3D打印技術在骨科中的研究進展

韓國嵩，馬廣文，黃　斐，吳云峰，廖法學，尹宗生

(安徽醫(yī)科大學第四附屬醫(yī)院骨科，安徽 合肥　230022)

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3D打印技術在骨科中的研究進展

韓國嵩，馬廣文，黃斐，吳云峰，廖法學，尹宗生

(安徽醫(yī)科大學第四附屬醫(yī)院骨科，安徽 合肥230022)

摘要：3D打印技術是一種進行實物模型快速制作的新興技術，是一種基于數(shù)字模型數(shù)據，運用黏合材料逐層打印的方法制造出實物模型的技術，越來越為人們所關注，同時受到廣泛醫(yī)學學者的青睞，3D打印技術在醫(yī)學中主要應用于脊柱外科、關節(jié)外科、口腔外科和整形外科等領域。該文綜述了骨科臨床中常用的3D打印技術應用原理，及其在骨科的手術輔助技術、骨科材料的制作、具有生物活性的骨組織代替模型等領域的應用進展，分析了其優(yōu)點和不足，并對3D打印技術應用前景進行了展望。

關鍵詞：3D打?。还强?；實物模型；個體化模板

在骨科臨床實際工作中，以往只能通過X線攝片、CT及MRI等圖像資料對骨科手術進行術前設計和術前分析，而且這些圖像資料在反映病變位置、嚴重程度和解剖學畸形方面缺乏精確性和直觀性，因此骨科手術的成功完成需依靠手術醫(yī)生的豐富臨床經驗和術中探查病變情況，術中對病變部位的判斷不準確可能直接影響手術的安全性和手術治療的效果。3D打印技術，是一種基于數(shù)字模型數(shù)據，利用計算機輔助設計軟件進行三維設計和重建，將三維設計結果輸入3D打印機，運用粘合材料逐層打印出每個層面從而得到想要的實物模型的技術。作為一種新型的快速成型技術，越來越多的人們開始關注，同時也受到了廣大醫(yī)學學者的關注。近年來，3D打印技術成功制作出了骨科實物模型和反向模板，是進行術前模擬和手術方案設計及術中輔助手術操作方面等的有效工具，已經在尸體標本和臨床實驗中應用取得了滿意的效果。本文通過復習國內外有關文獻，對這方面研究進行作一綜述。

13D打印骨科模型的設計與制作

1.1逆向工程技術(reverse engineering,RE)3D打印模型的制作主要通過逆向工程原理(RE)和快速成型技術(rapid prototyping,RP)而實現(xiàn)的。RE是計算機輔助設計(computer aided design, CAD)中一個相對獨立的領域，其原理是利用各種數(shù)字化設備對現(xiàn)有實物進行掃描和測量，然后通過計算機處理得到的實物的數(shù)據，并結合3D打印技術三維立體的模型的過程[1]。目前，在醫(yī)學研究領域使用最廣泛的逆向工程技術有比利時Materialise公司的Mimics軟件和美國EDS公司的UG Imageware軟件。Mimics軟件是基于醫(yī)學CT、MRI圖像三維重建軟件，軟件可顯示和分割CT等醫(yī)學圖像，并具有良好的圖像編輯功能。UG Imageware軟件是著名的CAD軟件，具有強大的數(shù)據處理和編輯功能[2]。

1.23D打印技術(three dimension printing)3D打印技術，又稱快速成型技術(rapid prototyping, RP)，是將虛擬的CAD模型快速的轉化為具有一定功能的實物模型，目前在航空航天、汽車工業(yè)和模具制作等領域得到了廣泛的應用。RP技術依據成型方法可分為兩類：基于激光或其他光源的成型技術，其主要為光固化成型(stereo lithography apparatus,SLA)，另一種為基于噴射的成型技術，其主要為熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM )[2]。由于RP技術制作出的實物模型與實物大小、結構完全一致性，對術前模擬和手術方案的設計具有重要參考價值。近年來，RP技術在醫(yī)學領域開始逐漸被重視和推廣，主要在脊柱外科、關節(jié)外科、口腔外科和整形外科等領域得到廣泛的應用，可為臨床手術設計提供有效的解決方法[3]。

1.33D打印模型的制作工程制作程序：(1)對需要建模部位進行CT掃描，并將所得CT數(shù)據以DICOM格式保存后，導入Mimics軟件，進行三維重建，以STL格式導出；(2)設定Mimics軟件的閾值，使低密度的肌肉和軟組織從高密度的骨組織中分離出來，稱為“閾值分割”后，利用“蒙板設計”去除內部空腔；對于需要制作反向模板的部位，在Mimics中設計與其相貼合的反向模板。在輔助椎弓根螺釘置入時，需在軟件中設計最佳進釘通道，并制作定位導向孔，將定位導向孔制作成空心圓柱體，將反向模板與最佳進釘通道融合為一體，形成帶有雙側定位孔的個體化導航模板；(3)將上述做好的數(shù)字化的導航模板STL格式文件輸入快速成型機SPS350B，使用高分子光敏樹脂材料(DSM公司，美國)，利用光固化成型技術(SLA)或熔融沉積成型技術(FDM )將數(shù)字化個體導航模板制作出來，從而形成實物。

2 3D打印模型在骨科中的應用

2.1在脊柱畸形中的應用3D打印技術制作出的脊柱模型可準確清晰的顯示畸形脊柱形態(tài)，能夠發(fā)現(xiàn)X線片、CT及MRI等普通影像學資料無法顯示的隱匿信息，從而幫助手術醫(yī)生更加全面清楚地認識畸形脊柱的形態(tài)學結構，同時還可以通過脊柱模型進行手術設計等操作。近年來，有關3D打印技術在脊柱畸形手術中的應用越來越多見。Mao等[4]報道在治療16例中度脊柱側突患者應用快速成型技術，術后側突角由118°減少至42°，術后療效滿意。Wu等[5]通過兩種方法治療62例先天性脊柱側突患者，其中34例應用快速成型技術，螺釘?shù)闹踩霚蚀_率為91.6%；而另外28例通過傳統(tǒng)手術，螺釘?shù)闹踩霚蚀_率為82%，具有統(tǒng)計學意義?；萑A等[6]報道，19例脊柱畸形患者，通過術前CT診斷發(fā)現(xiàn)2例漏診，而采用快速成型技術對脊柱畸形患者脊柱觀察全方面，多方位，漏診較少。桑宏勛等[7]研究也得出了相似的結論。以上實驗研究顯示，3D打印模型對脊柱畸形患者指導手術治療具有重要的臨床意義。

2.2輔助椎弓根螺釘?shù)闹萌胱倒葆斨萌胧桥R床脊柱外科手術中最常用內固定方法，椎弓根與脊髓和神經位置毗鄰，置釘要求準確性高，螺釘位置不當可導致內固定系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，造成脊髓或神經損傷等并發(fā)癥。椎弓根螺釘?shù)乃蓜?、拔出是脊柱后路固定術常見的并發(fā)癥，因此如何準確安全置釘是臨床醫(yī)生需解決的重要難題[8]。近年來，3D打印技術制作出的導航模板，在輔助椎弓根螺釘置入過程中取得了實驗研究進展，獲得了滿意的效果。Lu等[9-10]對頸椎尸體標本進行CT掃描，將文件以DICOM格式保存，導入Mimics軟件進行三維重建，并進行虛擬進釘操作，設計出與椎板后部和棘突根部相貼合的反向模板，最后利用3D打印機制作出導航實物模板，在實驗中驗證了個體化導航模板輔助頸椎椎弓根螺釘置入的準確性。Ma等[11]選擇12具尸體標本，隨機分為徒手組和導航模板組，徒手組憑醫(yī)生經驗徒手置入螺釘，導航模板組使用個體化胸椎導航模板，輔助椎弓根螺釘?shù)闹萌?，比較兩組置釘準確性和意外發(fā)生率，結果示使用導航模板組有更高的準確性和更低的意外發(fā)生率。陳宣煌等[12]對60例患者共制作253個導航模塊，并利用導航模板輔助置入椎弓根螺釘，結果示所有螺釘均在椎弓根內位置良好，無1例穿破腰椎椎弓根皮質，未發(fā)生置釘相關并發(fā)癥。嚴斌等[13]將37例正常人體腰椎進行三維重建，設計導航桿正好穿破椎弓根中心，3D打印出腰椎標本模型和導航模板，結果228枚腰椎椎弓根螺釘進釘方向都與虛擬方向完全一致，未穿破椎弓根皮質。

2.3在骨科腫瘤中的應用脊柱模型能清楚地觀察脊柱腫瘤的大小，與椎體和脊神經的位置關系，明確手術需要切除范圍，制定手術方案。Madrazo等[14]報道使用3D打印技術為2例患者制作的脊柱模型，可以更直觀地了解神經根和脊髓壓迫癥狀的器質性病變，對疾病診斷、術前規(guī)劃和手術模擬有著重要的意義，同時能夠更加形象地向患者介紹手術方案、療效和風險。3D打印技術還可以用于骨盆腫瘤手術中的治療，裴延軍等[15]使用3D打印術完成了亞洲首例鈦金骨盆假體的植入，相繼完成了鎖骨和肩胛骨假體的植入手術，取得了滿意的效果。

2.4在脊柱骨折脫位中的應用脊柱骨折脫位往往要依據術者在術中所探查到骨折具體部位和程度，制定出合適的手術方案。Yamazaki等[16]對1例陳舊性C4/5骨折脫位患者，術前制作出脊柱實物模型，在模型上進行手術模擬和進釘模擬，為手術方法選擇和術中椎弓根螺釘置入提供了必要的信息，保證了手術的順利完成。但是模型設計和制作時間較長，因此對于骨科急診手術患者，未必能及時制作完成。

2.5在復雜四肢骨折中的應用3D打印技術能夠直觀地反應骨折的三維立體結構，能夠準確的判斷臨床骨折的分型，幫助臨床醫(yī)生進行術前規(guī)劃、內固定選擇等有重要的意義。據文獻報道[17-18]，利用3D打印對復雜跟骨骨折、骨盆骨折等進行術前建模，能夠輔助內固定鋼板及螺釘準確置入，縮短了手術時間，減少了術中透視次數(shù)，從而取得了滿意的效果。然而骨折端CT三維重建不僅增加了手術費用，而且延長了手術時間，因此不能適用于急診手術[19]。大多數(shù)臨床醫(yī)生認為3D打印技術能夠很好的輔助術前規(guī)劃、便于與患者進行交流，增加了手術的安全性，因此值得臨床推廣。

2.6在膝關節(jié)置換術中的應用全膝關節(jié)置換術(TKA)是目前治療膝關節(jié)骨性關節(jié)炎最常見方法，取得了較好的療效[20]。文獻報道，下肢力線是評價TKA成功的重要指標，且達到滿意的下肢力線需要手術經驗的醫(yī)生才能完成[21]。近年來，個體化導航模板在輔助TKA截骨方面進行了實驗研究，李偉方等[22]將16具膝關節(jié)尸體標本分為導航模板組和傳統(tǒng)組進行對照實驗研究，模板組采用3D打印制作出的個體化截骨導航模板，輔助TKA截骨定位；傳統(tǒng)組按常規(guī)TKA手術操作。術后行CT掃描比較兩組假體組件位置和下肢力線，結果示模板組下肢力線方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)組。Heyse等[23]通過對94例病例資料研究發(fā)現(xiàn)，導航模板組在下肢機械軸線偏差和股骨假體旋轉軸線定位方面更有優(yōu)勢，Boonen等[24]研究也得出了相似的結論。以上實驗證明個體化導航模板能夠提高了截骨精確度，達到理想的假體位置，從而準確定位股骨遠端假體旋轉軸線，但還需要進一步更多的臨床實驗驗證。

33D打印技術在骨科中的應用優(yōu)點與缺點

優(yōu)點：(1)提高術前診斷率：基于CT掃描資料，利用逆向工程和3D打印技術制作出的實物模型，能夠準確清晰的顯示病變部位形態(tài)和結構，特別是判斷脊髓和神經走形方向，可以發(fā)現(xiàn)X線片、CT及MRI無法顯示的信息。提高了我們對于疾病的判斷能力和準確性；(2)指導手術設計：對于立體實物模型，可以測量脊柱的cobb角，截骨角度和進釘釘?shù)篱L度等。對內固定種類選擇、欲彎內固定棒、截骨角度和范圍等具有重要作用，另外在模型上模擬手術，比較不同手術方案的優(yōu)缺點，從而可以由于判斷和選擇錯誤所致的手術并發(fā)癥的發(fā)生；(3)指導手術操作：前期的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在脊柱上通過個體化導航模板輔助置釘，對手術醫(yī)生經驗要求較低，且不受患者體位的影響，大大降低了螺釘穿破椎弓根皮質和損傷神經的概率。操作簡單，增加了置釘?shù)臏蚀_性，縮短了手術時間，大大降低了手術的風險；(4)利于術前溝通：通過3D打印模型，患者可以直接了解脊柱病變情況，有利于向患者和家屬溝通交流病情，使患者了解手術方式和相應的風險性。另外對于醫(yī)學生而言，畸形脊柱模型方便觀察和學習，幫助更好的理解和記憶。

缺點：(1)目前技術模型設計和時間制作時間較長，一般需要3 d左右，因此對于急診手術無法及時使用；(2)對于脊柱模型的制作程序，不同軟件中操作會造成數(shù)據丟失，且需外科醫(yī)生充分學習Mimics軟件知識，此軟件程序應用復雜，學習時間較長；(3)3D打印設備成本較高，且目前應用于3D打印機的光敏樹脂材料對于人體具有一定的排異，尚不能在臨床手術中開展實施，限制了該方法的普及與應用。

4展望

綜上所述，3D打印技術是一種新型的快速成型技術，基于其在復雜骨科中具有重要的價值，經尸體標本研究和臨床實驗研究，初步驗證了其可行性。但是目前仍存在許多不足之處，隨著科學技術的發(fā)展，若能設計出一款集逆向工程和快速成型技術于一體的多功能軟件，無需數(shù)據轉換過程，精確個體化手術設計，其設計時間和費用大將會越來越低，且會提高3D打印技術應用效率和范圍，使其為越來越多的人接受3D打印技術。在未來骨科中，3D打印技術將會在人工假體，手術器械和骨移植物等制作制作方面實現(xiàn)新的突破，猜想依賴于生物材料和骨組織干細胞培養(yǎng)等科學技術發(fā)展，將替代壞死的骨組織部分的具有生命特征的活性人工骨組織直接打印出來，應用于骨科手術中也是有可能的實現(xiàn)的。然而，目前國內3D打印技術在骨科中的應用還處于初始階段，技術還不成熟，應用設備儀器、材料及軟件等大多數(shù)來自于國外，大大限制了3D技術在骨科中的的應用與發(fā)展。相信隨著我國生物材料和數(shù)字技術的發(fā)展，將會被更多醫(yī)生和患者的接受，從而正式應用于臨床。因此，3D打印技術將成為未來骨科發(fā)展趨勢，為醫(yī)學臨床提供更多的方便，具有廣闊的應用前景。

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doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2015.12.004

基金項目：安徽省科技計劃項目(No 15011d04047)

作者簡介：韓國嵩，男，碩士研究生

通信作者：尹宗生，男，主任醫(yī)師，博士生導師，研究方向：關節(jié)外科，E-mail:yinzongsheng@sina.com

(收稿日期：2015-07-10，修回日期：2015-08-11)

Research progress of 3D printing in orthopaedics

HAN Guo-song, MA Guang-wen, HUANG Fei, et al

(DepartmentofOrthopedics,TheFourthAffiliatedHospital

ofAnhuiMedicalUniversity,Hefei,Anhui230022,China)

Abstract:3D printing is a rapidly emerging technology that may be used to fabricate physical model, it is a technology of using the adhesive materials to print and create physical model step by step, which was based on digital data. It has received extensive attention by more and more people, and has got the favor of medical scholars. 3D printing has been widely used in a wide range of medical specialties including spine surgery, joint surgery, oral surgery and plastic surgery. In this review, various kinds of 3D printing technologies in orthopedics were summarized, the 3D printing auxiliary in orthopaedic surgery, orthopedics materials and bone substitute is of great significance in the areas of application. At the same time, we also analyzed the advantages and disadvantages, and made a prediction focusing on the 3D printing technologies.

Key words:3D printing;orthopedics;physical model;individual template