引用本文： 魏代清, 李翠, 徐楊博. 3-D 打印技術在足踝外科的應用進展. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(7): 880-884. doi: 10.7507/1002-1892.201611044 復制
足踝部涉及較多骨、關節、韌帶等解剖結構，形態及生物力學復雜，主要作用是支撐人體完成各項運動。足踝部疾病種類繁多，診斷及治療相對復雜，且往往療效欠佳[1-2]。隨著科學技術的發展，足踝外科領域內新理論、新技術、新方法、新材料層出不窮，足踝部疾病的診療水平不斷提高。近年來，隨著 3-D 打印技術的成熟與發展，其在醫學領域的應用越來越受到研究者的重視，應用主要集中在矯形外科、頜面外科及骨科等，在臨床實踐中展現出獨特優勢[3]。本文就 3-D 打印技術在足踝外科的應用進展進行綜述。
1 3-D 打印技術在醫學領域的應用
① 手術規劃：借助 3-D 打印的解剖結構模型，術者可以更準確地判斷患者病情，并術前虛擬和規劃手術，選擇最佳手術入路，預估術中可能出現的問題，并可更好地與患者溝通。3-D 打印技術已廣泛應用于頜面外科[4]、神經外科[5]、脊柱外科[6]、骨科[7]、胸心外科[8]、血管外科[9]、泌尿外科[10]、耳鼻喉科[11]、普外科[12]及腫瘤放療[13]等多個學科領域手術，均證明可提高診斷準確性和治療效果。
② 手術導向模板[14-17]：3-D 打印的手術導向模板經消毒滅菌后，可用于術中定位和制導，有助于提高截骨、植入椎弓根螺釘等手術操作準確性，也顯著縮短了手術時間。
③ 內植物或假體的設計及制造：患者存在個體化差異，標準化大規模制造的內植物和假體不能滿足某些特殊病例的需要。借助 3-D 打印技術可以個性化設計和快速制造適合個體尺寸、適應疾病特征、具有良好匹配和貼附程度的內植物或假體。
④ 醫學教育與培訓：相較于被動地觀察 2-D 或者 3-D 圖像，低年資醫生或醫學生通過 3-D 打印模型可以更直觀地理解其復雜的解剖結構，并且可以在 3-D 打印模型上進行手術預演和訓練[18-19]。Zheng 等[20]的研究顯示，相較于 CT 三維重建圖像，3-D 打印模型可以顯著改善低年資住院醫生術前手術規劃的質量。
⑤ 生物打印：3-D 生物打印的應用可以歸納為支架制作、細胞行為研究及組織修復三方面，其優勢在于可以實現組織工程的目標，即構建類似于人體內真實環境包含支架、細胞、微環境的 3-D 體系。目前已有 3-D 生物打印心臟、腎臟、骨、軟骨、血管、皮膚等的相關報道，未來會產出更多的生物打印組織、人工器官、微器官等[21]。
Bauermeister 等[22]以及 Martelli 等[23]于 2015 年分別檢索了 3-D 打印技術用于外科手術的相關文獻，并進行系統評價；前者納入 103 篇文獻，后者納入 158 篇文獻。系統評價結果表明，3-D 打印技術用于外科手術的優點是可以直觀地表現復雜的解剖結構或形態，制作定制化內植物/假體或手術導向模板輔助手術操作，從而縮短手術時間，改善患者預后。其缺點在于需要花費額外的時間和金錢，并且大部分臨床醫生不具備 3-D 打印相關技能，限制了其作為常規應用的發展。另外，骨周圍的重要神經、血管、肌肉、韌帶等組織的三維可視化仍需進一步研究。
2 3-D 打印技術在足踝外科的應用進展
3-D 打印技術在足踝外科的首次應用可以追溯到 1997 年，Kacl 等[24]對比了 30 例跟骨關節內骨折的 CT 三維重建圖像和 3-D 打印模型，發現兩者的診斷效能無顯著差異。但有學者認為 3-D 打印技術在術前規劃及教育等方面有一定價值，并作出了一系列研究。
2.1 足踝部骨折
踝與后足骨折多累及關節面，如骨折未達解剖復位，將遺留關節面不平整或踝穴增寬、縮小，容易導致創傷性骨關節炎等多種并發癥，嚴重影響患者負重功能。盡管目前已有較多解剖鋼板產品，但這些解剖鋼板的設計均是基于標準骨骼形態，當患者骨骼形態與標準解剖形態不一致或者存在畸形時，會出現鋼板不匹配的情況。而當骨折粉碎嚴重，伴有較多骨折碎塊時，骨的幾何形態嚴重改變，原有螺釘進釘通道可能需要重新設計才能達到穩定固定的目的。
Chung 等[25]以健側跟骨作為鏡像，按照 1∶1 比例打印出實際尺寸跟骨模型，在模型上對跟骨鎖定板進行預彎塑形以更好地貼合跟骨表面解剖結構，并將跟骨模型用于術中 C 臂 X 線機透視下與骨折側跟骨比對，以確定跟骨骨折復位情況及板釘位置。此項技術適用于手術治療跟骨關節內骨折，尤其是 Sander Ⅱ 型伴多節段前突骨折或外側壁膨隆的跟骨骨折患者。Chung 等[26]采用同樣方法治療 4 例脛骨遠端復雜骨折患者，術前在 3-D 打印模型上虛擬手術，選擇貼附最佳的鋼板，設計進釘通道，術中不再需要鋼板塑形，并且鋼板沒有明顯突起部分，對皮膚和軟組織的刺激較小。另外，他們對 13 例內踝撕脫骨折患者，術前在 3-D 模型上虛擬手術并預彎鎖定加壓鉤鋼板，術中經微創切口采用鉤鋼板內固定，無 1 例發生內固定失敗。Yang 等[27]將 30 例三踝骨折患者隨機均分為兩組，均接受切開復位內固定手術；其中，試驗組采用 3-D 打印模型用于術前手術規劃，以及與患者及家屬溝通，而對照組未采用 3-D 打印模型進行以上處理。結果顯示，3-D 打印技術的應用能較好地顯示踝關節解剖結構、骨折類型、關節面受累情況等，有助于術前手術規劃，增強醫患溝通；并且試驗組手術時間及術中出血量明顯少于對照組。近年來，國內也有將 3-D 打印技術應用于復雜 Pilon 骨折[28]、踝關節骨折[29]、跟骨骨折[30]、距骨骨折[31]的相關報道，均取得良好療效，較傳統手術有其獨特優勢。3-D 打印技術的應用使手術切口相較于傳統切口更小，符合微創理念，可以減少術中出血量和射線暴露時間。對于低年資醫生，有助于增加其對解剖結構和手術的理解，培訓手術技能，增加手術信心。
2.2 節段性骨缺損
目前，嚴重高能量創傷后遺留的節段性骨缺損修復仍是骨科一個難題，尤其是伴嚴重軟組織損傷和污染的開放傷[32]。學者們提出了不同治療方法，比如外固定支架骨搬運技術[33]、Masquelet 技術[34]、帶血管蒂腓骨瓣移植[35]等，但均存在手術風險和相關并發癥。對于踝和后足大段骨缺損的治療，總體療效欠佳。有學者采用脛距跟關節融合加同種異體股骨頭骨塊植骨方法，但術后骨不愈合率達 50%，截肢率達 19%；其中合并糖尿病患者以及翻修手術患者，其骨不愈合率及截肢率更高[36]。Hamid 等[37]收治了 1 例交通事故傷所致的開放性脛骨遠端關節內骨折伴缺損、腓骨骨折、距骨體粉碎性骨折及跟骨后關節面塌陷骨折患者，術中首先按照術前設計的截骨導向模板進行脛骨、腓骨、距骨截骨，截骨后遺留骨缺損長度約為 8.5 cm，將術前利用 3-D 打印技術設計并打印的桁架結構鈦合金 Cage 植入起支撐作用，然后從跟骨下方插入逆行髓內釘行脛距跟關節融合，截取的骨質及含干細胞的同種異體骨放入 Cage 空隙填充植骨，15 個月后患者恢復良好，無明顯疼痛。Hsu 等[38]采用類似方法治療 1 例開放性 Pilon 骨折、腓骨骨折使用泰勒空間支架行踝關節融合失敗的患者，1 年后患者疼痛顯著緩解，可在無輔助裝置的情況下自主行走和獨立工作。Barnes[39]完成了世界首例采用 3-D 打印鈦合金修復后跟腫瘤切除后跟骨缺損的手術，避免了患者足部截肢，改善了生活質量。
2.3 足踝部矯形與修復重建
2.3.1 足踝矯形器 足踝矯形器具有緩解疼痛、增加后跟緩沖性、矯正柔韌性畸形、增加足踝穩定性以及防止局部皮膚破損等作用[40]。標準化大規模制造的足踝矯形器型號有限，無法滿足個性化需要。定制的足踝矯形器可以提供個性化緩沖功能和支撐功能，減少了皮膚潰瘍發生率和復發率，被認為是部分足踝與下肢疾病治療的金標準。目前，足踝矯形器的個性化定制主要是通過傳統石膏翻模法及計算機輔助設計兩種方式來制造。Telfer 等[41-42]使用 CAD 軟件為癥狀性旋前足患者與健康志愿者設計并 3-D 打印制作個性化足踝矯形器，分析其三維步態、肌肉活動、足底壓力，結果顯示個性化足踝矯形器與前/中/后足底壓力、后足運動、踝/膝動力存在明顯的劑量效應關系。Dombroski 等[43]采用微軟 3-D 體感攝影機 Kinect 對志愿者足部進行掃描，掃描數據經處理后傳輸至 3-D 打印機并打印出足的陽模，制作矯形器；同時，以傳統石膏翻模法制造足的陰模，并制作矯形器作為對照；結果顯示 3-D 掃描/打印矯形器足弓高度指數與傳統方法制作的矯形器相似，但所需時間少、價格更低。
2.3.2 矯形與修復重建手術 Jastifer 等[44]收治 1 例雙踝骨折經保守治療 1 年后外踝處仍存在明顯疼痛的中年男性患者，術前疼痛視覺模擬評分（VAS）為 8 分，美國矯形足踝協會（AOFAS）踝與后足評分為 47 分。術前在 3-D 打印的踝關節模型上虛擬外踝 Z 形截骨術，根據健側踝關節形態精確計算矯正角度和高度，預計截骨位置、方向；最后根據術前規劃順利完成手術。術后 7 個月隨訪時，截骨處已達骨性愈合，VAS 評分為 2 分，AOFAS 踝與后足評分為 89 分，踝關節疼痛癥狀明顯緩解，活動功能明顯改善。Giovinco 等[45]利用計算機輔助虛擬手術技術模擬 Charcot 足截骨，同時 3-D 打印 Charcot 足模型，與計算機模擬圖像進行解剖標志配準，預計手術切口，預演截骨、內固定植入及外支架固定，然后實施手術，顯著降低了手術難度。高斌等[46]在 3-D 打印技術輔助下完成了 11 例兒童復雜性扁平足手術，他們認為 3-D 打印模型能直觀、精確地反映復雜性扁平足的立體形態及各解剖結構的空間關系，有助于醫生手術規劃、縮短手術時間、減少術中出血量，從而提高手術效率。Chae 等[47]收治 1 例人工踝關節置換術后發生感染壞死、假體外露的老年患者，應用 3-D 打印技術與反求技術，術前準確測量踝關節皮膚軟組織缺損面積，設計前臂供區皮瓣大小和形態，成功實施手術，切取的皮瓣能準確修復踝關節缺損。
3 總結與展望
近十年來，3-D 打印技術發展迅速，在醫學領域的應用獲得顯著進展，并且展現出獨特的優勢。就應用范圍而言，從最初的快速制作解剖結構模型，逐漸發展到復雜醫療器械、手術導板、個性化內植物、假體制作、組織工程支架制作等；就應用深度而言，從最初打印無生物活性的材料到生物打印具有生命的細胞、組織、器官等。目前 3-D 打印技術應用于足踝外科臨床疾病診斷、治療、康復的報道仍較少，大部分為回顧性研究和病例報道，缺少臨床隨機對照試驗，并且其效果也有待中長期隨訪觀察。另外，打印材料、打印時間、打印費用、醫學倫理以及多學科協作等因素，也限制了 3-D 打印技術的廣泛應用。以上問題均有待進一步研究解決。
足踝部涉及較多骨、關節、韌帶等解剖結構，形態及生物力學復雜，主要作用是支撐人體完成各項運動。足踝部疾病種類繁多，診斷及治療相對復雜，且往往療效欠佳[1-2]。隨著科學技術的發展，足踝外科領域內新理論、新技術、新方法、新材料層出不窮，足踝部疾病的診療水平不斷提高。近年來，隨著 3-D 打印技術的成熟與發展，其在醫學領域的應用越來越受到研究者的重視，應用主要集中在矯形外科、頜面外科及骨科等，在臨床實踐中展現出獨特優勢[3]。本文就 3-D 打印技術在足踝外科的應用進展進行綜述。
1 3-D 打印技術在醫學領域的應用
① 手術規劃：借助 3-D 打印的解剖結構模型，術者可以更準確地判斷患者病情，并術前虛擬和規劃手術，選擇最佳手術入路，預估術中可能出現的問題，并可更好地與患者溝通。3-D 打印技術已廣泛應用于頜面外科[4]、神經外科[5]、脊柱外科[6]、骨科[7]、胸心外科[8]、血管外科[9]、泌尿外科[10]、耳鼻喉科[11]、普外科[12]及腫瘤放療[13]等多個學科領域手術，均證明可提高診斷準確性和治療效果。
② 手術導向模板[14-17]：3-D 打印的手術導向模板經消毒滅菌后，可用于術中定位和制導，有助于提高截骨、植入椎弓根螺釘等手術操作準確性，也顯著縮短了手術時間。
③ 內植物或假體的設計及制造：患者存在個體化差異，標準化大規模制造的內植物和假體不能滿足某些特殊病例的需要。借助 3-D 打印技術可以個性化設計和快速制造適合個體尺寸、適應疾病特征、具有良好匹配和貼附程度的內植物或假體。
④ 醫學教育與培訓：相較于被動地觀察 2-D 或者 3-D 圖像，低年資醫生或醫學生通過 3-D 打印模型可以更直觀地理解其復雜的解剖結構，并且可以在 3-D 打印模型上進行手術預演和訓練[18-19]。Zheng 等[20]的研究顯示，相較于 CT 三維重建圖像，3-D 打印模型可以顯著改善低年資住院醫生術前手術規劃的質量。
⑤ 生物打印：3-D 生物打印的應用可以歸納為支架制作、細胞行為研究及組織修復三方面，其優勢在于可以實現組織工程的目標，即構建類似于人體內真實環境包含支架、細胞、微環境的 3-D 體系。目前已有 3-D 生物打印心臟、腎臟、骨、軟骨、血管、皮膚等的相關報道，未來會產出更多的生物打印組織、人工器官、微器官等[21]。
Bauermeister 等[22]以及 Martelli 等[23]于 2015 年分別檢索了 3-D 打印技術用于外科手術的相關文獻，并進行系統評價；前者納入 103 篇文獻，后者納入 158 篇文獻。系統評價結果表明，3-D 打印技術用于外科手術的優點是可以直觀地表現復雜的解剖結構或形態，制作定制化內植物/假體或手術導向模板輔助手術操作，從而縮短手術時間，改善患者預后。其缺點在于需要花費額外的時間和金錢，并且大部分臨床醫生不具備 3-D 打印相關技能，限制了其作為常規應用的發展。另外，骨周圍的重要神經、血管、肌肉、韌帶等組織的三維可視化仍需進一步研究。
2 3-D 打印技術在足踝外科的應用進展
3-D 打印技術在足踝外科的首次應用可以追溯到 1997 年，Kacl 等[24]對比了 30 例跟骨關節內骨折的 CT 三維重建圖像和 3-D 打印模型，發現兩者的診斷效能無顯著差異。但有學者認為 3-D 打印技術在術前規劃及教育等方面有一定價值，并作出了一系列研究。
2.1 足踝部骨折
踝與后足骨折多累及關節面，如骨折未達解剖復位，將遺留關節面不平整或踝穴增寬、縮小，容易導致創傷性骨關節炎等多種并發癥，嚴重影響患者負重功能。盡管目前已有較多解剖鋼板產品，但這些解剖鋼板的設計均是基于標準骨骼形態，當患者骨骼形態與標準解剖形態不一致或者存在畸形時，會出現鋼板不匹配的情況。而當骨折粉碎嚴重，伴有較多骨折碎塊時，骨的幾何形態嚴重改變，原有螺釘進釘通道可能需要重新設計才能達到穩定固定的目的。
Chung 等[25]以健側跟骨作為鏡像，按照 1∶1 比例打印出實際尺寸跟骨模型，在模型上對跟骨鎖定板進行預彎塑形以更好地貼合跟骨表面解剖結構，并將跟骨模型用于術中 C 臂 X 線機透視下與骨折側跟骨比對，以確定跟骨骨折復位情況及板釘位置。此項技術適用于手術治療跟骨關節內骨折，尤其是 Sander Ⅱ 型伴多節段前突骨折或外側壁膨隆的跟骨骨折患者。Chung 等[26]采用同樣方法治療 4 例脛骨遠端復雜骨折患者，術前在 3-D 打印模型上虛擬手術，選擇貼附最佳的鋼板，設計進釘通道，術中不再需要鋼板塑形，并且鋼板沒有明顯突起部分，對皮膚和軟組織的刺激較小。另外，他們對 13 例內踝撕脫骨折患者，術前在 3-D 模型上虛擬手術并預彎鎖定加壓鉤鋼板，術中經微創切口采用鉤鋼板內固定，無 1 例發生內固定失敗。Yang 等[27]將 30 例三踝骨折患者隨機均分為兩組，均接受切開復位內固定手術；其中，試驗組采用 3-D 打印模型用于術前手術規劃，以及與患者及家屬溝通，而對照組未采用 3-D 打印模型進行以上處理。結果顯示，3-D 打印技術的應用能較好地顯示踝關節解剖結構、骨折類型、關節面受累情況等，有助于術前手術規劃，增強醫患溝通；并且試驗組手術時間及術中出血量明顯少于對照組。近年來，國內也有將 3-D 打印技術應用于復雜 Pilon 骨折[28]、踝關節骨折[29]、跟骨骨折[30]、距骨骨折[31]的相關報道，均取得良好療效，較傳統手術有其獨特優勢。3-D 打印技術的應用使手術切口相較于傳統切口更小，符合微創理念，可以減少術中出血量和射線暴露時間。對于低年資醫生，有助于增加其對解剖結構和手術的理解，培訓手術技能，增加手術信心。
2.2 節段性骨缺損
目前，嚴重高能量創傷后遺留的節段性骨缺損修復仍是骨科一個難題，尤其是伴嚴重軟組織損傷和污染的開放傷[32]。學者們提出了不同治療方法，比如外固定支架骨搬運技術[33]、Masquelet 技術[34]、帶血管蒂腓骨瓣移植[35]等，但均存在手術風險和相關并發癥。對于踝和后足大段骨缺損的治療，總體療效欠佳。有學者采用脛距跟關節融合加同種異體股骨頭骨塊植骨方法，但術后骨不愈合率達 50%，截肢率達 19%；其中合并糖尿病患者以及翻修手術患者，其骨不愈合率及截肢率更高[36]。Hamid 等[37]收治了 1 例交通事故傷所致的開放性脛骨遠端關節內骨折伴缺損、腓骨骨折、距骨體粉碎性骨折及跟骨后關節面塌陷骨折患者，術中首先按照術前設計的截骨導向模板進行脛骨、腓骨、距骨截骨，截骨后遺留骨缺損長度約為 8.5 cm，將術前利用 3-D 打印技術設計并打印的桁架結構鈦合金 Cage 植入起支撐作用，然后從跟骨下方插入逆行髓內釘行脛距跟關節融合，截取的骨質及含干細胞的同種異體骨放入 Cage 空隙填充植骨，15 個月后患者恢復良好，無明顯疼痛。Hsu 等[38]采用類似方法治療 1 例開放性 Pilon 骨折、腓骨骨折使用泰勒空間支架行踝關節融合失敗的患者，1 年后患者疼痛顯著緩解，可在無輔助裝置的情況下自主行走和獨立工作。Barnes[39]完成了世界首例采用 3-D 打印鈦合金修復后跟腫瘤切除后跟骨缺損的手術，避免了患者足部截肢，改善了生活質量。
2.3 足踝部矯形與修復重建
2.3.1 足踝矯形器 足踝矯形器具有緩解疼痛、增加后跟緩沖性、矯正柔韌性畸形、增加足踝穩定性以及防止局部皮膚破損等作用[40]。標準化大規模制造的足踝矯形器型號有限，無法滿足個性化需要。定制的足踝矯形器可以提供個性化緩沖功能和支撐功能，減少了皮膚潰瘍發生率和復發率，被認為是部分足踝與下肢疾病治療的金標準。目前，足踝矯形器的個性化定制主要是通過傳統石膏翻模法及計算機輔助設計兩種方式來制造。Telfer 等[41-42]使用 CAD 軟件為癥狀性旋前足患者與健康志愿者設計并 3-D 打印制作個性化足踝矯形器，分析其三維步態、肌肉活動、足底壓力，結果顯示個性化足踝矯形器與前/中/后足底壓力、后足運動、踝/膝動力存在明顯的劑量效應關系。Dombroski 等[43]采用微軟 3-D 體感攝影機 Kinect 對志愿者足部進行掃描，掃描數據經處理后傳輸至 3-D 打印機并打印出足的陽模，制作矯形器；同時，以傳統石膏翻模法制造足的陰模，并制作矯形器作為對照；結果顯示 3-D 掃描/打印矯形器足弓高度指數與傳統方法制作的矯形器相似，但所需時間少、價格更低。
2.3.2 矯形與修復重建手術 Jastifer 等[44]收治 1 例雙踝骨折經保守治療 1 年后外踝處仍存在明顯疼痛的中年男性患者，術前疼痛視覺模擬評分（VAS）為 8 分，美國矯形足踝協會（AOFAS）踝與后足評分為 47 分。術前在 3-D 打印的踝關節模型上虛擬外踝 Z 形截骨術，根據健側踝關節形態精確計算矯正角度和高度，預計截骨位置、方向；最后根據術前規劃順利完成手術。術后 7 個月隨訪時，截骨處已達骨性愈合，VAS 評分為 2 分，AOFAS 踝與后足評分為 89 分，踝關節疼痛癥狀明顯緩解，活動功能明顯改善。Giovinco 等[45]利用計算機輔助虛擬手術技術模擬 Charcot 足截骨，同時 3-D 打印 Charcot 足模型，與計算機模擬圖像進行解剖標志配準，預計手術切口，預演截骨、內固定植入及外支架固定，然后實施手術，顯著降低了手術難度。高斌等[46]在 3-D 打印技術輔助下完成了 11 例兒童復雜性扁平足手術，他們認為 3-D 打印模型能直觀、精確地反映復雜性扁平足的立體形態及各解剖結構的空間關系，有助于醫生手術規劃、縮短手術時間、減少術中出血量，從而提高手術效率。Chae 等[47]收治 1 例人工踝關節置換術后發生感染壞死、假體外露的老年患者，應用 3-D 打印技術與反求技術，術前準確測量踝關節皮膚軟組織缺損面積，設計前臂供區皮瓣大小和形態，成功實施手術，切取的皮瓣能準確修復踝關節缺損。
3 總結與展望
近十年來，3-D 打印技術發展迅速，在醫學領域的應用獲得顯著進展，并且展現出獨特的優勢。就應用范圍而言，從最初的快速制作解剖結構模型，逐漸發展到復雜醫療器械、手術導板、個性化內植物、假體制作、組織工程支架制作等；就應用深度而言，從最初打印無生物活性的材料到生物打印具有生命的細胞、組織、器官等。目前 3-D 打印技術應用于足踝外科臨床疾病診斷、治療、康復的報道仍較少，大部分為回顧性研究和病例報道，缺少臨床隨機對照試驗，并且其效果也有待中長期隨訪觀察。另外，打印材料、打印時間、打印費用、醫學倫理以及多學科協作等因素，也限制了 3-D 打印技術的廣泛應用。以上問題均有待進一步研究解決。