3D打印在骨科中的应用

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3D打印局限
• 材料的限制:虽然目前可以实现塑料、某些金属或者陶瓷 打印,但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的,尚无法支持 各种材料、特别是生物材料的打印;材料的力学性能也是 目前研究的热点和要点。
• 加快3D生物打印研究与开发:除了研制适合3D打印的生物 材料和“墨水”外,还要研究细胞和生长因子与材料复合 的最佳浓度;打印时如何达到无菌、无热源、保持细胞/ 生物活性因子的活力、维持组织结构完整性等要求。辅以 材料的微米、纳米技术;可根据需要设定特定的孔隙率、 交联;显著提高支架的生物学及力学性能,使其有利于细 胞黏附、增殖、分化,从而促进骨组织生长及骨折愈合, 有助于缩短患者的恢复期,有利于节省患者的医疗成本。
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术中骨盆骨折手术内固定
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实例(三)颈椎肿瘤
• 2016年10月17日,北京大学第三医院(以 下简称「北医三院」)骨科主任刘忠军教 授收治了一位4节颈椎被恶性肿瘤侵犯的重 症患者。刘教授团队给患者实施了全世界 首例4节颈椎切除手术,并给患者安装上全 世界首个大跨度3D打印人工颈椎。
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动物实验中的3D打印微孔内植物切片显微图,可以看到微孔中已经长满了骨组织
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Impossible Objects公司:3D打印的PEEK碳纤维复合材料股 骨柄植入物
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清华长庚医院:完成世界首例高位骶骨整块切除并3D打印假 体重建术
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北京大学第三医院:国内首个获得CFDA批准的金属3D打印椎 体植入物手术
• 急诊予以胸部、骨盆X线片、骨盆CT检查,
• 诊断:骨盆骨折:右耻骨上支骨折、右髋臼骨折
• 讨论决定借助3D打印技术来治疗复杂的骨盆骨折患者,予 以骨盆骨折内固定手术
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术前三维重建骨盆模型
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术前1:1骨盆骨折模拟复位
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术前根据制定的手术方案预弯钢板
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术前模拟手术内固定效果
• 但在特殊情况下,如患者所需内植物太大或太小,或由于 疾病的特殊性无合适商业化产品,或需要与个体解剖结构 更为贴附的内植物以提高手术效果时,则需要个性化定制 假体及内植入物。
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• 目前国内外已经广泛开展了3D打印个性化接骨板、个体化 人工关节假体的临床应用研究。
• 对于关节严重畸形以及特殊部位的骨肿瘤患者,手术方案 的制定非常具有挑战性,如假体型号的选择、假体安放位 置的准确以及畸形的矫正程度等都是术者面临的难题。
• 第 3 步:DICOM 转换 STL(Standard Tessellation Language)格式图像。STL 格式是 3D 打印机识别的格式 。
• 第 4 步:3D 打印过程。精品课件
• 在医学中,图像通常来源于CT扫描。CT扫描产生的DICOM 数据(Digital Imaging and Communications inMedicine医学数字成像和通信)经过计算机处理后得到 三维数据
3D打印在骨科中应用
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3百度文库打印定义
• 3D打印(three-dimensional printing)技术是目前骨科领 域的研究热点,特别是2014年度国内外均相继报道了系列 临床成功应用的典型案例,掀起了一阵“3D骨科热”,引 起了临床医生、相关研究人员及企业的极大兴趣与技术追 踪。
• 3D打印技术即快速成型(rapid prototyping,RP)技术的 一种,它是一种以数字模型文件为基础、以数字技术材料 打印机为载体、采用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通 过逐层打印的方式来构造物体的技术。
• 个体化骨科植入物可保证几何形态的完美匹配,理论上可 保证良好的初始稳定性,改善骨长人,延长假体寿命。
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3D打印技术应用于颈椎间盘突出治疗
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高级阶段:生物打印,人工器官与人工骨骼
• 生物打印是3D 打印技术研究中最前沿的领域,是最具有 价值的技术,其特点在于“墨水”中含细胞和生长因子, 产品经体外和体内培育,形成有生理功能的组织结构。
常规应用钛网+内固定
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3D打印效果
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• 用来替换4节颈椎的3D打印内植物(是不是跟想象中的完 全不一样,做成这样是有原因的,后文会告诉你)。该内 植物通过两端的接头直接固定在第一节和第六节椎骨上。 它的力学强度和与上下椎骨的接触面积,都明显大于传统 的钛网。一段时间后,这个具备人体生理曲度的「海绵状 」微孔钛合金3D打印内植物会被新生的骨组织充满(见下 图),并被各种软组织包被。
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3D打印原理
• 日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物 品,而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同, 只是打印材料不同而已。普通打印机的打印材料是墨水和 纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的 “打印材料”。将打印机与电脑连接后,通过电脑控制可 以把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝 图变成实物。通俗地说,3D打印机是可以“打印”出真实
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1:1模型术前设计
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计算机辅助模拟截骨
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计算机辅助设计桡骨小头假体
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计算机辅助模拟置换后的效果
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• 术前予以关节面测量,根据肘关节假体数 据模拟测量截骨长度,关节面的匹配情况 ,模拟关节术后假体稳定情况以及肘关节 的活动效果,模拟手术指导手术治疗在术 中所见与虚拟三维重建图像及快速成型肘 关节模型及骨折类型非常相似,术前的模 拟手术使手术时间明显缩短,减少了术中失 血。
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3D打印局限
• 个性化定制治疗与规模化制造、群体治疗相兼顾研究:目 前3D打印只是适合一些小规模制造,尤其为高端的定制化 产品;3D打印尚无法应用于大量生产,这与临床的通用化 治疗显然不相适宜,如何兼顾二者进行研究应该是一个方 向。
• 知识产权的保护:采用3D打印技术几乎可以复制所有的医 疗器械,如何保护知识产权、避免产权纠纷,也是我们面 临的问题之一,有待政府部门制定相应的政策法规或指导 原则。
• 同时医生在术前可以在模型上进行模拟手术操作和练习, 对术中内固定物进行预塑形,提高手术操作准确度可以明 显的减少了术中X线的应用次数、节省手术时间。
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3D打印模型流程示意图
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利用3D打印技术制作的全仿真骨折模型
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中级阶段:植入物及假体制作,个性化治疗
• 医学治疗的个性化是21世纪医学发展的方向之一。目前, 标准尺寸的骨科植入物能满足大部分患者需求。
• 国内多家单位亦成功开展了3D打印技术在临床的应用,涵盖了创伤骨 科、关节外科、脊柱外科、足踝外科、骨病与骨肿瘤等亚专科;手术 范围、种类涉及到骨折实体模型打印、复杂骨折辅助复位、内固定及 置入物的选择、3D打印导航模板引导钢钉置入、关节置换辅助手术、 足畸形矫治、辅助颈椎椎板单开门椎管扩大成形术及病变组织切除后 假体植入重建术等。
• 急诊予以右肘部X线片检查,确认患者为右桡骨小头粉碎 性骨折,属于复杂的骨折类型。
• 面对这例难度系数较大的手术,如何保证患者患肢功能, 缩短手术时间,取得良好治疗效果、降低手术风险?经病 例讨论决定,借助3D打印技术来做此复杂的骨折手术,予 以桡骨小头置换术。
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• 患者入院后予以患肢行薄层CT扫描获取病变部位的二维数 据,采用计算机辅助技术行桡骨小头骨折的三维重建解剖 学模型,快速成型制作出与实体1∶1大小的肘关节模型, 并打印出1∶1大小的肘关节模型,依此对桡骨小头骨折做 出明确的诊断、分型,制定手术方案。
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一、初级阶段:打印骨骼模型,辅助手术
• 对于复杂骨折,传统影像学方法难以直观了解骨折情况, 而3D打印的1:1比例的三维实体模型可以更加直观和清晰 ,可以很好的协助医生进行术前诊断,帮助医生了解骨折 的程度、类型及各个骨折块的移位情况,做出明确的术前 诊断,评估术中可能存在的风险,为术中的骨折复位提供 基础。
的3D物体的一种设备,被称之为3D立体打印技术。
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历史
• 3D打印技术出现在20世纪80年代中期,实际上是一种利用 光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。
• 1986年,Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机; • 1993年,麻省理工学院获3D印刷技术专利; • 2011年8月,南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一
• 可以直接“打印”出功能性的人体器官和组织。在骨组织 工程领域,3D 打印技术主要用于制作结构复杂、形状各 异的组织工程支架,甚至打印组织工程人体器官。
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实例应用(一)
• 桡骨头粉碎性骨折
• 患者摔伤右肘关节肿痛、活动受限1小时。查体:右肘部 见皮肤挫擦伤痕,局部肿胀明显,压痛,扪及骨擦感,肘 关节旋转功能障碍,腕指活动良好,指端血运皮肤感觉可
• 图像数据获取 • 数据后处理 • 3D打印
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步骤
• 第 1 步:图像获取,使用最多的是 CT 扫描图像,因为 它应用广泛且具有足够的分辨率。
• 第 2 步:图像处理,即从医学影像 PACS 系统(Picture archiving and communication system)提取所需的部分 进行后处理,包括计算机辅助设计 CAD(Computer-aided design),从而获得需要打印物体的表面信息,得到所需 的 DICOM(Digital imaging and communications in medicine)格式的图像。
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术前模型截骨长度测量
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术前模型模拟截骨
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术前模型截骨后效果
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术前模型截骨后测量
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术前桡骨小头模拟置换效果
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术中截下的骨头
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术中置换完成图片
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术后透视
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实例(二)骨盆骨折
• 运用3D打印1:1骨盆骨折模型能全面、直观 、精确地显示骨盆骨折部位、以及髋臼的 立体形态和各部位解剖结构的空间关系, 对于骨盆骨折的诊断、分型及治疗均有很 强的临床指导作用,可用于制定手术方案 、术前模拟手术,它使骨盆骨折手术更精 确、更可靠、更方便。
架3D打印的飞机;
• 2012年1 1月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印 机打印出人造肝脏组织。
• 目前,3D打印技术已在工业、建筑、汽车、航空航天、口 腔科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支 以及其他领域都有所应用。
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• 国内外骨科早期采用3D打印技术主要用于等比例骨折实体模型的打印 (早期称之为RP技术)。辅助骨折复位、内固定选择、内固定模拟复 位、确定螺钉长度及置入角度,实现了真正意义上的治疗方案个体化
• 然后再根据临床需要,借助CAD软件(Computer Aided Design计算机辅助设计)对3D图像进行修改,获得最终打 印模型的标准格式数据。
• 后处理完成后将数据传输至3D打印机,根据需要选择不同 类型的3D打印技术进行三维物理模型及术中模板的打印。
• 其中,有学者认为CAD计算机辅助设计是3D打印技术的核 心。
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• 患者摔伤致右髋部、左侧胸部等全身多处疼痛1小时。
• 查体:左侧前胸部见挫伤伤痕,局部稍肿胀,压痛,胸廓 挤压征(+),腰肌紧张,腰3.4棘突压痛、叩击痛,腰椎 活动受限;骨盆挤压征(+),分离试验(+),左膝见长 约4cm及3cm挫裂伤口,深达皮下,污染,伤口渗血,未见 肌肉及髌韧带断裂,左手腕、左髋部、左大腿及左膝见挫 擦伤痕,局部肿胀,压痛,双下肢肌力5级,感觉正常
• 另外,3D打印技术在皮肤、骨、软骨、血管等工程化组织构建和面部 、耳、鼻、手等康复体及假肢、支具等,以及实体器官再造(人工肝 、肾、心脏等)等领域均有成功的研究成果和临床应用。
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• 国内2014年4月,由戴魁戎院士和郝永强教授领衔的团队 应用3D打印钛合金假体为1例44岁男性患者成功实施了骨 盆软骨肉瘤切除后假体重建手术;
• 2014年5月以来,郭征教授领衔团队在国际上最先成功的 将3D打印肩胛骨、锁骨钛合金假体应用于骨肿瘤切除后组 织的重建,患者的肢体外形和功能均得到较好恢复;
• 2014年8月刘忠军教授主刀完成世界首例3D打印技术人工 定制枢椎作为脊柱外科内置物,重建病变椎体切除后的稳 定性。
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