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醫學3D打印-導航模板的設計
3D打印導航模板可以對解剖結構比較復雜、需要精確定位的手術進行術中導航,有助于提高手術成功率、降低手術難度、減少手術時間,還能更好的實現微創操作。然而,3D打印導航模板的精度問題是無法逃避的事實,導航模板的偏差有時會導致截癱、大出血甚至死亡等嚴重后果,這要求我們需要重視導航模板生產的各個環節。

3D打印技術誕生于20世紀80年代后期,源自美國研究照相雕塑和地貌成形技術,是一種與傳統減材加工方法相反、基于三維數字模型、運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料、采用逐層制造方式將材料結合起來的工藝技術。3D打印技術作為工業4.0的代表,其在醫學領域中的重大潛在應用價值已經為人們所關注,目前在醫學領域應用的3D打印技術主要包括以下4種:光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積制造(FDM)、選擇性激光燒結(SLS)以及三維印刷技術(3DP)。不同的打印技術其在原料、精度以及速度等方面均有差異。現階段3D打印技術在醫療領域的研究和應用主要集中在骨科植入物打印、手術器械打印、細胞打印、組織器官打印。隨著3D打印技術在骨科領域的發展,有學者提出利用該技術制造手術導航模板的構想,于是開始設計并制造了如股骨頸空心螺釘的導航模板,髖、膝關節置換導航模板,腰椎及寰樞椎椎弓根釘的導航模板,枕骨髁螺釘的導航模板等。1998年,Radermacher等首次在臀部和膝蓋手術上使用導航模板,近十幾年來,導航模板在頸椎手術中得以應用,對解剖結構比較復雜、需要精確定位的手術進行術中導航,有助于提高手術成功率、降低手術難度、確保患者安全。

在臨床中運用空心螺釘固定股骨頸骨折,手術效果多依賴于醫師的技術和經驗,如進釘點、進釘方向及進釘深度判斷錯誤,可導致螺釘穿破股骨頸皮質或直接穿破股骨頭進入關節腔,甚而進入骨盆。曹振華等篩選出18(32)股骨上端樣本,運用導航模板進行模擬手術,術中僅1例螺釘穿破骨皮質,認為導航模板有一定的應用價值。黃軒等選取20例枕頸部尸體樣本,運用數字化設計和3D打印技術打印出枕骨髁導航模板,對20具尸體枕骨髁螺釘置入進行導航;術后CT掃描發現,40枚螺釘均在枕骨髁內,未發生螺釘侵犯舌下神經管、髁導靜脈管及寰枕關節面情況;操作中導航模板與枕骨髁骨面接觸良好未發生移位,較ⅹ線透視下置釘時間縮短,再次證明導航模板輔助置釘的快速性、準確性及可行性。

提高股骨導航模板設計制作的個體化水平相對于傳統THA,髖關節表面置換術(SRA)具有保留股骨頭、磨損界面低、截骨量少等優點,但股骨頸骨折是其主要并發癥。研究認為,SRA后股骨頸骨折的主要原因是股骨假體定位準確性差,因此引導股骨假體準確定位是SRA成功的關鍵。Du等在髖關節骨關節炎患者CT掃描結果的基礎上,采用3D打印技術生產出一種個體化股骨頭截骨模板,術后影像學檢查顯示其術后假體柄干角明顯高于傳統SRA;該研究顯示,使用這種個體化模板能提高假體置入的準確性、縮短手術時間并減少術中并發癥的發生。 raaijmaakers等設計了一種3D打印股骨頭截骨導航夾具,并將其應用于5SRA患者,結果顯示均定位準確,平均最大鉆孔角度偏差和置入點偏差分別為2.9°、2.1mm

近年來,個體化模板輔助TKA截骨術(PSI)依據患者術前MRICT掃描數據,采用3D打印技術設計制作個體化截骨定位模板,是一種應用于復雜膝關節置換術前規劃、模擬截骨和術中操作的新型膝關節截骨方法,術后下肢力線對位誤差小,具有截骨精確性高、手術時間短、手術損傷輕等優點。個性化定制切割導板技術應用于 TKA 中,可明顯提高手術效率和精度,越來越受到臨床醫生的重視,該技術可取代傳統的各種定位方法進行定位截骨。理論上,TKA 中應用個性化定制切割導板應該在各個平面都可以獲得理想的假體力線,但結果不盡如人意,有文獻報道應用該技術可以獲得更好的內外翻力線和旋轉力線,也有文獻報道是否使用定制導板對假體力線的影響并沒有明顯差異。 為使 UKA 假體位置更加精確,國外已有應用個性化定制切割導板進行單髁置換的文獻報道,但也有不同的結果。 相對于 TKA,使用個性化定制導板的 UKA 中假體的表面接觸面積更少,所以這些工具可能存在精度和可重復的問題。研究證明,使用個性化定制截骨導板輔助截骨的定位截骨時間明顯減少,而且不需要反復調整股骨鉆孔導引器,使手術變得簡單,其最主要的優勢就是不用開髓,從而避免了因為定位桿進入髓腔導致的脂肪栓塞、感染以及術后髓腔滲血較多。

隨著3D打印技術在醫學領域的發展,3D打印模型用于術前規劃與手術模擬已經十分常見,椎弓根螺釘置釘導航模板也逐漸在脊柱手術中應用,使置釘準確性及安全性較高。在脊柱外科,椎弓根螺釘由于脊柱三柱固定,其生物力學方面具有非常好的優越性。傳統的徒手置釘存在偏離、穿孔、反復透視等問題。2005年,Berry等在尸體標本上設計了4種類型的模板,第1種為3個“V”形鋒利的支持固定貼合在腰椎的橫突和棘突上,螺釘都固定在準確的位置上。第2種設計為在第1種模板的基礎上加上了側方的支持并貼合在胸椎的橫突和棘突上,并沒有取得良好的效果,可能會被臨床淘汰。第3種設計為對椎板后表面的側方圓柱狀支持以及對棘突的后方支持,此種設計被運用于胸椎和頸椎上,螺釘的準確性比第2種設計更高,固定也越牢靠。第4種設計為多節段導航模板,即被運用于2個或者更多節段的椎體上,此模板在橫突側方提供了固定支持,一般用于棘突丟失的情況,其螺釘錯位率也較高,可能是因為在鉆孔過程中模板的輕微移動將導致所有設計好的進釘點和進釘角度都發生變化。以上導航模板的設計都是點接觸式的模板,即整個模板只存在特定的點與目標節段的骨性結構相接觸,不需要將骨性結構表面的軟組織全部清除,因此并不是完全貼合在骨性結構的表面,可能會導致螺釘錯位。2009年,Ryken等設計了一種單邊導航模板運用于頸椎尸體實驗中,即只覆蓋了單邊的骨性結構,并取得了良好的螺釘置入準確率,但是由于未能在臨床中運用,故其臨床療效還有待進一步驗證。2012年,Kawaguchi等了一種導航模板完全貼合棘突與椎板來提供鉆孔穩定性,此種模板也只覆蓋了單邊的骨性結構,并且模板的厚度十分薄,取得了良好的臨床效果,螺釘的置人并沒有引起神經血管及骨性結構的損傷。這類導航模板只是覆蓋了整個骨性結構的一半,因此1個節段的椎體則需要設計2個模板,一方面增加了術前的準備工作,另一方面在輔助螺釘置入的過程中可能影響模板的穩定。Lu等和Hu等設計的導航模板完全貼合椎體后表面,即與左右椎板和棘突等相互貼覆,構成了一個近乎完美的貼合,是一整個與骨性結構相互貼合的平面,且須保證與相鄰節段不能有重疊。此種方法螺釘置人準確率較高,且未發生螺釘置人相關并發癥,因此此類模板設計是一種較為優良的設計類型。2014年,Kaneyama等認為傳統的導航模板在整個螺釘置人的過程中僅僅起到了提供鉆孔的模板作用,可能會造成螺釘錯位率,為此他設計了一個多步驟導航模板系統,包括進釘點標記模板、鉆孔模板和螺釘置人模板,3類模板均完全貼合于骨性結構上,貫穿于整個螺釘置入的手術過程中,提高了螺釘置人的準確性。

椎弓根導板導航是一種利用3D打印導板為椎弓根螺釘置人導航的新技術,其表面與脊柱后表面完全貼合,將導板消毒用于術中椎弓根螺釘的置人,在導板引導下精確置釘。然而在各類報道中,時常有不準確的情況出現,這令外科醫生十分擔憂,因為有些區域臨近重要血管神經,對于定位精度要求高,如頸椎,一旦定位失敗可能損傷椎動脈或頸髓而帶來災難性的后果。然而,3D打印導航模板的加工精度遠高于我們臨床需要的精度,但手術中應用有時仍然會出現問題,不同領域的專家從各個環節尋找偏差原因,通過CT掃描解剖標本,SLA打印多個模型進行定點坐標測量和采用不同的打印方式進行精度測量對比,均發現與解剖標本存在一定差異,然而其偏差絕對值較小,并不影響臨床應用,為了更進一步尋找原因,一些學者從圖像的采集、圖像的分割處理,以及STL轉換等多個環節測試,發現經驗不同的人最終處理獲得的STL文件差別很大,這很大程度影響了最終3D模型精度。

綜上所述,3D打印導航模板在臨床逐漸開始廣泛應用,絕大多數臨床醫生出于對該新技術的信任,不會懷疑導板本身的加工精度,而針對導航模板精度的研究主要集中在導板結構設計方面和使用方面,極少數學者還考慮到了數據采集與處理方面的因素,但發現該偏差并不影響實際手術的精度要求,而對于導板整個流程導致的影響精度的綜合研究未見報道。

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