兒童足踝畸形診治中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù),，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域通常以CT或MRI等影像學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，構(gòu)建計(jì)算機(jī)數(shù)字化模型文件,，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,，通過逐層打印并疊加不同形狀的連續(xù)層方式,，構(gòu)造三維物體,。近年來其在骨科,、口腔頜面外科、心臟外科,、神經(jīng)外科等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,。兒童足踝是一個(gè)復(fù)雜的解剖器官，涉及很多骨,、關(guān)節(jié),、肌肉、韌帶及肌腱等結(jié)構(gòu),。兒童足踝畸形使得原本復(fù)雜的足踝部結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)發(fā)生了很多改變,，導(dǎo)致對(duì)兒童足踝畸形的理解及治療變得困難重重。目前在兒童足踝畸形的診治上,，3D打印技術(shù)主要用于輔助制定治療方案,、打印精細(xì)骨科內(nèi)置物以及制作個(gè)性化足踝矯形器。

第一制備等比例模型和輔助制定治療方案

兒童足踝畸形如馬蹄足等涉及足踝部較多的骨,、肌肉及肌腱的變化,，這就需要兒童矯形骨科醫(yī)師對(duì)其復(fù)雜的病理解剖結(jié)構(gòu)有全面立體的理解。傳統(tǒng)二維影像很難展示出足踝部的三維幾何結(jié)構(gòu),，即使目前廣泛運(yùn)用的三維重建影像仍然難以給人直觀的解剖印象,。等比例模型的制備是3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最早應(yīng)用，其較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)影像學(xué)的不足,，能直觀,、形象、立體展現(xiàn)出足踝部的精細(xì)結(jié)構(gòu),，可用于足踝畸形的診斷,，術(shù)前治療方案的擬定以及術(shù)前醫(yī)患溝通和術(shù)中對(duì)比參照。

Gunther Windisch等通過三維微斷層系統(tǒng),，打印出高分辨率的馬蹄足模型,，由此來研究馬蹄足復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，為小兒矯形骨科醫(yī)師及理療師發(fā)展新的手術(shù)方式及馬蹄足的手法復(fù)位方法提供幫助。張偉等報(bào)道了3D打印足踝模型在1例骨髓炎后嚴(yán)重踝關(guān)節(jié)畸形中的應(yīng)用,。作者首先打印出患側(cè)踝關(guān)節(jié)的等比例實(shí)體模型,，然后運(yùn)用鏡像技術(shù)，將健側(cè)踝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行鏡像轉(zhuǎn)換,，得到虛擬的患側(cè)正常踝關(guān)節(jié)的等比例模型,。通過對(duì)比患側(cè)踝關(guān)節(jié)及虛擬的患側(cè)正常踝關(guān)節(jié)實(shí)體模型，在實(shí)體模型上設(shè)計(jì)出截骨平面及截骨角度,，并用于術(shù)中參照和指導(dǎo),，成功完成該例復(fù)雜踝關(guān)節(jié)畸形的手術(shù)，術(shù)后患兒踝關(guān)節(jié)外觀及功能均恢復(fù)良好,。

高斌等通過3D打印技術(shù)制作出與復(fù)雜扁平足等比例的實(shí)體模型,，用于輔助復(fù)雜扁平足的手術(shù)治療。此模型不僅可用于術(shù)前規(guī)劃和模擬手術(shù),，制定最佳手術(shù)方案,，還可以通過模型與患兒家屬進(jìn)行溝通，使患兒家屬充分理解扁平足的手術(shù),，減少醫(yī)患矛盾,。同時(shí)可視化的3D打印模型也是年輕醫(yī)師重要的學(xué)習(xí)工具，在年輕醫(yī)生執(zhí)行復(fù)雜的矯形手術(shù)時(shí),，可縮短年輕醫(yī)師的學(xué)習(xí)曲線,。


自20世紀(jì)90年代開始，隨著保守治療方法特別是Ponseti法的流行,，傳統(tǒng)手術(shù)作為首選方法治療馬蹄足的比例已經(jīng)明顯下降,。盡管如此，對(duì)于某些經(jīng)反復(fù)保守治療無效,、復(fù)發(fā)的馬蹄足以及大年齡馬蹄足等,，手術(shù)仍然是一種必要的治療選擇。李濤等對(duì)3D打印在復(fù)雜馬蹄足畸形矯正手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索,，作者將馬蹄足患兒術(shù)前CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后,，通過逆向工程技術(shù)和快速成型技術(shù)重建數(shù)字化三維足踝畸形模型，并將其應(yīng)用于診斷,、術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中參照,。

3D打印的足踝模型準(zhǔn)確顯示了復(fù)雜馬蹄內(nèi)翻足各部位解剖結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系和足踝的三維立體形態(tài)，提高了手術(shù)的精確度以及安全性,，縮短了手術(shù)時(shí)間,，減少了術(shù)中出血量。但是由于軟組織松解在馬蹄足手術(shù)中十分重要,，如何將CT數(shù)據(jù)與MRI數(shù)據(jù)結(jié)合以顯示足踝畸形與軟組織的關(guān)系，仍需進(jìn)一步研究，這也是目前3D打印等比例模型的一個(gè)很大的缺陷,。

第二置入物的打印
隨著3D打印材料的發(fā)展,，關(guān)于3D打印骨科置入物的應(yīng)用也越來越引起人們的重視。傳統(tǒng)置入物通常由廠家生產(chǎn)完成后,，由醫(yī)師挑選適合患者的置入物,，這種選擇方式帶有一定的盲目性，其大小,、型號(hào)盡可能接近而不是精準(zhǔn),。在兒童骨科中，由于兒童內(nèi)置物型號(hào)差異較大,，很多較小型號(hào)的內(nèi)置物生產(chǎn)較少,，內(nèi)置物的選擇成為制約部分手術(shù)的難題。此外,，足踝部的距骨及跟骨等形態(tài)極不規(guī)則,，其余跗骨、跖骨等體積較小,，使用傳統(tǒng)方法制作的內(nèi)置物很難與這些細(xì)小的不規(guī)則骨相貼合,。

跗骨跖骨之間有較多的關(guān)節(jié)連接，而軟組織較少,，因此對(duì)內(nèi)置物的精細(xì)度要求較高,，否則容易出現(xiàn)放置困難。3D打印的置入物大多基于患者的影像學(xué)數(shù)據(jù),，因此實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置物的個(gè)體化,，解決了兒童足踝外科內(nèi)置物型號(hào)少，難以匹配,，精度不高等缺點(diǎn),。Smith等運(yùn)用3D打印技術(shù)制造出了一種鈦合金板用于拇內(nèi)翻的手術(shù)矯正，這種鈦合金板由于與第二跖骨較小橫斷面及非對(duì)稱解剖結(jié)構(gòu)的高度匹配,，減少了傳統(tǒng)內(nèi)置物帶來的應(yīng)力不平衡所致的第二跖骨應(yīng)力性骨折,。

同時(shí)由于跖骨周圍軟組織較少，這種高度匹配的鈦合金板能夠減少內(nèi)置物向皮膚外突出以及對(duì)皮膚的刺激,。作者將這種3D打印制造的鋼板用于一例先天性拇內(nèi)翻患兒的治療,，取得了良好的效果。盡管在兒童骨科中金屬內(nèi)置物的使用遠(yuǎn)沒有成人骨科廣泛,，但鑒于3D打印內(nèi)置物的良好前景,，可以預(yù)見，未來3D打印內(nèi)置物必將在兒童足踝畸形的治療中起到重要作用,。尤其是畸形矯正后植骨材料的填充將在小兒骨科得到廣泛應(yīng)用,。

第三足踝矯形器的制作

目前市面上大部分定制的足踝矯形器是通過石膏模具制造的,，由于制作方法本質(zhì)上是從一固有的磨具中“雕刻”出所需要的矯形器，因而對(duì)足踝矯形器新功能及新特點(diǎn)的發(fā)展有所限制,。近年來計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造（CAD/CAM）開始用于矯形器的設(shè)計(jì)與制作,，這種制作矯形器的過程包括：首先對(duì)矯形器模型輪廓進(jìn)行采集和數(shù)字化，通過CAD軟件輸出所需加工矯形器的數(shù)據(jù),，然后用CAM軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,，最后利用加工裝置生產(chǎn)出足踝矯形器。

3D打印作為計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）的一種形式,，使用分層加工,、疊加成形的方式逐層增加材料，完成整個(gè)模型實(shí)體構(gòu)建,。這一特點(diǎn)使其可以根據(jù)患者需要,，制作出各種與足踝部復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)相匹配的精細(xì)矯形器，滿足不同患者對(duì)足踝矯形器特殊功能的需求,，從而使矯形器可以不斷發(fā)展出新特點(diǎn)及新功能,，賦予研究者更大的設(shè)計(jì)自由，實(shí)現(xiàn)了矯形器真正的“個(gè)體化”,。Vijayaragavan等對(duì)一名6歲大的馬蹄足患兒足踝部進(jìn)行CT掃描,，然后將CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，用ABS-M30材料打印出患兒的足踝模型,�,；�于此足踝模型，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）出虛擬的矯形器,，然后在軟件上測(cè)試此足踝矯形器的彈性指數(shù)以及矯形器對(duì)馬蹄足各部位的壓力分布,。通過Ponseti法矯正馬蹄足需要行6周左右的石膏固定，對(duì)于部分患兒來說,，長(zhǎng)期的石膏固定難以配合,，作者想用這種支具取代傳統(tǒng)的石膏固定，使患兒佩戴更加舒適的支具而不是難以接受的石膏,。

Scott等利用3D打印制作出了一種用于改善腦癱患兒病理性步態(tài)的矯形器,，這種矯形器在僵硬度的可調(diào)節(jié)性上是傳統(tǒng)矯形器難以達(dá)到的，而很多研究表明僵硬度的可調(diào)節(jié)性是決定這類足踝矯形器最重要的特點(diǎn),。但是目前這種矯形器還處于試驗(yàn)階段,，并未投入臨床使用中。Vito等研究了馬蹄足患兒在行走時(shí)足底不同部位壓力的分布,，使用3D打印技術(shù)制作出的支具內(nèi)墊各部位具有不同的厚度,，使足底各部分壓力重新分布，達(dá)到矯正馬蹄足的目的,。同時(shí)這種3D打印的支具與傳統(tǒng)支具相比,，與患兒足部貼合更好,，穿戴更加舒適。目前這種3D支具正在進(jìn)行生物動(dòng)力學(xué)的研究,。

第四應(yīng)用前景
3D打印作為一種新興技術(shù),，已對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。目前3D打印在兒童足踝畸形中最廣泛的應(yīng)用仍然是等比例實(shí)體模型的打印,。通過打印等比例足踝模型，可用于術(shù)前足踝畸形解剖結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究,，有利于醫(yī)患溝通,，有利于設(shè)計(jì)手術(shù)方案以及術(shù)中參照對(duì)比，提高手術(shù)精確度及成功率,。以馬蹄足為代表的兒童足踝畸形對(duì)足踝矯形器有著巨大的需要,，目前各類3D打印的足踝矯形器正在進(jìn)行積極研究。雖然3D打印矯形器還未大規(guī)模應(yīng)用于臨床治療中,，但隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展與成熟,，可以預(yù)見的是，越來越多的個(gè)體化矯形器將會(huì)應(yīng)用到臨床實(shí)踐中,，而矯形器的新功能及新特點(diǎn)也將得到極大發(fā)展,。在兒童足踝畸形中雖然內(nèi)置物使用較少，金屬物的植入目前還不現(xiàn)實(shí),，但對(duì)于矯形術(shù)中,，骨骼缺損部位的填充，應(yīng)用前景廣泛,�,？梢韵胂箅S著干細(xì)胞技術(shù)的不斷深入研究，攜帶干細(xì)胞,、成骨細(xì)胞,，經(jīng)過精準(zhǔn)打印的生物支架材料，甚至包括3D打印的肌腱,、韌帶或?qū)�廣泛應(yīng)用于臨床,。

原創(chuàng)： 南國(guó)新
作者單位：重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院骨二科（重慶市，400014）
基金名稱：重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院臨床研究基金（項(xiàng)目號(hào)：6000064）