郭昱，肖東民，蔣鋒

南華大學(xué)附屬永州市中心醫(yī)院，湖南永州 425000

3D打印技術(shù)在骨科個體化治療的應(yīng)用

郭昱，肖東民，蔣鋒

南華大學(xué)附屬永州市中心醫(yī)院，湖南永州 425000

“3D打印”的出現(xiàn)使人類的奇思妙想不斷變成現(xiàn)實，3D打印技術(shù)在航空航天、電子制造、醫(yī)療等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用空間。該文就3D打印原理及在骨科個體化治療中的應(yīng)用進行綜述。

3D打?。粋€體化治療；先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良

3D打印又稱增材制造，是在計算機的控制下，一種結(jié)合計算機輔助設(shè)計和計算機輔助制造（CAD/CAM）、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、高分子材料、三維CT技術(shù)等多領(lǐng)域為一體的快速成型技術(shù)[1]。它與一般打印機工作原理基本相似，“分層制造，逐層疊加"是其核心原理[2]，具體的說就是在類似打印機的裝置內(nèi)裝有不同形態(tài)的"打印材料”，再通過CT三維成像數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機3D建模轉(zhuǎn)換后，利用三維計算機輔助設(shè)計的數(shù)據(jù)模型控制把"打印材料"層層疊加起來，最終把計算機上的三維數(shù)據(jù)變成實物。

1 3D打印在骨科的應(yīng)用

從20世紀(jì)70年代就有研究人員著手研究人體各組織三維數(shù)字化技術(shù)，特別是在骨組織外科中，由于骨組織的解剖復(fù)雜，骨損傷狀態(tài)也各不相同，用于骨缺損修復(fù)的植入物也只能是個體化的[3-4]。以往，術(shù)前通過常規(guī)方法如X線、CT等對患者骨骼形態(tài)進行準(zhǔn)確的三維測定比較麻煩且精確度不高，而今天，根據(jù)3D打印技術(shù)打印出患骨的模型使臨床醫(yī)師對骨骼的精準(zhǔn)三維測量成為可能。

目前對3D打印技術(shù)在創(chuàng)傷骨科的應(yīng)用的報道較多。由于創(chuàng)傷骨科面對的病人大多是因暴力引起全身各個部分骨折，術(shù)者在缺乏直視的情況，僅憑臨床經(jīng)驗和X線或CT輔助下很難做到對骨折斷端的解剖復(fù)位及精確牢靠穩(wěn)定的固定。例如在對股骨頸骨折患者行股骨頸骨折閉合復(fù)位及空心加壓螺釘內(nèi)固定術(shù)中，稍不注意便會出現(xiàn)螺釘進入髖關(guān)節(jié)腔的情況[5]；為了獲得清楚的術(shù)野，采取較大的手術(shù)切口，同時也增加了術(shù)后感染及其它并發(fā)癥的幾率。盡管目前有計算機導(dǎo)航技術(shù)可提高術(shù)中操作的精準(zhǔn)及安全度[6]，但是其操作的復(fù)雜性及昂貴的使用價格使之難以得到廣泛運用。3D打印技術(shù)明顯可以填補這一空白，通過制作打印成1∶1的模型,立體呈現(xiàn)了骨折的原始結(jié)構(gòu)，根據(jù)3D打印制作出的骨折模型不但可以幫助醫(yī)生快速、簡潔、準(zhǔn)確地找出最合適的手術(shù)入路，選擇合適的置入物，還可提前在等大的模型上進行評估、預(yù)彎及安裝測試,增加了手術(shù)成功率,提高了骨傷疾病的治愈率[2]。

在脊柱手術(shù)中，最關(guān)鍵的是置釘方向和各種螺釘長度規(guī)格的選擇，以及如何減少手術(shù)并發(fā)癥。頸椎的椎弓根細小，置釘風(fēng)險大，可能導(dǎo)致截癱等嚴(yán)重的后果。近期有報道稱在脊柱手術(shù)中利用3D打印技術(shù)制造的鉆孔導(dǎo)板輔助下進行椎弓根螺釘置入，使手術(shù)操作變得簡便的同時也極大增加了手術(shù)的精確度。術(shù)前可直接找到契合患者的螺釘尺寸及設(shè)計螺釘置入的軌道，減少螺釘?shù)钠x[7-8]，特別是對于脊柱側(cè)彎的患者，依據(jù)3D打印的數(shù)據(jù)和模型，不僅可以準(zhǔn)確指導(dǎo)置釘角度及長度規(guī)格的選擇，還可直接測量患者脊柱畸形的角度、方向，設(shè)定螺釘置入的最佳位置、順序及節(jié)段，縮短了手術(shù)時間、減少醫(yī)生及患者的輻射量、降低了置釘穿孔方向的錯誤率、提高了手術(shù)的成功率、增加了術(shù)后患者恢復(fù)的程度[9-11]。

2 3D打印在先天性髖關(guān)節(jié)脫位治療的應(yīng)用

先天性的髖關(guān)節(jié)的脫位,又稱“發(fā)育性髖關(guān)節(jié)脫位”或“發(fā)育性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(displasia dislocation of the hip, DDH)”。在我國，這一畸形并不少見，大多患者在出生時較少有明顯體征。如漏診后，長期延誤診治，可導(dǎo)致不可逆骨性的關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)與不同程度的殘疾，并且隨著時間推移，患者髖關(guān)節(jié)及大腿的周圍會出現(xiàn)疼痛,導(dǎo)致跛行的概率也會增加,更嚴(yán)重的會使得脊柱出現(xiàn)畸形甚至疼痛等，常需要實施“人工全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)”進行治療[12-14]。因為DDH的患髖長期的處在病理的一個形態(tài)，其必然會出現(xiàn)并伴隨著一些解剖形態(tài)上的改變，使手術(shù)過程變得更加復(fù)雜，所以髖臼形態(tài)改變和股骨解剖異常增加了THA的操作難度。因此，要建立一個真正同心圓復(fù)位的、位于真臼中的、穩(wěn)定牢靠的、活動良好的髖關(guān)節(jié)，并避免術(shù)后再發(fā)脫位等并發(fā)癥的發(fā)生，這就需要在行THA前對患者的異常解剖位置予以高度的重視；因此全面認識患髖的畸形程度、對其準(zhǔn)確定位及精確旋轉(zhuǎn)髖臼以期達到良好覆蓋就顯得非常重要[15]。通常，傳統(tǒng)的骨科手術(shù)術(shù)前大多是通過骨盆前后位片或者CT斷層數(shù)據(jù)等其他常規(guī)檢查方法來評估患髖的畸形情況，由于常規(guī)的檢查方法并沒有體現(xiàn)出三維要素，使得骨骼的三維幾何形態(tài)的異常難以完全極致的表現(xiàn)出來，從而產(chǎn)生了評估畸形的誤差，并且主刀醫(yī)生的經(jīng)驗和術(shù)中透視不僅耗時，而且術(shù)前規(guī)劃與術(shù)中操作缺乏直接的鏈接，僅依靠類似股骨大小轉(zhuǎn)子等解剖學(xué)標(biāo)志及術(shù)前常規(guī)檢查，難以達到術(shù)前規(guī)劃的要求及術(shù)后期望的手術(shù)效果。

基于以上原因以及無法避免的個性化的需求，可利用3D打印的技術(shù)來制備人工關(guān)節(jié)，根據(jù)患者的CT數(shù)據(jù)提取骨關(guān)節(jié)的三維輪廓數(shù)據(jù),通過計算機輔助設(shè)計，將得到的3D模型進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，用3D打印機制出模型后予以修整、拋光后獲得理想的個性化人工關(guān)節(jié)模型，再經(jīng)過一系列復(fù)雜的工業(yè)技術(shù)制造加工后，最終獲得理想的關(guān)節(jié)模型。最近就有研究對8例發(fā)育性髖脫位術(shù)后再脫位患兒行CT掃描獲取病變部位的二維數(shù)據(jù)，進行三維重建，快速成型制作出與實體1:1太小的骨盆模型，對骨盆模型術(shù)前制定手術(shù)方案，手術(shù)規(guī)劃和模擬手術(shù)，指導(dǎo)手術(shù)治療，結(jié)果術(shù)中所見與虛擬三維重建圖像及3 D打印骨盆模型一致，減少了手術(shù)操作時間，手術(shù)效果更好[16]。通過3D打印技術(shù)制作與實體等大的患骨模型，為醫(yī)師提供直觀實物來了解病理解剖異常，針對不同的病理解剖改變，擬定個體化手術(shù)治療方案，縮短了手術(shù)時間，同時也提高手術(shù)效率機安全性，使手術(shù)更為客觀、精確。

3 展望

隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用和研究的不斷進步，并與骨科醫(yī)療產(chǎn)品相結(jié)合，可使所制備的骨缺損組織修復(fù)體和人體相接近，也可使骨組織工程支架所用材料種類、微觀結(jié)構(gòu)等各方面更加接近于人體正常骨骼，使其在生理機能、力學(xué)性能，都與人體骨骼保持高度一致，有望實現(xiàn)個性化治療的目標(biāo)。

目前在個體化人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)的開展、在術(shù)中更貼合運用個體化接骨板、個體化骨盆修復(fù)臨床手術(shù)中等各項醫(yī)療的進步，3D打印技術(shù)均得到廣泛應(yīng)用，并且隨著計算機輔助設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展，在臨床中日益推廣[4]。近日，誕生了一種直接利用液體介質(zhì)料進行3D打印的全新的3D打印方法，它不用像過去那樣費時費力地進行逐層堆砌，并且這項科技較前固態(tài)3D打印速度提高了25～100倍，還能打造出以前無法實現(xiàn)的幾何形狀，為醫(yī)療保健和醫(yī)藥領(lǐng)域、甚至汽車和航空等主要工業(yè)領(lǐng)域賦予了創(chuàng)新機遇。

3D打印技術(shù)優(yōu)點甚多，但由于技術(shù)和設(shè)備上的問題，目前還沒有普遍應(yīng)用?，F(xiàn)階段3D打印對材料要求極高、很多骨科常用材料或性能優(yōu)良的材料還不能直接打印，并且3D打印設(shè)備昂貴,導(dǎo)致個性化人工骨費用高,暫時難于普及，而且對于3D打印設(shè)備的研發(fā)也是此領(lǐng)域急需突破的研究熱點。雖然該技術(shù)和研究存在局限性及不足，但是隨著3D打印在各大學(xué)、研究機構(gòu)和各公司大力開發(fā)支持下，這些問題在未來的發(fā)展中會逐漸解決。3D打印目前逐漸形成極具市場潛力的新興產(chǎn)業(yè)，不久的將來，3D打印技術(shù)會在骨科疾病治療中得到普及，將為人類帶來更好的生活。

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3D Printing Technology Applied in the Orthopedic Individualized Treatment

GUO Yu，XIAO Dong-min，JIANG Feng
Yongzhou City Center Hospital Affiliated to Nanhua University，Yongzhou，Hunan Province，425000 China

"3D print"the emergence of human whimsy continuously into reality,3D printing technology in the aerospace, electronics manufacturing,medical and other fields have a huge application space.The article on 3D printing and the application in orthopedics individualized therapy were reviewed.

3D printing；Individualized treatment；Displasia dislocation of the hip（DDH）

R68

A

1672-5654（2015）12（b）-0105-03

2015-00-00）

10.16659/j.cnki.1672-5654.2015.35.105

郭昱（1990.10-），男，湖南永州人，南華大學(xué)在讀研究生，研究方向：骨科。