3D打印技術(shù)在骨科個(gè)體化治療的應(yīng)用

郭昱，肖東民，蔣鋒

南華大學(xué)附屬永州市中心醫(yī)院，湖南永州 425000

3D打印技術(shù)在骨科個(gè)體化治療的應(yīng)用

郭昱，肖東民，蔣鋒

南華大學(xué)附屬永州市中心醫(yī)院，湖南永州 425000

“3D打印”的出現(xiàn)使人類(lèi)的奇思妙想不斷變成現(xiàn)實(shí)，3D打印技術(shù)在航空航天、電子制造、醫(yī)療等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用空間。該文就3D打印原理及在骨科個(gè)體化治療中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

3D打??；個(gè)體化治療；先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良

3D打印又稱(chēng)增材制造，是在計(jì)算機(jī)的控制下，一種結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、高分子材料、三維CT技術(shù)等多領(lǐng)域?yàn)橐惑w的快速成型技術(shù)[1]。它與一般打印機(jī)工作原理基本相似，“分層制造，逐層疊加"是其核心原理[2]，具體的說(shuō)就是在類(lèi)似打印機(jī)的裝置內(nèi)裝有不同形態(tài)的"打印材料”，再通過(guò)CT三維成像數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)3D建模轉(zhuǎn)換后，利用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型控制把"打印材料"層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)據(jù)變成實(shí)物。

1 3D打印在骨科的應(yīng)用

從20世紀(jì)70年代就有研究人員著手研究人體各組織三維數(shù)字化技術(shù)，特別是在骨組織外科中，由于骨組織的解剖復(fù)雜，骨損傷狀態(tài)也各不相同，用于骨缺損修復(fù)的植入物也只能是個(gè)體化的[3-4]。以往，術(shù)前通過(guò)常規(guī)方法如X線(xiàn)、CT等對(duì)患者骨骼形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的三維測(cè)定比較麻煩且精確度不高，而今天，根據(jù)3D打印技術(shù)打印出患骨的模型使臨床醫(yī)師對(duì)骨骼的精準(zhǔn)三維測(cè)量成為可能。

目前對(duì)3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用的報(bào)道較多。由于創(chuàng)傷骨科面對(duì)的病人大多是因暴力引起全身各個(gè)部分骨折，術(shù)者在缺乏直視的情況，僅憑臨床經(jīng)驗(yàn)和X線(xiàn)或CT輔助下很難做到對(duì)骨折斷端的解剖復(fù)位及精確牢靠穩(wěn)定的固定。例如在對(duì)股骨頸骨折患者行股骨頸骨折閉合復(fù)位及空心加壓螺釘內(nèi)固定術(shù)中，稍不注意便會(huì)出現(xiàn)螺釘進(jìn)入髖關(guān)節(jié)腔的情況[5]；為了獲得清楚的術(shù)野，采取較大的手術(shù)切口，同時(shí)也增加了術(shù)后感染及其它并發(fā)癥的幾率。盡管目前有計(jì)算機(jī)導(dǎo)航技術(shù)可提高術(shù)中操作的精準(zhǔn)及安全度[6]，但是其操作的復(fù)雜性及昂貴的使用價(jià)格使之難以得到廣泛運(yùn)用。3D打印技術(shù)明顯可以填補(bǔ)這一空白，通過(guò)制作打印成1∶1的模型,立體呈現(xiàn)了骨折的原始結(jié)構(gòu)，根據(jù)3D打印制作出的骨折模型不但可以幫助醫(yī)生快速、簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確地找出最合適的手術(shù)入路，選擇合適的置入物，還可提前在等大的模型上進(jìn)行評(píng)估、預(yù)彎及安裝測(cè)試,增加了手術(shù)成功率,提高了骨傷疾病的治愈率[2]。

在脊柱手術(shù)中，最關(guān)鍵的是置釘方向和各種螺釘長(zhǎng)度規(guī)格的選擇，以及如何減少手術(shù)并發(fā)癥。頸椎的椎弓根細(xì)小，置釘風(fēng)險(xiǎn)大，可能導(dǎo)致截癱等嚴(yán)重的后果。近期有報(bào)道稱(chēng)在脊柱手術(shù)中利用3D打印技術(shù)制造的鉆孔導(dǎo)板輔助下進(jìn)行椎弓根螺釘置入，使手術(shù)操作變得簡(jiǎn)便的同時(shí)也極大增加了手術(shù)的精確度。術(shù)前可直接找到契合患者的螺釘尺寸及設(shè)計(jì)螺釘置入的軌道，減少螺釘?shù)钠x[7-8]，特別是對(duì)于脊柱側(cè)彎的患者，依據(jù)3D打印的數(shù)據(jù)和模型，不僅可以準(zhǔn)確指導(dǎo)置釘角度及長(zhǎng)度規(guī)格的選擇，還可直接測(cè)量患者脊柱畸形的角度、方向，設(shè)定螺釘置入的最佳位置、順序及節(jié)段，縮短了手術(shù)時(shí)間、減少醫(yī)生及患者的輻射量、降低了置釘穿孔方向的錯(cuò)誤率、提高了手術(shù)的成功率、增加了術(shù)后患者恢復(fù)的程度[9-11]。

2 3D打印在先天性髖關(guān)節(jié)脫位治療的應(yīng)用

先天性的髖關(guān)節(jié)的脫位,又稱(chēng)“發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位”或“發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(displasia dislocation of the hip, DDH)”。在我國(guó)，這一畸形并不少見(jiàn)，大多患者在出生時(shí)較少有明顯體征。如漏診后，長(zhǎng)期延誤診治，可導(dǎo)致不可逆骨性的關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)與不同程度的殘疾，并且隨著時(shí)間推移，患者髖關(guān)節(jié)及大腿的周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)疼痛,導(dǎo)致跛行的概率也會(huì)增加,更嚴(yán)重的會(huì)使得脊柱出現(xiàn)畸形甚至疼痛等，常需要實(shí)施“人工全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)”進(jìn)行治療[12-14]。因?yàn)镈DH的患髖長(zhǎng)期的處在病理的一個(gè)形態(tài)，其必然會(huì)出現(xiàn)并伴隨著一些解剖形態(tài)上的改變，使手術(shù)過(guò)程變得更加復(fù)雜，所以髖臼形態(tài)改變和股骨解剖異常增加了THA的操作難度。因此，要建立一個(gè)真正同心圓復(fù)位的、位于真臼中的、穩(wěn)定牢靠的、活動(dòng)良好的髖關(guān)節(jié)，并避免術(shù)后再發(fā)脫位等并發(fā)癥的發(fā)生，這就需要在行THA前對(duì)患者的異常解剖位置予以高度的重視；因此全面認(rèn)識(shí)患髖的畸形程度、對(duì)其準(zhǔn)確定位及精確旋轉(zhuǎn)髖臼以期達(dá)到良好覆蓋就顯得非常重要[15]。通常，傳統(tǒng)的骨科手術(shù)術(shù)前大多是通過(guò)骨盆前后位片或者CT斷層數(shù)據(jù)等其他常規(guī)檢查方法來(lái)評(píng)估患髖的畸形情況，由于常規(guī)的檢查方法并沒(méi)有體現(xiàn)出三維要素，使得骨骼的三維幾何形態(tài)的異常難以完全極致的表現(xiàn)出來(lái)，從而產(chǎn)生了評(píng)估畸形的誤差，并且主刀醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和術(shù)中透視不僅耗時(shí)，而且術(shù)前規(guī)劃與術(shù)中操作缺乏直接的鏈接，僅依靠類(lèi)似股骨大小轉(zhuǎn)子等解剖學(xué)標(biāo)志及術(shù)前常規(guī)檢查，難以達(dá)到術(shù)前規(guī)劃的要求及術(shù)后期望的手術(shù)效果。

基于以上原因以及無(wú)法避免的個(gè)性化的需求，可利用3D打印的技術(shù)來(lái)制備人工關(guān)節(jié)，根據(jù)患者的CT數(shù)據(jù)提取骨關(guān)節(jié)的三維輪廓數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，將得到的3D模型進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，用3D打印機(jī)制出模型后予以修整、拋光后獲得理想的個(gè)性化人工關(guān)節(jié)模型，再經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的工業(yè)技術(shù)制造加工后，最終獲得理想的關(guān)節(jié)模型。最近就有研究對(duì)8例發(fā)育性髖脫位術(shù)后再脫位患兒行CT掃描獲取病變部位的二維數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維重建，快速成型制作出與實(shí)體1:1太小的骨盆模型，對(duì)骨盆模型術(shù)前制定手術(shù)方案，手術(shù)規(guī)劃和模擬手術(shù)，指導(dǎo)手術(shù)治療，結(jié)果術(shù)中所見(jiàn)與虛擬三維重建圖像及3 D打印骨盆模型一致，減少了手術(shù)操作時(shí)間，手術(shù)效果更好[16]。通過(guò)3D打印技術(shù)制作與實(shí)體等大的患骨模型，為醫(yī)師提供直觀實(shí)物來(lái)了解病理解剖異常，針對(duì)不同的病理解剖改變，擬定個(gè)體化手術(shù)治療方案，縮短了手術(shù)時(shí)間，同時(shí)也提高手術(shù)效率機(jī)安全性，使手術(shù)更為客觀、精確。

3 展望

隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用和研究的不斷進(jìn)步，并與骨科醫(yī)療產(chǎn)品相結(jié)合，可使所制備的骨缺損組織修復(fù)體和人體相接近，也可使骨組織工程支架所用材料種類(lèi)、微觀結(jié)構(gòu)等各方面更加接近于人體正常骨骼，使其在生理機(jī)能、力學(xué)性能，都與人體骨骼保持高度一致，有望實(shí)現(xiàn)個(gè)性化治療的目標(biāo)。

目前在個(gè)體化人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)的開(kāi)展、在術(shù)中更貼合運(yùn)用個(gè)體化接骨板、個(gè)體化骨盆修復(fù)臨床手術(shù)中等各項(xiàng)醫(yī)療的進(jìn)步，3D打印技術(shù)均得到廣泛應(yīng)用，并且隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，在臨床中日益推廣[4]。近日，誕生了一種直接利用液體介質(zhì)料進(jìn)行3D打印的全新的3D打印方法，它不用像過(guò)去那樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力地進(jìn)行逐層堆砌，并且這項(xiàng)科技較前固態(tài)3D打印速度提高了25～100倍，還能打造出以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀，為醫(yī)療保健和醫(yī)藥領(lǐng)域、甚至汽車(chē)和航空等主要工業(yè)領(lǐng)域賦予了創(chuàng)新機(jī)遇。

3D打印技術(shù)優(yōu)點(diǎn)甚多，但由于技術(shù)和設(shè)備上的問(wèn)題，目前還沒(méi)有普遍應(yīng)用?，F(xiàn)階段3D打印對(duì)材料要求極高、很多骨科常用材料或性能優(yōu)良的材料還不能直接打印，并且3D打印設(shè)備昂貴,導(dǎo)致個(gè)性化人工骨費(fèi)用高,暫時(shí)難于普及，而且對(duì)于3D打印設(shè)備的研發(fā)也是此領(lǐng)域急需突破的研究熱點(diǎn)。雖然該技術(shù)和研究存在局限性及不足，但是隨著3D打印在各大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和各公司大力開(kāi)發(fā)支持下，這些問(wèn)題在未來(lái)的發(fā)展中會(huì)逐漸解決。3D打印目前逐漸形成極具市場(chǎng)潛力的新興產(chǎn)業(yè)，不久的將來(lái)，3D打印技術(shù)會(huì)在骨科疾病治療中得到普及，將為人類(lèi)帶來(lái)更好的生活。

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3D Printing Technology Applied in the Orthopedic Individualized Treatment

GUO Yu，XIAO Dong-min，JIANG Feng
Yongzhou City Center Hospital Affiliated to Nanhua University，Yongzhou，Hunan Province，425000 China

"3D print"the emergence of human whimsy continuously into reality,3D printing technology in the aerospace, electronics manufacturing,medical and other fields have a huge application space.The article on 3D printing and the application in orthopedics individualized therapy were reviewed.

3D printing；Individualized treatment；Displasia dislocation of the hip（DDH）

R68

A

1672-5654（2015）12（b）-0105-03

2015-00-00）

10.16659/j.cnki.1672-5654.2015.35.105

郭昱（1990.10-），男，湖南永州人，南華大學(xué)在讀研究生，研究方向：骨科。