3D打印技术在骨科临床应用的研究现状.pdf

32 中华医学图书情报杂志 2022 年 12 月第 31 卷第 12 期 Chin J Med Libr Inf Sci，Vol.31 No.12 December，2022 李 程,吴海洋,柳鸿鹏,等.3D 打印技术在骨科临床应用的研究现状J.中华医学图书情报杂志,2022,31(12):32-37.DOI：10.3969/j.issn.1671-3982.2022.12.005 情报研究与方法 3D 打印技术在骨科临床应用的研究现状 李 程1，吴海洋2，柳鸿鹏3，陈 曦1，宋 洋1，董谢平4,5 摘要目的：通过文献计量分析，探索 3D 打印技术在骨科的临床应用。方法：以与骨科 3D 打印相关的主题词在中国知网和 Web of Science 数据库中检索 2000-2022 年 3D 打印技术在骨科临床应用研究文献，使用 WPS Office 和 Bibliometrix 软件对检索得到的文献进行计量分析。结果：共检索得到相关中文文献 1 418 篇、英文文献 605 篇；中国作者发表的英文文献数量最多；涉及相关研究最多的科室是创伤骨科；中文期刊中国组织工程研究和英文期刊Orthopaedic Surgery分别为发表文献数量最多的中文、英文期刊；中文文献中最常见的关键词是“3D 打印”、“骨折”和“髋臼骨折”，英文文献中最常见的的关键词是“3D printing”、“prosthesis”和“pedicle screw”。结论：3D 打印技术在骨科临床应用的相关文献目前正处于快速增长阶段；在国家基金项目的支持下，我国在此领域的研究中占主导的地位。关键词3D 打印；骨科；文献计量分析；数据可视化 中图分类号R68；TS853 文献标志码A 文章编号1671-3982(2022)12-0032-06 Research status of 3D printing technology in orthopedic clinical applications LI ChengResearch status of 3D printing technology in orthopedic clinical applications LI Cheng1,WU Hai-yang,WU Hai-yang2,LIU Hong-peng,LIU Hong-peng3,CHEN Xi,CHEN Xi1,SONG Yang,SONG Yang1,DONG Xie-ping,DONG Xie-ping4,5 （1.Department of Orthopedic Surgery,Beijing Jishuitan Hospital,Beijing 100035,China;2.Graduate School of Tianjin Medical University,Tianjin 300070,China;3.School of Nursing,Peking University,Beijing 100191,China;4.Department of Orthopedic Surgery,Jiangxi Provincial Peoples Hospital,Jiangxi Orthopaedic Key Laboratory of Digital Health,Nanchang 330006,Jiangxi Province,China;5.Academy for Medical Innovation of Southern University of Science and Technology,Shenzhen 518055,Guangdong Province,China）Corresponding author:DONG Xie-ping AbstractAbstract Objective Objective The purpose of this study was to explore clinical applications of three dimensional printing technology in orthopedics using bibliometric analysis.MethodsMethods The terms related to three-dimensional printing in orthopedics were searched in the Web of Science and China National Knowledge Infrastructure Database between 2000 and 2022.Bibliometric analysis was further performed by the softwares of WPS Office and Bibliometrix.Results Results A total of 1,418 Chinese publications and 605 English papers related to clinical applications of 3D printing in orthopedics were searched and the largest number of English papers were published by Chinese authors.The department involved in the most clinical 3D printing-related research was trauma orthopedics and the Chinese journal Chinese Journal of Tissue 基金项目北京积水潭医院研究基金“基于人工智能对骨科医患视角 下 的 网 络 云 数 据 平 台 的 构 建 与 初 步 应 用”（YGQ-202313）作者单位1.北京积水潭医院矫形骨科，北京 100035；2.天津医科大学研究生院，天津 300070；3.北京大学护理学院，北京 100191；4.江西省人民医院骨科、江西省卫生健康数字骨科重点实验室，江西 南昌 330006；5.南方科技大学粤港澳智能医疗创新研究院，广东 深圳 518055 作者简介李 程（1988-），男，博士，助理研究员，研究方向为假体周围感染、骨科研究的可视化分析。通讯作者董谢平（1963-），男，本科，主任医师，研究方向为数字骨科、3D 打印、骨科医疗器械研发。E-mail： 中华医学图书情报杂志 2022 年 12 月第 31 卷第 12 期 Chin J Med Libr Inf Sci，Vol.31 No.12 December，2022 33 Engineering Research and the English journal Orthopaedic Surgery,published the largest number of papers respectively.The top three most-frequent keywords from the Chinese publications were 3D printing,fracture,and acetabular fractures while the most common keywords in the English literature were 3D printing,prosthesis and pedicle screw.ConclusionConclusion The literature on the clinical application of 3D printing technology in orthopaedics is currently growing at a rapid pace and China occupies a leading position in this field with the support of national funding projects.Key wordsKey words Three dimensional printing;Orthopedics;Bibliometric analysis;Data visualization 3D 打印技术又称“快速成型技术或增材制造技术”，是一种以三维数字化模型为基础，应用液态或粉末状金属、陶瓷、高分子材料等可粘合材料，采用逐层堆积制造的方式，将数字模型文件转换成立体实物模型的制造技术。该技术被视为“第三次工业革命的重要标志之一”1。由于 3D 打印技术具有精准化和个性化等优势，该技术在出现后的短短几十年中，迅速引起了国内外骨科领域专家的重视2。近年来，随着学者对 3D 打印技术在骨科领域的临床应用和基础研究的兴趣不断增加，产生了大量关于 3D 打印技术在临床应用的研究文献。然而，快速增长的文献数量使研究人员越来越难以捕捉最新的研究成果和了解最新的研究前沿。尽管围绕 3D打印主题的综述或荟萃分析能够提供某一特定主题的研究概述，但多为描述性研究，缺乏从整体视角分析 3D打印在临床应用领域的研究热点和趋势。文献计量学是一种将数学、信息学和统计学相结合的方法，用于总结特定研究主题的科学活动、研究前沿、热点和趋势3-5。目前，一些免费的文献计量学软件如 CiteSpace、VOSviewer、R-bibliometrix等已被广泛用于医学领域6-10。以 3D 打印领域为例，国外有学者通过文献计量学分析研究 3D 打印在骨组织工程中的应用，并总结指出将细胞和生物活性分子直接植入 3D 生物材料支架是未来的研究热点11。国内有学者也通过文献计量方法梳理了中国知网（CNKI）数据库中 3D 打印技术在骨组织工程的相关研究，并总结了国内该领域的主要研究者和研究机构12。然而，本文检索国内外相关文献后发现，鲜有研究通过文献计量学方法总结 3D 打印技术在骨科临床中的应用，且对比该领域的国内外研究现况。因此，本文主要对国内外数据库中3D 打印技术在骨科临床应用的相关文献进行全面分析，并对国内外相关研究文献进行对比，总结该领域的发展现状。1 资料与方法 1.1 检索策略 通过中国知网和 Web of Science 数据库进行文献检索，检索时间范围为 2000 年 1 月 1 日至 2022年 12 月 14 日，检索日期为 2022 年 12 月 14 日。在中国知网采用的检索策略为：SU=3D 打印+三维打印+生物打印+金属打印+增材制造 AND SU=骨+关节+膝+手+踝+足+髋+髋臼+腕+肘+肩+脊柱+颈椎+胸椎+腰椎+椎体+骨盆+钛板+钢板+假体+导向器+椎间融合器+内固定+脱位+矫形+导板+导航模板+修复重建；在 Web of Science 采用的检索策略为：TS=（3D OR 3 NEAR/2 dimensional OR three NEAR/2 dimensional）AND TS=（Print*）AND TS=（orthopaedic OR orthopedic OR osteo*OR bone OR skele*OR chondro*OR fracture*OR dislocat*OR subluxat*OR prosthesis OR prosthetic*OR arthroplast*OR humeral OR humerus OR ulna OR radius OR hip OR acetabulum OR acetabular OR knee OR pelvi*OR tibia*OR femur*OR femoral OR calcane*OR clavicle OR fibula OR spin*OR vertebral bod*OR cervical OR thoracic OR lumbar OR iliac OR sacrum OR ankle OR elbow OR shoulder OR hand*OR wrist*OR finger*OR vertebral OR plate*OR odontoid OR joint*）。1.2 纳入标准和排除标准 通过阅读文献标题、摘要、全文后，筛选出与34 中华医学图书情报杂志 2022 年 12 月第 31 卷第 12 期 Chin J Med Libr Inf Sci，Vol.31 No.12 December，2022 3D 打印技术在临床骨科领域相关的文献。纳入标准为 2000 年 1 月 1 日至 2022 年 12 月 14 日发表的中英文文献；文献内容是 3D 打印技术在骨科领域的临床应用。排除标准为 3D 打印技术的非骨科临床相关研究；与临床研究无关的动物实验或尸体研究；综述、荟萃分析、会议、期刊勘误、报纸、图书、专利、文摘、硕士或博士论文。根据检索策略，从中国知网中检索得到文献 3 786 篇，排除综述、荟萃分析、会议、期刊勘误、报纸、图书、专利、文摘、学位论文等类型的文献（1 278 篇）后，得到文献 2 508 篇，然后再进一步阅读文献标题、摘要和全文内容，排除非骨科研究、动物实验和尸体研究等内容的文献（1 090篇），最后纳入相关中文文献 1 418 篇。根据检索策略，从 Web of Science 中初步检索得到文献 15 312 篇，排除综述、荟萃分析、会议、期刊勘误、报纸、图书、专利、文摘等类型文献（1 726 篇）后，得到文献 13 586 篇，然后再进一步阅读文献题目、摘要和全文内容后，排除 12 981 篇非骨科研究、动物实验和尸体研究文献，最后纳入相关英文文献 605 篇。1.3 研究方法与工具 文献数据均录入 WPS Office 软件进行数据清洗，并使用 Bibliometrix 软件对筛选后文献进行数据分析，最后通过发文量、国家分布、国内外合作关系、骨科亚专业分布、关键词等文献计量指标分析 3D 打印技术在骨科临床应用的研究现状。2 结果与分析 2.1 文献基本信息 根据纳入和排除标准对检索得到的文献进行筛选后，得到符合标准的中文文献 1 418 篇和英文文献 605 篇。2000-2022 年，该领域发表的中英文文献均于 2020 年达到峰值。检索结果显示，获得基金资助的中文文献有854 篇（占 60%），英文文献有 278 篇（占 46%）。中文文献中资助文献数量排名前 3 位的基金项目依次是国家自然科学基金委员会（91 篇）、国家重点研发计划项目（25 篇）和广东省科技计划（17篇）。英文文献中资助文献数量排名前 3 位的基金依次是国家自然科学基金委员会（75 篇）、国家重点研发计划项目（27 篇）、成都市科学与技术计划项目（7 篇）。从中国知网获得的检索结果显示，3D 打印在骨科临床应用的相关中文文献分别来自国内 32 个不同的省、市或自治区，多地区合作发表的文献有88 篇，占总发文数量的 6%。其中广东省的作者参与发表的文献数量最多（222 篇），其次为江苏省（119 篇）和陕西省（114 篇）。从 Web of Science获得的检索结果显示，3D 打印在骨科临床应用的相关英文文献来自 55 个国家。中国是发文数量最多的国家（333 篇），其次为美国（95 篇）和澳大利亚（33 篇）。有 46 个国家参与了该领域研究的国际合作（占 84%），其中中国与美国的合作次数最多（13 次）。纳入的中文、英文文献发表在 292 种中文期刊和 169 种英文期刊上。中国组织工程研究是发表相关文献最多的中文期刊，共有 79 篇。其次为中国骨与关节损伤杂志（70 篇）和中国矫形外科杂志（63 篇）。Orthopaedic Surgery是发表相关文献最多的英文期刊（31 篇），其次为World Neurosurgery（30 篇）和Journal of Orthopaedic Surgery and Research（25 篇）。3D 打印在骨科临床应用相关文献发文量排名前 5 位的中英文期刊见表 1。表 1 发文量排名前 5 位的中英文期刊 排名 中文期刊名称 发文数量/篇 英文期刊名称 发文数量/篇 1 中国组织工程研究 79 Orthopaedic Surgery 31 2 中国骨与关节损伤杂志 70 World Neurosurgery 30 3 中国矫形外科杂志 63 Journal of Orthopaedic Surgery and Research 25 4 中华创伤骨科杂志 59 Injury-International Journal of the Care of the Injured 24 5 中国修复重建外科杂志 41 Biomed Research International 20 中华医学图书情报杂志 2022 年 12 月第 31 卷第 12 期 Chin J Med Libr Inf Sci，Vol.31 No.12 December，2022 35 2.2 骨科亚专业分布 分析结果显示，3D 打印在骨科临床应用涉及的骨科亚专业共有 8 个。中文文献分析结果显示，数量最多的是创伤骨科研究文献（492 篇），主要研究内容是髋臼骨折和胫骨平台骨折；其次为脊柱外科（361 篇），主要研究内容是 3D 打印辅助下椎弓根螺钉置入和脊柱骨折；再次是关节外科，主要研究内容是个体化截骨和翻修术。英文文献分析结果显示，文献数量排名前 3 位的也是创伤骨科、脊柱外科和关节外科。2.3 研究热点分析 使用 Bibliometrix 与 WPS Office 软件分别从中国知网和 Web of Science 获得的检索结果中提取关键词，共得到 1 014 个中文关键词和 1 593 个英文关键词。出现频次大于 15 次的中文关键词有 13个、英文关键词有 8 个（表 2）。出现频次最多的中文关键词是“3D 打印”，其后依次是“骨折”和“髋臼骨折”；出现频次最多的英文关键词是“3D printing”（3D 打印），其后依次是“prosthesis”（假体）和“pedicle screw”（椎弓根螺钉）。表 2 出现频次大于 15 次的中英文关键词 中文关键词 频次 英文关键词 频次 3D 打印 429 3D printing 203 骨折 48 prosthesis 25 髋臼骨折 35 pedicle screw 19 颈椎 28 reconstruction 18 胫骨平台骨折 28 surgery 18 骨盆骨折 26 osteotomy 17 截骨术 20 fracture 16 3D 打印模型 19 patient-specific 16 骨关节炎 18 椎弓根螺钉 18 骨肿瘤 17 3D 打印导板 16 胸腰椎骨折 16 3 结论 近年来，随着信息技术、数字建模技术、材料科学和组织工程技术的快速发展，3D 打印技术已广泛应用于医学领域13-14。以创伤骨科为例，3D打印技术能够在术前制备等比例骨折模型辅助手术设计，打印出准确的个体化置钉导航模板，定制个性化内植物，提高内植物的匹配性和稳定性，也可以根据患者的人体工程学特点，定制 3D 打印的个体化支具2,15。3D 打印技术在复杂骨折的临床教学中也具有较好的应用价值，能够使学生或年轻医生更为直观地理解较为复杂的解剖结构或骨折分型16。除此之外，3D 打印技术也在人工关节置换术、脊柱矫形、人工椎体或椎间融合器等方面不断涌现各种创新应用。为了帮助学者深入了解 3D打印技术在骨科临床应用的现状，本文采用文献计量学的方法，从多个角度对研究现状进行分析。随着 3D 打印技术水平的不断提升，该技术在国内外的骨科临床应用也逐步增加。2014 年以来，3D 打印在骨科临床应用的中英文文献年发表数量逐渐增加。我国 3D 打印技术在骨科临床应用相关研究文献总数量排名世界第一位。这一结果与我国对 3D打印技术在骨科临床应用研究的基金支持力度密切相关。无论是中文还是英文文献，基金资助多数来源于国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划项目等国内基金项目。在科研合作方面，目前国内 3D 打印技术在骨科临床应用研究的合作多局限于内地各省、市或自治区之间，今后还需要进一步加强内地与港澳台地区之间的学术交流与临床合作；目前参与 3D 打印技术在骨科临床应用研究的国家数量相对较少，中国作为该领域全球发文量最多的国家，今后还需要进一步加强国际合作，帮助更多的国家了解、开展3D 打印技术在骨科的临床应用。3D 打印在骨科临床应用研究领域发表相关文献最多的中英文期刊分别是中国组织工程研究和Orthopaedic Surgery。在中文期刊中，中国康复医学会、中华预防医学会等医学会主办的期刊对3D 打印技术的关注度较高，发文量排名前 5 位的中文期刊均来源于医学会创办的期刊。这些期刊为读者追踪相关研究提供了有价值的参考。在研究热点方面，出现频次大于 15 次的中英文关键词共有 21 个。与创伤骨科相关度最高的中英文关键词是“髋臼骨折”“胫骨平台骨折”“骨盆骨折”“3D 打印模型”“fracture”“patient-specific”。在创伤骨科领域，3D 打印技术可实现对一些复杂36 中华医学图书情报杂志 2022 年 12 月第 31 卷第 12 期 Chin J Med Libr Inf Sci，Vol.31 No.12 December，2022 骨折的建模，更加直观地分析骨折的类型、有助于进一步完善术前计划，从而缩短手术时间、减少术中出血量、透视次数17-20。随着 3D 打印技术的进步，近年来逐步出现了使用 3D 打印钢板治疗骨折，以更个体化、精准的技术改善骨折的预后21-22。在脊柱外科领域，与之相关的中英文关键词是“颈椎”“椎弓根螺钉”“胸腰椎骨折”“3D 打印导板”“pedicle screw”“patient-specific”。3D 打印辅助下椎弓根螺钉置入是国内外共同关注的手术技术。对寰枢椎、脊柱骨折等复杂手术，相比传统的手工技术，3D 打印导板辅助下植入椎弓根螺钉具有准确率高，术中辐射暴露少、手术时间短等优点23-24。此外，在脊柱个体化内植物定制方面，3D 打印技术制备的椎间融合器更贴合人体的生理解剖特征，减少了术后椎体沉降，加速了椎间融合25-26。在关节外科领域，相关的中英文关键词是“截骨术”“骨关节炎”“3D 打印导板”“reconstruction”“osteotomy”“patient-specific”。关节外科医生更关注于 3D 打印在个体化截骨与翻修手术中的应用。多项研究结果显示，在人工全膝关节置换术、胫骨高位截骨术治疗膝骨关节炎时使用 3D 打印截骨导板，能够比常规手术方式的手术时间更短，下肢力线矫正更精确27-28。在关节翻修手术中，使用 3D 打印的内植物可精准匹配、紧密填补骨缺损的部位，术后患者的恢复效果明显，且经济成本更低29-30。从骨科亚专业的分布来看，创伤骨科是国内外 3D 打印技术在临床应用相关研究最多的骨科亚专业，其次为脊柱外科和关节外科。而热点分析结果显示，关键词“骨肿瘤”的出现频次在近年发表的中文文献中逐渐增加，而今后有关 3D 打印假体在骨肿瘤导致的大段骨缺损重建的临床应用研究可能会进一步加强31。4 结语 3D 打印技术在骨科领域具有广阔的应用前景和发展空间。通过 3D 打印技术建立的手术模型和工具，可以帮助医生更加精准地进行手术操作，减少手术风险和手术时间，提高手术效果。同时，3D打印技术还可以制造出更加符合患者个体化需求的假体，为患者提供更加优质、个性化的医疗服务，从而提高患者的术后生活质量。近年来，在国家政策的扶持下，3D 打印技术在我国骨科的临床应用取得了突飞猛进的发展，处于国际领先地位。但3D 打印技术在骨科的临床应用还存在一些挑战和局限性，如制造成本较高、材料的生物相容性较差等。因此，今后仍需要进一步推进 3D 打印技术在骨科临床应用的研究和创新，以便更好地改善骨科患者的治疗效果。【参考文献】1 Zhang F Q，Li C H，Wang Z L，et al Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolutionJNanomaterials(Basel，Switzerland)，2019，9(8)：1108 2 Lal H，Patralekh M K3D printing and its applications in orthopaedic trauma：a technological marvelJJournal of Clinical Orthopaedics and Trauma，2018，9(3)：260-268 3 Li C，Foster A L，Han N H B，et alA bibliometric analysis of clinical research on fracture-related infectionJ BioMed Research International，2022，2022：8171831 4 郑雯琦，吴 青，李 晶基于 CiteSpace 的我国中医药传播研究现状及热点分析J中华医学图书情报杂志，2021，30(9)：24-31 5 唐 奥，王 琪，于 琦，等国内新型冠状病毒肺炎的研究热点和趋势分析J中华医学图书情报杂志，2020，29(4)：8-13 6 Li C，Cheng Y，Li Z，et al The pertinent literature of enhanced recovery after surgery programs：a bibliometric approachJ Medicina(Kaunas，Lithuania)，2021，57(2)：172 7 Wu H Y，Li Y Q，Tong L J，et al Worldwide research tendency and hotspots on hip 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