3D打印在骨科疾病診療中的應(yīng)用進(jìn)展

，，　

(1.解放軍第66337部隊(duì)，山西 介休 032000；2.解放軍南京總醫(yī)院骨科，江蘇 南京210002)

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)，是當(dāng)前全球最尖端技術(shù)之一，該技術(shù)以數(shù)字模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時(shí)綜合機(jī)電控制、數(shù)學(xué)建模、信息、化學(xué)、材料等多門前沿技術(shù)，選擇可粘合性原材料，采取逐層打印、疊加材料的方式制作得到3D實(shí)體1∶1模型；作為目前一種新型快速制造技術(shù)，3D打印技術(shù)正越來越受到人們的關(guān)注[1-2]。隨著近年來合金類材料在3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，3D打印技術(shù)在醫(yī)院骨科的創(chuàng)傷診療中也得到較好發(fā)展，現(xiàn)已成為骨科創(chuàng)傷診療研究的重要方向之一[3]。3D打印技術(shù)在骨科診療中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在通過采集患者M(jìn)RI、CT等影像學(xué)臨床資料，運(yùn)用3D技術(shù)為患者“私人定制”個(gè)性化的治療方案、植入物、實(shí)體模型及輔助性器械等，從而有效解決當(dāng)前骨科創(chuàng)傷治療中的難題。3D打印技術(shù)對(duì)臨床教學(xué)同樣具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性，有助于骨科的臨床帶教及骨科臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師的培養(yǎng)，為醫(yī)院骨科的發(fā)展創(chuàng)造了良好的前景[4]。本文將對(duì)3D打印技術(shù)的原理、過程及其在臨床應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)等作一綜述，同時(shí)分析其在臨床骨科診療中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展的局限性，以期為臨床工作者提供一定的理論參考。

1　3D打印技術(shù)的原理及過程

傳統(tǒng)建模通常包括分割圖像、幾何重建、生成網(wǎng)格及分配材料的屬性4個(gè)方面。3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建模具有顯著差異，其基本過程大致分為3步，首先對(duì)患者病變部位進(jìn)行MRI、CT等影像學(xué)檢查，以便掌握患者病變部位的情況及相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)合檢測所得影像學(xué)數(shù)據(jù)并借助CAD軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，得到需打印物體的3D模型；第二步主要進(jìn)行切片的處理，將需打印的物體逐層分割并進(jìn)行數(shù)據(jù)編程；第三步即為完成所需物體的打印，將數(shù)據(jù)編程結(jié)果輸入3D打印機(jī)內(nèi)進(jìn)行逐層打印，通過疊加材料的方式最終獲得需打印物體的1∶1模型[5-6]。

2　3D打印的主流技術(shù)及應(yīng)用材料

3D打印均為讀取CAD文件中保存的三維數(shù)據(jù)，通過逐層打印得到最終的1∶1三維實(shí)物模型，選用的材料較為豐富，如粉末、液體、絲竹等。在數(shù)字醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中主要為以下幾種技術(shù)：立體光固化成型技術(shù)，主要通過紫外激光對(duì)光聚合物樹脂表面進(jìn)行聚焦掃描，按照點(diǎn)、線、面的次序逐漸固化形成，該技術(shù)采用的光敏感的樹脂材料具有較為廣泛的適應(yīng)性；以數(shù)字光處理技術(shù)為基礎(chǔ)的光固化成型技術(shù)，打印時(shí)以數(shù)字光投影儀做光源，基本材料為光敏感的樹脂材料，采取由面到體的方式進(jìn)行層層固化，相對(duì)立體光固化成型技術(shù)打印速度得到明顯提高；選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的基本材料主要包括陶瓷粉末、金屬粉末及熱塑性塑料等，通過二氧化碳激光器將多種材料燒結(jié)在一起，制成三維立體零件，該技術(shù)打印時(shí)無需支撐，常用于打造較為復(fù)雜、精細(xì)的零件；熔融沉積成型技術(shù)的基本材料主要包括共晶系統(tǒng)、可食用材料、熱塑性塑料、金屬等，通過加熱的方式由最底層開始進(jìn)行實(shí)體模型構(gòu)建，該技術(shù)所用材料低廉，技術(shù)難度小，是目前最為普及的3D打印技術(shù)之一；此外還有以鈦合金作為基本材料的電子束熔融成型技術(shù)、以熱塑性材料為主要基本材料的選擇性熱燒結(jié)技術(shù)、以生物細(xì)胞為主要基本材料的墨水打印技術(shù)等[7-8]。

3　3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨科創(chuàng)傷診療中的優(yōu)勢(shì)

3.1　3D打印技術(shù)的實(shí)體模型性

3D打印技術(shù)可通過采集患者M(jìn)RI、CT等影像學(xué)檢查資料，將二維、平面、虛擬的診斷結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維、立體、現(xiàn)實(shí)的模型，所得1∶1模型有助于醫(yī)師對(duì)患者病情有更清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)后期的疾病診斷、治療方案的設(shè)計(jì)、術(shù)前治療操作流程的演示、術(shù)中輔助性操作及術(shù)后的恢復(fù)均具有重要意義。同時(shí)實(shí)體模型及術(shù)前的操作演示也有助于護(hù)士更好地掌握患者病情，做好相應(yīng)的準(zhǔn)備，確保手術(shù)的順利進(jìn)行及意外情況的應(yīng)急處置，同時(shí)也對(duì)患者術(shù)后恢復(fù)提供精準(zhǔn)的理論依據(jù)[9]。

3.2　3D打印技術(shù)有助于醫(yī)患溝通

通常患者對(duì)MRI、CT等影像學(xué)檢查數(shù)據(jù)并不了解，單純依靠醫(yī)生對(duì)病情的解釋也不能很好地對(duì)自身疾病有清晰的認(rèn)識(shí)，醫(yī)患間病情交流局限于二維圖像及語言表達(dá)，3D打印技術(shù)能很好地解決這一問題，借助其所得1∶1模型能幫助患者更直觀、清晰地了解自身病情、手術(shù)方案及術(shù)后恢復(fù)的注意事項(xiàng)等問題，同時(shí)也有助于醫(yī)師更直觀地向患者講述治療方案的選擇及術(shù)中可能出現(xiàn)的問題，如出血、并發(fā)癥等，這在一定程度上能提高患者對(duì)疾病治愈信心及對(duì)醫(yī)療服務(wù)的滿意度，對(duì)緩解醫(yī)患糾紛也具有一定的幫助[10-11]。

3.3　手術(shù)方案的個(gè)性化選擇

臨床骨科治療常采用規(guī)格、材料統(tǒng)一的器材，這基本能滿足普通患者對(duì)治療的常規(guī)需求，但在解剖位置復(fù)雜、累及較多重要組織的部位進(jìn)行手術(shù)時(shí)，傳統(tǒng)規(guī)格統(tǒng)一的材料不能達(dá)到臨床要求，個(gè)性化治療方案十分重要。對(duì)此類病情特殊患者的治療，最難解決的問題之一即為如何選擇更合適的內(nèi)置物材料，3D打印技術(shù)則可完全根據(jù)患者的個(gè)體數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)置物的制作，較好地解決了這一問題，達(dá)到精準(zhǔn)治療的目的。依據(jù)目前骨科發(fā)展趨勢(shì)來看，骨科診療模式向著“精確化、個(gè)性化定制”的方向發(fā)展已成為必然趨勢(shì)，如人工關(guān)節(jié)置換、骨盆修復(fù)等個(gè)性化內(nèi)置物的應(yīng)用必將更好地提高骨科患者的治療效果[12]。

3.4　手術(shù)暴露性問題

現(xiàn)階段骨科手術(shù)過程中內(nèi)固定物植入時(shí)仍需在X射線指導(dǎo)下進(jìn)行，不僅延長了手術(shù)時(shí)間，過多劑量的X射線也會(huì)對(duì)機(jī)體造成一定的損傷，但將3D打印技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)固定治療時(shí)可有效避免上述問題的發(fā)生，依賴于其個(gè)體化的治療模式，患者內(nèi)固定模型可與自身骨骼完美契合，能有效縮短手術(shù)時(shí)間，避免醫(yī)患受到X射線暴露的危害。此外，3D打印技術(shù)在復(fù)雜性的粉碎性骨折患者治療中優(yōu)勢(shì)更加明顯，不僅能做到骨折部位復(fù)位的精準(zhǔn)性，還可提高置釘?shù)木_性，避免置釘時(shí)穿孔及方向偏移等問題的發(fā)生，有效縮短手術(shù)時(shí)間，提高患者治療效果[13-14]。

3.5　改進(jìn)教學(xué)方式，提高培養(yǎng)水平

3D打印技術(shù)也可用于醫(yī)院骨科的臨床帶教工作中，由于當(dāng)前三維重建CT、X射線等操作在復(fù)雜性關(guān)節(jié)面、骨盆等部位骨折的診療中仍具有較大的局限性，對(duì)資歷較低的醫(yī)師或本科醫(yī)學(xué)生來說理解起來相對(duì)困難。而應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的模型進(jìn)行試教則可取得較好效果，有助于提高學(xué)生及資歷較低醫(yī)師對(duì)骨折問題的理解。同時(shí)增加術(shù)前演示的次數(shù)還能顯著提高手術(shù)成功率，提高醫(yī)師操作熟練度及對(duì)突發(fā)事件的處理能力，縮短手術(shù)時(shí)間[15-16]。

4　3D打印技術(shù)在骨科的應(yīng)用及發(fā)展

隨著近年來材料學(xué)、軟件學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)在骨科診療中的應(yīng)用越來越廣泛，在脊柱畸形的矯正、椎弓根螺釘?shù)妮o助植入、脊柱骨折的脫位修復(fù)、復(fù)雜性的四肢骨折、膝關(guān)節(jié)置換術(shù)及骨科腫瘤等問題的治療中均起到重要作用。

4.1　手術(shù)方案規(guī)劃及手術(shù)操作模擬

面對(duì)臨床較為復(fù)雜的關(guān)節(jié)骨折或脊柱骨折時(shí)，僅憑術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)位、固定治療并不能取得理想的效果，且易出現(xiàn)固定螺釘誤入等問題。3D打印技術(shù)用于術(shù)前規(guī)劃不僅能明確患者骨折程度及具體部位，提供更加逼真的模擬環(huán)境，術(shù)者還可通過嘗試不同的手術(shù)方案，選擇最佳的一種，以提高治療效果，減少手術(shù)過程中的失誤操作。通過制作的1∶1模型還可在術(shù)前確定內(nèi)置物的規(guī)格，進(jìn)一步縮短手術(shù)時(shí)間[17]。

4.2　建立導(dǎo)向模板

利用3D打印技術(shù)對(duì)內(nèi)固定術(shù)中螺釘打入的位置和方向進(jìn)行精準(zhǔn)定位，避免螺釘誤入脊髓或關(guān)節(jié)腔等部位，使得手術(shù)周圍部位的關(guān)節(jié)的安全性大大提高。對(duì)方向感及空間立體感較差的醫(yī)者來說，3D打印技術(shù)可有效縮短醫(yī)者的學(xué)習(xí)曲線，也可減少患者傷口的暴露時(shí)間，降低輻射危害。3D打印技術(shù)代替計(jì)算機(jī)的輔助導(dǎo)航技術(shù)可降低手術(shù)過程中儀器的使用，減少手術(shù)操作[18]。此外，3D打印技術(shù)制作的手術(shù)導(dǎo)板也為骨科骨骼精準(zhǔn)修復(fù)手術(shù)提供了必要的幫助，在骨骼修復(fù)術(shù)中應(yīng)用能保證手術(shù)的精確性，縮短手術(shù)時(shí)間。通常骨骼修復(fù)手術(shù)所用導(dǎo)板要求較高，需根據(jù)患者手術(shù)部位的解剖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好曲面，保證該曲面與手術(shù)暴露骨面的完全貼合，手術(shù)導(dǎo)板的設(shè)計(jì)也成為手術(shù)的核心環(huán)節(jié)，決定手術(shù)治療的最終效果[19]。

4.3　個(gè)性化的內(nèi)置物

通常骨科復(fù)雜性骨折會(huì)伴有局部骨質(zhì)的缺失或出現(xiàn)粉碎性骨折，臨床需對(duì)缺損部位植入假體保證骨的完整性，傳統(tǒng)植入物常采用工廠設(shè)計(jì)的規(guī)格統(tǒng)一的通用性假體，醫(yī)者手術(shù)時(shí)選擇匹配程度最高的一種假體進(jìn)行植入，但仍易出現(xiàn)植入假體與患者缺損部位形狀不符等問題，導(dǎo)致手術(shù)效果不理想，對(duì)患者后面的生活也造成一定影響。針對(duì)此類復(fù)雜性骨折的治療最佳方案是根據(jù)患者骨質(zhì)的缺損程度及骨折分型進(jìn)行個(gè)性化的內(nèi)置物的設(shè)計(jì)，臨床結(jié)合術(shù)前患者影像學(xué)檢測數(shù)據(jù)并應(yīng)用3D打印技術(shù)可制作出與患者更佳匹配的內(nèi)置物，不僅使植入假體與患者缺損部位外形契合，提高固定的穩(wěn)定性，還有助于患者骨骼的自我修復(fù)[19-21]。

4.4　誘導(dǎo)骨的生長

3D打印技術(shù)制作的內(nèi)置物不僅可以修復(fù)骨質(zhì)缺損，同時(shí)還具有較強(qiáng)的生物學(xué)活性，鈦合金等材料制作的支架空隙形狀、大小等更符合人體細(xì)胞正常的增殖分化及遷移等活動(dòng)的結(jié)構(gòu)要求，對(duì)誘導(dǎo)骨的生長具有較大幫助[22]。Barui等[23]通過3D打印技術(shù)將骨髓的基質(zhì)細(xì)胞及軟骨細(xì)胞等植入個(gè)性化設(shè)計(jì)的支架中，再植入人體患處，分別對(duì)軟骨和骨的再生起到重要作用。

5　3D打印技術(shù)的應(yīng)用制約與前景展望

醫(yī)療注冊(cè)許可是3D打印技術(shù)在臨床應(yīng)用的限制因素之一，根據(jù)我國衛(wèi)生部門對(duì)醫(yī)療行業(yè)治療器械的管理規(guī)定，3D打印技術(shù)需獲得醫(yī)療注冊(cè)資格才能被大量應(yīng)用于包括骨科在內(nèi)的多方向臨床治療。此外由于3D打印技術(shù)融合了包括機(jī)電控制、數(shù)學(xué)建模、信息、化學(xué)、材料在內(nèi)的多門前沿技術(shù)，3D打印技術(shù)的發(fā)展也依賴于多門前沿技術(shù)的進(jìn)步。近年來可供3D打印的材料逐漸增多，既包括殼聚糖、膠原等醫(yī)用材料，也包括聚乙醇酸、聚乳酸等人工合成的高分子材料。但能用于要求較高的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的材料相對(duì)較少，常用材料主要為不銹鋼、鈦合金等，新材料研發(fā)仍是制約3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。此外配套軟件的開發(fā)也是提高3D打印技術(shù)在臨床應(yīng)用的重要因素之一，實(shí)現(xiàn)影像學(xué)檢測數(shù)據(jù)與軟件的無縫對(duì)接，確保模型的精準(zhǔn)性。

3D打印技術(shù)有望在骨移植物、手術(shù)器械、人工假體置換等方面取得突破性進(jìn)展，成為代替內(nèi)置物的首要選擇。隨著近年來材料技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)的成本也在不斷降低，該技術(shù)的認(rèn)可度明顯上升，可以預(yù)見3D打印技術(shù)將更好地應(yīng)用于因腫瘤、創(chuàng)傷、先天畸形等引起的組織損傷治療中。

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