医学3D打印-导航模板的设计

医学3D打印-导航模板的设计

       3D打印导航模板可以对解剖结构比较复杂、需要精确定位的手术进行术中导航，有助于提高手术成功率、降低手术难度、
减少手术时间，还能更好的实现微创操作。然而，3D打印导航模板的精度问题是无法逃避的事实，导航模板的偏差有时
会导致截瘫、大出血甚至死亡等严重后果，这要求我们需要重视导航模板生产的各个环节。

      3D打印技术诞生于20世纪80年代后期，源自美国研究照相雕塑和地貌成形技术，是一种与传统减材加工方法相反、基于三维数字模型、运用粉末状金属或塑料等可粘合材料、采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺技术。3D打印技术作为工业4.0的代表，其在医学领域中的重大潜在应用价值已经为人们所关注，目前在医学领域应用的3D打印技术主要包括以下4种：光固化立体印刷(SLA)、熔融沉积制造(FDM)、选择性激光烧结(SLS)以及三维印刷技术(3DP)。不同的打印技术其在原料、精度以及速度等方面均有差异。现阶段3D打印技术在医疗领域的研究和应用主要集中在骨科植入物打印、手术器械打印、细胞打印、组织器官打印。随着3D打印技术在骨科领域的发展，有学者提出利用该技术制造手术导航模板的构想，于是开始设计并制造了如股骨颈空心螺钉的导航模板，髋、膝关节置换导航模板，腰椎及寰枢椎椎弓根钉的导航模板，枕骨髁螺钉的导航模板等。1998年，Radermacher等首次在臀部和膝盖手术上使用导航模板，近十几年来，导航模板在颈椎手术中得以应用，对解剖结构比较复杂、需要精确定位的手术进行术中导航，有助于提高手术成功率、降低手术难度、确保患者安全。

       在临床中运用空心螺钉固定股骨颈骨折，手术效果多依赖于医师的技术和经验，如进钉点、进钉方向及进钉深度判断错误，可导致螺钉穿破股骨颈皮质或直接穿破股骨头进入关节腔，甚而进入骨盆。曹振华等筛选出18例(32侧)股骨上端样本，运用导航模板进行模拟手术，术中仅1例螺钉穿破骨皮质,认为导航模板有一定的应用价值。黄轩等选取20例枕颈部尸体样本，运用数字化设计和3D打印技术打印出枕骨髁导航模板，对20具尸体枕骨髁螺钉置入进行导航；术后CT扫描发现，40枚螺钉均在枕骨髁内，未发生螺钉侵犯舌下神经管、髁导静脉管及寰枕关节面情况；操作中导航模板与枕骨髁骨面接触良好未发生移位，较ⅹ线透视下置钉时间缩短，再次证明导航模板辅助置钉的快速性、准确性及可行性。

     提高股骨导航模板设计制作的个体化水平相对于传统THA，髋关节表面置换术(SRA)具有保留股骨头、磨损界面低、截骨量少等优点，但股骨颈骨折

是其主要并发症。研究认为，SRA后股骨颈骨折的主要原因是股骨假体定位准确性差，因此引导股骨假体准确定位是SRA成功的关键。Du等在髋关节骨

关节炎患者CT扫描结果的基础上，采用3D打印技术生产出一种个体化股骨头截骨模板，术后影像学检查显示其术后假体柄干角明显高于传统SRA；该

研究显示,使用这种个体化模板能提高假体置入的准确性、缩短手术时间并减少术中并发症的发生。 raaijmaakers等设计了一种3D打印股骨头截骨导航

夹具，并将其应用于5例SRA患者，结果显示均定位准确,平均最大钻孔角度偏差和置入点偏差分别为2.9°、2.1mm。

      近年来，个体化模板辅助TKA截骨术(PSI)依据患者术前MRI或CT扫描数据，采用3D打印技术设计制作个体化截骨定位模板，是一种应用于复杂膝

关节置换术前规划、模拟截骨和术中操作的新型膝关节截骨方法，术后下肢力线对位误差小，具有截骨精确性高、手术时间短、手术损伤轻等优点。

个性化定制切割导板技术应用于 TKA 中，可明显提高手术效率和精度，越来越受到临床医生的重视，该技术可取代传统的各种定位方法进行定位截骨。

       理论上，TKA 中应用个性化定制切割导板应该在各个平面都可以获得理想的假体力线，但结果不尽如人意，有文献报道应用该技术可以获得更好的

内外翻力线和旋转力线，也有文献报道是否使用定制导板对假体力线的影响并没有明显差异。 为使 UKA 假体位置更加精确,国外已有应用个性化定制切

割导板进行单髁置换的文献报道，但也有不同的结果。 相对于 TKA,使用个性化定制导板的 UKA 中假体的表面接触面积更少，所以这些工具可能存在精

度和可重复的问题。研究证明，使用个性化定制截骨导板辅助截骨的定位截骨时间明显减少，而且不需要反复调整股骨钻孔导引器，使手术变得简单，

其最主要的优势就是不用开髓，从而避免了因为定位杆进入髓腔导致的脂肪栓塞、感染以及术后髓腔渗血较多。

       随着3D打印技术在医学领域的发展，3D打印模型用于术前规划与手术模拟已经十分常见，椎弓根螺钉置钉导航模板也逐渐在脊柱手术中应用，使

置钉准确性及安全性较高。在脊柱外科，椎弓根螺钉由于脊柱三柱固定，其生物力学方面具有非常好的优越性。传统的徒手置钉存在偏离、穿孔、反复

透视等问题。2005年，Berry等在尸体标本上设计了4种类型的模板，第1种为3个“V”形锋利的支持固定贴合在腰椎的横突和棘突上，螺钉都固定在准

确的位置上。第2种设计为在第1种模板的基础上加上了侧方的支持并贴合在胸椎的横突和棘突上，并没有取得良好的效果，可能会被临床淘汰。第3种

设计为对椎板后表面的侧方圆柱状支持以及对棘突的后方支持，此种设计被运用于胸椎和颈椎上，螺钉的准确性比第2种设计更高，固定也越牢靠。第4

种设计为多节段导航模板，即被运用于2个或者更多节段的椎体上，此模板在横突侧方提供了固定支持，一般用于棘突丢失的情况，其螺钉错位率也较高

，可能是因为在钻孔过程中模板的轻微移动将导致所有设计好的进钉点和进钉角度都发生变化。以上导航模板的设计都是点接触式的模板，即整个模板

只存在特定的点与目标节段的骨性结构相接触，不需要将骨性结构表面的软组织全部清除，因此并不是完全贴合在骨性结构的表面，可能会导致螺钉错

位。2009年，Ryken等设计了一种单边导航模板运用于颈椎尸体实验中，即只覆盖了单边的骨性结构，并取得了良好的螺钉置入准确率，但是由于未能

在临床中运用，故其临床疗效还有待进一步验证。2012年，Kawaguchi等了一种导航模板完全贴合棘突与椎板来提供钻孔稳定性，此种模板也只覆盖了

单边的骨性结构，并且模板的厚度十分薄，取得了良好的临床效果，螺钉的置人并没有引起神经血管及骨性结构的损伤。这类导航模板只是覆盖了整个

骨性结构的一半，因此1个节段的椎体则需要设计2个模板，一方面增加了术前的准备工作，另一方面在辅助螺钉置入的过程中可能影响模板的稳定。

Lu等和Hu等设计的导航模板完全贴合椎体后表面，即与左右椎板和棘突等相互贴覆，构成了一个近乎完美的贴合，是一整个与骨性结构相互贴合的平面

，且须保证与相邻节段不能有重叠。此种方法螺钉置人准确率较高，且未发生螺钉置人相关并发症，因此此类模板设计是一种较为优良的设计类型。

2014年，Kaneyama等认为传统的导航模板在整个螺钉置人的过程中仅仅起到了提供钻孔的模板作用，可能会造成螺钉错位率，为此他设计了一个多步

骤导航模板系统，包括进钉点标记模板、钻孔模板和螺钉置人模板，3类模板均完全贴合于骨性结构上，贯穿于整个螺钉置入的手术过程中，提高了螺钉

置人的准确性。

      椎弓根导板导航是一种利用3D打印导板为椎弓根螺钉置人导航的新技术，其表面与脊柱后表面完全贴合，将导板消毒用于术中椎弓根螺钉的置人，

在导板引导下精确置钉。然而在各类报道中，时常有不准确的情况出现，这令外科医生十分担忧，因为有些区域临近重要血管神经，对于定位精度要求

高，如颈椎，一旦定位失败可能损伤椎动脉或颈髓而带来灾难性的后果。然而，3D打印导航模板的加工精度远高于我们临床需要的精度，但手术中应用

有时仍然会出现问题，不同领域的专家从各个环节寻找偏差原因，通过CT扫描解剖标本，SLA打印多个模型进行定点坐标测量和采用不同的打印方式进

行精度测量对比，均发现与解剖标本存在一定差异，然而其偏差绝对值较小，并不影响临床应用，为了更进一步寻找原因，一些学者从图像的采集、图

像的分割处理，以及STL转换等多个环节测试，发现经验不同的人最终处理获得的STL文件差别很大，这很大程度影响了最终3D模型精度。

      综上所述，3D打印导航模板在临床逐渐开始广泛应用，绝大多数临床医生出于对该新技术的信任，不会怀疑导板本身的加工精度，而针对导航模板

精度的研究主要集中在导板结构设计方面和使用方面，极少数学者还考虑到了数据采集与处理方面的因素，但发现该偏差并不影响实际手术的精度要求，而对于导板整个流程导致的影响精度的综合研究未见报道。