3D打印技术在骨科的临床研究进展

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Leabharlann Baidu
实用医院临床杂志 ２０１７ 年 3 月第 １４ 卷第 ２ 期
3Ｄ 打印技术在骨科的临床研究进展
Ｃｌｉｎｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ 3Ｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃｓ
吴 碧１，冯均伟１，２△
ＷＵ Ｂｉ，ＦＥＮＧ Ｊｕｎ-ｗｅｉ
（１．遵义医学院，贵州 遵义 ５６3０００；２．四川省医学科学院· 四川省人民医院骨科，四川 成都 ６１００７２）
【关键词】 3Ｄ 打印；原理；骨科；个体化；导板；替代物
【中图分类号】 Ｒ６８１
【文献标志码】 Ｂ
【文章编号】 １６７２-６１７０（２０１７）０２-０１５０-０４
3Ｄ 打印技术诞生于上世纪 ８０ 年代，从 １９８６ 年 Ｃｈａｒｌｅｓ Ｈｕｌｌ 开发了第一台商业 3Ｄ 打印机，到 ２０１２ 年苏格兰科学家 Ｆａｕｌｋｎｅｒ-Ｊｏｎｅｓ 等［１］ 利用细胞打印 出人造肝脏组织。 3Ｄ 打印技术是一种快速制造技 术（Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ），它融合了计算机 辅助设计、数控技术、新材料技术等当代新兴技术， 可以制作任意复杂几何形状的实体，极大地降低了 结构复杂产品的制造难度，很大程度上提升了生产 效率，具有成型精度高、重复性好、可实现产业化生 产等传统工艺无法比拟的优点［２］ ，正作为一项前沿 的制造技术在医学领域逐渐被重视和推广，主要在 脊柱外科、关节外科、颌面外科等领域得到广泛的应 用，可为临床手术设计提供有效的解决方法［3］ 。 在 骨科临床工作中，个体化、精确化是骨科的一个重要 方向，既往术前只能通过 Ｘ 射线平片、ＣＴ 扫描、ＭＲＩ 成像等影 像 学 手 段 来 进 行 手 术 分 析 及 预 计 手 术 方 式。 但这些影像学资料在拍摄时的一些不可控因素 以及在反映病变位置、严重程度和解剖学畸形方面 缺乏精确性和直观性［４］ 。 若仅靠手术医生的经验 以及术中所见的具体情况，对病变部位判断的偏差 可能直接影响手术的安全性和手术效果。 因此，术 前精确的手术部位定位以及严密的手术方案设计是 实现个体化手术的必要途径。 １ ３Ｄ 打印技术原理及重建要点
3Ｄ 打印技术具备加工精确、制作迅速、无需特 殊模具 等 特 点， 使 个 体 化 假 体 设 计、 制 备 成 为 可 能［２９］ 。 早在 １９７９ 年，由 Ｔｏｎｎｅｒ 等［3０］ 采用聚苯乙烯 为原料，为一位纤维肉瘤的患者构建了骨盆模型，并 以此模型定制了弥补肿瘤切除术后骨盆缺损的金属
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研究者认为 3Ｄ 打印个体化手术导板能满足手术的 个体化需求，在手术中能够准确还原术前设计，不同 3Ｄ 打印模型对骨科复杂手术的指导意义重大，可以 降低手术的难度，减少手术时间。 尹知训等［１９］ 为肘 关节畸形患者设计制作 3Ｄ 打印个性化截骨模板并 引导术 中 三 维 截 骨， 术 后 肘 关 节 畸 形 纠 正 率 为 ９５％。 Ｒａａｉｊｍａａｋｅｒｓ 等［２０］ 应用该技术制作出与股骨 头、股骨颈前表面紧密贴合的置钉导向器，在股骨头 表面置换 中 可 将 假 体 柄 精 确 安 装 在 股 骨 颈 解 剖 轴 上，使假体定位过程变得简单、安装更精确。 陈宣煌 等［２１］ 利用 3Ｄ 打印技术制作的辅助椎弓根螺钉置入 导航模板，也获得了满意的效果。
在全膝关节置换术中，下肢力线是评价人工全 膝关节术成功的重要指标，且满意的下肢力线常需 有丰富手术经验的医生才能完成［２２］ 。 Ｊｅｆｆｅｒｙ 等［２3］ 指出下肢力线偏差如果在±3°之内，术后 １２ 年假体 松动率为 3％，如果下肢力线偏差超过±４°则松动率 增加至 ２４％。 因此，为提高下肢力线重建的精确 性，李伟等［２４］ 对 １６ 具尸体设计制作了与股骨远端 和胫骨近端匹配的个体化钉孔导航模板用于全膝关 节置换手术的截骨定位。 结果表明个体化的手术导 板提高了股骨远端及胫骨近端的截骨精确度，精确 定位股骨远端的旋转轴线，使假体的安放位置更加 准确。 Ａｓｔ 等［２５］ 也通过综述个体化手术导板在全膝 关节置换术中的应用得出，个体化手术导板不仅能 术前确定截骨量、假体旋转、安放位置以及假体大小 等，且术中无需再使用髓内定位或髓外定位导向器， 由此至多能减少 ２１ 个手术步骤，不仅减少了因开髓 腔而导致的失血量增加，也减少了大量的术前准备 时间。 樊庆阳等［２６］ 还通过对 ５ 例膝骨关节炎（ ｋｎｅｅ ｏｓｔｅｏａｒｔｈｒｉｔｉｓ，ＫＯＡ） 合并股骨干骨折畸形愈合的患 者术前进行三维建模后应用 3Ｄ 打印技术打印出患 者膝关节 １ ∶１ 树脂材料模型，并设计制作出截骨 模板及确定膝关节假体规格。 术后膝关节功能改善 明显，未发生感染、深静脉血栓形成等并发症。 也有 研究报道 3Ｄ 打印个体化手术导板的使用相对于传 统器械更容易，更微创，更省时，且准确度更高［２７］ 。 重建的机械轴线更接近于中立位，平均住院日、手术 时间、手术切口长度均有改善［２８］ 。 ４ 个体化替代物打印
内置物。 ２００５ 年，戴尅戎等［3１］ 率先应用 3Ｄ 打印技 术设计打印出人工半骨盆替代物成功进行了首例半 骨盆置换手术。 王臻等［3２］ 应用该技术设计出个体 化钛合金膝关节假体，成功为 １ 例 １４ 岁右股骨下段 骨肉瘤术后复发患儿施行保肢手术。 Ｂｅｎｕｍ 等［33］ 也应用该技术设计制作出股骨髓腔导向器及个体化 股骨假体，为 ２ 例石骨症患者成功施行人工全髋关 节置换术。 与传统标准尺寸的骨科植入物相比，为 患者“量身定制”的 3Ｄ 打印个体化植入物与患者骨 骼匹配更精准，患肢功能恢复更快。 目前研究最多 的个体化假体设计为髋关节、膝关节及骨盆等，但大 多都仅限于研究阶段，应用于临床的仅为少数，其临 床效果仍需进一步的临床实验验证。 ５ ３Ｄ 打印技术在骨科临床应用存在的问题分析
【摘要】 3Ｄ 打印技术作为数字化技术的集中体现，是实现各种骨科手术个体化、精确化的有效手段。 随着基于 ＣＴ、ＭＲＩ
图像的人体组织器官的三维数字化建模技术和 3Ｄ 打印技术的进步，使越来越多的骨科手术向具有高度个性化、精确化和快
速化发展。 本文对 3Ｄ 打印技术在还原重建骨骼模型、个体化手术导板、个体化替代物、存在的问题及展望方面进行综述。
3Ｄ 打印骨科模型的制作主要通过逆向工程原 理（Ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ） 和快速成型技术（ Ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰ） 而实现。 其主要原理是先通过 Ｍｉｍｉｃｓ、ＣＡＤ 等软件进行三维数字化模型的构建，然
【基 金 项 目 】 四 川 省 卫 生 厅 科 研 基 金 资 助 项 目 （ 编 号：
3Ｄ 打印技术是一种新型的快速成型技术，在骨 科手术中具有重要的应用价值。 但骨科个性化的 3Ｄ 打印还面临着以下问题：①经济问题：3Ｄ 打印具 备规模经济的优势，打印机的价格从数万元到上千 万元不等，且相关配套的 ＣＴ、ＭＲＩ 设备以及建模和 逆向工程、ＣＡＤ 等软件，都是一笔不小的费用［3４］ 。 ②材料问题：目前应用较多的材料包括金属、陶瓷、 光敏树脂、石膏等，每种材料的物理性能和理化性质 不同，价格从几百元到几千元不等，且并不都适应临 床需要，文献报道人工关节置换术后 １％的患者出 现明显金属过敏症状，在假体功能良好的患者中，通 过检测发现 ２０％ ～２５％的患者存在金属过敏［3５］ 。 因此选择适合人体特性的金属材料如钛合金，其价 格高达每千克 ２０００ 元左右［3６］ 。 ③生产问题：3Ｄ 打 印技术需要依靠数字技术模型来进行生产，但目前 针对骨科打印临床规划软件很少，且大多数临床医 生不会使用相关设备和软件，因此很多研究者需与 专门的技术人员合作，结合使用多组工程软件才得 以实现某些临床复杂手术的术前规划，但这个过程 耗费时间长，经济费用增加，一定程度地限制了 3Ｄ 打印技术在临床应用。 ④打印精度问题：应用 3Ｄ 打印技术实现骨骼还原重建及设计制作个体化手术 导板均要求 3Ｄ 打印机具有较高的精确性，在高度 还原重建的模型上制备的手术导板才能准确定位， 若术前构建的模型还原度较差，将直接导致手术导 板及个体化替代物的设计存在力学和材料学上的缺 陷，最终使手术失败。 ⑤临床应用问题：在临床实践 中，3Ｄ 打印出的个体化手术导板存在不规则性，在 手术中的固定稳定性较差，为防止使用时导板移动， 需要选择标志性的解剖结构作为参考点及锚定点。 且术前准备时不同打印材料及不同消毒方式对于手 术导板及万个方体数化据替代物的影响也有待进一步研究。
在关节外科中，常需通过植入人工假体来替换 已经发生病变的相应部位，以重建其解剖结构及功 能，但人工假体与手术部位的形态拟合性较差，术前
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无法完全确定假体型号及确切大小，因此术中常需 反复尝试各种型号的假体，加重了局部创伤的同时 也增加了手术时间［２］ 。 3Ｄ 打印骨骼模型不仅具有 高度还原性，同时还能显示出 Ｘ 射线片、ＣＴ 扫描、 ＭＲＩ 成像无法展现的信息。 术前根据模型提供的信 息确定假体的型号及具体大小，更直观化、全面化、 简单化、准确化地制定手术方案，进行术前演练与手 术模拟操作等，进而提高关节外科复杂高难度手术 的成功率，使手术更精确、更安全［７］ 。 Ｗｏｎ 等［８］ 利 用 3Ｄ 打印技术为 ２１ 例伴有严重畸形的髋关节疾 病的患者制订了个体化的手术方案并行人工全髋关 节置换术，术后影像学检查表明假体位置与术前计 划精确吻合，而且手术时间明显缩短。 在创伤骨科 中，利用 3Ｄ 打印技术打印出骨折部位的三维模型， 可在术前对骨折有详尽和全面的了解并做出准确的 诊断和分型，也可在模型上实施模拟手术过程，如骨 折复位、选择合适的内固定物、预弯塑形钢板、确定 螺钉的方向和长度等，通过模拟手术选择不同的手 术方法及调整手术策略，制定出最佳个性化手术方 案 。 ［９ ～１２］ 吴章林等［１3］ 利用术前针对髋臼骨折进行 三维建模和虚拟骨折复位，并在复位模型上优化预 设植入钢板位置和虚拟钉道模拟、测量钉道长度，三 维切割预设植入钢板部位骨块并 3Ｄ 打印，据此进 行钢板折弯。 术后得出折弯钢板模拟植入位置、螺 钉植入方向、长度和虚拟设计高度一致。 李新春［１４］ 等应用 3Ｄ 打印技术打印出 Ｐｉｌｏｎ 骨折模型，并制定 手术方案及模拟手术过程，结论得出术中采用的固 定钢板、螺 钉 数 量 与 螺 钉 长 度 均 与 术 前 计 划 一 致。 3Ｄ 打印技术应用于 Ｐｉｌｏｎ 骨折的治疗临床可行性良 好，有助于术者对 Ｐｉｌｏｎ 骨折的理解和术前计划的制 定。 也有研究报道，在临床教学工作中，将 3Ｄ 打印 模型与临床病例相结合还提高了教学质量，有助于 学生临床技能的培养和胜任力的提升［１５］ ，减少了尸 体标本的使用，节约了尸体标本购买与保存的成本 等。 ３ 个性化手术导板
近年来，3Ｄ 打印技术在骨科领域的发展，使得 手术医生在术前不仅能通过对手术部位进行还原重 建，对解剖形态复杂、需要精确定位的手术进行详细 的术前设计，同时也能根据模型为患者“ 量身定制” 手术导板，有助于提高手术成功率、降低手术难度、 确保患者安全［１６］ 。 目前 3Ｄ 打印个性化手术工具中 最为典型的是手术置钉导板，包括骨盆导板、关节导 板、脊柱导板等［１７］ 。 朱春冀等［１８］ 将 3Ｄ 打印个体化 手术导板应用于骨科复杂手术中，术前打印出骨骼 模型并设万计方相数应据的手术导板，对内置物进行预处理。
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△通讯作万者方数据
后再进行“ 分层制造，逐层堆积”，即将三维模型以 特定的 ＳＴＬ 格式输入 3Ｄ 打印机进行分层制造，形 成二维结构的物质平面，再利用激光束或热熔喷嘴 等方法精确堆积材料、逐层叠加，最终形成产品的三 维结构［５］ 。 目前，在医学研究领域使用最广泛的逆 向工程技术软件有比利时 Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ 公司的 Ｍｉｍｉｃｓ 软件和德国 ＳＩＥＭＥＮＳ 的 ＵＧ ＮＸ 以及美国 3Ｄ Ｓｙｓｔｅｍ 公司的 Ｇｅｏｍａｇｉｃ Ｓｔｕｄｉｏ 软件。 Ｍｉｍｉｃｓ 软件是基 于医学三维 ＣＴ、ＭＲＩ 成像而进行三维重建的软件， 可显示和分割 ＣＴ 等医学图像，并具有良好的图像 编辑功能［６］ 。 ＵＧ ＮＸ 和 Ｇｅｏｍａｇｉｃ Ｓｔｕｄｉｏ 软件属于 ＣＡＤ 软件之一，具有强大的数据处理和编辑功能。 模型重建程序：①对需要建模部位进行三维 ＣＴ 扫 描，以 ＤＩＣＯＭ 格式保存数据，导入 Ｍｉｍｉｃｓ 软件；② 针对所需建模进行 Ｍｉｍｉｃｓ 软件的阈值设定，低密度 的肌肉和软组织阈值偏低，高密度的骨组织阈值较 高，可根据建模部位的需求设定阈值，称为“ 阈值分 割”。 需注意的是在阈值设定时，最低阈值过高会 导致模型过小；最低阈值过小则会导致模型偏大；③ 分割后的图像被不同颜色标记，成为“ 蒙版”，可利 用“ 区域增长”、“ 蒙板编辑”、“ 布尔运算” 等对图像 进行编辑；④对编辑完成后的“ 蒙版” 进行计算，即 生成 3Ｄ 模型，在计算生成 3Ｄ 模型后，可能由于骨 骼与周围组织的各阈值不同，以统一阈值标记重建 后出现一些“ 孔洞” 或“ 钉状物” ，则需要手动逐层修 补处理；⑤处理完成后以 ＳＴＬ 格式保存，导入 3Ｄ 打 印机即可打印出与建模部位高度还原的 3Ｄ 实物模 型。 ２ 术前骨骼模型还原重建