高宗強，張格林，吳　瑋，張凱婧，蘭賓尚

西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨三科，西安 710004

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3D打印技術(shù)在骨科中的應(yīng)用及展望

高宗強，張格林，吳瑋，張凱婧，蘭賓尚

西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院骨三科，西安 710004

主要介紹了3D打印技術(shù)在骨科臨床及教學(xué)中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)3D打印的模具更直觀、形象，可加深學(xué)生對骨折及各種骨科畸形的理解，并能進行手術(shù)演練，在骨科臨床教學(xué)中意義重大。同時，還簡要介紹了最新的谷歌眼鏡及微軟的HoloLens眼鏡在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，指出以3D打印為代表的最新數(shù)字技術(shù)將給醫(yī)學(xué)教育帶來革命性的變化。

3D打??；骨科；谷歌眼鏡；HoloLens眼鏡

2012年4月，英國《經(jīng)濟學(xué)人》發(fā)表專題報告指出，全球工業(yè)正在經(jīng)歷以3D打印為重要標(biāo)志的第三次工業(yè)革命［1］。3D打印與普通打印工作原理基本類似，打印機內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終形成實物。

目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于醫(yī)學(xué)影像學(xué)革命性的發(fā)展，多排螺旋CT、MRI、正電子發(fā)射計算機斷層顯像（PET）等無創(chuàng)診斷技術(shù)的涌現(xiàn)，使得影像學(xué)診斷更加容易、可靠。依賴于專業(yè)軟件，CT、MRI影像資料可迅速、簡便地轉(zhuǎn)化為三維立體圖像。然而，平面顯示的三維圖像并不能給人直觀、立體的感覺，3D打印技術(shù)很好地解決了這個問題?，F(xiàn)在無需機械加工、裝配及其他模具，可直接根據(jù)計算機設(shè)計的三維圖形數(shù)據(jù)“打印”出任何形狀、結(jié)構(gòu)的物品，極大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)周期，降低了成本。從20世紀(jì)90年代開始，經(jīng)過二三十年的迅猛發(fā)展，目前3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、制造、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要在顱頜面外科、牙科、骨科手術(shù)中得到逐步應(yīng)用及發(fā)展。

1　3D打印技術(shù)目前在骨科臨床中的應(yīng)用

1.1制作模具，有利于術(shù)前策劃

1.1.1可以制作模型，實現(xiàn)影像資料從二維到三維立體的轉(zhuǎn)變，提高醫(yī)師對疾病的直觀認(rèn)識 目前，臨床常用的X線、CT或MRI都只是二維照片，三維重建CT盡管是立體的影像，但也僅僅是在膠片上體現(xiàn)。目前的3D打印技術(shù)，主要是根據(jù)患者三維重建CT的影像學(xué)資料，應(yīng)用Mimics等專業(yè)軟件進行圖像處理，轉(zhuǎn)化制作為3D圖像，連接3D打印機可直接、精確地打印患者手術(shù)區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)。與三維數(shù)字模型相比，3D打印的實物模型更加直觀，提供了比醫(yī)學(xué)影像資料更加詳細的解剖學(xué)信息，實現(xiàn)了由二維到三維、由平面到立體、虛擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變?？稍谛g(shù)前給醫(yī)師提供一個更加直觀、立體的對疾病的認(rèn)識，且對病變部位的解剖結(jié)構(gòu)、包括為患者解釋病情，也更加形象、直觀。

1.1.2制定更加詳細的手術(shù)方案 醫(yī)師可直接在此模型上進行手術(shù)設(shè)計及模擬，為臨床疾病的診斷及治療提供精確化、個性化的新型思路和方法，從而縮短手術(shù)時間，提高手術(shù)成功率。

Hurson等［2］通過研究12例髖臼骨折患者，認(rèn)為采用3D打印技術(shù)制備的髖臼骨折模型有利于對骨折分類，進一步完善術(shù)前計劃。此外，這些骨折模型還可用于培訓(xùn)年輕醫(yī)師、醫(yī)學(xué)生及護士。Sanghera等［3］研究了3D打印技術(shù)在骨科、牙科及顱頜面外科的應(yīng)用，他們認(rèn)為該技術(shù)在疾病診斷及手術(shù)方案制定方面非常有價值。

1.2手術(shù)輔助器械的應(yīng)用

可以根據(jù)手術(shù)區(qū)域及手術(shù)目的，借助計算機輔助技術(shù)設(shè)計，然后利用3D打印技術(shù)快速制作術(shù)中導(dǎo)航模板，為術(shù)中骨折復(fù)位、確定釘?shù)婪较?、骨折畸形愈合矯形截骨的大小及角度等提供有效的幫助。手術(shù)操作準(zhǔn)確度的提高也明顯減少了術(shù)中X線的曝光次數(shù)，減少對醫(yī)護人員的射線損害。有利于術(shù)前根據(jù)健側(cè)的生理解剖結(jié)構(gòu)來預(yù)彎鋼板，減少術(shù)中操作時間。

Brown［4］將快速制作的導(dǎo)航模板應(yīng)用于107位骨折患者的結(jié)果表明，應(yīng)用效果良好，其精確度令人滿意。手術(shù)最終的鋼板位置及螺釘方向與術(shù)前設(shè)計幾乎完全相同。Bagaria等［5］將術(shù)中導(dǎo)航模板應(yīng)用于4例復(fù)雜骨折，包括骨盆、髓臼及股骨內(nèi)側(cè)髁的骨折。結(jié)果顯示，導(dǎo)航模板有助于術(shù)中骨折的解剖復(fù)位并相應(yīng)的縮短手術(shù)時間，減少術(shù)中出血及麻醉藥物的應(yīng)用。Tricot［6］的報道均證實個性化的截骨矯形模板應(yīng)用于肱骨遠端骨折畸形愈合的治療，可以精確地指導(dǎo)截骨的大小及角度。術(shù)后隨訪顯示矯形效果良好。

1.3個性化定制假體

3D打印技術(shù)還可應(yīng)用于骨科假體與內(nèi)植物的設(shè)計及制作，即根據(jù)患者實際情況定制個性化、特殊需求的假體及內(nèi)植物，以滿足患者的個體化需求。目前，標(biāo)準(zhǔn)大小及形狀的假體、鋼板及螺釘?shù)葍?nèi)植物能滿足絕大部分患者的臨床需求。但在特殊情況下，因患者的病情需要，如腫瘤患者截肢，經(jīng)常需要個性化定制假體及內(nèi)植物。

戴尅戎等［7］將3D打印技術(shù)應(yīng)用于骨盆腫瘤患者，在打印的骨盆模型上切除半骨盆，然后設(shè)計個性化人工半骨盆假體，取得了滿意的臨床效果。Harrysson等［8］將3D打印技術(shù)應(yīng)用于特殊病例半髖假體的設(shè)計；王臻等［9］將3D打印技術(shù)制備的個性化半膝假體應(yīng)用于脛骨近端腫瘤患者。

西京醫(yī)院在2014年已成功地將3D打印的金屬肩胛骨和鎖骨假體應(yīng)用于臨床。2014年8月，北醫(yī)三院劉忠軍教授做了世界首例3D打印的人工椎體置換，西安交大二院也已將3D打印的寰樞椎鋼板及人工寰樞椎應(yīng)用于臨床。

2　3D打印在骨科臨床教學(xué)中的應(yīng)用

2.1制作骨性模具，更直觀、形象地進行骨科臨床帶教及課題教學(xué)

目前，骨科應(yīng)用最多的還是3D打印的骨性模具，對于臨床上的骨盆骨折，復(fù)雜的關(guān)節(jié)面骨折，目前的X線及三維重建CT仍有一定的局限性，即便是高年資的骨科?？漆t(yī)師閱片時仍不全面，更不要說臨床上的本科、研究生及低年資骨科醫(yī)師了。但是，當(dāng)面對一個三維立體模具，那么教學(xué)工作就簡單了很多。而且，如果醫(yī)師能搜集來骨盆骨折所有分型的模具，那么學(xué)生學(xué)習(xí)時就會一目了然、過目難忘。圖1是一例門診四肢麻木的患者，行頸椎MRI檢查時筆者感覺寰樞椎附近有畸形，行三維重建CT檢查，見寰樞椎確實有畸形，在制作了3D打印標(biāo)本后，才發(fā)現(xiàn)除了椎管內(nèi)有畸形，寰椎還有峽部裂，3D打印制作的模具更形象、更直觀地顯示骨折及骨骼的具體形態(tài)，有利于對學(xué)生的教學(xué)以及低年資醫(yī)師的培養(yǎng)。

圖1　一例顱底畸形患者的影像資料及3D打印模具

2.2有利于學(xué)生及低年資醫(yī)師術(shù)前演練

臨床上5、7、8年制的學(xué)生、研究生、規(guī)培生，層次不一，對于學(xué)生來說，可能有個直觀影像即達到了教學(xué)目的。但對于?？频难芯可?、博士生及規(guī)培生來說，制作的骨科模具能讓他們預(yù)先選擇術(shù)中的鈦板長度，螺釘?shù)拈L度，并且可在模具上進行一定的手術(shù)演練，這對他們臨床技能的提高有著決定性的意義。如果一個年輕醫(yī)師能術(shù)前在模具上模擬操作手術(shù)數(shù)次，那么，當(dāng)他真正上臺手術(shù)時心里會更有把握，手術(shù)成功的幾率也大大提升。圖2是Dr.Ryan Meineke［10］在3D打印模具上進行演示。

圖2　在3D打印的模具上進行手術(shù)演示

3　3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景

目前，普通的3D打印機打印速度還是比較慢，制作一個標(biāo)本比較費時。隨著技術(shù)的不斷改進，打印標(biāo)本的時間不斷縮短，那么我們可以大膽地設(shè)想一下，有朝一日患者拍片時，也許最終會拿回一個3D標(biāo)本，可以了解骨折情況，或者骨骼所出現(xiàn)的問題。

再者，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，也可以由臨床醫(yī)師自己搜集、整理或者建立一個集中的數(shù)據(jù)平臺。到那時，如果講到了髖臼骨折，只需要下載相應(yīng)數(shù)據(jù)并將其直接打印出來，就能得到該骨折的各種分型的模型，我們能隨時制作各種教學(xué)模具。講到哪部分骨折或特殊的發(fā)育畸形，只要數(shù)據(jù)庫里有相應(yīng)的CT數(shù)據(jù)，無論任何人在任何一個終端都可方便打印用以教學(xué)。

3D打印將虛擬的數(shù)字技術(shù)與現(xiàn)實完美結(jié)合，已經(jīng)逐步在骨科臨床和教學(xué)中應(yīng)用，也逐步改變著醫(yī)療模式。下一步，在更廣闊的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，3D打印等數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用將會更普遍。在目前，除了3D打印外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）也許又會給我們的臨床和醫(yī)學(xué)教育帶來一場革命，是由計算機生成的、實時動態(tài)的三維立體逼真圖像?？梢杂扇说念^部轉(zhuǎn)動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作來操作，感知除了常見的視覺圖像外，操作者還可以感知聽覺、觸覺、力覺、運動，等，甚至包括嗅覺和味覺。其中，最具代表性的產(chǎn)品就是谷歌眼鏡和微軟Holens眼鏡。

4　其他數(shù)字技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

4.1谷歌眼鏡

谷歌眼鏡具有類似傳統(tǒng)眼鏡的外形，鏡架中內(nèi)置微型處理器，有攝像頭、微型麥克風(fēng)、可連接WIFI和藍牙。Glass操作簡單，其最大的突破在于不使用雙手而僅用語音指令即可完成拍照、錄像、上網(wǎng)等一切操作，這非常適用于手術(shù)臺上的外科醫(yī)師［11］。2013年2月，在美國地區(qū)開展的體驗計劃中，Glass在外科領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了良好的反饋，主刀醫(yī)師通過將患者的影像資料隨時調(diào)至虛擬顯示屏，或者遇到復(fù)雜的病例時，主刀醫(yī)師可將患者目前的手術(shù)情況及手術(shù)視野隨時錄像，實時上網(wǎng)傳輸，高年資醫(yī)師可以遠距離隨時指導(dǎo)手術(shù)或者請相關(guān)?？漆t(yī)師遠程會診。這點對于臨床教學(xué)就更實用了。手術(shù)室因為無菌條件的限制，現(xiàn)場觀摩人員有限，并且有些較深部位的手術(shù)，也許僅僅主刀醫(yī)師一個人能清晰看見手術(shù)視野。目前的視頻傳輸裝備多在無影燈上，手術(shù)醫(yī)師多會有遮擋，而如果將攝像頭裝在眼鏡上，可有效避免這些弊端，能清晰、有效地將手術(shù)視頻傳輸出去用于臨床手術(shù)教學(xué)。低年資醫(yī)師也許可現(xiàn)場調(diào)出手術(shù)圖譜或解剖圖譜用于對照學(xué)習(xí)。這種對比學(xué)習(xí)的效果肯定比單純課堂教學(xué)要深刻的多。圖3［12-13］是其他一些谷歌眼鏡在骨科手術(shù)中的應(yīng)用示例。

圖3　Glass眼鏡在骨科手術(shù)中的應(yīng)用

4.2HoloLens全息眼鏡

去年初在微軟Build 2015大會上，微軟為大家展示了HoloLens全息眼鏡。簡單說，Hololens是一套在現(xiàn)實場景中顯示全息圖像的設(shè)備，而這些全息圖像是可以被使用者用手勢控制和互動的。圖4［14］中微軟展示了凱斯西儲大學(xué)如何使用HoloLens來教授醫(yī)學(xué)課程。在HoloLens的幫助下，教授和學(xué)生不必觀察尸體，而是直接在懸浮于空中的3D解剖模型旁邊來回走動以了解骨骼、肌肉和器官在人體當(dāng)中的解剖結(jié)構(gòu)，可以用手勢放大縮小，可以將骨骼、血管、神經(jīng)分開，可以選取任意器官進行進一步細化，甚至還能看到正在跳動的心臟。此外，HoloLens還能通過模擬程序讓醫(yī)學(xué)生進行練習(xí)。使用了AR技術(shù)則是將虛擬世界與真實世界相結(jié)合，實現(xiàn)對真實世界的增強感，使用者在看到虛擬事物的同時，也可以看到周圍真實的世界，將二者完美結(jié)合［11］。

圖4　通過Holens眼鏡學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)課程

視頻帶來的震撼不禁讓人們對未來充滿了期待，那時候?qū)o我們的醫(yī)學(xué)教育帶來一場革命，學(xué)生學(xué)習(xí)系解、局解，完全擺脫了各種限制，隨時隨地的學(xué)習(xí)。外科手術(shù)前，主刀醫(yī)師及學(xué)生可以隨時復(fù)習(xí)一下解剖、甚至在術(shù)前可以再次學(xué)習(xí)，如果能把該患者的影像資料前期輸入制作好的話，那么主刀醫(yī)師也許可以佩戴頭戴設(shè)備，將圖像與現(xiàn)實人體完美重合。那么醫(yī)師在看到患者實體和虛擬圖像時，手術(shù)速度將大大加快、安全性也大幅提高，對整個人類該是多么有意義的事情。

科技引領(lǐng)人類未來，在數(shù)字化、大數(shù)據(jù)時代，在科技日新月異的今天，以3D打印為標(biāo)志的數(shù)字技術(shù)也許會為我們帶來一場技術(shù)革命。同樣，醫(yī)學(xué)教育模式也會不斷地變革，我們必須不斷地更新觀念，積極學(xué)習(xí)各種新生事物，才能培養(yǎng)出更合格、更杰出的醫(yī)學(xué)人才。

［1］王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟縱橫，2013（1）：90-93

［2］Hurson C，Tansey A，O'Donnchadha B，et al.Rapid prototyping in the assessment，classification and preoperative planning of acetabular fractures［J］.Injury，2007，38（10）：1158-1162

［3］羅強，劉德榮，方欣碩，等.3D打印技術(shù)在矯形外科的應(yīng)用［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2014（3）：268-271

［4］Brown GA，F(xiàn)iroozbakhsh K，DeCoster TA，et al.Rapid prototyping：the future of trauma surgery［J］.JBone Joint Surg Am，2003，85-A Suppl（4）：49-55

［5］Bagaria V，Deshpande S，Rasalkar DD，et al.Use of rapid prototyping and three-dimensional reconstructionmodeling in the management of complex fractures［J］.Eur JRadiol，2011，80（3）：814-820

［6］TricotM，Duy KT，Docquier PL.3D-corrective osteotomy using surgical guides for posttraumatic distal humeral deformity［J］.Acta Orthop Belg，2012，78（4）：538-542

［7］戴尅戎，朱振安，孫月華，等.計算機輔助個體化人工半骨盆的設(shè)計與應(yīng)用［J］.中華骨科雜志，2005（5）：258-262

［8］Harrysson OL，Hosni YA，Nayfeh JF.Custom-designed orthopedic implants evaluated using finite element analysis of patient-specific computed tomography data：femoral-component case study［J］.BMCMusculoskelet Disord，2007（8）：91

［9］王臻，滕勇，李滌塵，等.基于快速成型的個體化人工半膝關(guān)節(jié)的研制—計算機輔助設(shè)計與制造［J］.中國修復(fù)重建外科雜志，2004（5）：347-351

［10］Sisson P.3D printing upgrades joint replacement［EB/OL］. http：//www.sandiegouniontribune.com/news/2015/jul/14/3dprinting-orthopedic/，2015-06-14

［11］宗淙.微軟全息眼鏡HoloLens VS谷歌眼鏡：截然不同［J］.中國信息化，2015（2）：17-18

［12］Loubriel A.Google Glass Used During Surgery［EB/OL］.http：//guardianlv.com/2014/06/google-glass-used-during-surgery/，2014-06-04

［13］Rosenblatt S.Google Glass enters operating room at Stanford［EB/OL］.http：//www.cnet.com/news/google-glass-entersoperating-room-at-stanford/，2014-06-30

［14］Alhadeff E.Holographic Computing Transforming The Way Medical Students Learn［EB/OL］.https：//www.linkedin. com/pulse/holographic-computing-transforming-way-medicallearn-eliane-alhadeff，2015-07-21

App lication and p rospect of 3D p rinting technology in orthopedics

Gao Zongqiang，Zhang Gelin，Wu Wei，Zhang Kaijing，Lan Binshang
Department Three of Orthopedics，the Second Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710004，China

The article discusses3D printing technology applied in orthopedics clinical practice and teaching.We find that 3D printed molds are more intuitive and vivid.Therefore，they can deepen students'understanding of fracture and a variety of orthopedic deformities and perform operations，thus being of great significance in orthopedic teaching.The paper also gives a brief update of Google glasses and Microsoft HoloLens glasses applied in medical teaching.It points out that the latest digital technologies represented by 3D printing will bring revolutionary transformation tomedical education.

3D printing；orthopedics；Google glasses；HoloLens glasses

R-058；G642.0

A

1004-5287（2016）03-0252-04

10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201603005

該項目得到西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院新技術(shù)、新療法“3D打印在骨科中的應(yīng)用”資助，并得到陜西省科技統(tǒng)籌項目（2015KTCQ03-01）；西安交通大學(xué)重點學(xué)科交叉項目（xkjc2013006）的資助。

2016-03-03

高宗強（1975-），男，陜西鳳翔人，副主任醫(yī)師，博士，主要研究方向:關(guān)節(jié)軟骨損傷退變與修復(fù)。

蘭賓尚（1956-），男，西安人，主任醫(yī)師，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向:脊柱退行性疾患及先天性脊髓縱裂。

電話:029-87679620；E-mail:LBS526@126.com