3D打印技术结合数字化技术在复杂踝关节骨折的研究进展

李昆伦,李惠民,黄略,李灏,林伟明,李伟龙,廖红兴△（.广东医科大学梅州市临床医学院,广东 梅州 5403；
2.广东省梅州市人民医院（梅州市医学科学院）,广东 梅州 5403）

踝关节是人体内承受最大生物力学载荷的关节之一，当受到外界暴力作用时，踝关节的连续性、完整性遭到破坏，引起踝关节骨折，严重影响患者活动能力[1]。由于暴力方向、大小等存在差异，其导致的骨折类型也有所不同，对于复杂踝关节骨折患者，临床上多采用手术治疗[2-3]。近年来，我国医学成像技术飞快发展，3D打印技术、数字化技术被逐渐应用到外科手术之中，如假体制作、3D立体重建等，能够帮助医师更准确地探查患处解剖结构，以便于制定适宜的手术方案。本文通过查阅近年来3D打印技术结合数字化技术的相关文献，对目前其在复杂踝关节骨折中的应用现状进行阐述。

3D打印技术是基于离散-堆积原理的快速成型制造方法，将数字三维模型分层、切割，使其成为二维横截面形状，并逐层叠加材料，从而获得单一实体，该种技术具有成型快、可定制、设计自由度高等优势，在医学领域得到广泛应用，如创伤骨科、口腔颌面外科、胸外科等，能够帮助医师了解患者骨折特征和碎片移位情况，以制定个性化治疗方案[4-5]。3D打印技术能够制造结构复杂的植入物、假体、器官模型等，制作时间较短且成本较低，随着该技术的不断进步，可用于3D打印的材料也由金属、陶瓷等单一固体粉材，逐渐发展为凝胶、细胞、液体等混合材料，通过该技术所制备的骨组织工程材料，可被应用于骨折修复、关节置换等手术之中[6]。数字化技术能够对CT、磁共振成像等二维图像数据进行处理，将其转换为更加精确的三维模型[7]。Papotto[8]等在其研究中指出，计算机3D模型能够帮助医师更好地理解骨折力学和骨组织的形成、吸收，预测骨髓腔开放情况及外部骨痂重吸收情况，进而调整对患者的治疗策略，促进骨折更快愈合。朱仲廉[9]等人对76例复杂踝关节骨折患者进行分析，发现将3D打印技术应用到复杂踝关节骨折患者手术治疗中，能够加快患者骨折愈合，促使其更快恢复健康。施利华[10]等人在其研究中选取116例踝关节骨折患者作为研究对象，发现3D打印结合数字化技术用于踝关节骨折疗效显著，还可减少术后并发症的发生。

复杂踝关节骨折通常牵涉到韧带、软组织等部位的损伤，手术操作相对复杂，为保障手术效果，需要在术前提前设计手术切口、内固定物、复位计划等，以提高手术安全性和有效性，减少患者身体受到的损伤[11]。3D打印技术与数字化技术可明确骨折类型，并构建3D立体模型，使医师能够直观地对骨折移位情况、关节面损伤情况、骨块大小、骨折线等进行观察，根据观察结果选择最佳手术方案，提高手术质量，减少术中骨折剥离，在缩短患者切口愈合时间的同时，降低术后感染风险[12]。相较于常规影像学二维图像，3D打印技术结合数字化技术所构建的三维模型能够提供更好的视觉反馈，防止手术团队成员出现认知偏差；
增强术前讨论的有效性，提高医师对患者骨折类型的理解程度；
还有助于医师向患者更直观地解释病情、手术方式和风险等[13]。高洪林[14]等人在其研究中应用踝关节骨折数字化虚拟手术设计系统，将患者踝关节CT扫描数据重建为三维数字化模型，并利用系统进行模拟复位，确定内固定置入的方向、角度、深度等，最终获得理想的临床手术效果。此外，3D打印技术结合数字化技术能够准确定位切口位置、距离等，还可制作骨折模型，帮助医师直观理解截骨段与踝关节的解剖关系，在模型上标记复位点、测量螺钉位置及长度，并进行预复位和钢板预弯，从而缩短手术用时，减少术中放射性损伤，改善内固定强度[15]。

复杂踝关节骨折手术需要置入螺钉固定，手术操作者需要在X线透视下将螺钉徒手置入，可能造成邻近软组织损伤或骨质改变，影响患者预后。3D打印技术结合数字化技术能够使影像数据与患者身体实际情况相匹配，确定螺钉的置入位置、方向和深度等，有助于手术操作者按照术前计划更准确地置入螺钉，减少非必要的术野暴露和透视，在降低手术难度的同时减轻患者身体所受创伤，保护踝关节周围血管及神经，改善术后恢复情况，减少并发症的发生[16]。3D打印个性化导航模板制作成本低，准确性及适用性均较好，将其应用到复杂踝关节骨折手术中，可实现解剖重建，预防术中意外的发生[17]。此外，使用3D打印技术结合数字化技术所制作的截骨导板，能够为手术提供多平面复杂畸形的三维量化，降低术中截骨难度，防止反复截骨浪费时间，还可提高手术精准度，降低力学纠正不良的发生风险[18]。邹运璇[19]等人将3D打印个性化截骨导板应用到接受踝关节治疗的患者中，结果显示3D打印个性化截骨导板能够降低手术难度，缩短手术用时，同时减少术中透视次数，降低患者和医护人员受到的放射剂量，进一步提升手术安全性。

人体骨骼并非固定不变，而是根据自身所承受的负荷进行重塑，这也导致部分复杂踝关节骨折患者骨缺损严重，需要置入修复植入体，以重建踝关节结构，防止骨折久不愈合或结构塌陷，但传统植入物形状、大小的精准度有限，难以承受踝关节处的高负荷应力，可能出现力学强度不足、植入物松动等问题[20]。3D打印技术结合数字化技术能够定制个性化植入物，使其与患者骨缺损部位高度匹配，防止异常应力的产生，促使患者尽快恢复日常活动能力[21-22]。该技术所制造出的植入物具有微孔结构，能够减小植入材料与骨骼之间的刚度差异，有利于松质骨细胞生长到假体内部，使植入物更好地贴合患者自体骨骼，实现骨整合，将传统骨科假体重建技术的“机械连接”变为“生物连接”，获取理想疗效[23-24]。

手术治疗能够帮助复杂踝关节骨折患者复位骨折块，但骨折愈合仍需要一定时间，在患者恢复期间，常使用踝足矫形器辅助愈合，其能够提高足踝部稳定性，减少外界压力，矫正畸形，还可提供缓冲作用，减轻患者骨折疼痛[25-26]。3D打印技术结合数字化技术能够设计出更加符合人体生物力学的踝足矫形器，提高外固定器械的舒适度、贴合度，平衡足底峰值压力分布，降低前后足底压力，使其合理转移到中足[27-28]。参考圆孔轻量化设计，利用3D打印技术定制踝足矫形器，可减轻矫形器重量、节约材料，同时改善患者穿着环境，提高透气性[29-30]。

将3D打印技术与数字化技术有效结合，能够从多角度分析患者骨折移位方向，清晰显示断层间的组织情况，帮助医师准确分析患者病情，设计精准化治疗方案。在术中能够准确观察术中螺钉置入情况，减少X线扫描，且3D打印技术可直接进行钢板塑性，提高钢板的准确性，以保障手术内固定效果。此外，3D打印技术与数字化技术能够全面观察患者骨折复位前后的解剖结构，以便于控制继发性损伤，同时减少手术失误，促进患者更快恢复。但就目前情况而言，3D打印技术与数字化技术制造的打印产品缺乏统一标准，在安全性上仍待进一步探索，需要完善相关应用指南及法律法规，建立有效的监控、管理体系。