3-D 打印技术在足踝外科的应用进展

Abstract

目的

对近年来 3-D 打印技术在足踝外科的应用进展作一综述。

方法

查阅近年来国内外关于 3-D 打印技术在医学领域，尤其是足踝外科应用的相关文献，并进行总结分析。

结果

3-D 打印技术在足踝部骨折、节段性骨缺损、矫形器、矫形与修复重建方面均有相关应用，并取得良好疗效。但目前缺乏临床随机对照试验进一步明确该技术优势，并且需延长随访观察其中远期疗效。

结论

3-D 打印技术在足踝外科应用前景广阔，但存在打印材料、打印时间、打印费用、医学伦理以及多学科协作等问题，有待进一步研究解决。

足踝部涉及较多骨、关节、韧带等解剖结构，形态及生物力学复杂，主要作用是支撑人体完成各项运动。足踝部疾病种类繁多，诊断及治疗相对复杂，且往往疗效欠佳^[1-2]。随着科学技术的发展，足踝外科领域内新理论、新技术、新方法、新材料层出不穷，足踝部疾病的诊疗水平不断提高。近年来，随着 3-D 打印技术的成熟与发展，其在医学领域的应用越来越受到研究者的重视，应用主要集中在矫形外科、颌面外科及骨科等，在临床实践中展现出独特优势^[3]。本文就 3-D 打印技术在足踝外科的应用进展进行综述。

1. 3-D 打印技术在医学领域的应用

① 手术规划：借助 3-D 打印的解剖结构模型，术者可以更准确地判断患者病情，并术前虚拟和规划手术，选择最佳手术入路，预估术中可能出现的问题，并可更好地与患者沟通。3-D 打印技术已广泛应用于颌面外科^[4]、神经外科^[5]、脊柱外科^[6]、骨科^[7]、胸心外科^[8]、血管外科^[9]、泌尿外科^[10]、耳鼻喉科^[11]、普外科^[12]及肿瘤放疗^[13]等多个学科领域手术，均证明可提高诊断准确性和治疗效果。

② 手术导向模板^[14-17]：3-D 打印的手术导向模板经消毒灭菌后，可用于术中定位和制导，有助于提高截骨、植入椎弓根螺钉等手术操作准确性，也显著缩短了手术时间。

③ 内植物或假体的设计及制造：患者存在个体化差异，标准化大规模制造的内植物和假体不能满足某些特殊病例的需要。借助 3-D 打印技术可以个性化设计和快速制造适合个体尺寸、适应疾病特征、具有良好匹配和贴附程度的内植物或假体。

④ 医学教育与培训：相较于被动地观察 2-D 或者 3-D 图像，低年资医生或医学生通过 3-D 打印模型可以更直观地理解其复杂的解剖结构，并且可以在 3-D 打印模型上进行手术预演和训练^[18-19]。Zheng 等^[20]的研究显示，相较于 CT 三维重建图像，3-D 打印模型可以显著改善低年资住院医生术前手术规划的质量。

⑤ 生物打印：3-D 生物打印的应用可以归纳为支架制作、细胞行为研究及组织修复三方面，其优势在于可以实现组织工程的目标，即构建类似于人体内真实环境包含支架、细胞、微环境的 3-D 体系。目前已有 3-D 生物打印心脏、肾脏、骨、软骨、血管、皮肤等的相关报道，未来会产出更多的生物打印组织、人工器官、微器官等^[21]。

Bauermeister 等^[22]以及 Martelli 等^[23]于 2015 年分别检索了 3-D 打印技术用于外科手术的相关文献，并进行系统评价；前者纳入 103 篇文献，后者纳入 158 篇文献。系统评价结果表明，3-D 打印技术用于外科手术的优点是可以直观地表现复杂的解剖结构或形态，制作定制化内植物/假体或手术导向模板辅助手术操作，从而缩短手术时间，改善患者预后。其缺点在于需要花费额外的时间和金钱，并且大部分临床医生不具备 3-D 打印相关技能，限制了其作为常规应用的发展。另外，骨周围的重要神经、血管、肌肉、韧带等组织的三维可视化仍需进一步研究。

2. 3-D 打印技术在足踝外科的应用进展

3-D 打印技术在足踝外科的首次应用可以追溯到 1997 年，Kacl 等^[24]对比了 30 例跟骨关节内骨折的 CT 三维重建图像和 3-D 打印模型，发现两者的诊断效能无显著差异。但有学者认为 3-D 打印技术在术前规划及教育等方面有一定价值，并作出了一系列研究。

2.1. 足踝部骨折

踝与后足骨折多累及关节面，如骨折未达解剖复位，将遗留关节面不平整或踝穴增宽、缩小，容易导致创伤性骨关节炎等多种并发症，严重影响患者负重功能。尽管目前已有较多解剖钢板产品，但这些解剖钢板的设计均是基于标准骨骼形态，当患者骨骼形态与标准解剖形态不一致或者存在畸形时，会出现钢板不匹配的情况。而当骨折粉碎严重，伴有较多骨折碎块时，骨的几何形态严重改变，原有螺钉进钉通道可能需要重新设计才能达到稳定固定的目的。

Chung 等^[25]以健侧跟骨作为镜像，按照 1∶1 比例打印出实际尺寸跟骨模型，在模型上对跟骨锁定板进行预弯塑形以更好地贴合跟骨表面解剖结构，并将跟骨模型用于术中 C 臂 X 线机透视下与骨折侧跟骨比对，以确定跟骨骨折复位情况及板钉位置。此项技术适用于手术治疗跟骨关节内骨折，尤其是 Sander Ⅱ 型伴多节段前突骨折或外侧壁膨隆的跟骨骨折患者。Chung 等^[26]采用同样方法治疗 4 例胫骨远端复杂骨折患者，术前在 3-D 打印模型上虚拟手术，选择贴附最佳的钢板，设计进钉通道，术中不再需要钢板塑形，并且钢板没有明显突起部分，对皮肤和软组织的刺激较小。另外，他们对 13 例内踝撕脱骨折患者，术前在 3-D 模型上虚拟手术并预弯锁定加压钩钢板，术中经微创切口采用钩钢板内固定，无 1 例发生内固定失败。Yang 等^[27]将 30 例三踝骨折患者随机均分为两组，均接受切开复位内固定手术；其中，试验组采用 3-D 打印模型用于术前手术规划，以及与患者及家属沟通，而对照组未采用 3-D 打印模型进行以上处理。结果显示，3-D 打印技术的应用能较好地显示踝关节解剖结构、骨折类型、关节面受累情况等，有助于术前手术规划，增强医患沟通；并且试验组手术时间及术中出血量明显少于对照组。近年来，国内也有将 3-D 打印技术应用于复杂 Pilon 骨折^[28]、踝关节骨折^[29]、跟骨骨折^[30]、距骨骨折^[31]的相关报道，均取得良好疗效，较传统手术有其独特优势。3-D 打印技术的应用使手术切口相较于传统切口更小，符合微创理念，可以减少术中出血量和射线暴露时间。对于低年资医生，有助于增加其对解剖结构和手术的理解，培训手术技能，增加手术信心。

2.2. 节段性骨缺损

目前，严重高能量创伤后遗留的节段性骨缺损修复仍是骨科一个难题，尤其是伴严重软组织损伤和污染的开放伤^[32]。学者们提出了不同治疗方法，比如外固定支架骨搬运技术^[33]、Masquelet 技术^[34]、带血管蒂腓骨瓣移植^[35]等，但均存在手术风险和相关并发症。对于踝和后足大段骨缺损的治疗，总体疗效欠佳。有学者采用胫距跟关节融合加同种异体股骨头骨块植骨方法，但术后骨不愈合率达 50%，截肢率达 19%；其中合并糖尿病患者以及翻修手术患者，其骨不愈合率及截肢率更高^[36]。Hamid 等^[37]收治了 1 例交通事故伤所致的开放性胫骨远端关节内骨折伴缺损、腓骨骨折、距骨体粉碎性骨折及跟骨后关节面塌陷骨折患者，术中首先按照术前设计的截骨导向模板进行胫骨、腓骨、距骨截骨，截骨后遗留骨缺损长度约为 8.5 cm，将术前利用 3-D 打印技术设计并打印的桁架结构钛合金 Cage 植入起支撑作用，然后从跟骨下方插入逆行髓内钉行胫距跟关节融合，截取的骨质及含干细胞的同种异体骨放入 Cage 空隙填充植骨，15 个月后患者恢复良好，无明显疼痛。Hsu 等^[38]采用类似方法治疗 1 例开放性 Pilon 骨折、腓骨骨折使用泰勒空间支架行踝关节融合失败的患者，1 年后患者疼痛显著缓解，可在无辅助装置的情况下自主行走和独立工作。Barnes^[39]完成了世界首例采用 3-D 打印钛合金修复后跟肿瘤切除后跟骨缺损的手术，避免了患者足部截肢，改善了生活质量。

2.3. 足踝部矫形与修复重建

2.3.1 足踝矫形器　足踝矫形器具有缓解疼痛、增加后跟缓冲性、矫正柔韧性畸形、增加足踝稳定性以及防止局部皮肤破损等作用^[40]。标准化大规模制造的足踝矫形器型号有限，无法满足个性化需要。定制的足踝矫形器可以提供个性化缓冲功能和支撑功能，减少了皮肤溃疡发生率和复发率，被认为是部分足踝与下肢疾病治疗的金标准。目前，足踝矫形器的个性化定制主要是通过传统石膏翻模法及计算机辅助设计两种方式来制造。Telfer 等^[41-42]使用 CAD 软件为症状性旋前足患者与健康志愿者设计并 3-D 打印制作个性化足踝矫形器，分析其三维步态、肌肉活动、足底压力，结果显示个性化足踝矫形器与前/中/后足底压力、后足运动、踝/膝动力存在明显的剂量效应关系。Dombroski 等^[43]采用微软 3-D 体感摄影机 Kinect 对志愿者足部进行扫描，扫描数据经处理后传输至 3-D 打印机并打印出足的阳模，制作矫形器；同时，以传统石膏翻模法制造足的阴模，并制作矫形器作为对照；结果显示 3-D 扫描/打印矫形器足弓高度指数与传统方法制作的矫形器相似，但所需时间少、价格更低。

2.3.2 矫形与修复重建手术　Jastifer 等^[44]收治 1 例双踝骨折经保守治疗 1 年后外踝处仍存在明显疼痛的中年男性患者，术前疼痛视觉模拟评分（VAS）为 8 分，美国矫形足踝协会（AOFAS）踝与后足评分为 47 分。术前在 3-D 打印的踝关节模型上虚拟外踝 Z 形截骨术，根据健侧踝关节形态精确计算矫正角度和高度，预计截骨位置、方向；最后根据术前规划顺利完成手术。术后 7 个月随访时，截骨处已达骨性愈合，VAS 评分为 2 分，AOFAS 踝与后足评分为 89 分，踝关节疼痛症状明显缓解，活动功能明显改善。Giovinco 等^[45]利用计算机辅助虚拟手术技术模拟 Charcot 足截骨，同时 3-D 打印 Charcot 足模型，与计算机模拟图像进行解剖标志配准，预计手术切口，预演截骨、内固定植入及外支架固定，然后实施手术，显著降低了手术难度。高斌等^[46]在 3-D 打印技术辅助下完成了 11 例儿童复杂性扁平足手术，他们认为 3-D 打印模型能直观、精确地反映复杂性扁平足的立体形态及各解剖结构的空间关系，有助于医生手术规划、缩短手术时间、减少术中出血量，从而提高手术效率。Chae 等^[47]收治 1 例人工踝关节置换术后发生感染坏死、假体外露的老年患者，应用 3-D 打印技术与反求技术，术前准确测量踝关节皮肤软组织缺损面积，设计前臂供区皮瓣大小和形态，成功实施手术，切取的皮瓣能准确修复踝关节缺损。

3. 总结与展望

近十年来，3-D 打印技术发展迅速，在医学领域的应用获得显著进展，并且展现出独特的优势。就应用范围而言，从最初的快速制作解剖结构模型，逐渐发展到复杂医疗器械、手术导板、个性化内植物、假体制作、组织工程支架制作等；就应用深度而言，从最初打印无生物活性的材料到生物打印具有生命的细胞、组织、器官等。目前 3-D 打印技术应用于足踝外科临床疾病诊断、治疗、康复的报道仍较少，大部分为回顾性研究和病例报道，缺少临床随机对照试验，并且其效果也有待中长期随访观察。另外，打印材料、打印时间、打印费用、医学伦理以及多学科协作等因素，也限制了 3-D 打印技术的广泛应用。以上问题均有待进一步研究解决。

Funding Statement

四川省卫生和计划生育委员会科研课题（16PJ549）；西南医科大学校级资金资助计划（2014ZD-012）；西南医科大学附属医院科研课题（15049）

Research Projects of Health and Family Planning Commission of Sichuan Province (16PJ549); Southwest Medical University Financial Supporting Plans (2014ZD-012); Affiliated Hospital of Southwest Medical University Research Projects (15049)