型及 打印导板技术在骨盆骨折诊断及治疗中的应用.疑难病杂志():.邓飞刘晓阳王金业等.打印技术发展及塑性材料创新应用.塑料工业():.郑轶袁欣华王伟斌等.基于 打印技术辅助逆向耻骨上支外侧髓内拉力螺钉置钉的个性化导向模板的初步研制/浙江省医学会骨科学分会浙江省医师协会骨科医师分会.年浙江省骨科学学术年会论文汇编.出版者不详:.杨光邓飞张永弟等.利用 打印技术实现骨盆骨折手术导板的设计制造.机械设计与制造():.李国梁李鹏王旭洋等.打印体外导板经皮空心钉固定治疗骨盆骨折 例.生物骨科材料与临床研究():.郝申申刘志斌王飞等.打印个体化塑形导板在骨盆髋臼骨折治疗中的初步应用.中国综合临床():.():.阳宏奇雷青蔡立宏等.打印导板辅助空心螺钉内固定治疗不稳定性骨盆骨折.中国修复重建外科杂志():.李焕龙耿承奎陈帅等.打印技术在骨盆手术中的应用.实用医学杂志():.马宇龙 赵永辉 罗浩天 等.个体化导航模板辅助第 骶椎髂骨螺钉置钉的临床应用.中华创伤骨科杂志():.曾参军谭新宇黄华军等.基于 打印的腹直肌旁切口治疗骨盆骨折的临床疗效.南方医科大学学报():.:.:():.姚升郭晓东刘佳等.打印个性化体外导板辅助经皮微创置钉治疗骨盆髋臼骨折.中华创伤骨科杂志():.朱春冀雷大林刘应旭等.打印个体化模板在骨科手术中的应用.中国卫生产业():.陶星光周凯华.基于外固定支架的 打印导板在骨盆骨折中的应用.中华创伤骨科杂志():.:.():.刘毅刘国辉夏天等.打印导板技术在骶髂关节螺钉置入中的应用.中华骨科杂志():.王春鹏杨海娇张成等.打印技术在骨科领域的应用进展.医学综述():.?.():.赵先锋汤朋飞史红艳等.打印技术研究与应用进展.华南理工大学学报(自然科学版)():.收稿日期 (编辑 佳佳)