3D 打印与增强现实技术：革新颅缝早闭手术精准度的新突破

《3D Printing in Medicine 3,2》：Microsoft HoloLens 2 vs. tablet-based augmented reality and 3D printing for fronto-orbital reconstruction of craniosynostosis: a case study

为提升颅缝早闭手术中骨块放置精度，研究对比三种引导方法，发现三者精度相似，对手术意义重大。

　　颅缝早闭，这个听起来有些陌生的疾病，却给无数患儿及其家庭带来了沉重的负担。它是一种先天性疾病，表现为颅骨缝过早融合，就像给正在生长的大脑套上了一个紧紧的 “枷锁”，阻碍了大脑正常发育，还可能引发一系列严重问题，比如颅骨畸形、颅内压升高、认知发育迟缓等。

传统的开颅穹窿重建（Open Cranial Vault Reconstruction，OCVR）手术是治疗颅缝早闭的常用方法，医生需要先切除受影响的骨头，将其重塑成合适的形状，再重新固定回原位。然而，这种手术很大程度上依赖医生的主观判断和个人经验，不同医生做出来的效果差异很大，术后还可能出现残留畸形，甚至需要再次手术，这无疑让患儿承受更多痛苦。

随着科技的飞速发展，3D 打印和增强现实（Augmented Reality，AR）技术逐渐走进医学领域，为解决这些难题带来了新希望。来自西班牙马德里卡洛斯三世大学（Universidad Carlos III de Madrid）等机构的研究人员敏锐地捕捉到了这一契机，开展了一项极具创新性的研究，成果发表在《3D Printing in Medicine 3,2》上。

研究人员提出了三种利用这些技术的方案，旨在引导重塑后的骨块精准复位。具体来说，这三种方法分别是基于平板电脑的 AR 引导、基于微软 HoloLens 2 的 AR 引导以及 3D 打印间隔物引导。

在研究过程中，研究人员先为一名 14 个月大的三角头畸形患儿进行了术前 CT 扫描，利用 3D Slicer 软件构建了患儿颅骨的 3D 虚拟模型，并结合标准颅骨形状模型制定了虚拟手术计划（Virtual Surgical Plan，VSP）。之后，他们通过 3D 打印技术制作了患者特异性的手术导板和模板，用于颅骨截骨和骨重塑。

为评估这三种引导方法的准确性，研究人员在模拟环境中使用 3D 打印的患者特异性模型进行实验，让 5 名参与者（包括 4 名研究人员和手术医生）分别用三种方法将模拟的额骨和眶上缘（Supraorbital bar，SO bar）骨块放置到颅骨模型上。在实际手术中，研究人员也应用了这三种方法，不过由于时间限制，仅对 SO bar 骨块进行了多次放置测试。每次放置后，研究人员使用结构光扫描仪记录骨块相对于患者头部的位置，并通过 3D Slicer 软件将扫描数据与 VSP 进行配准，计算骨块的定位误差。

研究结果令人惊喜。三种引导方法在骨块放置上都展现出了较高的准确性，所有情况下平均放置误差均低于 1mm。从具体数据来看，在手术场景中，基于平板电脑的 AR 引导下，SO bar 骨块的平均平移误差为 0.6±0.6mm，平均旋转误差为 0.8±0.5°，平均放置误差为 0.5±0.3mm；微软 HoloLens 2 的 AR 引导下，相应误差分别为 0.8±0.3mm、0.8±0.4°、0.6±0.3mm；3D 打印间隔物引导下，误差为 0.2±0.1mm、1.1±0.7°、0.3±0.4mm。在模拟场景中，结果也与之类似。

进一步的统计分析表明，不同方法之间以及不同尝试之间的误差率并无显著差异。这意味着，在骨块定位准确性上，没有一种方法具有绝对优势。

深入分析每种引导方法，3D 打印间隔物使用起来快速又直观，就像拼拼图一样简单，在数字技术不可用的情况下非常实用。但它的局限性也很明显，只能用于引导 SO bar 骨块定位，无法为额骨提供类似的引导。而两种 AR 引导方法能够提供更全面的信息，清晰展示骨块应处的精确 3D 位置，虽然设置过程需要花费更多时间，还需额外硬件支持，但在复杂病例中优势明显。在对比平板电脑和微软 HoloLens 2 时发现，平板电脑手持使用不太方便，但共享视图便于手术团队协作决策，且虚拟模型显示更清晰；微软 HoloLens 2 则更便于医生操作，两名医生可同时从不同角度使用它来对齐同一骨块，保证骨块稳定性。

这项研究意义非凡。它首次系统地对比了三种不同的引导方法在颅缝早闭手术中的应用效果，证明了它们在提高骨块放置精度方面的有效性。这为医生在实际手术中选择合适的引导方法提供了科学依据，医生可根据具体临床情况、自身技能和现有资源灵活选择。同时，研究还表明，模拟实验结果与实际手术结果具有一致性，这意味着未来可以更多地利用模拟实验来验证相关技术，节省资源和时间。

从更长远的角度看，此次研究为颅缝早闭手术的技术革新奠定了坚实基础。未来研究可进一步探索增加 AR 标记数量或改进 AR 系统工作体积，以提高引导精度；也可考虑将不同引导方法结合使用，发挥各自优势。相信在科技的助力下，颅缝早闭手术将越来越精准、安全，为更多患儿带来健康和希望。

研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先是 3D 打印技术，用于制作患者特异性的手术导板、模板、AR 引导装置和参考标记；其次是增强现实技术，开发了适用于平板电脑和微软 HoloLens 2 的 AR 应用程序，实现虚拟信息与手术场景的实时融合；最后，利用结构光扫描技术记录手术中骨块的位置，并通过 3D Slicer 软件进行数据处理和分析，评估骨块定位误差。

综上所述，该研究通过对比三种引导方法在颅缝早闭手术中的应用，证实了它们在提高骨块放置精度方面的有效性，且各有优劣。这一成果为颅缝早闭手术的临床实践提供了重要参考，推动了计算机辅助干预技术在小儿外科领域的发展，有望改善患者的手术效果和预后。