3D打印技術(shù)在骨科的臨床研究進(jìn)展

吳 碧，馮均偉，2△

(1.遵義醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563000；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院骨科，四川 成都 610072)

3D打印技術(shù)在骨科的臨床研究進(jìn)展

吳 碧1，馮均偉1，2△

(1.遵義醫(yī)學(xué)院，貴州 遵義 563000；2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院骨科，四川 成都 610072)

3D打印技術(shù)作為數(shù)字化技術(shù)的集中體現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)各種骨科手術(shù)個(gè)體化、精確化的有效手段。隨著基于CT、MRI圖像的人體組織器官的三維數(shù)字化建模技術(shù)和3D打印技術(shù)的進(jìn)步，使越來(lái)越多的骨科手術(shù)向具有高度個(gè)性化、精確化和快速化發(fā)展。本文對(duì)3D打印技術(shù)在還原重建骨骼模型、個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板、個(gè)體化替代物、存在的問(wèn)題及展望方面進(jìn)行綜述。

3D打??；原理；骨科；個(gè)體化；導(dǎo)板；替代物

3D打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)80 年代，從1986年Charles Hull開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)，到2012年蘇格蘭科學(xué)家Faulkner-Jones等[1]利用細(xì)胞打印出人造肝臟組織。3D打印技術(shù)是一種快速制造技術(shù)(Rapid Prototyping Technology)，它融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、新材料技術(shù)等當(dāng)代新興技術(shù)，可以制作任意復(fù)雜幾何形狀的實(shí)體，極大地降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的制造難度，很大程度上提升了生產(chǎn)效率，具有成型精度高、重復(fù)性好、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等傳統(tǒng)工藝無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]，正作為一項(xiàng)前沿的制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸被重視和推廣，主要在脊柱外科、關(guān)節(jié)外科、頜面外科等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，可為臨床手術(shù)設(shè)計(jì)提供有效的解決方法[3]。在骨科臨床工作中，個(gè)體化、精確化是骨科的一個(gè)重要方向，既往術(shù)前只能通過(guò)X射線平片、CT掃描、MRI成像等影像學(xué)手段來(lái)進(jìn)行手術(shù)分析及預(yù)計(jì)手術(shù)方式。但這些影像學(xué)資料在拍攝時(shí)的一些不可控因素以及在反映病變位置、嚴(yán)重程度和解剖學(xué)畸形方面缺乏精確性和直觀性[4]。若僅靠手術(shù)醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)以及術(shù)中所見的具體情況，對(duì)病變部位判斷的偏差可能直接影響手術(shù)的安全性和手術(shù)效果。因此，術(shù)前精確的手術(shù)部位定位以及嚴(yán)密的手術(shù)方案設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)個(gè)體化手術(shù)的必要途徑。

1 3D打印技術(shù)原理及重建要點(diǎn)

3D打印骨科模型的制作主要通過(guò)逆向工程原理(Reverse engineering，RE) 和快速成型技術(shù)(Rapid prototyping，RP) 而實(shí)現(xiàn)。其主要原理是先通過(guò)Mimics、CAD等軟件進(jìn)行三維數(shù)字化模型的構(gòu)建，然后再進(jìn)行“分層制造，逐層堆積”，即將三維模型以特定的STL格式輸入3D 打印機(jī)進(jìn)行分層制造，形成二維結(jié)構(gòu)的物質(zhì)平面，再利用激光束或熱熔噴嘴等方法精確堆積材料、逐層疊加，最終形成產(chǎn)品的三維結(jié)構(gòu)[5]。目前，在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域使用最廣泛的逆向工程技術(shù)軟件有比利時(shí)Materialise 公司的Mimics 軟件和德國(guó)SIEMENS的UG NX以及美國(guó)3D System公司的Geomagic Studio軟件。Mimics 軟件是基于醫(yī)學(xué)三維CT、MRI成像而進(jìn)行三維重建的軟件，可顯示和分割CT等醫(yī)學(xué)圖像，并具有良好的圖像編輯功能[6]。UG NX和Geomagic Studio軟件屬于CAD 軟件之一，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和編輯功能。模型重建程序：①對(duì)需要建模部位進(jìn)行三維CT掃描，以DICOM 格式保存數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Mimics 軟件；②針對(duì)所需建模進(jìn)行Mimics 軟件的閾值設(shè)定，低密度的肌肉和軟組織閾值偏低，高密度的骨組織閾值較高，可根據(jù)建模部位的需求設(shè)定閾值，稱為“閾值分割”。需注意的是在閾值設(shè)定時(shí)，最低閾值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致模型過(guò)??；最低閾值過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致模型偏大；③分割后的圖像被不同顏色標(biāo)記，成為“蒙版”，可利用“區(qū)域增長(zhǎng)”、“蒙板編輯”、“布爾運(yùn)算”等對(duì)圖像進(jìn)行編輯；④對(duì)編輯完成后的“蒙版”進(jìn)行計(jì)算，即生成3D模型，在計(jì)算生成3D模型后，可能由于骨骼與周圍組織的各閾值不同，以統(tǒng)一閾值標(biāo)記重建后出現(xiàn)一些“孔洞”或“釘狀物”，則需要手動(dòng)逐層修補(bǔ)處理；⑤處理完成后以STL格式保存，導(dǎo)入3D打印機(jī)即可打印出與建模部位高度還原的3D實(shí)物模型。

2 術(shù)前骨骼模型還原重建

在關(guān)節(jié)外科中，常需通過(guò)植入人工假體來(lái)替換已經(jīng)發(fā)生病變的相應(yīng)部位，以重建其解剖結(jié)構(gòu)及功能，但人工假體與手術(shù)部位的形態(tài)擬合性較差，術(shù)前無(wú)法完全確定假體型號(hào)及確切大小，因此術(shù)中常需反復(fù)嘗試各種型號(hào)的假體，加重了局部創(chuàng)傷的同時(shí)也增加了手術(shù)時(shí)間[2]。3D打印骨骼模型不僅具有高度還原性，同時(shí)還能顯示出X射線片、CT掃描、MRI成像無(wú)法展現(xiàn)的信息。術(shù)前根據(jù)模型提供的信息確定假體的型號(hào)及具體大小，更直觀化、全面化、簡(jiǎn)單化、準(zhǔn)確化地制定手術(shù)方案，進(jìn)行術(shù)前演練與手術(shù)模擬操作等，進(jìn)而提高關(guān)節(jié)外科復(fù)雜高難度手術(shù)的成功率，使手術(shù)更精確、更安全[7]。Won 等[8]利用3D打印技術(shù)為21 例伴有嚴(yán)重畸形的髖關(guān)節(jié)疾病的患者制訂了個(gè)體化的手術(shù)方案并行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，術(shù)后影像學(xué)檢查表明假體位置與術(shù)前計(jì)劃精確吻合，而且手術(shù)時(shí)間明顯縮短。在創(chuàng)傷骨科中，利用3D打印技術(shù)打印出骨折部位的三維模型，可在術(shù)前對(duì)骨折有詳盡和全面的了解并做出準(zhǔn)確的診斷和分型，也可在模型上實(shí)施模擬手術(shù)過(guò)程，如骨折復(fù)位、選擇合適的內(nèi)固定物、預(yù)彎塑形鋼板、確定螺釘?shù)姆较蚝烷L(zhǎng)度等，通過(guò)模擬手術(shù)選擇不同的手術(shù)方法及調(diào)整手術(shù)策略，制定出最佳個(gè)性化手術(shù)方案[9～12]。吳章林等[13]利用術(shù)前針對(duì)髖臼骨折進(jìn)行三維建模和虛擬骨折復(fù)位，并在復(fù)位模型上優(yōu)化預(yù)設(shè)植入鋼板位置和虛擬釘?shù)滥M、測(cè)量釘?shù)篱L(zhǎng)度，三維切割預(yù)設(shè)植入鋼板部位骨塊并3D打印，據(jù)此進(jìn)行鋼板折彎。術(shù)后得出折彎鋼板模擬植入位置、螺釘植入方向、長(zhǎng)度和虛擬設(shè)計(jì)高度一致。李新春[14]等應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出Pilon骨折模型，并制定手術(shù)方案及模擬手術(shù)過(guò)程，結(jié)論得出術(shù)中采用的固定鋼板、螺釘數(shù)量與螺釘長(zhǎng)度均與術(shù)前計(jì)劃一致。3D 打印技術(shù)應(yīng)用于Pilon骨折的治療臨床可行性良好，有助于術(shù)者對(duì)Pilon骨折的理解和術(shù)前計(jì)劃的制定。也有研究報(bào)道，在臨床教學(xué)工作中，將3D打印模型與臨床病例相結(jié)合還提高了教學(xué)質(zhì)量，有助于學(xué)生臨床技能的培養(yǎng)和勝任力的提升[15]，減少了尸體標(biāo)本的使用，節(jié)約了尸體標(biāo)本購(gòu)買與保存的成本等。

3 個(gè)性化手術(shù)導(dǎo)板

近年來(lái)，3D打印技術(shù)在骨科領(lǐng)域的發(fā)展，使得手術(shù)醫(yī)生在術(shù)前不僅能通過(guò)對(duì)手術(shù)部位進(jìn)行還原重建，對(duì)解剖形態(tài)復(fù)雜、需要精確定位的手術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的術(shù)前設(shè)計(jì)，同時(shí)也能根據(jù)模型為患者“量身定制”手術(shù)導(dǎo)板，有助于提高手術(shù)成功率、降低手術(shù)難度、確?；颊甙踩玔16]。目前3D打印個(gè)性化手術(shù)工具中最為典型的是手術(shù)置釘導(dǎo)板，包括骨盆導(dǎo)板、關(guān)節(jié)導(dǎo)板、脊柱導(dǎo)板等[17]。朱春冀等[18]將3D打印個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板應(yīng)用于骨科復(fù)雜手術(shù)中，術(shù)前打印出骨骼模型并設(shè)計(jì)相應(yīng)的手術(shù)導(dǎo)板，對(duì)內(nèi)置物進(jìn)行預(yù)處理。研究者認(rèn)為3D 打印個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板能滿足手術(shù)的個(gè)體化需求，在手術(shù)中能夠準(zhǔn)確還原術(shù)前設(shè)計(jì)，不同3D 打印模型對(duì)骨科復(fù)雜手術(shù)的指導(dǎo)意義重大，可以降低手術(shù)的難度，減少手術(shù)時(shí)間。尹知訓(xùn)等[19]為肘關(guān)節(jié)畸形患者設(shè)計(jì)制作3D打印個(gè)性化截骨模板并引導(dǎo)術(shù)中三維截骨，術(shù)后肘關(guān)節(jié)畸形糾正率為95%。Raaijmaakers 等[20]應(yīng)用該技術(shù)制作出與股骨頭、股骨頸前表面緊密貼合的置釘導(dǎo)向器，在股骨頭表面置換中可將假體柄精確安裝在股骨頸解剖軸上，使假體定位過(guò)程變得簡(jiǎn)單、安裝更精確。陳宣煌等[21]利用3D打印技術(shù)制作的輔助椎弓根螺釘置入導(dǎo)航模板，也獲得了滿意的效果。

在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中，下肢力線是評(píng)價(jià)人工全膝關(guān)節(jié)術(shù)成功的重要指標(biāo)，且滿意的下肢力線常需有豐富手術(shù)經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生才能完成[22]。Jeffery 等[23]指出下肢力線偏差如果在±3°之內(nèi)，術(shù)后12年假體松動(dòng)率為3%，如果下肢力線偏差超過(guò)±4°則松動(dòng)率增加至24%。因此，為提高下肢力線重建的精確性，李偉等[24]對(duì)16具尸體設(shè)計(jì)制作了與股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端匹配的個(gè)體化釘孔導(dǎo)航模板用于全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的截骨定位。結(jié)果表明個(gè)體化的手術(shù)導(dǎo)板提高了股骨遠(yuǎn)端及脛骨近端的截骨精確度，精確定位股骨遠(yuǎn)端的旋轉(zhuǎn)軸線，使假體的安放位置更加準(zhǔn)確。Ast等[25]也通過(guò)綜述個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用得出，個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板不僅能術(shù)前確定截骨量、假體旋轉(zhuǎn)、安放位置以及假體大小等，且術(shù)中無(wú)需再使用髓內(nèi)定位或髓外定位導(dǎo)向器，由此至多能減少21個(gè)手術(shù)步驟，不僅減少了因開髓腔而導(dǎo)致的失血量增加，也減少了大量的術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間。樊慶陽(yáng)等[26]還通過(guò)對(duì)5例膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA) 合并股骨干骨折畸形愈合的患者術(shù)前進(jìn)行三維建模后應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出患者膝關(guān)節(jié)1∶ 1 樹脂材料模型，并設(shè)計(jì)制作出截骨模板及確定膝關(guān)節(jié)假體規(guī)格。術(shù)后膝關(guān)節(jié)功能改善明顯，未發(fā)生感染、深靜脈血栓形成等并發(fā)癥。也有研究報(bào)道3D打印個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板的使用相對(duì)于傳統(tǒng)器械更容易，更微創(chuàng)，更省時(shí)，且準(zhǔn)確度更高[27]。重建的機(jī)械軸線更接近于中立位，平均住院日、手術(shù)時(shí)間、手術(shù)切口長(zhǎng)度均有改善[28]。

4 個(gè)體化替代物打印

3D 打印技術(shù)具備加工精確、制作迅速、無(wú)需特殊模具等特點(diǎn)，使個(gè)體化假體設(shè)計(jì)、制備成為可能[29]。早在1979年，由Tonner 等[30]采用聚苯乙烯為原料，為一位纖維肉瘤的患者構(gòu)建了骨盆模型，并以此模型定制了彌補(bǔ)腫瘤切除術(shù)后骨盆缺損的金屬內(nèi)置物。2005年，戴尅戎等[31]率先應(yīng)用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)打印出人工半骨盆替代物成功進(jìn)行了首例半骨盆置換手術(shù)。王臻等[32]應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計(jì)出個(gè)體化鈦合金膝關(guān)節(jié)假體，成功為1 例14 歲右股骨下段骨肉瘤術(shù)后復(fù)發(fā)患兒施行保肢手術(shù)。Benum 等[33]也應(yīng)用該技術(shù)設(shè)計(jì)制作出股骨髓腔導(dǎo)向器及個(gè)體化股骨假體，為2例石骨癥患者成功施行人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的骨科植入物相比，為患者“量身定制”的3D打印個(gè)體化植入物與患者骨骼匹配更精準(zhǔn)，患肢功能恢復(fù)更快。目前研究最多的個(gè)體化假體設(shè)計(jì)為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及骨盆等，但大多都僅限于研究階段，應(yīng)用于臨床的僅為少數(shù)，其臨床效果仍需進(jìn)一步的臨床實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5 3D打印技術(shù)在骨科臨床應(yīng)用存在的問(wèn)題分析

3D 打印技術(shù)是一種新型的快速成型技術(shù)，在骨科手術(shù)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但骨科個(gè)性化的3D 打印還面臨著以下問(wèn)題：①經(jīng)濟(jì)問(wèn)題：3D打印具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，打印機(jī)的價(jià)格從數(shù)萬(wàn)元到上千萬(wàn)元不等，且相關(guān)配套的CT、MRI設(shè)備以及建模和逆向工程、CAD等軟件，都是一筆不小的費(fèi)用[34]。②材料問(wèn)題：目前應(yīng)用較多的材料包括金屬、陶瓷、光敏樹脂、石膏等，每種材料的物理性能和理化性質(zhì)不同，價(jià)格從幾百元到幾千元不等，且并不都適應(yīng)臨床需要，文獻(xiàn)報(bào)道人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后1%的患者出現(xiàn)明顯金屬過(guò)敏癥狀，在假體功能良好的患者中，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)20%～25%的患者存在金屬過(guò)敏[35]。因此選擇適合人體特性的金屬材料如鈦合金，其價(jià)格高達(dá)每千克2000元左右[36]。③生產(chǎn)問(wèn)題：3D 打印技術(shù)需要依靠數(shù)字技術(shù)模型來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，但目前針對(duì)骨科打印臨床規(guī)劃軟件很少，且大多數(shù)臨床醫(yī)生不會(huì)使用相關(guān)設(shè)備和軟件，因此很多研究者需與專門的技術(shù)人員合作，結(jié)合使用多組工程軟件才得以實(shí)現(xiàn)某些臨床復(fù)雜手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃，但這個(gè)過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用增加，一定程度地限制了3D打印技術(shù)在臨床應(yīng)用。④打印精度問(wèn)題：應(yīng)用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)骨骼還原重建及設(shè)計(jì)制作個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板均要求3D打印機(jī)具有較高的精確性，在高度還原重建的模型上制備的手術(shù)導(dǎo)板才能準(zhǔn)確定位，若術(shù)前構(gòu)建的模型還原度較差，將直接導(dǎo)致手術(shù)導(dǎo)板及個(gè)體化替代物的設(shè)計(jì)存在力學(xué)和材料學(xué)上的缺陷，最終使手術(shù)失敗。⑤臨床應(yīng)用問(wèn)題：在臨床實(shí)踐中，3D打印出的個(gè)體化手術(shù)導(dǎo)板存在不規(guī)則性，在手術(shù)中的固定穩(wěn)定性較差，為防止使用時(shí)導(dǎo)板移動(dòng)，需要選擇標(biāo)志性的解剖結(jié)構(gòu)作為參考點(diǎn)及錨定點(diǎn)。且術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)不同打印材料及不同消毒方式對(duì)于手術(shù)導(dǎo)板及個(gè)體化替代物的影響也有待進(jìn)一步研究。

6 展望

目前3D 打印的模型能夠提供比任何二維或三維影像更直觀全面的信息，使術(shù)者可以為患者制定個(gè)性化手術(shù)方案[37]。隨著3D 打印的快速發(fā)展，要高度重視打印廢棄物對(duì)環(huán)境的污染、對(duì)能源的消耗等，應(yīng)大力提倡環(huán)保、可再利用打印材料的研發(fā)和應(yīng)用[38]。并且一款針對(duì)骨科各種手術(shù)的集逆向工程和快速成型技術(shù)于一體的多功能軟件的開發(fā)是有必要的。3D 打印技術(shù)在骨科手術(shù)中的應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)之一，盡管研究結(jié)果仍存在爭(zhēng)議，但3D 打印技術(shù)本身極具應(yīng)用價(jià)值，需要進(jìn)行更多的研究、探索，最終在未來(lái)的臨床工作中，越來(lái)越多的患者能夠獲益。

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Clinical research progress of 3D printing technology in orthopedics

WU Bi，F(xiàn)ENG Jun-wei

四川省衛(wèi)生廳科研基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：30305031099)

R681

B

1672-6170(2017)02-0150-04

2016-09-23；

2016-10-24)

△通訊作者