3D打印技術在骨科個體化治療的應用

郭昱，肖東民，蔣鋒

南華大學附屬永州市中心醫院，湖南永州 425000

3D打印技術在骨科個體化治療的應用

郭昱，肖東民，蔣鋒

南華大學附屬永州市中心醫院，湖南永州 425000

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

3D打??；個體化治療；先天性髖關節發育不良

3D打印又稱增材制造，是在計算機的控制下，一種結合計算機輔助設計和計算機輔助制造（CAD/CAM）、數控技術、激光技術、高分子材料、三維CT技術等多領域為一體的快速成型技術[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裝有不同形態的"打印材料”，再通過CT三維成像數據，經計算機3D建模轉換后，利用三維計算機輔助設計的數據模型控制把"打印材料"層層疊加起來，最終把計算機上的三維數據變成實物。

1 3D打印在骨科的應用

從20世紀70年代就有研究人員著手研究人體各組織三維數字化技術，特別是在骨組織外科中，由于骨組織的解剖復雜，骨損傷狀態也各不相同，用于骨缺損修復的植入物也只能是個體化的[3-4]。以往，術前通過常規方法如X線、CT等對患者骨骼形態進行準確的三維測定比較麻煩且精確度不高，而今天，根據3D打印技術打印出患骨的模型使臨床醫師對骨骼的精準三維測量成為可能。

目前對3D打印技術在創傷骨科的應用的報道較多。由于創傷骨科面對的病人大多是因暴力引起全身各個部分骨折，術者在缺乏直視的情況，僅憑臨床經驗和X線或CT輔助下很難做到對骨折斷端的解剖復位及精確牢靠穩定的固定。例如在對股骨頸骨折患者行股骨頸骨折閉合復位及空心加壓螺釘內固定術中，稍不注意便會出現螺釘進入髖關節腔的情況[5]；為了獲得清楚的術野，采取較大的手術切口，同時也增加了術后感染及其它并發癥的幾率。盡管目前有計算機導航技術可提高術中操作的精準及安全度[6]，但是其操作的復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,立體呈現了骨折的原始結構，根據3D打印制作出的骨折模型不但可以幫助醫生快速、簡潔、準確地找出最合適的手術入路，選擇合適的置入物，還可提前在等大的模型上進行評估、預彎及安裝測試,增加了手術成功率,提高了骨傷疾病的治愈率[2]。

在脊柱手術中，最關鍵的是置釘方向和各種螺釘長度規格的選擇，以及如何減少手術并發癥。頸椎的椎弓根細小，置釘風險大，可能導致截癱等嚴重的后果。近期有報道稱在脊柱手術中利用3D打印技術制造的鉆孔導板輔助下進行椎弓根螺釘置入，使手術操作變得簡便的同時也極大增加了手術的精確度。術前可直接找到契合患者的螺釘尺寸及設計螺釘置入的軌道，減少螺釘的偏離[7-8]，特別是對于脊柱側彎的患者，依據3D打印的數據和模型，不僅可以準確指導置釘角度及長度規格的選擇，還可直接測量患者脊柱畸形的角度、方向，設定螺釘置入的最佳位置、順序及節段，縮短了手術時間、減少醫生及患者的輻射量、降低了置釘穿孔方向的錯誤率、提高了手術的成功率、增加了術后患者恢復的程度[9-11]。

2 3D打印在先天性髖關節脫位治療的應用

先天性的髖關節的脫位,又稱“發育性髖關節脫位”或“發育性髖關節發育不良(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，可導致不可逆骨性的關節炎(osteoarthritis，OA)與不同程度的殘疾，并且隨著時間推移，患者髖關節及大腿的周圍會出現疼痛,導致跛行的概率也會增加,更嚴重的會使得脊柱出現畸形甚至疼痛等，常需要實施“人工全髖關節置換手術”進行治療[12-14]。因為DDH的患髖長期的處在病理的一個形態，其必然會出現并伴隨著一些解剖形態上的改變，使手術過程變得更加復雜，所以髖臼形態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位的、位于真臼中的、穩定牢靠的、活動良好的髖關節，并避免術后再發脫位等并發癥的發生，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、對其準確定位及精確旋轉髖臼以期達到良好覆蓋就顯得非常重要[15]。通常，傳統的骨科手術術前大多是通過骨盆前后位片或者CT斷層數據等其他常規檢查方法來評估患髖的畸形情況，由于常規的檢查方法并沒有體現出三維要素，使得骨骼的三維幾何形態的異常難以完全極致的表現出來，從而產生了評估畸形的誤差，并且主刀醫生的經驗和術中透視不僅耗時，而且術前規劃與術中操作缺乏直接的鏈接，僅依靠類似股骨大小轉子等解剖學標志及術前常規檢查，難以達到術前規劃的要求及術后期望的手術效果。

基于以上原因以及無法避免的個性化的需求，可利用3D打印的技術來制備人工關節，根據患者的CT數據提取骨關節的三維輪廓數據,通過計算機輔助設計，將得到的3D模型進行數據格式轉換，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節模型，再經過一系列復雜的工業技術制造加工后，最終獲得理想的關節模型。最近就有研究對8例發育性髖脫位術后再脫位患兒行CT掃描獲取病變部位的二維數據，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，對骨盆模型術前制定手術方案，手術規劃和模擬手術，指導手術治療，結果術中所見與虛擬三維重建圖像及3 D打印骨盆模型一致，減少了手術操作時間，手術效果更好[16]。通過3D打印技術制作與實體等大的患骨模型，為醫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，擬定個體化手術治療方案，縮短了手術時間，同時也提高手術效率機安全性，使手術更為客觀、精確。

3 展望

隨著3D打印技術在醫學上的應用和研究的不斷進步，并與骨科醫療產品相結合，可使所制備的骨缺損組織修復體和人體相接近，也可使骨組織工程支架所用材料種類、微觀結構等各方面更加接近于人體正常骨骼，使其在生理機能、力學性能，都與人體骨骼保持高度一致，有望實現個性化治療的目標。

目前在個體化人工關節置換手術的開展、在術中更貼合運用個體化接骨板、個體化骨盆修復臨床手術中等各項醫療的進步，3D打印技術均得到廣泛應用，并且隨著計算機輔助設計和制造技術的發展，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3D打印速度提高了25～100倍，還能打造出以前無法實現的幾何形狀，為醫療保健和醫藥領域、甚至汽車和航空等主要工業領域賦予了創新機遇。

3D打印技術優點甚多，但由于技術和設備上的問題，目前還沒有普遍應用。現階段3D打印對材料要求極高、很多骨科常用材料或性能優良的材料還不能直接打印，并且3D打印設備昂貴,導致個性化人工骨費用高,暫時難于普及，而且對于3D打印設備的研發也是此領域急需突破的研究熱點。雖然該技術和研究存在局限性及不足，但是隨著3D打印在各大學、研究機構和各公司大力開發支持下，這些問題在未來的發展中會逐漸解決。3D打印目前逐漸形成極具市場潛力的新興產業，不久的將來，3D打印技術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，南華大學在讀研究生，研究方向：骨科。