兒童足踝畸形診治中3D打印技術的應用

3D打印技術又稱快速成型技術或增材制造技術，在醫(yī)學領域通常以CT或MRI等影像學數據為基礎，構建計算機數字化模型文件，運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，構造三維物體。近年來其在骨科、口腔頜面外科、心臟外科、神經外科等領域的應用越來越廣泛。兒童足踝是一個復雜的解剖器官，涉及很多骨、關節(jié)、肌肉、韌帶及肌腱等結構。兒童足踝畸形使得原本復雜的足踝部結構及生物力學發(fā)生了很多改變，導致對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打印技術主要用于輔助制定治療方案、打印精細骨科內置物以及制作個性化足踝矯形器。

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)師對其復雜的病理解剖結構有全面立體的理解。傳統(tǒng)二維影像很難展示出足踝部的三維幾何結構，即使目前廣泛運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打印技術在醫(yī)學領域的最早應用，其較好地彌補了傳統(tǒng)影像學的不足，能直觀、形象、立體展現出足踝部的精細結構，可用于足踝畸形的診斷，術前治療方案的擬定以及術前醫(yī)患溝通和術中對比參照。

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雜的解剖結構，為小兒矯形骨科醫(yī)師及理療師發(fā)展新的手術方式及馬蹄足的手法復位方法提供幫助。張偉等報道了3D打印足踝模型在1例骨髓炎后嚴重踝關節(jié)畸形中的應用。作者首先打印出患側踝關節(jié)的等比例實體模型，然后運用鏡像技術，將健側踝關節(jié)數據進行鏡像轉換，得到虛擬的患側正常踝關節(jié)的等比例模型。通過對比患側踝關節(jié)及虛擬的患側正常踝關節(jié)實體模型，在實體模型上設計出截骨平面及截骨角度，并用于術中參照和指導，成功完成該例復雜踝關節(jié)畸形的手術，術后患兒踝關節(jié)外觀及功能均恢復良好。

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


自20世紀90年代開始，隨著保守治療方法特別是Ponseti法的流行，傳統(tǒng)手術作為首選方法治療馬蹄足的比例已經明顯下降。盡管如此，對于某些經反復保守治療無效、復發(fā)的馬蹄足以及大年齡馬蹄足等，手術仍然是一種必要的治療選擇。李濤等對3D打印在復雜馬蹄足畸形矯正手術中的應用進行了初步探索，作者將馬蹄足患兒術前CT掃描數據導入計算機后，通過逆向工程技術和快速成型技術重建數字化三維足踝畸形模型，并將其應用于診斷、術前規(guī)劃和術中參照。

3D打印的足踝模型準確顯示了復雜馬蹄內翻足各部位解剖結構的空間關系和足踝的三維立體形態(tài)，提高了手術的精確度以及安全性，縮短了手術時間，減少了術中出血量。但是由于軟組織松解在馬蹄足手術中十分重要，如何將CT數據與MRI數據結合以顯示足踝畸形與軟組織的關系，仍需進一步研究，這也是目前3D打印等比例模型的一個很大的缺陷。

第二置入物的打印
隨著3D打印材料的發(fā)展，關于3D打印骨科置入物的應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、型號盡可能接近而不是精準。在兒童骨科中，由于兒童內置物型號差異較大，很多較小型號的內置物生產較少，內置物的選擇成為制約部分手術的難題。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)方法制作的內置物很難與這些細小的不規(guī)則骨相貼合。

跗骨跖骨之間有較多的關節(jié)連接，而軟組織較少，因此對內置物的精細度要求較高，否則容易出現放置困難。3D打印的置入物大多基于患者的影像學數據，因此實現了內置物的個體化，解決了兒童足踝外科內置物型號少，難以匹配，精度不高等缺點。Smith等運用3D打印技術制造出了一種鈦合金板用于拇內翻的手術矯正，這種鈦合金板由于與第二跖骨較小橫斷面及非對稱解剖結構的高度匹配，減少了傳統(tǒng)內置物帶來的應力不平衡所致的第二跖骨應力性骨折。

同時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置物向皮膚外突出以及對皮膚的刺激。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置物的使用遠沒有成人骨科廣泛，但鑒于3D打印內置物的良好前景，可以預見，未來3D打印內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，由于制作方法本質上是從一固有的磨具中“雕刻”出所需要的矯形器，因而對足踝矯形器新功能及新特點的發(fā)展有所限制。近年來計算機輔助設計和制造（CAD/CAM）開始用于矯形器的設計與制作，這種制作矯形器的過程包括：首先對矯形器模型輪廓進行采集和數字化，通過CAD軟件輸出所需加工矯形器的數據，然后用CAM軟件對數據進行轉換，最后利用加工裝置生產出足踝矯形器。

3D打印作為計算機輔助制造（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，完成整個模型實體構建。這一特點使其可以根據患者需要，制作出各種與足踝部復雜解剖結構相匹配的精細矯形器，滿足不同患者對足踝矯形器特殊功能的需求，從而使矯形器可以不斷發(fā)展出新特點及新功能，賦予研究者更大的設計自由，實現了矯形器真正的“個體化”。Vijayaragavan等對一名6歲大的馬蹄足患兒足踝部進行CT掃描，然后將CT掃描數據進行三維重建，用ABS-M30材料打印出患兒的足踝模型�；�于此足踝模型，通過計算機輔助設計（CAD）出虛擬的矯形器，然后在軟件上測試此足踝矯形器的彈性指數以及矯形器對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，對于部分患兒來說，長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節(jié)性上是傳統(tǒng)矯形器難以達到的，而很多研究表明僵硬度的可調節(jié)性是決定這類足踝矯形器最重要的特點。但是目前這種矯形器還處于試驗階段，并未投入臨床使用中。Vito等研究了馬蹄足患兒在行走時足底不同部位壓力的分布，使用3D打印技術制作出的支具內墊各部位具有不同的厚度，使足底各部分壓力重新分布，達到矯正馬蹄足的目的。同時這種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支具正在進行生物動力學的研究。

第四應用前景
3D打印作為一種新興技術，已對醫(yī)學領域產生巨大影響。目前3D打印在兒童足踝畸形中最廣泛的應用仍然是等比例實體模型的打印。通過打印等比例足踝模型，可用于術前足踝畸形解剖結構的詳細研究，有利于醫(yī)患溝通，有利于設計手術方案以及術中參照對比，提高手術精確度及成功率。以馬蹄足為代表的兒童足踝畸形對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行積極研究。雖然3D打印矯形器還未大規(guī)模應用于臨床治療中，但隨著3D打印技術的發(fā)展與成熟，可以預見的是，越來越多的個體化矯形器將會應用到臨床實踐中，而矯形器的新功能及新特點也將得到極大發(fā)展。在兒童足踝畸形中雖然內置物使用較少，金屬物的植入目前還不現實，但對于矯形術中，骨骼缺損部位的填充，應用前景廣泛�？梢韵胂箅S著干細胞技術的不斷深入研究，攜帶干細胞、成骨細胞，經過精準打印的生物支架材料，甚至包括3D打印的肌腱、韌帶或將廣泛應用于臨床。

原創(chuàng)： 南國新
作者單位：重慶醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院骨二科（重慶市，400014）
基金名稱：重慶醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院臨床研究基金（項目號：6000064）